更轻、更省燃料的新型火箭发动机,科学家首开发“旋转爆震发动机”模型

每发射一次火箭都需要大量燃料,比如过去NASA发射一艘航天飞机就用了超过350万磅燃料。近年来,有种称为旋转爆震发动机的理论火箭发动机,比目前最常见的喷气发动机还要更省燃料、重量更轻、构造更简单,而现在,华盛顿大学团队首次开发出模型来测试这种发动机的性能。

旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine)其实是基于德国二次世界大战中所研发生产的V-1(复仇兵器第1号,德语:Vergeltungswaffe 1)火箭之升级改良版。

V-1火箭关键在于其后端的脉冲喷射发动机,由一个圆筒组成,一端为排气管,前面装了弹簧板,发射过程中空气流过前缘缝翼(slat)与燃料混合点燃形成脉冲爆震波,前缘缝翼关闭1秒钟后再将导弹向前推进,构造非常简单,成本也便宜且容易制造,只是脉冲爆震波属间歇性,因此效率非常低落。

旋转爆震发动机便因此改良而生,其本质是个薄而空心的气缸(更具体来说,是2个同心气缸之间的空隙),推进剂在缝隙间流动、并在点火后迅速释放热量形成冲击波猛烈撞击分子使其压缩、爆炸,然后冲击波于环形引擎内无限循环,发动机在更高压环境下以更高速率燃烧燃料,代表能产生更大推力。

为了理解发动机的工作原理,研究团队开发了一个实验性旋转爆震发动机,虽然测试实验在0.5秒内就完成了,但研究人员利用高速摄影机,以每秒240,000帧的速度记录了整个燃烧过程。

接着研究人员开发了首个数学模型,来模拟旋转爆震发动机的复杂动力学,可以用来评估相关引擎的性能。虽然这种新型发动机要走出实验室还有段很长的路,但现在科学家已经有了初步模型,可以分析该如何制造更高效的旋转爆震发动机。

新论文发布在《物理评论E》(Physical Review E)期刊。

(首图来源:James Koch / 华盛顿大学)