13000英里多少公里(13000英里是多少公里)


近日,中佛罗里达大学(University of Central Florida-UCF)的研究人员说,他们首次将持续爆震控制在一个固定点,将其巨大的力量引入一个新型的斜波爆震发动机,从推进器喷出的能量可以使飞机达到17马赫的速度。这个成果有望击败目前的超音速燃烧冲压式喷气发动机。

验证超音速燃烧冲压式喷气发动机的X-43A


传统的爆燃——燃料与氧气的高温燃烧——是一种相对缓慢、安全、可控的释放化学能并将其转化为动能的方式。这种美妙、平和的燃烧方式支撑着我们今天如此多的运输方式。但是如果你想从一个单位的燃料中释放出可能得到的最大能量,就需要考虑斜波爆震的方式。

涡喷发动机、冲压式喷气发动机、超音速燃烧冲压喷气发动机


但斜波爆震是快速的,混乱的,还是破坏性的。它不一定需要氧气,只需要一种爆炸性物质和足够大的能量来打破将一个已经不稳定的分子连接在一起的化学键。这样的过程会产生放热冲击波,并以超音速向外加速,同时释放出巨大的能量。

60多年来,人们一直试图驾驭这种爆炸的原始力量——最强大的燃烧形式,但事实证明,给炸弹装上缰绳是极其困难的。

因此人们尝试着其他方式,包括脉冲爆震发动机,它是以类似脉冲射流的方式来制造一系列重复爆炸,这些已经在飞机上进行了测试——特别是在2008年由美国空军研究实验室和创新科学解决方案公司建造的Scaled Composites Long-EZ“Borealis”项目。

2008年1月,这种改良的Scaled Composites Long-EZ完成了由脉冲爆震发动机(PDE)驱动的飞机的首次载人飞行。

但比脉冲爆震发动机更强劲的就是旋转爆震发动机,它是通过调整一次爆震产生的冲击波来触发环形通道内进一步的爆震。这种动力方式一直被认为是不可能建立起来的,直到去年,中佛罗里达大学(UCF)的研究人员在长久研发后,演示了一个可以持续运行的原型。该发动机将在2025年左右进行火箭上的测试。旋转爆震发动机应该比脉冲爆震发动机更高效,因为在爆震之间不需要清除燃烧室。

UCF制造出了一个持续燃烧的H2/O2旋转爆炸发动机原型,能够一直运行到燃料关闭为止,这以前被认为是不可能的


旋转爆炸发动机机械简单,但动态上非常复杂,需要精确的定时和燃料输送速率

然而,现在来自中佛罗里达大学的另一个团队,包括一些去年研制了旋转爆震发动机的研究人员,公布了第三种类型的爆震发动机,即斜波震爆发动机。它将凌驾前面的两种发动机,理论上可以让飞机达到13000英里/小时(21000公里/小时),或者说17倍于音速。

驻波或斜波爆震发动机(OWDE)的目标是在太空中产生稳定和固定的连续爆轰,成为一种高效可控的推进系统。它在使用更少燃料的情况下,却能产生比目前技术允许的更大的功率。

UCF团队声称,它已经成功地在高超音速流条件下稳定了爆轰波,使其保持在一个地方,而不是让其向上移动(那样,它可能会引爆燃料源)或向下移动(那样,它会失去爆炸优势并在爆燃中消失)。为此,该团队建造了一个实验原型,称为高焓高超音速反应设施(简称Hyper React)。

中佛罗里达大学的HyperReact实验样机示意图


HyperReact不到一米(3.3英尺)长,粗略看就像一个中空管,分为三个部分,每个部分都有精确形状的内部结构。

第一部分是一个350毫米(13.8英寸)的混合室——一个边长45毫米(1.8英寸)的方形通道。在这里,一个预燃器点燃一股喷射出来的与空气预混合的氢燃料。在预燃烧器喷射流周围的另外四个空气通道则将气流加速到适当的速度。

第二部分为会聚-发散(CD)喷管,它的下端为轴对称方形截面。主燃料喷嘴将99.99%的超高纯度氢燃料添加到高温、快速、高压的空气中,然后进入CD喷管,CD喷管会迅速变细至9毫米高(0.35英寸)的喉部,然后再扩散回45平方毫米的管中。这种形状的设计是为了在进入最后的“测试部分”(爆炸发生的地方)之前将混合物提高到5马赫。测试部分(爆炸发生的地方)吸入高超声速的空气/燃料混合物,然后将其运行至方型管底部的一个30度的斜坡上。

通过调整气流速度和空气/燃料的混合,该团队找到了能够操纵燃烧室内压力波相互作用的参数,从而产生难以想象的效果:在斜坡的前唇处,一场稳定的、持续的爆炸几乎静止不动,而是呈周期性轻微波动。与主燃料喷嘴关闭时相比,斜坡后的峰值压力提高了2.7倍,喷嘴出口压力提高了10.5倍。经测算,在给定的燃料混合物自由传播的正常爆炸时,流动速度是理论爆轰波速度的99.7%。

覆盖的阴影图-化学发光图像显示了在没有反应的5马赫气流下的试验室内条件,然后加入燃料创造斜爆震波


“这是第一次在实验中证明爆炸是稳定的,”卡里姆·艾哈迈德说,他是UCF机械和航空航天工程系的副教授,也是这篇新研究论文的作者之一。“我们终于能够在空间中以斜爆形式保持连续的爆炸。这几乎就像冻结了物理空间的剧烈爆炸。”

这类爆炸通常只持续几微秒或几毫秒,但UCF团队在实验中成功维持了这一爆炸,直到大约三秒后科学家关闭了燃料输送。

上图:爆轰结构在试运行过程中分为三个阶段。 底部:试验室内的静压突升,并在燃料流动期间持续


艾哈迈德告诉《Live Science》,这个时间足以证明该装置有效。如果这个团队继续让输入燃料,就会破坏测试部分侧面的石英窗户,这些石英窗户是用来进行光学成像测试的。接下来,他们将用完全金属的材料替换测试部分的石英材料,这样就可以让爆炸持续更长的时间。

第一个RDWE在测试开始时的图像,点火顺序是关键的。


根据艾哈迈德的说法,这次的设计原型相当接近于全面生产的斜波震爆发动机(Oblique Wave Detonation Engine-OWDE)的样子。但他们现在的挑战是学习如何动态地改变燃料混合,流速和斜坡角度,以在更广泛的操作条件和控制输入的情况下,保持爆炸的稳定,可靠和可控。

第一个RDWE接近测试结束的图像,燃烧是爆燃。


OWDE作为一种可能优于超音速燃烧冲压喷气发动机(Scramjet)的高超声速推进方式的已经被探讨了一段时间。超音速燃烧冲压喷气发动机往往会随着空速的上升而失去效率,最高速度可能达到14马赫左右。UCF公布的实验结果则指向了另一种可能,即“Sodramjet”(直立斜爆式冲压发动机)飞机,它能够在6马赫和17马赫之间飞行。

第二个RDWE在氢气/氧气测试中排放到大气条件下的图像。


这一切意味着什么呢?当超音速飞行达到17马赫,不仅为纽约和洛杉矶之间的飞行时间缩短到30分钟以内打开了大门,还能使航天飞机有效地飞上轨道,而不用再像过去那样把自己绑在火箭助推器上(也就是真正的空天飞机)。

航天飞机每次起飞还需要巨大的助推器


曙光航空公司的Mk-II极光空天飞机。


空天飞机可以依靠自己的发动机产生的推力来摆脱地球引力而升入太空

当然,这可能对国家安全和全球核均势产生重大影响。正如大卫·桑迪在2017年的高超音速飞行报告中指出的那样,目前世界上还没有任何一个雷达或导弹防御系统可以应对高超音速导弹。更重要的是,你甚至不需要在上面安装弹头,就能造成堪比核弹的破坏。

“如此之快的速度和如此大的惯性,足以将任何平台或飞机变成潜在的动能武器,”桑迪写道。“他们不需要烈性炸药来摧毁目标。他们要做的就是击中目标。换句话说,任何高超声速飞行器经过适当改装都会是一个可怕的动能武器。”

事实上,这项研究不仅得到了美国国家科学基金会和美国宇航局佛罗里达空间拨款联盟的资助,还得到了美国空军科学研究办公室的拨款。