世界第一個「不可能的」旋轉爆震發動機模型測試成功了

佛羅里達州一個與美國空軍合作的團隊聲稱,他們已經製造並測試了旋轉爆震火箭發動機(rotating detonation rocket engine)的實驗模型,該發動機模型利用環形通道內部的旋轉爆炸來產生超高效推力。大部分的發動機都使用燃燒而不是爆炸來實現輸出。 燃燒是一個相對緩慢且可控的過程,它是由燃料和氧氣在高溫下的反應所導致的,這是一種已廣為人知且成熟的技術。另一方面,爆炸是快速和混亂的,並且難以預測。 爆炸是將炸藥分子的化學鍵分裂(無論是電能還是動能),從而釋放出巨大的能量,以衝擊波的形式破壞那些分子的穩定。 當你要破壞東西時爆炸是很好的選項,但要維持精確的控制就困難得多。不過,當你需要打破地球重力的束縛並進入太空時,每克的重量會使事情變得更加艱鉅和昂貴。 爆炸所釋放的能量遠比燃燒所釋放的能量多,而且使用的燃料也較少許多,因此60多年來,火箭科學家一直致力於將旋轉爆震火箭作為減輕重量和增加推力的潛在方法。

基本上,這樣的裝置是一個圓柱體在另一個更大的圓柱體中,在它們之間有一個間隙和一些小孔或狹縫,爆破燃料混合物可以透過這些小孔或狹縫推動。 某種形式的點燃會在該環形間隙中產生爆震,這會產生將氣體從環形通道的一端推出以產生相反方向推力的氣體。 但它還會產生一個衝擊波,該衝擊波以大約音速五倍的速度在通道周圍傳播,如果在正確的時間與正確的位置添加燃料,該衝擊波可用於維持自我旋轉的方式點燃更多的爆炸。 

旋轉爆震發動機是在1950年代由密西根大學的工程師所發想的,它從機械角度講非常簡單,但是事實證明,這種自我傳播的爆炸波很難實現和維持。直到現在, 中佛羅里達大學的一個團隊與美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory)的「旋轉爆震火箭發動機」計劃,聲稱已經建立並測試了能運作的實驗室模型。 這是一台3英寸的銅製試驗台,使用氫和氧的混合物作為燃料,這是用於高級火箭引擎的最高性能火箭燃料。

 中佛羅里達大學的機械與航空航天工程學系助理教授Kareem Ahmed表示:「這項研究首次展示了實驗證據,證明旋轉爆震火箭發動機中可以有安全且有效的氫和氧推進劑爆炸。爆炸持續不斷,直到你切斷燃料為止。我們已經測試了200 lbf,而推力會隨著推進劑質量流率線性增加。」

Ahmed表示秘密其實是簡單的調整:「我們必須調整釋放推進劑的射流大小,以增強內部氫氧混合物的混合。因此,當這種新鮮混合物發生旋轉爆炸時,它仍會持續。因為如果成分混合物稍稍掉下,它將容易爆燃或緩慢燃燒而不是引爆。就在幾個月前,許多美國火箭引擎專家公開宣布氫氧爆炸發動機是不可能的。但是,該論文提供了實驗證據,毫無疑問地證明了旋轉爆震火箭發動機中正在發生氧和氫的爆炸。」

該研究的合著者,美國空軍研究實驗室的旋轉爆震火箭發動機計劃負責人William Hargus表示:「這些研究結果已經在國際研究界產生了影響。由於這些結果,現在有幾個計畫正在重新檢查旋轉爆震火箭發動機內的氫爆燃燒。我很榮幸能參與這項高品質的研究。」

Ahmed表示,該發動機的設計正在被評估中,看是否可以取代Aerojet Rocketdyne的RL-10火箭。這目前正在為Atlas V和Delta IV火箭上半部的現代版本而生產中,還有其他版本為了太空探索而開發中,例如OmegA和Vulcan火箭的研發,不過,經過驗證的旋轉爆震火箭發動機可能會改變這一切。美國空軍的目標是在2025年以前進行火箭發射飛行測試,該團隊正在努力實現這目標。

雖然太空推進器是這項研究的主要動力,但高功率和低燃料消耗在其他產業也可能會造成巨大的影響,它在地球上也有潛在的用途。 美國海軍研究實驗室(United States Naval Research Laboratory)在2012年估計,如果旋轉爆震發動機能取代海軍100多艘大型艦船的燃氣渦輪發動機,則每年可為海軍節省20%的燃油費用,即節省15%至20%的費用。 它也可能用於超高音速和超音速飛行,甚至用於發電,Ahmed表示,該設計也有可能作為增壓段發動機,但會需要不同類型的推進劑。

參考資料: Combustion and Flame

請在下面看旋轉爆震發動機的慢動作影片:

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