旋转爆震发动机有望使太空发射更便宜、更高效

2019年03月26日 11:11 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒New Atlas报道,由包括悉尼大学航空航天、机械和机电工程学院的燃烧专家等人组成的国际工程师团队正在开发一种革命性的新型火箭发动机,它不仅可以在大气中呼吸空气,而且可以以超音速燃烧进入的空气。如果可以投入使用,旋转爆震发动机(RDE)有望使太空发射更便宜、更高效。

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旋转爆震发动机基于一种非常古老的技术,但却是在火箭上的潜在重大进步。在第二次世界大战期间,纳粹德国的秘密武器之一是复仇兵器第1号(Vergeltungswaffe 1),更为人所知的是V1飞行炸弹。1944年和1945年,纳粹德国向英国及其他欧洲城市发射近10000枚V1,这是战斧巡航导弹(Tomahawk)等的祖先。

V1的关键是推动它的脉冲引擎。简而言之,这是一个喷气发动机,由一个圆形箱体组成,一端有排气管,前面有弹簧安装板条。在操作中,空气将流过板条,与燃料混合并点燃。这形成了一个脉冲爆炸,推动板条关闭一秒钟并推动导弹前进。

这是一种非常简单的发动机,价格便宜且易于制造,但由于脉冲爆震是间歇性的,并且还有很大一部分未燃烧的燃料从排气中排出,因此效率非常低。

RDE是该发动机的更高级版本,但燃料和空气被注入开放的圆形通道并点燃。燃烧脉冲在通道周围流动并变得自持,因为它产生的波在热气体通过通道的开口端被推出时不断循环。

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RDE的一个优点是它既可以作为喷气机也可以作为火箭。在低层大气中,空气可以被吸入并被送入通道,但是在太空的真空中,这可以用液氧或一些其他氧化剂代替。

另一个优点是,与其他吸气式发动机不同,RDE可以维持超音速燃烧。大多数其他超音速或高超音速发动机必须在将空气送入燃烧室之前将其减速至亚音速,但在RDE中,空气可以更快的速度进入,从而实现更简单的设计。

目前,没有正常运行的RDE,但美国海军、NASA、Aerojet Rocketdyne、俄罗斯的NPO Energomash公司,以及悉尼大学和国防承包商DefendTex等合作伙伴都致力于构建实际发动机所需的理论模型。悉尼大学的清洁燃烧小组以及DefendTEx和其他国际合作伙伴正在根据澳大利亚政府拨款资助的国际响应空间项目开展工作,为该国的航天工业开发RDE。

在副教授Matthew Cleary的带领下,悉尼大学团队正在研究燃烧在RDE中的工作原理,特别强调计算流体动力学模拟以确定发动机的效率。希望RDE将允许更小、更轻、更便宜的火箭,这些火箭可以将更大的有效载荷发射到轨道,并可能为澳大利亚的第一个主权太空发射能力提供动力。

“自项目启动以来,我们与合作者一起开发了新的计算方法来研究超音速燃烧,这是一个称为爆炸的过程,”Cleary说。“我们对模型旋转爆震发动机模拟的初步结果已经引发了一些关于环形通道中爆炸稳定性的有趣发现,特别是关于设计燃烧室几何形状的重要性,使得爆炸稳定并且火箭推力可以这些信息正在向我们的合作者提供信息,他们现在开始对发动机进行地面测试。”

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