實際上有一個悖論,世界是依靠“傳統”來推進的還是依靠“創新”來推進的?在這一個問題上來看,W君是堅決的站傳統的,是不是有那么一點反常識?
今天聊到這個話題,是因為有粉絲給W君發來了這樣的一個東西:
這玩意叫做“歐米茄1(Omega One engine)”發動機。
簡單的說下工作原理:歐米伽發動機的名字就已經很好的揭示了這個發動機的結構,“Ω”形態的發動機,發動機由兩個輪組成,其中的一個輪子上有一個特定形狀的缺口,形成了“Ω”形,另一個輪子上則有一個凸起。兩個輪子緊緊貼在一起由齒輪帶動一起旋轉,當缺口和凸起嚙合在一起的時候就產生了擠壓效應,提高缺口內的空氣-燃料混合物壓力,從而在一個旋轉周期內完成一個內燃機“吸、壓、做、排”的動作,也就是轉一圈完成了普通活塞式發動機轉兩圈的工作。
由于沒有復雜的氣缸、活塞、曲軸、飛輪等一系列和“做功”無關聯的部件,這種發動機不僅僅做到了最大的輕量化并且運行相當平穩。
聽起來是不是非常“革命性”?甚至讓人有點興奮?但問題也正是從這開始的。
W君為什么不“買帳”呢?
這類發動機設計,W君不是沒見過。其實每隔幾年都會冒出一個“即將改變內燃機命運”的新概念:有人搞偏心波輪機,有人搞等離子點火,有人搞靜音燃爆微型機芯……但結果呢?除了媒體吹,除了自媒體閱讀量暴漲之外,有哪一個真正上了戰場、進了汽車、走進了工業?
Omega One 的設計,表面看起來極為優雅:沒有活塞,沒有曲軸,沒有連桿,沒有氣門,幾片盤子一旋轉就能“吃進去空氣、吐出能量”,甚至號稱可以同時兼容汽油、柴油、氫氣甚至航空煤油……聽起來是不是比什么渦輪機、活塞機、轉子機還牛?
但工程這東西,不是拼“聽起來好像很合理”,而是看“能不能跑、能不能冷、能不能修、能不能量產”。
首先,密封就是一個巨大的“天坑”。通過旋轉輸出動力的四沖程發動機并非只有Omega One一個,這里咱們旁證一下(有點得罪馬自達車主了……),馬自達在上世紀六十年代開始使用轉子發動機作為自己的汽車動力。
一時間“轉子無敵”的觀點在汽車圈子里面就爆開了,很多人就被這種新奇的發動機所吸引。不過,馬自達當年購買的是德國NSU的專利和技術授權,NSU很多人不熟悉,這是一個1873年成立的德國車企,在1969年被大眾收購,在之后又和一家叫做“汽車聯盟”的車企進行合并重組,最后就誕生了一個大家很熟悉的汽車品牌——奧迪。所以,只要用大腳趾頭都可以想清楚的一件事就是如果“轉子發動機”真的能打,那么我們現在看到的奧迪車早就應該普遍使用轉子發動機了吧?
而事實是——在2010年奧迪還的確是想復活轉子發動機,推出了一個叫做“E-REV”的電車方案
利用轉子發動機在合適的時候給電池充電,作為電車的增程方案存在。又是十幾年過去了,這個東西依然沒有落地。
其實,前面說的Omega One引擎也是如此,本身“高科技”,看起來讓人眼前一亮,但現在W君直接預測——它并不能走得比“轉子發動機”更遠。
原因恐怕就在于活塞式發動機才是內燃機的最優解。
這里很多人要問為什么了,答案似乎很反直覺——雖然往復活塞式發動機在燃燒效率和轉換效率上并不占優勢,而且燃燒室之外龐大復雜的機構也讓活塞式發動機顯得龐大笨重,但是這些額外的東西都是必須存在的。
實際上,由于Omega One引擎的圓盤結構,燃燒往往僅在圓盤的一段位置上進行,而熱量的發散則會導致圓盤結構本身的熱并不均勻,簡單的熱脹冷縮知道吧?這會讓圓盤結構在工作的過程中產生質量偏移的情況,導致這臺發動機在工作的時候會有更加明顯的震動。同時,這種不可控和不可計算的熱致變形也讓Omega One引擎的氣密和配合出現偏差。如果要對這些弊端進行修正其實所需要花費的外圍設計就要遠比發動燃燒室環結構要復雜得多了。
相對應地往復式活塞引擎似乎也很難穩定質心對吧?但可以依靠多個活塞氣缸加上曲軸的設計讓轉動更加平穩:
如果這還不行,甚至可以制作星形引擎讓發動機的活塞垂直于軸線運動:
所以W君說活塞式發動機就是當前內燃機體系的最優解——不是因為它完美,而是因為它所有的“缺點”都已經可以被工程體系所吸收。
那些你以為的“冗余結構”,比如飛輪、曲軸、連桿、缸體強化、氣門調控,這些其實都是為了解決兩個根本問題:燃燒的控制性 和 能量輸出的穩定性。這些結構雖然看起來繁復,但它們穩定、易冷卻、易修復、可批量生產、性能一致性高——這才是工業的核心。
當然了,這是點科技樹的問題。
一個技術被發明出來,例如汽車:
奔馳1號安裝了一臺0.9升的單缸引擎。
實際上它的結構就更符合我們印象中的往復活塞式發動機的經典結構,
這個引擎和我們現在常見的汽車引擎有很多不一樣的地方,在下部有一個巨大的飛輪,依靠慣性維持發動機活塞的旋轉,通過在氣缸周圍鋪滿纖維棉花加熱汽油,依靠汽油的蒸汽混合空氣進入汽缸內爆燃可以取得最大500瓦(2/3馬力)的輸出功率。
我們很熟悉的化油器、增壓渦輪、連桿瓦、曲軸瓦、阻水圈、機油泵、曲軸等等部件在這臺發動機上都沒有任何蹤影。甚至正時盤、油門也不存在。
這些東西是如何一點點被加進去的呢?主要是為了修復這種“經典的發動機”在使用中的各種弊端。就是一點點一點點的改進。每次改進,科技樹就傾斜一點,到了一個半世紀之后,再看現在的引擎是不是已經和之前的原型設計有了巨大的區別?
經典汽車發動機的設計要素在最新的汽車發動機上上存在,但只是現代汽車發動機上一個很小的部分,功能的實現方式也有了翻天覆地的變化。
這一切就源于在當時的技術條件下在當時的材料選擇上不斷被“點歪”的科技樹發展上。如果當時有燃油噴射系統,第一臺發動機是不會在氣缸外裹著浸滿汽油的毛氈的;如果當時有正時皮帶,第一臺發動機也不會依靠一個不斷打火的火花塞來引火。
這就是今天的主題“世界是依靠‘傳統’來推進的還是依靠‘創新’來推進的?”一個“創新”是很難推動世界發展的,只有在這個“創新”上不斷的修修改改,用現有的技術不斷彌補“創新”中的各種不足,才能真正的有改變世界的能力。真正改變世界之后,回頭再看這些“創新”就已經是幾十年前的事情了,所謂的“創新”也就早成了“傳統”。
其實這是一個相當簡單且樸實無華的道理。但不知道怎么的,到了軍迷圈子里就成了一個被忽略掉的部分。
例如斜爆震發動機,本質上我們僅僅在實驗室環境中構建了一臺推力只有40公斤的概念模型,驗證了這臺發動機可以燒煤油。就成了我們有“16馬赫”飛行速度的戰斗機了。
這事情就有點非理性了。
這樣理解,一個發動機有可能能在16倍音速的飛行環境中工作,這只是發動機可能達到的性能。但是要知道,目前還沒有任何一種材料可以經受住這么高速度下的氣動加熱。
馬赫2.7以上持續飛行,飛機主體結構的溫度可以達到380度。這是可以讓鋁鎂合金散架的溫度,為此“米格”-25采用了更耐高溫的不銹鋼制造,SR-71也是全身使用了鈦合金
飛行速度達到了馬赫16,在臨近空間的聲速大約為280米/秒,大氣密度不足地面上的0.01%,但即便是這種環境下,馬赫16的高速也可以輕而易舉的讓飛行器表面達到3000K ~ 4000K的溫度,也就是3000~4000度。(當然了,你可以去減273.15換算成“更精準”的攝氏度)。已知的人類材料中只有少數幾百種可以在這個溫度下不被汽化,在這不被汽化的幾百種材料中僅有幾種可以隔絕熱量,讓外部的氣動熱不影響內部結構。
再加上幾種高熱量下蒸發吸熱的材料
實際上可選做“16馬赫戰斗機”的材料幾乎為0。
舉個例子:2024年一架X-43A被B-52攜帶至高空,進行驗證飛行。
一提到X-43A很多軍迷都會想到是這張圖:
沒有錯誤的!這的確是X-43A的本體,但很多軍迷會忽略掉一個很重要的信息——“尺寸”。
這是X-43A掛在B-52上的樣子:
“黑飛機”變成“白飛機”了?你得有大家來找茬兒的眼力才能注意到圖片中的X-43A
X-43A長度只有3.7米,翼展只有1.5米,高度只有0.6米,什么概念?其長度和去年新出的奇瑞QQ相比要短2厘米,高度僅僅為奇瑞QQ的一半,寬度基本相當。
軍迷們很喜歡的PL-15的長度為3.9米,這架“超高音速飛行器”裝不下一枚PL-15。
那么飛行成績如何呢?
2004年11月16日X-43A在飛馬座火箭助推器在 40000 英尺高空與 B-52 運載器分離,其固體火箭在 110000 英尺高空將整體速度提升至 馬赫 10 。X-43A 以 馬赫 9.8的速度分離,發動機以 馬赫 9.65 的速度啟動,持續 10-12 秒,推力約等于阻力,14 分鐘后滑翔墜入太平洋。
在這段飛行時間內消耗了1.2噸燃料,并且造成了X-43A失去了回收價值。一次性飛行而已。
但我們推算一下,一架殲-20噸燃油量大約是15噸,以這架高超音速飛行器的油耗來說,可以推動其飛行不足兩分半。
實際上無論中國、美國的高超音速飛行器都在起步階段,目前連奔馳1號的發動機水平都沒到。畢竟奔馳1號屬于量產車。現在的高超音速飛行器都還是試驗產品。
這些東西還要繼續加“外圍”,以保證其可以長時間穩定的運行。加來加去你以為的高超音速飛行器是這樣的:
說不定到最后就變成了這樣的:
但從丑小鴨到白天鵝的過程,往往需要上百年的時間尺度。所謂的遙遙領先,彎道超車是完全不存在的。歷史的客觀規律證明了不可能依靠一小撮人的靈光一閃而真正的改變世界。
工程技術的發展并不以“想法的新奇程度”為進化軸心,而是以“體系的可修復性與可積累性”為判斷標準。創新不是不要,但要落到傳統所構筑的地基上,否則就是空中樓閣。
如果你看明白這篇文章,其實你就會對很多“新東西”有“免疫力”,嚴格意義上說即便是天才的設計也難以對抗任何一個領域積累了幾十年的經驗積累,一個是戰勝不了幾萬幾十萬人的。
有了所謂的“遙遙領先”,你得知道“革命尚未成功 同志仍需努力”。
但話說回來,事情總得一步一步做。
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