動力和可控之間的權(quán)衡？

摘要：火箭發(fā)射成本中最大的一筆支出就是推進劑的費用。為此，華盛頓大學的研究人員最近開發(fā)了一種新型發(fā)射機制：旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的數(shù)學模型。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機采用不同的方式燃燒推進劑。它由同心圓柱體組成。推進劑在圓柱體之間的間隙中流動，點燃后迅速釋放熱量形成沖擊波，產(chǎn)生強烈的氣體脈沖，有著高溫和高壓，其移動速度比聲速還快。但這類設(shè)計最大的缺點就是其不可預測性。

在如今這個太空探索的時代，“成本效益”是很重要的。通過降低每次發(fā)射所需的有關(guān)成本，航天局和私人航空航天公司(又被叫做“新空間”)能夠確保人類更多地進入太空。

（圖解：火箭發(fā)射。圖源：wikipedia）

對于發(fā)射成本而言，最大的一筆支出就是推進劑的費用。簡單來說，脫離地球引力需要很多火箭燃料!

為了解決這一問題，華盛頓大學的研究人員最近開發(fā)了一種新型發(fā)射機制——旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(RDE)的數(shù)學模型。

它的輕量化設(shè)計使得燃料效率更高，同時制造過程也沒有那么復雜。然而，這種設(shè)計卻帶來一個極大的不足，那就是很高的難以預測性，以至于當前不能馬上投入使用。

期刊《物理評論E》(《Physical Review E》)最近發(fā)表了他們的研究，標題為：《鎖模旋轉(zhuǎn)爆震波：實驗和模型方程》。

該研究團隊由華盛頓大學航空航天專業(yè)博士生詹姆斯?科赫（James Koch）領(lǐng)導，成員還包括華盛頓大學航空航天專業(yè)教授黑坂滿（Mitsuru Kurosaka）和卡爾?諾倫（Carl Knowlen）以及華盛頓大學應用數(shù)學專業(yè)教授J?內(nèi)森?庫茨（J. Nathan Kutz）。

在傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機中，推進劑在燃燒室中燃燒，然后通過噴管從尾部排出，從而產(chǎn)生推力。

（圖解：火箭的推力是壓力作用在燃燒室和噴管，由于反作用力產(chǎn)生的結(jié)果。圖源：wikipedia）

（圖解：由于燃燒室無反壓力，發(fā)動機犧牲了部分推力。圖源：wikipedia）

而旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的工作原理與傳統(tǒng)的并不相同?？坪赵谌A盛頓大學新聞發(fā)布會上介紹道：

“旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機采用不同的方式來燃燒推進劑。它由同心圓柱體組成。推進劑在圓柱體氣缸之間的空隙中流動，點燃后迅速釋放的熱量會形成沖擊波。這種強烈氣體脈沖伴隨著更高的壓力和溫度，且移動速度比聲速還快?！?/p>

由來自華盛頓大學的團隊開發(fā)的實驗性旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機。 (詹姆斯?科赫(James Koch) /華盛頓大學)

然后他們用高速攝像機記錄了燃燒過程(每次僅需0.5秒)。攝像機以每秒24萬幀的速度記錄了每次點火，研究團隊可以借此以慢動作觀察燃燒反應的展開。

科赫表示，他與他的同事都認為這種發(fā)動機運作良好。

“這個燃燒過程實際上是一種爆炸，但在最開始的啟動階段之后，我們看到了一些穩(wěn)定的燃燒脈沖形成，它們繼續(xù)消耗著可用的推進劑。這就產(chǎn)生了高壓和高溫，推動發(fā)動機尾部的廢氣高速排出，從而產(chǎn)生推力?！?/p>

（圖解：空氣從旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的進口進入，通過隔離器時與連續(xù)、循環(huán)注入并在爆震環(huán)處被點燃的燃料混合。爆震波陣面概念圖用紅色表示。圖源：aviationweek）

隨后，研究人員開發(fā)了一個數(shù)學模型來模擬他們在實驗中所觀察到的情況。這一模型是同類模型中的第一個，研究團隊通過它首次確定了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機是否穩(wěn)定。

雖然這個模型還沒有準備好供其他工程師使用，但它可以讓其他研究團隊來評估特定的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的性能。

正如前文所說，該發(fā)動機的設(shè)計有一個缺點，那就是它的不可預測性。一方面，燃燒-驅(qū)動沖擊的過程會自然導致沖擊被燃燒室壓縮，從而產(chǎn)生推力。

另一方面，爆炸一旦開始，整個過程猛烈且不受控制。對于火箭來說，這一點是完全不被允許的。

但科赫解釋說，這項研究還是成功的，因為它對發(fā)動機的設(shè)計進行了測試，并且定量測量了其性能。這是良好開端的第一步，有助于為旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的實際開發(fā)和真正實現(xiàn)做好準備。

科赫表示：“當前的目標僅僅是重現(xiàn)我們所觀察到的脈沖行為，以確保模型輸出和我們的實驗結(jié)果接近。”

“我已經(jīng)確認了主要的物理現(xiàn)象以及它們之間是如何相互作用的?，F(xiàn)在我可以將所得到的結(jié)果進行量化，然后我們就可以再來談論如何使發(fā)動機變得更好的問題?！?/p>

科赫和他的同事能夠進行此次研究要感謝美國空軍科學研究辦公室和海軍研究辦公室的資助。

雖然現(xiàn)在下結(jié)論還為時過早，但這項研究的影響可能十分深遠，會使得之后的火箭發(fā)動機更容易生產(chǎn)，成本效益也更高?，F(xiàn)在所需要做的就是確保發(fā)動機設(shè)計本身是安全可靠的。

BY:?MATT WILLIAMS, UNIVERSE TODAY

FY:?何者

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