高超音速領域的每一個進展都會引起全球關注，因為目前全球還沒有一個國家能以革命性的高超音速發(fā)動機推動大型飛行器前進，這個級別的發(fā)動機一旦成熟并商業(yè)化，那么人類最偉大的時代或將出現(xiàn)，數(shù)小時內洲際旅行，甚至低成本進入太空都將一一突破！
印媒《歐亞時報》報道了一項中國在高超音速領域的進展，讓人有些驚訝的是突破的方向實在目前最前沿的旋轉爆震發(fā)動機，而燃料卻是最難在航空發(fā)動機中應用的煤粉！
煤粉混乙烯：解決爆震問題！
《歐亞時報》報道稱，通過使用燃燒乙烯和煤粉混合物的吸氣式發(fā)動機，可以顯著降低商業(yè)高超音速飛行的成本。南京科技大學瞬態(tài)物理國家重點實驗室翁春生教授領導的研究小組表示：“煤粉的高能量密度、安全性和低廉的價格使其在用作發(fā)動機燃料時具有獨特的優(yōu)勢?！?/p>
煤粉怎么就成了飛機發(fā)動機的燃料？
筆者的第一反應也是相當驚訝，煤粉這種固體燃料怎么用到了飛機的發(fā)動機上？這還真不是吹牛，而是發(fā)表在《Acta Armamentarii》（兵工科技）上的一篇論文，作者是南京理工大學瞬態(tài)物理國家重點實驗室的翁春生教授。
對于他的名字大家可能比較陌生，但教授在高超音速領域可是享譽國內外，他是南理工彈道國防科技重點實驗室副主任，博士生導師，任職于瞬態(tài)物理國家重點實驗室，其研究方向包括高超聲速飛行器動力技術、聲波探測技術和水下沖壓發(fā)動機技術。其中高超聲速飛行器動力技術主要涉及研究馬赫數(shù)大于5的高超聲速空天飛行器發(fā)動機技術。
翁春生教授
《乙烯對煤粉-氧氣爆轟波起爆特性影響機制的實驗研究》論文給大家展現(xiàn)了一個完全不一樣的瞬態(tài)爆轟過程，而且這個粉末連續(xù)爆轟過程很穩(wěn)定。
煤粉這種高密度、高能量、高安全性以及低廉價格的特性與現(xiàn)代最先進的高效率爆震發(fā)動機結合成為近些年來連續(xù)旋轉爆震發(fā)動機熱門的研究對象，此前Bykovskii使用連續(xù)爆震燃燒室通過混合氫氣的方式將煤粉噴射入爆震燃燒室，獲得了1.6~1.8千米/秒的連續(xù)旋轉爆轟波，氫氣的加入量最低可以低至2.3%，這是一種非常有潛力的應用。
但仍然存在點燃困難以及未來實際應用時氫氣不好儲存等問題，翁春生教授領導的研究小組使用了乙烯這種容易保存且價格非常低廉的氣體，但仍然存在氣固兩相起爆原理復雜等問題，研究人員在等容燃燒的環(huán)境中對這兩種燃料的混合爆轟展開了大量研究。
結果發(fā)現(xiàn)爆轟波會讓煤粉在熱應力的作用下將顆粒粉碎得更細，顆粒表面積增加，在整個燃燒階段燃燒速度會持續(xù)上升，更有利于建立煤塵懸浮液的精細爆轟結構模型。在本研究中，團隊使用了400mm的高壓密閉容器內，采用乙烯作為助爆氣體，分別在有無乙烯條件下煤粉-氧氣混合物內進行點火起爆實驗，成功揭示了在煤粉爆轟發(fā)動機中助爆氣體對發(fā)動機點火起爆過程的作用機制，并為煤粉爆轟發(fā)動機點火起爆奠定理論基礎。
團隊在測試環(huán)境中獲得了穩(wěn)定的爆轟波，測得的爆轟波速度為1.799千米/秒，這個是典型的粉塵爆炸的爆轟波傳播速度范圍（TNT炸藥爆轟波速度可達7千米/秒左右），在這里必須要說明下為何要研究爆震發(fā)動機，畢竟渦輪噴氣和渦輪風扇這種噴氣式發(fā)動機已經(jīng)非常成熟了。
等壓燃燒與等容燃燒
在介紹爆震發(fā)動機時必定會提及一個等壓燃燒與等容燃燒的概念，一句話解釋就是等壓燃燒還是火焰燃燒，而等容燃燒就是爆炸，兩者的區(qū)別是等壓燃燒的燃料顆粒間燃燒傳播速度不一樣，等壓燃燒船舶是亞音速，而等容燃燒速度是超音速，比如上文的爆轟波速度可達1.8千米/秒。
爆轟波
這個速度與發(fā)動機排氣速度有很大的關系，對于噴氣式發(fā)動機，盡管燃燒傳播速度沒過音速，但仍然可以通過尾噴管的形狀，在收斂階段超過音速，比如噴氣式發(fā)動機的馬赫環(huán)，它是這樣形成的：
超音速飛行的飛機發(fā)動機噴嘴都是收斂-擴張型，噴出的氣體在收斂段由亞音速加速至音速。從最窄處到噴嘴為擴張段，這一段氣流會被加速至超音速，火箭發(fā)動機的噴氣速度為數(shù)倍音速，這些高溫氣體高速噴出時，由于噴管形狀產(chǎn)生的激波形成波峰波谷，造成一明一暗間隔的現(xiàn)象。
要想讓排氣速度超過音速，要么改變噴管形狀，要么不斷增加噴管前燃燒室內的壓力，也就是噴入更多的燃料，以維持壓力，這就是等壓燃燒。而以超音速燃燒的爆轟燃燒則不一樣，它的爆轟波速度基本是固定的，也就是處在爆轟狀態(tài)，這就是等容燃燒（相當于固定大小空間的爆炸），這種方式天生的排氣速度就達到了音速的5~6倍左右。
排氣速度與飛行速度無關，但與燃料消耗率有關
發(fā)動機的排氣速度和飛行器的最終速度并沒有直接關系，比如火箭的排氣速度可達1.7千米/秒，但它加速的飛船可以超過第二宇宙速度甚至第三宇宙速度飛出太陽系，只是火箭有個毛病，它需要大量燃料不斷燃燒排氣獲得累積加速。
提高飛行器速度的解決辦法，除了大量燃料外，還可以提高發(fā)動機的排氣速度，比如離子電推的排氣速度可達10千米/秒，這種提高排氣速度來增加燃料利用率的方式也可以理解為提高了發(fā)動機的比沖。
這個比沖的意思就是火箭發(fā)動機單位重量的推進劑產(chǎn)生的沖量，當然排氣速度越高，這個數(shù)字就越大，一般液體火箭的450秒只有氫氧發(fā)動機才能達到，如果是煤油機，350秒左右就已經(jīng)相當不錯了，普通的肼類燃料連300秒都不到。
爆震發(fā)動機的比沖大約是渦輪風扇發(fā)動機的1.5~2倍，這種發(fā)動機一旦投入使用，那么它的燃料利用率將會達到極致，裝載同等燃料的飛行器航程將會是目前的2倍，成本會大幅度降低，當然全球各國看中的還是它在高超音速領域的應用。
旋轉爆震發(fā)動機：到底是個什么鬼？
上文已經(jīng)說明了爆震發(fā)動機的原理，它是利用燃料與空氣混合引爆后以爆轟波向尾噴口擴散來作為推進，前文也說明了這種方式比較節(jié)省燃料，因為它可以工作貧燃狀態(tài)，并且這種發(fā)動機結構非常簡單，就目前而言主要有幾種機構方式：
- 1、多管爆震（PDE）；
- 2、旋轉爆震（RDE）；
- 3、斜激波爆震（ODE）；
多管爆震是多根爆震管并聯(lián)，以一定的頻率運行的爆震發(fā)動機，因為爆震發(fā)動機盡管有燃料利用率高的優(yōu)勢，但如果頻率太低，無法形成連續(xù)推力，那么這種發(fā)動機只能說數(shù)據(jù)很好但卻無法實用，因此要多管并聯(lián)形成高頻連續(xù)推力。
多管共噴管爆震發(fā)動機
這個所謂的高頻至少也得50~80HZ左右，當然管數(shù)越多、頻率越高則推重比和推力都會增加，因此多管并聯(lián)就成了趨勢。這種多管爆震發(fā)動機的缺點是需要連續(xù)點火，當然其優(yōu)勢是可以搭配多種結構，其一是可以自吸氣與火箭混用：
- 自吸氣式PDE
- 火箭式PDE
PDE可以在零速度下啟動，到達高空高速后再啟動火箭模式，無縫切換，發(fā)動機只需一臺就能完成從地面起飛到近地軌道，空天飛機的理想動力。而另一種優(yōu)勢則是它可以搭配目前的發(fā)動機改善推重比：
- 渦扇外涵道使用PDE；
- 渦噴的加力燃燒室用PDE；
這種工況將大幅改善目前發(fā)動機的推重比，也是PDE的一個重要應用，還有則是和沖壓發(fā)動機以及超燃沖壓發(fā)動機或者火箭等形成組合動力，類似于RBCC或者TBCC以及TRRE一類組合動力的應用。
渦扇發(fā)動機外涵道多管爆震
關于PDE的研究全球多國均有涉入，比如NASA將PDE列為革命性發(fā)動機加以大力發(fā)展，DARPA以及美國空軍、海軍也都制訂了相應計劃支持各研究機構和公司開展PDE研究，海軍研究局（ONR）與眾多大學開展了PDE的多學科研究創(chuàng)新計劃（MURI）。
日本和俄羅斯也同樣投入資金予以研究，我國也不落后，西北工業(yè)大學、空軍工程大學、南京航空航天大學、航天科工31所、中科院力學所、南京理工大學等都有相關研究項目，到目前為止，各國的PDE仍然沒有達到實用化的程度。
旋轉爆震發(fā)動機RDE
這個結構和PDE其實有些相似，不過這個燃燒室是一個環(huán)形，相互之間不隔離，以一定頻率環(huán)形燃燒，一次點火后會產(chǎn)生一個或多個爆震波在燃燒室頭部旋轉傳播，燃燒產(chǎn)物從另一端高速排出，從而產(chǎn)生推力。
旋轉爆震發(fā)動機是目前最有前途的應用方向，它避免了高頻重復起爆的問題，并且RDE是爆震循環(huán)，和PDE類似，它可以工作在火箭以及沖壓模式下，也可以和壓氣機的渦輪配合，形成零速度啟動的工況，并且還可以使渦輪壓氣機從近10級壓氣機減為3-4級，減輕重量，提高推重比，甚至比PDE還要有優(yōu)勢。
從PDE和RDE的原理來看，兩者都是涵蓋航空到航天領域的，目前的渦扇發(fā)動機過于復雜，造價極高，假如未來能用結構極其簡單的PDE或者RDE來代替的話，那么飛行器的成本將會大幅下降（發(fā)動機甚至占到飛機總成本的一半），相信運營成本也會大幅下降，以后的飛機票價真要比高鐵票價便宜得多，而且由于成本降低，座位也不會那么擁擠，舒適度也會大幅提高。
相對于PDE的研究稍稍落后于各國，但ODE卻基本與全球持平，國內多個高校發(fā)揮其理論分析和基礎研究的優(yōu)勢，在爆震機理研究方面，開展了大量的基礎研究，部分研究領域處于世界領先地位。2021年1月24日，清華航天公開測試的就是一種旋轉爆震發(fā)動機。
斜激波爆震發(fā)動機ODE
這種發(fā)動機和超燃沖壓發(fā)動機很相似，它的原理是利用超音速的激波在燃燒室前混入燃料，在燃燒內點燃爆震，只是這種爆震模式的啟動條件比較極端，目前測試過的只有中國的姜宗林團隊。
但斜激波爆震發(fā)動機的應用非常誘人，當然就如上文所述，測試太困難，此前曾報道因為難以實現(xiàn)，全球進展寥寥，只有姜宗林高超音速團隊仍然在持續(xù)跟進。
高超音速領域除了爆震類發(fā)動機外還有超燃沖壓發(fā)動機，這種類型的發(fā)動機燃燒有些類似與爆轟燃燒，否則超音速燃燒室的燃燒速度根本趕不上氣流穿過的速度。超燃沖壓發(fā)動機的優(yōu)勢是相當明顯的，只是它無法自持啟動，所以只能和渦輪或者火箭等搭配形成組合動力。
但這些發(fā)動機除了液體燃料外就是氣體（氫燃料）等，以固體的煤粉作為燃料的確實有些大跌眼鏡，盡管其單位質量比碳氫燃料要小，但優(yōu)勢是密度是碳氫燃料的2倍以上。而且成本則相差更大，因此翁春生教授領導的研究也是開啟了一個新的思路。（完）
