美媒1945上有一篇關(guān)于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的安利文，提出了一個(gè)觀點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)才是未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)理想的動(dòng)力，它從零速度啟動(dòng)到高超音速無(wú)縫切換，比目前任何一種發(fā)動(dòng)機(jī)都要優(yōu)秀！那么果真如美媒所認(rèn)為的那樣嗎？
美媒1945上的這篇文章表示，爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的提出和研發(fā)已經(jīng)很久了，但一直沒(méi)有進(jìn)入實(shí)用階段，但近些年來(lái)在旋轉(zhuǎn)爆震上的突破，有希望讓這種動(dòng)力成為下一代戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力！
爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，和普通發(fā)動(dòng)機(jī)到底有什么不一樣？
爆震發(fā)動(dòng)機(jī)最早可以追溯至1950年代密歇根大學(xué)航空航天工程名譽(yù)教授 Arthur Nicholls的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)理論，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的原理是與常規(guī)的燃燒不一樣，在爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)發(fā)生的過(guò)程是爆炸。
燃燒和爆炸都是氧化劑和燃料發(fā)生了反應(yīng)，但兩種化學(xué)反應(yīng)的速度卻不一樣，普通的燃燒是一個(gè)緩慢的過(guò)程，而在噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒則比較快，但燃料顆粒間傳播速度仍然低于音速，從一般意義上來(lái)看，燃燒室的尺度基本只有幾十厘米的尺度，即使小于音速也是瞬間完成的。
但爆炸卻不是這個(gè)概念，因?yàn)楸ǖ谋Z波速度是超音速的，比如燃?xì)獗ǖ谋Z波速度可以輕松超過(guò)1400米/秒，大約是音速的4倍以上，因此在爆震發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的“燃燒”過(guò)程傳播過(guò)程相當(dāng)快。
這也引出了兩個(gè)完全不同的概念，等壓燃燒和等容燃燒，噴氣式或者火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)都是屬于等壓燃燒，什么概念呢？它會(huì)自動(dòng)維持一定的壓力，如果燃燒室壓力太高，那么就會(huì)從尾噴口排出以維持大致恒定的壓力。
因此火箭發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有一個(gè)收縮的喉部，以維持較高的壓力，這會(huì)讓亞音速燃燒的燃燒室仍然可以排出超音速的氣流，這個(gè)從擴(kuò)散的發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的馬赫環(huán)就可以看出，各位注意下加力起飛的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰即可看到。
而爆震燃燒則是等容燃燒，即使在開放空間內(nèi)爆轟波仍然會(huì)以超音速傳遞，壓力并不會(huì)在開放空間中降低，因此可以近似看成是等容燃燒（爆炸），速度天生就是超音速的，因此它要比常規(guī)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)要優(yōu)秀的多！
并且火箭的燃燒和爆震燃燒的燃料混合比完全不一樣，我們以常見的氧乙炔火焰的混合比為例，一般氣割時(shí)的高溫藍(lán)白色火焰的氧氣與乙炔氣體混合比大于1.2，也就是乙炔濃度大約為46%左右（請(qǐng)注意，此時(shí)還是富氧燃燒，乙炔濃度是不足的），但爆炸濃度范圍卻在2.3%-72.3%之間。
簡(jiǎn)單地理解就是維持爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作的乙炔消耗比例最低可低至維持火箭式燃燒濃度的5%，當(dāng)然實(shí)際可能會(huì)大一些，但爆炸過(guò)程要比燃燒過(guò)程的燃料要節(jié)省得多這是肯定的事實(shí)。這個(gè)原理也讓爆震發(fā)動(dòng)機(jī)更“省油”。
旋轉(zhuǎn)爆震：比多管爆震要更優(yōu)秀
如此優(yōu)秀的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，為什么還不普及呢？原因其實(shí)也很簡(jiǎn)單，爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料效率雖然很高，但推重比太差，這個(gè)參數(shù)受到爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的“爆炸”頻率影響，而一般的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火速度受到爆震循環(huán)過(guò)程的影響。
爆震發(fā)動(dòng)機(jī)其實(shí)和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)有些類似，兩者都是爆炸驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，比如一臺(tái)家用轎車級(jí)4缸活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速大約是4000轉(zhuǎn)/分左右，按四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)2轉(zhuǎn)一次一個(gè)爆炸循環(huán)，那么總共有2000次爆炸過(guò)程，按四個(gè)氣缸，每個(gè)氣缸工作500次，一分鐘60秒，每秒8次多一點(diǎn)！
也就是說(shuō)像活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)這種有強(qiáng)迫吸氣和排氣過(guò)程的發(fā)動(dòng)機(jī)，爆炸頻率極限大約是8HZ，當(dāng)然賽車級(jí)別會(huì)更高，就算它增加2.5倍也只有20次，而脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的門檻是80HZ，越高推重比越大，內(nèi)燃機(jī)有氣缸強(qiáng)迫吸氣排氣，而脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)則是自然吸氣排氣。因此爆震發(fā)動(dòng)機(jī)最麻煩的就是提高頻率，不過(guò)也不是沒(méi)有辦法，有如下幾個(gè)辦法可以解決：
1、多管爆震發(fā)動(dòng)機(jī)；
2、旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)；
多管爆震就是單管爆震頻率不夠，那么多湊幾根爆震管，以達(dá)到更高爆震頻率的可能，目前已經(jīng)用多管爆震可以達(dá)到80HZ的頻率，但很可惜的是這只是達(dá)到了爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的門檻而已，雖然有飛行器已經(jīng)使用多管爆震發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力并且經(jīng)過(guò)飛行測(cè)試，但推重比仍然不足。
另一種就是旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，多管爆震雖然增加管子可以提高頻率，但每根管子都是死重，而且需要高頻點(diǎn)火，而旋轉(zhuǎn)爆震則是一個(gè)環(huán)形燃燒室，使用爆轟波的環(huán)形傳播在環(huán)形燃燒室內(nèi)出現(xiàn)螺旋形的起爆過(guò)程，它這個(gè)頻率受到環(huán)形燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響，頻率要比多管爆震發(fā)動(dòng)機(jī)要高很多。
旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的特性非常優(yōu)秀，目前已經(jīng)達(dá)到了部分商用化的要求，但應(yīng)用面還局限在作為小型航空器的動(dòng)力，比如無(wú)人機(jī)等，之后很有可能會(huì)延伸到巡航導(dǎo)彈這類武器上，未來(lái)大型、穩(wěn)定動(dòng)力后才可能擴(kuò)展到載人飛行器上。
另外爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)方向則是與現(xiàn)代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合，比如在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵道布置多管爆震或者旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，大幅度提高推重比，與渦扇組合式爆震發(fā)動(dòng)機(jī)也是當(dāng)前研究的重要方向。
對(duì)于飛行器的動(dòng)力，全球各國(guó)突破的重要方向是高超音速吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，就現(xiàn)在掌握的技術(shù)而言，除了火箭以外，主要集中在如下幾個(gè)研究方向：
1、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；
2、變循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；
3、旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)；
這三種發(fā)動(dòng)機(jī)都可以達(dá)到高超音速，但三種發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)卻又是迥異的，只能從幾個(gè)維度來(lái)對(duì)比下：
1、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度；
2、零速度啟動(dòng)性能；
3、可以達(dá)到的最高速度；
4、是否可以切換到火箭模式（大氣層外工作）；
5、節(jié)省燃料角度考慮；
從結(jié)構(gòu)復(fù)雜度來(lái)看，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單，兩者都沒(méi)啥運(yùn)動(dòng)部件或者只有很少的運(yùn)動(dòng)部件。變循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（類似于英國(guó)佩刀式預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的類型）結(jié)構(gòu)是最復(fù)雜的，它包括冷卻組件、渦輪機(jī)組件、燃?xì)鉁u輪、冷卻劑壓縮機(jī)以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，變循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最復(fù)雜。
零速度啟動(dòng)方面，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法做到，因?yàn)檫@種發(fā)動(dòng)機(jī)需要在4~5倍音速下才能點(diǎn)燃，因此它的零速度啟動(dòng)性能是最差的，只能和渦輪機(jī)組合的TBCC模式或者火箭組合RBCC等模式。
變循環(huán)火箭與旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)均可在一定外圍部件的輔助下零速度啟動(dòng)，對(duì)于載機(jī)來(lái)說(shuō)，一種發(fā)動(dòng)機(jī)肯定要比多種組合式發(fā)動(dòng)機(jī)要便于維護(hù)，在這個(gè)條件下，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)完敗。
可以達(dá)到最高速度方面，爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可能要略差一些，據(jù)目前的資料，它的速度很可能無(wú)法超過(guò)5~7馬赫（1馬赫為1倍音速），而超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)用碳?xì)淙剂蠒r(shí)的極限在7馬赫左右，用氫燃料則可達(dá)10馬赫以上。
變循環(huán)火箭則基本沒(méi)有限制，因?yàn)樗梢怨ぷ髟谕耆鸺Ｊ较拢材茉诖髿鈱油夤ぷ?，這種發(fā)動(dòng)機(jī)在跨大氣層工作時(shí)最有優(yōu)勢(shì)。
旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)也可以工作在火箭模式下，但由于其燃燒室結(jié)構(gòu)問(wèn)題，其推重比與流量無(wú)法和變循環(huán)火箭相比，在這個(gè)條件下，變循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)要更優(yōu)秀一些。
最后比拼的是省油性能，上文已經(jīng)說(shuō)明了，等壓燃燒的火箭和常規(guī)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法和爆震燃燒的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這種發(fā)動(dòng)機(jī)是天生省油。
美媒1945上的報(bào)道其實(shí)說(shuō)得很簡(jiǎn)單，大致提及了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)很優(yōu)秀，本文擴(kuò)充了很多內(nèi)容做了大致比較，基本上可以確認(rèn)一點(diǎn)，變循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可以跨越大氣層使用，非常優(yōu)秀，但結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)速度不錯(cuò)，就是無(wú)法零速度啟動(dòng)，而且只能在大氣層內(nèi)使用，而旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)則介于兩者之間，作為未來(lái)的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，確實(shí)還是有潛力的，特別是和其他類型的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)組合時(shí)更有前途。
這種發(fā)動(dòng)機(jī)有點(diǎn)打破常規(guī)，前面看是臺(tái)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，后面看卻是臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)！而它確實(shí)是兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的組合，基本組成大概有如下部分：可調(diào)式（火箭模式下可關(guān)閉）的進(jìn)氣道、熱交換器、空氣壓縮渦輪機(jī)、預(yù)燃渦輪機(jī)、氦氣壓縮機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
主要工作原理：將吸入的氣流冷卻減小體積后再經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)壓縮進(jìn)入火箭燃燒室作為氧化劑，與進(jìn)入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料燃燒從尾噴管排出提供動(dòng)力，需要冷卻是因?yàn)榭諝鈮嚎s后會(huì)受熱膨脹，會(huì)嚴(yán)重降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率，因此冷卻空氣是這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的步驟。
氦氣冷卻壓縮過(guò)程：火箭核心的預(yù)燃室渦輪泵啟動(dòng)，為氦氣壓縮機(jī)提供動(dòng)力，這些氦氣經(jīng)過(guò)壓縮后回到熱交換器，為進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流降溫；
渦輪機(jī)壓縮過(guò)程：火箭核心的預(yù)燃室渦輪泵啟動(dòng)，同時(shí)為渦輪機(jī)提供動(dòng)力，這對(duì)冷卻后的空氣二次壓縮，將高壓氣體注入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室作為氧化劑。
低空吸氣工作過(guò)程：火箭的預(yù)燃渦輪啟動(dòng)，帶動(dòng)渦輪機(jī)吸入空氣，同時(shí)啟動(dòng)壓縮機(jī)，開始將吸入空氣冷卻后再壓縮送入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與混入的燃料點(diǎn)燃從尾噴口排出，提供強(qiáng)大的推力
高空火箭工作過(guò)程：到30~40千米高度后，大氣層中含氧量不足以支持燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口關(guān)閉，渦輪機(jī)停止，預(yù)燃室?guī)?dòng)的渦輪泵全力泵入燃料和氧化劑，發(fā)動(dòng)機(jī)處在純火箭模式狀態(tài)。
它是空天飛機(jī)的理想動(dòng)力，不過(guò)它卻不適合作為戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)體積很難縮小，無(wú)法塞進(jìn)目前的戰(zhàn)斗機(jī)中，并且必須使用低溫燃料，這個(gè)對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)說(shuō)難度太高。
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