更輕、更省燃料的新型火箭發動機,科學家首開發「旋轉爆震發動機」模型

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 19 日 16:08 | 分類 尖端科技 , 材料、設備 , 航太科技 follow us in feedly


每發射一次火箭都需要大量燃料,比如過去 NASA 發射一艘太空梭就用了超過 350 萬磅燃料。近年來,有種稱為旋轉爆震發動機的理論火箭發動機,比目前最常見的噴氣發動機還要更省燃料、重量更輕、構造更簡單,而現在,華盛頓大學團隊首次開發出模型來測試這種發動機的性能。

旋轉爆震發動機(Rotating Detonation Engine)其實是基於德國二次世界大戰中所研發生產的 V-1(復仇兵器第 1 號,德語:Vergeltungswaffe 1)火箭之升級改良版。

V-1 火箭關鍵在於其後端的脈衝噴射發動機,由一個圓筒組成,一端為排氣管,前面裝了彈簧板,發射過程中空氣流過前緣縫翼(slat)與燃料混合點燃形成脈衝爆震波,前緣縫翼關閉 1 秒鐘後再將導彈向前推進,構造非常簡單,成本也便宜且容易製造,只是脈衝爆震波屬間歇性,因此效率非常低落。

旋轉爆震發動機便因此改良而生,其本質是個薄而空心的氣缸(更具體來說,是 2 個同心氣缸之間的空隙),推進劑在縫隙間流動、並在點火後迅速釋放熱量形成衝擊波猛烈撞擊分子使其壓縮、爆炸,然後衝擊波於環形引擎內無限循環,發動機在更高壓環境下以更高速率燃燒燃料,代表能產生更大推力。

為了理解發動機的工作原理,研究團隊開發了一個實驗性旋轉爆震發動機,雖然測試實驗在 0.5 秒內就完成了,但研究人員利用高速攝影機,以每秒 240,000 幀的速度記錄了整個燃燒過程。

接著研究人員開發了首個數學模型,來模擬旋轉爆震發動機的複雜動力學,可以用來評估相關引擎的性能。雖然這種新型發動機要走出實驗室還有段很長的路,但現在科學家已經有了初步模型,可以分析該如何製造更高效的旋轉爆震發動機。

新論文發表在《物理評論 E》(Physical Review E)期刊。

(首圖來源:James Koch / 華盛頓大學