高超音速領(lǐng)域的每一個(gè)進(jìn)展都會(huì)引起全球關(guān)注，因?yàn)槟壳叭蜻€沒有一個(gè)國家能以革命性的高超音速發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)大型飛行器前進(jìn)，這個(gè)級(jí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)一旦成熟并商業(yè)化，那么人類最偉大的時(shí)代或?qū)⒊霈F(xiàn)，數(shù)小時(shí)內(nèi)洲際旅行，甚至低成本進(jìn)入太空都將一一突破！

印媒《歐亞時(shí)報(bào)》報(bào)道了一項(xiàng)中國在高超音速領(lǐng)域的進(jìn)展，讓人有些驚訝的是突破的方向?qū)嵲谀壳白钋把氐男D(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，而燃料卻是最難在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的煤粉！

煤粉混乙烯：解決爆震問題！

《歐亞時(shí)報(bào)》報(bào)道稱，通過使用燃燒乙烯和煤粉混合物的吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，可以顯著降低商業(yè)高超音速飛行的成本。南京科技大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室翁春生教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組表示：“煤粉的高能量密度、安全性和低廉的價(jià)格使其在用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

煤粉怎么就成了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料？

筆者的第一反應(yīng)也是相當(dāng)驚訝，煤粉這種固體燃料怎么用到了飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的翁春生教授。

對(duì)于他的名字大家可能比較陌生，但教授在高超音速領(lǐng)域可是享譽(yù)國內(nèi)外，他是南理工彈道國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，博士生導(dǎo)師，任職于瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，其研究方向包括高超聲速飛行器動(dòng)力技術(shù)、聲波探測(cè)技術(shù)和水下沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。其中高超聲速飛行器動(dòng)力技術(shù)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(dòng)機(jī)技術(shù)。

翁春生教授

《乙烯對(duì)煤粉-氧氣爆轟波起爆特性影響機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究》論文給大家展現(xiàn)了一個(gè)完全不一樣的瞬態(tài)爆轟過程，而且這個(gè)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(jià)格的特性與現(xiàn)代最先進(jìn)的高效率爆震發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合成為近些年來連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)熱門的研究對(duì)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(zhuǎn)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(yīng)用。

但仍然存在點(diǎn)燃困難以及未來實(shí)際應(yīng)用時(shí)氫氣不好儲(chǔ)存等問題，翁春生教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用了乙烯這種容易保存且價(jià)格非常低廉的氣體，但仍然存在氣固兩相起爆原理復(fù)雜等問題，研究人員在等容燃燒的環(huán)境中對(duì)這兩種燃料的混合爆轟展開了大量研究。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)爆轟波會(huì)讓煤粉在熱應(yīng)力的作用下將顆粒粉碎得更細(xì)，顆粒表面積增加，在整個(gè)燃燒階段燃燒速度會(huì)持續(xù)上升，更有利于建立煤塵懸浮液的精細(xì)爆轟結(jié)構(gòu)模型。在本研究中，團(tuán)隊(duì)使用了400mm的高壓密閉容器內(nèi)，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(nèi)進(jìn)行點(diǎn)火起爆實(shí)驗(yàn)，成功揭示了在煤粉爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中助爆氣體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起爆過程的作用機(jī)制，并為煤粉爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起爆奠定理論基礎(chǔ)。

團(tuán)隊(duì)在測(cè)試環(huán)境中獲得了穩(wěn)定的爆轟波，測(cè)得的爆轟波速度為1.799千米/秒，這個(gè)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(dá)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(dòng)機(jī)，畢竟渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇這種噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)時(shí)必定會(huì)提及一個(gè)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(dá)1.8千米/秒。

爆轟波

這個(gè)速度與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣速度有很大的關(guān)系，對(duì)于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)的馬赫環(huán)，它是這樣形成的：

超音速飛行的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴都是收斂-擴(kuò)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(kuò)張段，這一段氣流會(huì)被加速至超音速，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度為數(shù)倍音速，這些高溫氣體高速噴出時(shí)，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(nèi)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(dāng)于固定大小空間的爆炸），這種方式天生的排氣速度就達(dá)到了音速的5~6倍左右。

排氣速度與飛行速度無關(guān)，但與燃料消耗率有關(guān)

發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣速度和飛行器的最終速度并沒有直接關(guān)系，比如火箭的排氣速度可達(dá)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(gè)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(dòng)機(jī)的排氣速度，比如離子電推的排氣速度可達(dá)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(dòng)機(jī)的比沖。

這個(gè)比沖的意思就是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量，當(dāng)然排氣速度越高，這個(gè)數(shù)字就越大，一般液體火箭的450秒只有氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)才能達(dá)到，如果是煤油機(jī)，350秒左右就已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了，普通的肼類燃料連300秒都不到。

爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖大約是渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的1.5~2倍，這種發(fā)動(dòng)機(jī)一旦投入使用，那么它的燃料利用率將會(huì)達(dá)到極致，裝載同等燃料的飛行器航程將會(huì)是目前的2倍，成本會(huì)大幅度降低，當(dāng)然全球各國看中的還是它在高超音速領(lǐng)域的應(yīng)用。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)：到底是個(gè)什么鬼？

上文已經(jīng)說明了爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)散來作為推進(jìn)，前文也說明了這種方式比較節(jié)省燃料，因?yàn)樗梢怨ぷ髫毴紶顟B(tài)，并且這種發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，就目前而言主要有幾種機(jī)構(gòu)方式：

• 1、多管爆震（PDE）；
• 2、旋轉(zhuǎn)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(yùn)行的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)楸鸢l(fā)動(dòng)機(jī)盡管有燃料利用率高的優(yōu)勢(shì)，但如果頻率太低，無法形成連續(xù)推力，那么這種發(fā)動(dòng)機(jī)只能說數(shù)據(jù)很好但卻無法實(shí)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(dòng)機(jī)

這個(gè)所謂的高頻至少也得50~80HZ左右，當(dāng)然管數(shù)越多、頻率越高則推重比和推力都會(huì)增加，因此多管并聯(lián)就成了趨勢(shì)。這種多管爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是需要連續(xù)點(diǎn)火，當(dāng)然其優(yōu)勢(shì)是可以搭配多種結(jié)構(gòu)，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(dòng)，到達(dá)高空高速后再啟動(dòng)火箭模式，無縫切換，發(fā)動(dòng)機(jī)只需一臺(tái)就能完成從地面起飛到近地軌道，空天飛機(jī)的理想動(dòng)力。而另一種優(yōu)勢(shì)則是它可以搭配目前的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的推重比，也是PDE的一個(gè)重要應(yīng)用，還有則是和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)以及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或者火箭等形成組合動(dòng)力，類似于RBCC或者TBCC以及TRRE一類組合動(dòng)力的應(yīng)用。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道多管爆震

關(guān)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(dòng)機(jī)加以大力發(fā)展，DARPA以及美國空軍、海軍也都制訂了相應(yīng)計(jì)劃支持各研究機(jī)構(gòu)和公司開展PDE研究，海軍研究局（ONR）與眾多大學(xué)開展了PDE的多學(xué)科研究創(chuàng)新計(jì)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(xué)、空軍工程大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、航天科工31所、中科院力學(xué)所、南京理工大學(xué)等都有相關(guān)研究項(xiàng)目，到目前為止，各國的PDE仍然沒有達(dá)到實(shí)用化的程度。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)RDE

這個(gè)結(jié)構(gòu)和PDE其實(shí)有些相似，不過這個(gè)燃燒室是一個(gè)環(huán)形，相互之間不隔離，以一定頻率環(huán)形燃燒，一次點(diǎn)火后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)爆震波在燃燒室頭部旋轉(zhuǎn)傳播，燃燒產(chǎn)物從另一端高速排出，從而產(chǎn)生推力。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是目前最有前途的應(yīng)用方向，它避免了高頻重復(fù)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(jī)的渦輪配合，形成零速度啟動(dòng)的工況，并且還可以使渦輪壓氣機(jī)從近10級(jí)壓氣機(jī)減為3-4級(jí)，減輕重量，提高推重比，甚至比PDE還要有優(yōu)勢(shì)。

從PDE和RDE的原理來看，兩者都是涵蓋航空到航天領(lǐng)域的，目前的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)過于復(fù)雜，造價(jià)極高，假如未來能用結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單的PDE或者RDE來代替的話，那么飛行器的成本將會(huì)大幅下降（發(fā)動(dòng)機(jī)甚至占到飛機(jī)總成本的一半），相信運(yùn)營成本也會(huì)大幅下降，以后的飛機(jī)票價(jià)真要比高鐵票價(jià)便宜得多，而且由于成本降低，座位也不會(huì)那么擁擠，舒適度也會(huì)大幅提高。

相對(duì)于PDE的研究稍稍落后于各國，但ODE卻基本與全球持平，國內(nèi)多個(gè)高校發(fā)揮其理論分析和基礎(chǔ)研究的優(yōu)勢(shì)，在爆震機(jī)理研究方面，開展了大量的基礎(chǔ)研究，部分研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。2021年1月24日，清華航天公開測(cè)試的就是一種旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。

斜激波爆震發(fā)動(dòng)機(jī)ODE

這種發(fā)動(dòng)機(jī)和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)點(diǎn)燃爆震，只是這種爆震模式的啟動(dòng)條件比較極端，目前測(cè)試過的只有中國的姜宗林團(tuán)隊(duì)。

但斜激波爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常誘人，當(dāng)然就如上文所述，測(cè)試太困難，此前曾報(bào)道因?yàn)殡y以實(shí)現(xiàn)，全球進(jìn)展寥寥，只有姜宗林高超音速團(tuán)隊(duì)仍然在持續(xù)跟進(jìn)。

高超音速領(lǐng)域除了爆震類發(fā)動(dòng)機(jī)外還有超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)是相當(dāng)明顯的，只是它無法自持啟動(dòng)，所以只能和渦輪或者火箭等搭配形成組合動(dòng)力。

但這些發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)有些大跌眼鏡，盡管其單位質(zhì)量比碳?xì)淙剂弦?，但?yōu)勢(shì)是密度是碳?xì)淙剂系?倍以上。而且成本則相差更大，因此翁春生教授領(lǐng)導(dǎo)的研究也是開啟了一個(gè)新的思路。（完）