漫谈一种新型空天动力形式——爆震发动机（上）

“学问空天，知识未来”空天科普大赛第一季

论文编号: KT012

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作者 | 林伟

十一黄金周假期从今天开始了，往返于首都和魔都的小伙伴们有福了，因为他们出行时多了一种更为便捷的选择——拥有世界最高运营速度时速350 km/h的“复兴号”动车组(图1)。更充足的动力、更优化的外形、更低的能耗、更为安全的保障，4个半小时就把京沪线跑完，简直不能再帅了！“复兴号”开启了中国铁路技术装备史崭新的篇章。

图1 运行时速350km/h的复兴号动车组

读到这，读者朋友是不感觉跑题了？这不赶紧拉回来。在航空航天领域，今年好消息也不少：这不，天舟一号货运飞船搭乘长征七号大火箭入轨并与天宫二号实现了“太空加油”（图2），C919大飞机成功首飞（图3），12月份还将发射嫦娥五号探测器实现月球软着落以及采样返回（图4）……，更不用说还有一些未经官方认证的“你懂得”的“大杀器”们。航空航天人（这个说法貌似较少见）表示：“我们很忙的”。怒赞！

图2  天舟一号与天宫二号交会对接

图3  C919大飞机首飞

图4  嫦娥5号登月示意图

翻开世界航空航天史：从康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（图5）推导出著名“齐氏公式”，提出多级火箭的设想开始，到罗伯特·戈达德（图6）成功试验第一枚液氧/汽油作推进剂的火箭，直至土星5号月球火箭（图7）将“阿波罗”宇宙飞船送上月球轨道；从莱特兄弟制造试飞第一架有动力飞行的飞机“飞行者I号”（图8），到ME262飞机实现喷气飞行（图9）、喷气客机“哈维兰彗星”号（图10）载人营运，再到如今的第五代隐身战机J-20（图11）以及梦幻客机波音787（图12）；从SR-71“黑鸟”（图13）超音速侦察机到X43（图14）、X51（图15）系列高超音速验证机，超过5倍音速的高超声速推进技术离我们也不再遥不可及。能力者航空航天人，用科技进步诠释了老齐的那句名言：“地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里”。

图5  康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（俄）

图6  罗伯特·戈达德（美）

图7  土星5号运载火箭

图8  世界上第一架飞机（美）

图9  ME262飞机（德）

图10  第一架喷气客机“哈维兰彗星”号（英）

图11 J20隐身战斗机（中）

图12  波音787（美）

图13  SR-71“黑鸟”侦察机（美）

图14  X43高超音速飞机在试飞（美）

图15 X51A高超音速飞机（美）

先进的航空航天动力系统在当今的军事、政治和经济中发挥着重要的战略作用。强手云集的奥运会有自己竞技口号“Faster,Higher, Stronger”，在航空航天领域，更快、更高、更远、更经济环保……的目标也一直是从业者们不懈的追求。“空天推进，动力先行”。一颗功能强悍的“心脏”——发动机是实现这些目标的关键。近20年来，为了抢占空中和空间战略优势，世界航空航天大国纷纷以高超声速天地往返系统、高超声速导弹和高超声速飞机等为目标，大胆地探索推进性能更优的动力形式，形成了先进空天动力的研究热潮。

目前基于传统化学燃料的发动机仍然是主流的航空航天发动机实现形式，比如民航飞机的涡扇发动机（图16）、液体火箭发动机（图17）、用以实现高超音速飞行的超燃冲压发动机（图15下面部分）等。它们外形各异、飞行高度、速度和任务用途有别，共同点还真不多，但确实还有一个共同点：发动机内都以爆燃形式组织燃烧，从而在燃烧室内能够维持高能等压燃烧状态，持续提供稳定的推力。

图16   涡扇发动机示意图

图17  YF100液体火箭发动机（中）

这里提到了一个专业词汇“爆燃”，啥意思呢？就是以亚音速传播的燃烧波^[1]，说白了就是一种火的扩撒状态。它以数十至百米每秒以内的速度消耗着可燃物维持火的传播，燃烧过程中能量释放速度较慢。我们常见的大多数火都是这样燃着的，除了各色发动机燃烧室内的燃烧，像柴火（图18）、烛火（图19）等等，都是爆燃。可能“爆燃”听起来有点吓人,它还有个别称“缓燃”，听上去似乎更平易近人些。

图18  柴火的爆燃

图19  蜡烛的爆燃

与“爆燃”对应，还有一种叫做“爆震”的燃烧组织形式。爆震是一道激波与燃烧面的耦合^[1]（图20），就简单理解为在缓燃火焰前贴身加了一道强激波吧。因为有了这道激波的压缩、升温等作用，这种形式的火烧的有点猛，火焰传播速度能到数千米每秒，能量释放速率非常快，压力峰值达到上百个大气压。因为过于猛烈和迅速，就像是在密闭刚性容器里瞬间发生的爆炸燃烧一样，还没反应过来就烧完了。

图20  具有三波结构的爆震波示意图

以前，人们更多的是在灾害预防等领域关注爆震，比如2013年黄岛油气管道爆炸（图21）、2015年台湾彩虹跑粉尘爆炸（图22）等，都有爆震（云雾爆震、两相爆震）的影子；在炸药领域，凝聚态燃料的爆炸初期（图23），也是以爆震的形式燃烧。所以爆震真的是dangerous!但相比较爆燃来说，理论上，爆震燃烧是一个具有自增压特点，具有更高的热循环效率（图24）和热释放速率^[1]，那么同样条件下，做功能力可能就更强！所以虽然危险点，但以爆震组织燃烧的发动机还是很有诱人的。

图21  炸药爆炸形成的火焰及冲击波

图22  燃气管道爆炸

图23  弥漫着可燃粉尘的彩虹跑

图24  布雷顿（爆燃）循环和爆震循环的P-v图（压比分别为2和10）^[2]

关于爆震发动机的具体研究情况，咱们下次再谈。

参考文献

1. Lee JHS. Detonation Phenomenon [M]. New York: Cambridge University Press. 2008 

2. 林伟. 连续旋转爆震波传播机理、工作特性及其在推进中的应用研究 [D]. 长沙：国防科技大学，博士学位论文，2015.05

关于“学问空天，知识未来”空天科普大赛

 

“学问空天，知识未来”空天科普大赛为有奖科普作品大赛，由《未来空天》和《问空天》微信公众号共同发起主办，《无人机》、《天仪SPACETY》、《语宙》、《航天爱好者》、《HorizonX》、《凯思拓探索》、《风洞之家》、《5S微空天》、《看空天》、《湖南省宇航学会》等微信公众号合作协办。大赛得到陕西省宇航学会全力资助，同时获得长沙天仪空间科技研究院有限公司、北京九天微星科技发展有限公司等的大力支持。大赛设一等奖1名，二等奖4名，优胜奖10名。一等奖2000元，二等奖1000元，优胜奖价值200元礼品。同时，各奖项颁发印制精美的大赛奖牌。

 

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FutureAerospace@163.com（未来空天）

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