超音速脉冲爆震发动机

撰文：史蒂文·阿什利（Steven Ashley）
翻译：王栋

纳粹时期的武器技术能为研制更节油的航空发动机带来启发。目前，科学家们正在对这种脉冲爆震发动机进行研发，争取在未来一二十年时间内，将它应用在许多类型的航空器上。

1944年6月，德国首次成功试射V-1导弹。大约一年后，这种简陋而原始的巡航导弹就频频侵扰英国和比利时的城市与乡村。它带着令人恐惧的“嗡嗡”声，毫无目标地狂轰滥炸，没有人知道死亡和毁灭会在何时何地到来。推动这种“嗡嗡作响的炸弹”的脉冲喷气动力装置结构简单，但噪音巨大、耗油量惊人。如今，工程师们正在对它进行细致的分析和改进，试图利用同样的技术原理，研制出较轻的、功能更加强大的发动机。这种发动机由反复的冲击波驱动燃烧循环来提供动力，效率更高。在未来一二十年内，这种脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine）也许就能被应用在许多类型的航空器上。

纳伦德拉·乔希（Narendra Joshi）在美国纽约州的尼斯卡于纳市，领导着通用电气公司的一个研究小组。他介绍说，脉冲喷气发动机是结构最简单的航空发动机。除了没有活塞外，这种发动机在很多方面都类似于普通汽车发动机中的燃烧室。它的基本运作原理是：一段短金属管的一端安装有一个注入阀，在它的控制下，一定量的加压燃油和空气能以很高的频率被反复注入金属管，混合成为可燃气体，并用火花塞点燃。普通燃油燃烧后产生的膨胀燃烧气体，飞快地从金属管的另一端冲出，从而产生推力。接着，这一过程立刻被重复，1秒钟要进行50次循环——这个频率正是V-1导弹臭名昭著的“嗡嗡”声的来源。虽然脉冲喷气发动机是一种简单高效的推进装置，但是它对燃油的燃烧相当缓慢且不充分，燃烧效率低下。

不过，如果注入的燃油和空气被火花塞点燃后，产生的火焰前锋（flame front）能够在混合气体中加速，在经过一段较长的金属管后，燃烧推进速度就可以达到大约5倍音速。这种高效率的超音速反应过程能使燃烧迅速且充分，可以说混合气体实际上是发生了爆炸。这样，同样数量的燃料就可以产生更大的推力。在这种脉冲爆震发动机中，爆炸的时间间隔为几十毫秒，比脉冲喷气发动机的工作频率高一倍以上。

过去十多年来，研究人员通过计算机模拟这一复杂的燃烧过程，并将得到的结果与实验室测试进行比较，已经对脉冲爆震的基本物理过程有了更多的了解。与此同时，工程师们扩展了此类研究，以发展一种脉冲爆震原型发动机，可以驱动超音速吸气式导弹，推动运载火箭，或者增强战斗机上的加力燃烧室（afterburner） 但是，美国西雅图普惠发动机公司（Pratt&Whitney）的工程经理加里·利德斯通（Gary Lidstone）认为，复合式涡轮脉冲爆震发动机（Hybrid Turbine-Pulse Detonation Engine）才是真正令人激动的目标。在这种发动机中，脉冲爆震管取代了中心压缩机和燃气涡轮燃烧室。这样的设计可以使高涵道比涡扇发动机（High-bypass Turbofan）的燃油效率明显提高，同时还能降低燃烧室产生的钻机一般的噪音。

普惠发动机公司的工程师们已完成了对脉冲爆震燃烧室的试车台测试，在一段直径为5厘米的管腔内成功进行了喷气燃料的燃烧，甚至在受到模拟的、下游涡轮产生的背压的影响下，试车也取得了成功。在美国国家航空航天局（NASA）和美国空军的支持下，普惠发动机公司正加紧评估该技术在一种复合式发动机中的应用。与此同时，通用电气公司的乔希研究小组正在制作一个脉冲爆震燃烧室，它由三个直径为5厘米的空管组成。研究小组为它配备了一台直径为15厘米的100马力涡轮机，这其实是一架A-10“疣猪”攻击机的燃油流起动器。

乔希提醒说，仍然有许多难关有待攻克，比如研发一种超高强度的快速作用阀及相应的控制系统，研制一些能承受脉冲燃烧带来的高度机械疲劳的部件，制造能被安装在标准尺寸涡轮里的燃烧管等。但如果工程师们能够克服这些困难和障碍，复合式发动机也许就能把燃油消耗量减少5%以上，每年为航空公司节省数百万美元的燃油费，还能减少二氧化碳的排放。这些优点一定会让所有的航空业内人士心动不已。