研究人員開發的“旋轉爆轟發動機”實驗測試裝置。
將飛行器送入太空需要消耗大量燃料。例如，將美國宇航局（NASA）的航天飛機送入軌道需要使用350多萬磅燃料，這大約是藍鯨質量的15倍。為此，研究人員設計了一種新型旋轉爆轟引擎。搭載這種引擎的火箭不僅更加省油，而且質量更輕、結構更簡單。然而，這款引擎的性能難以預測，還不具備實際應用的可行性。
《物理評論E輯》報道，為了預測爆轟引擎的性能，美國華盛頓大學的研究人員建立了一個數學模型描述其工作情況。在模型信息的幫助下，工程師們能夠啟動測試程序進行引擎改進，使其更加穩定。華盛頓大學研究人員、論文作者James Koch說：“旋轉爆轟引擎的研究仍處於起步階段。雖然我們已經收集了大量與引擎相關的數據，但我們還是不清楚到底會出現怎樣的狀況。因此，我們希望通過模型分析改善引擎性能。”
傳統的火箭引擎是通過燃燒和排出推進劑來產生推力的。而旋轉爆轟引擎採用了不同的方式來燃燒推進劑。Koch說：“旋轉爆轟引擎是同心圓結構，推進劑在氣缸間隙中流動。點火後，迅速釋放的熱量形成強烈的高壓、高溫氣體脈衝，其速度遠超聲速。旋轉爆轟引擎中的燃燒過程實際上是一次爆炸過程。在初始啟動階段之後，我們觀察到了穩定的燃燒脈衝。由此產生的高壓和高溫，可以產生強大的推力。”
傳統引擎需要大量機械結構控制燃燒反應，才能產生髮動機需要的功率。而在旋轉爆轟引擎中，衝擊波能夠自然完成所有事情，不需要引擎部件的額外幫助。Koch說：“燃燒產生的衝擊波在流經燃燒室時會自然壓縮氣流。但不利的一面是，爆炸難以預測和控制。”
為了描述旋轉爆轟引擎的工作情況，研究人員開發了一款實驗原型機。原型機的參數，例如氣缸的間隙尺寸，可以由研究人員控制。隨後，研究人員用高速攝像機記錄了燃燒過程。每組實驗只需要0.5秒就能完成。最後，研究人員能夠用慢放模式和數學模型仔細分析記錄下來的情況。
華盛頓大學應用數學教授、論文作者J. Nathan Kutz說：“這是目前唯一能夠描述旋轉爆轟發動機的多樣化和複雜動力學的模型。由此，我們終於能夠評估發動機的性能了。”
目前，模型仍在繼續優化中。Koch說：“之前，我們的目標僅僅是重現脈衝行為，以確保模型輸出與實驗結果相似。我們已經確定了主要物理參數之間的相互作用。現在，我們可以將研究對象設置成變量，並討論如何製造出更好的引擎。”
期刊編號：2470-0045
原文鏈接：https://techxplore.com/news/2020-02-simple-fuel-efficient-rocket-enable-cheaper.html
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