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彌補傳統航天發動機的缺憾

不久前，美國一家初創航發動力公司Venus Aerospace完成了一次特殊的火箭試飛。和傳統火箭包括我們常說的商業液氧甲烷火箭不同，這一次所測試的動力系統，未來某一天，將會使飛行器能夠以音速的四到六倍從常規跑道起飛。

Venus Aerospace的旋轉爆震發動機進行了短程、30秒的試飛

這就是旋轉爆震發動機。要想了解它，必須先回憶一下傳統火箭發動機是怎么運作的。

目前大規模應用的火箭發動機中，燃料和氧化劑會從發動機頂部連續噴出，并在燃燒室混合由點火器點燃。但是點燃后的火焰前鋒和燃料混合氣（下簡稱“燃氣”）的前鋒總有一個錯位，這是因為燃氣的流速太快了，往往可達數千米每秒。

這意味著，火焰傳播速度（即火焰前鋒推進速度）往往低于燃氣流速，“火焰永遠追不上燃料”。傳統火箭發動機為了取得熱能動力學與工程設計的復雜平衡，導致有一部分燃料還沒燒起來就直接被排出了，不僅浪費燃料，還浪費了火箭上寶貴的載荷。

傳統航天發動機都未能充分燃燒

想改變這種情況就要讓火焰燃燒的傳播速度加快，至少要追上燃氣的流速，也就是大于或遠大于1馬赫（一倍于音速）的速度，才有可能使燃氣充分燃燒，大大提高燃料燃燒效率——這就是旋轉爆震發動機的特長了。

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提升載荷與速度

按照業界計算，如果把傳統航天發動機換成旋轉爆震發動機，至少能提升5%的燃料燃燒效率。

可別看不起這5%，以目前已成功發射的有效載荷紀錄保持者“土星五號”為例，它的一級火箭中的五臺發動機裝滿燃料后重達2200噸，燃料就有2060噸；如果用旋轉爆震發動機，至少能讓質量減少106噸。

按照Venus Aerospace負責人的說法，旋轉爆震發動機能夠發射比現有技術能力“大四倍的太空有效載荷”。

況且它的速度更快，能克服很多傳統發動機的弊端，軍機上也可以用，這也是為什么一出現新一代戰機的消息，爆震發動機就會成為話題。

傳統發動機是就像篝火，盡管看客覺得很快，但其實還是一點一滴地產生燃燒推力，這就是“緩燃”；而以超音速燃燒，瞬間釋放巨大能量，從而產生高壓沖擊波，直接將化學能轉化為動能的“爆震”，就像點燃一把火藥一樣快速釋放能量，當然更快更猛。

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技術路線，“旋轉”勝出

越“兇猛”越要可控。

最開始工程師希望燃氣能在一根又細又長的管狀燃燒室中實現爆燃，這根管子一端帶有進氣閥和火花塞，進氣閥噴射混合氣體，點燃后，引發亞音速爆燃并在燃燒室內延燒。

有時間和空間，火焰前鋒會不斷加速引發“爆震”，從而產生推力。

但這種“脈沖爆震發動機”有個問題，你得等著火焰慢慢加速，等到爆震的高能動力噴出后，再進行下一波燃料混合、燃燒，所以它提供的推力并不連續，燃燒室還容易被不連貫的燃燒破壞。

既然如此，不如把燃燒室的長管頭尾相連形成“環形跑道”，上方再設置一排排氣口試試——這就是旋轉爆震發動機的核心“旋轉”。

環形燃燒室示意圖

燃料和氧化劑通過噴注器均勻混合后進入環形燃燒室，當點火裝置觸發第一次爆震后，形成的爆震波會以每秒3到6千米的速度沿環形燃燒室旋轉。

它會不斷點燃前方的新鮮混合氣體，形成自我維持的燃燒循環，而需要排出的廢氣全從上方排走了。這就像點燃一圈鞭炮后，爆炸的火光會自動繞著環形跑道循環，無需反復點火。

在這一領域我國和美國屬同臺競爭的狀態，去年12月，中國航天科技集團宣布完成了氫氧旋轉爆震燃燒室的長時熱實驗。

熱實驗一般是驗證發動機在正常工作溫度下的性能、可靠性和耐久性等關鍵指標的測試。在發動機的整個設計和開發過程中，熱實驗一般處于中后期，成品值得期待。畢竟無論是軍用還是宇宙深空探索，爆震發動機都是一個優質選項。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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