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字越少,事越大?清华航天的旋转脉冲爆震发动机,究竟有多厉害?

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“2022年1月24日11点30分,清华大学航天航天学院启动与实施实验室新型飞行试验,试飞成功。试验初试能力,在新型动力装置的自主研发与工程实现能力上,领域跻身世界前列。”

对于其原理解释,新闻中还附上了一段说明:

“一级火箭分离后,将级发动机供油到燃油高度和加速。煤油雾化喷燃烧室,工作系统顺利启动,燃烧室进入航空燃烧状态,发动机获得持续推动力,试验进入圆满成功。”

估计大家也是看得云里雾里,不过好在附上了一个视频说明其过程,能让我们管中窥豹,可见一斑,如下图:


那么这种发动机究竟性能如何?到底能干啥用,又有什么意义呢?

究竟有哪些类型的发动机?

对各种发动机类型比较了解的朋友,估计心里应该有数了,尽管视频中半个字没说发动机类型,但从公布的画面来看,看起来像是一种冲压发动机,因为它的结构非常明显,还很像是一种轴对称冲压发动机。


冲压发动机是什么鬼?

我们知道的飞行器动力大致有螺旋桨飞机和喷气式飞机,早期和小型民用的大都是螺旋桨发动机,但军用和现代大型客机基本都是喷气式。


一般的喷气式发动机有两种类型,一种涡轮喷气也就是俗称的窝涡喷,还有一种则是涡轮风扇发动机,叫做涡扇,两种发动机最大的区别是涡扇有一个外涵道,也就是说除了后面喷气以外,涡扇前面还带一个大风扇吸入大量空气增加推力。

涡轮喷气发动机


由于额外的风扇,涡扇发动机要比涡喷推重比大很多,燃油也更节省,因此大型客机和现代高性能发动机用的都是涡扇,涡喷发动机差点就死翘翘了,因为它耗油,推力还不高。

涡轮风扇发动机,请注意外涵道


超音速领域:涡扇是个负担,涡喷有了用武之地

涡扇发动机推重比大,省油,但它前面有个大风扇,涵道比大,阻力也大,因此在超过音速后这个发动机前面的大风扇逐渐成为累赘,到了2倍音速时涡扇发动机几乎就已经到了极限。


涡喷发动机的小涵道比就成了优势,省油不再高超音速领域第一个考虑的问题,首先是如何实现高超音速,因此在2-3倍以上的喷气式发动机,早期是涡喷发动机,现在是变循环发动机和冲压发动机。

3倍音速的SR-71发动机的几种工作模式


SR-71


变循环发动机就是可以改变涵道比,避免在3倍音速以上时阻力增加大于推力增加,以在高音速条件下获得更好的性能。

神奇的冲压发动机:没有转动部件

无论是涡喷还是涡扇以及变循环发动机,其发动机都是多级压气机(低压压气机、高压压气机),到最后还有燃烧室和高压涡轮以及加力燃烧室,结构非常复杂,但冲压发动机不一样,只有一个调节压缩比的鼻锥,之后就是燃烧室,结构简单到发指。


但冲压发动机有一个缺点,无法在亚音速状态下启动,它只能由另一种发动机推进到超音速,然后再启动冲压发动机,之后的状态也只能一直处在超音速状态,否则就熄火开不起来了。

使用了冲压发动机的导弹


而且从超音速继续提高到高音速状态时,燃烧室又不一样了,涡扇、涡喷与一般的冲压发动机,燃烧室内的气流从前方的吸气的超音速经过压缩后速度都是亚音速,燃料喷入点燃传播时仍然能保持稳定燃烧,到到了5-6倍以上时,即使经过压缩其气流也是超音速状态。


这种状态下的冲压发动机称为超燃冲压发动机(燃烧室内气流为亚音速的为亚燃冲压发动机),在超音速状态下点燃燃料,这难度实在太高了,因此到现在为止,超燃冲压发动机保持长时间稳定燃烧一直就是个难题。

脉冲爆震发动机:另辟蹊径

其实脉冲爆震发动机出现很早,结构比冲压发动机还简单,各位有兴趣的朋友自己都可以用几根管子做一个脉冲爆震发动机,它的优势实在是太明显了!


涡喷、涡扇以及冲压发动机利用的都是燃料的持续稳定燃烧,或者称为爆燃,而脉冲爆震发动机使用得则是爆轰方式,燃料在空气中雾化后爆炸产生的爆震波向后喷出推进作为动力。


它的燃料利用率极高,排气速度因为爆轰波传播速度,轻松达到数千米/秒,而且在0速度下即可发动,另外它也没有速度限制,从零速度到高超音速,它是一种相当理想的发动机。


只会很可惜的是这种发动机门槛低,但要提升其性能却难度比其他类型的发动机要高得多,比如燃料-空气混合物点火时处于爆燃状态,如何向爆震状态转变,如何频繁触发爆震状态,并且爆震发动机需要长期保持20~100HZ频率运行,难度很大。


而旋转爆震模式则不一样,在一个环形燃烧室内可以在周期性触发爆震状态,其频率受到燃料喷管数量控制,后续稳定的爆轰波输出也可以被高压涡轮捕获,却有一个问题非常麻烦,旋转爆震优势很大,但燃烧室工作比涡扇或者涡喷的高压燃烧室要恶劣得多,材料要求近乎变态,还有爆轰波可能逆向冲击进气口,理论基础仍然处在摸索状态。


到底是什么类型的发动机?

我们先来看看清华大学航天航天学院官网上介绍研究的是什么内容:

连续旋转爆震及爆震推进
开展连续旋转爆震及其发动机(RDE)的数值模拟和实验研究工作。实验室建有系统的连续旋转爆震、爆转爆震(DDT)过程研究实验台,对连续旋转爆震的稳定工作范围和关键因素有较为深刻的认识,已成功实现稳定连续旋转爆震火箭发动机、涡轮发动机的地面试车。
目前申请国家发明专利获批10项。

估计各位也是看明白了,就是连续旋转爆震及爆震推进,前半句说的是研究连续旋转发动机,后半句说的是用这种发动机来推进飞行器。


从活塞发动机到顶尖的变循环发动机,人类科技大概走了一百多年,我们的涡扇发动机与美英顶尖的发动机还有距离,但连续旋转你的脉冲爆震发动机,大家却几乎处在同一个水平线上,而且这种发动机一旦成熟,它是与地面音速、高超音速通吃的。


那么清华大学航天航天学院水平究竟如何呢?

已成功实现稳定连续旋转爆震火箭发动机、涡轮发动机的地面试车。”

请注意这个描述,而1月24日的测试就是就是结合了这种发动机的火箭,由固体火箭将其推进到高空后点燃旋转爆震发动机,测试其在超音速状态下的点火性能:

在2022年1月24日临近中午时分,火箭成功点火,由两级火箭接力,把新型发动机送到预定的高速和速度,然后最顶端的新型发动机点火成功,并稳定工作,试验取得了圆满成功。

这是非常值得庆贺的一件事,种花家对高超音速发动机非常感兴趣,多年前曾经全网寻找旋转爆震发动机的资料,但仅仅只有部分理论,而在今天,清华大学航天学院居然研制出了样机并且实地测试成功,能不激动吗?


这种发动机到底能干啥?又有什么意义?

说得简单点,这个发动机是直接冲着空天领域去的,此前我们在设想的空天飞机是涡喷+压燃冲压+超燃冲压结合的,再牛逼的也需要涡喷+冲压(压燃超燃通吃)两种,但空天飞机同样非常在意重量,两种发动机,前者结构复杂,后者结构倒是简单,但无法零速度启动。


多种发动机结构复杂,安全系数也低,并且超燃冲压发动机也难以稳定燃烧,难度还是太大了。


而现在的旋转爆震发动机获得突破性进展,未来的空天领域至少我们已经拔得头筹,一旦空天飞机获得突破,未来的火箭发动机就拜拜了,进入近地轨道的成本会有现在的上万美元一千克,下降到几百美元甚至更低的成本,只要真正达到低成本进入近地轨道的条件,人类的太空时代才会真正到来。

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