美国开发爆炸驱动飞机1小时飞全球地球要变1小时经济圈?

来源:等离子熔炼电源    发布时间:2024-02-04 15:51:28
你能想象把地球变成1小时经济圈吗?恐怕从来没有人会觉得有这个可能,但美国一家3年前才成立的初创公


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  你能想象把地球变成1小时经济圈吗?恐怕从来没有人会觉得有这个可能,但美国一家3年前才成立的初创公司,已经在研究一种把燃料燃变成每秒数千数万个爆炸的火箭发动机技术,制造一种高超音速太空飞机,在52公里的中气层飞行,理论速度9马赫,最高可达15马赫以上,这在某种程度上预示着1个小时就可以飞到地球上任何地方!

  你可能感觉它在吹牛,画PPT圈钱,然而NASA上个月高调宣布测试成功的未来月球火星载人登陆关键技术,革命性的全尺寸火箭发动机原型,就是和这个公司合作开发的,而这个企业来提供的正是其中最关键的部件:喷射器。所以,这个公司可能还是有两把刷子的,如果真的制造出了这种飞机,整个人类社会无疑都将跃上一个更高的台阶来发展。

  这种新型的火箭发动机,叫做旋转爆轰发动机(RDRE),上月底在马歇尔太空飞行中心,NASA测试了3D打印的全尺寸原型,创下了推力2631公斤,燃烧251秒的新纪录。科学家们认为,这在某种程度上预示着旋转爆轰发动机实现了设计效率的巨大飞跃,距离制造轻型推进系统又前进了一大步,如果将它用于超音速的逆向推进,也就是一种减速刹车技术,将可能把更大的有效载荷,甚至人类降落到火星表面。

  你知道这是啥意思吗?就拿马斯克的星舰来说吧,如果开发出同样功率的这种发动机,助推器就不需要33个绑在一起了,因为它的燃烧效率更加高,喷出的是五六倍音速的气体,同样的燃料可以将更大的载荷送到轨道,并将飞船加速到更快的速度,缩短太空旅行的时间。而星舰返回地球或降落到其他星球,由于有更大的刹车速度,意味着将非常大地节省燃料,并可以降落更重的质量。比如现在的设计是运送100吨货物到火星,如果用这种火箭代替,就可以一次性卸货200吨甚至三四百吨。

  是不是革命性的飞跃?那么旋转爆轰发动机为何会有这么大的威力呢?说白了,这种技术的基础还是燃烧,只是和你认识的燃烧不一样。燃烧本质上是一种氧化还原反应,是将化学势能快速转化为热能和辐射能的过程。从能量传递方式来看,燃烧可分为两种,缓燃,也就是火焰扩散速度低于音速的燃烧,我们平时看到的燃烧,不管你是烧柴火煮,烧煤发电,还是烧汽油开车烧煤油开飞机,还是烧氢烧甲烷送火箭上天,都是缓燃,这就是我们目前技术的天花板。

  另外一种,自然就是超过音速的激烈燃烧了,可以称为爆震或者爆轰,我更喜欢叫它爆轰,狂野豪放,极具工业之美,这种燃烧火焰前锋以超音速扩散,形成较为强大的冲击波,威力巨大。理论上,爆轰燃烧比缓燃效率高25%甚至有可能30%,这在某种程度上预示着用作火箭的话将节约大量的燃料。而火箭的燃料占了总系统重量的95%左右,这在某种程度上预示着大量的燃料做的是把燃料送上天的无用功,减少10%都是革命性的划时代的!

  所以从上世纪开始,各国科学家就在研究爆轰发动机,然而却进展缓慢,劳而无功。世界上最大的单喷嘴火箭发动机是1970年代土星五号的F-1,海平面推力高达680吨,而NASA这次突破的创纪录的旋转爆轰发动机,推力还仅仅只有2.6吨。

  你肯定想的是,为何会这样呢?想想氢弹了,1951年第一颗氢弹就爆炸了,但到今天,人造太阳可控氢聚变都还遥遥无期,永远再等20年。关键就在于,引发爆炸容易,但你要控制爆炸,让它按我们的要求来释放实在是太困难了,可以说每一个零部件都是难点、痛点。

  一是脉冲爆轰发动机,你可以简单地想象把一门加农炮改成发动机,每秒钟发射数百发炮弹,用反作用力来推动火箭前进。这种发动机具有长长的高强度合金喷管,在底部用喷射器注入燃料和氧化剂,点火起爆,引爆混合物,爆震波以超音速冲出喷管,这时另一喷嘴喷出隔离气体,吹散剩余的燃气,开始下一轮的循环爆轰。

  你肯定就有疑问了,这不是连续燃烧,而是间歇性的爆炸,那推力不是一顿一顿的,火箭还不得乱窜啊?所以脉冲爆轰发动机,每秒需要制造上百次甚至有可能上千次爆炸,才会连续稳态地工作,它的设计和制造难点了。根据一份资料显示,脉冲爆轰发动机吸气式能够达到3-5马赫,火箭式能够达到10马赫,推力50吨,飞行高度50公里。不过也有说,它的极限可能是5马赫的。

  日本2021年在太空首次进行了脉冲爆轰发动机的测试,成功实现了50公斤推力,6秒钟的燃烧。波兰华沙航空研究所同年的测试,也让火箭发动机工作了3.2秒,速度达到了90m/s,火箭飞到了450m的高度。

  脉冲爆轰1秒内要进行上百次点火、爆炸、吹扫,很难做到推力连续,所以科学家们脑洞大开,设计了第二种爆轰发动机,也就是圆柱形的旋转爆轰发动机。这种发动机使用短的圆柱形喷口,中间也是尾部锥形的实心圆柱体,形成了一个圆柱形的喷管。发动机底端设置数个喷射器,第一次爆轰点燃后,爆震波会环绕狭窄圆柱体做超音速运动,后面的喷射器就会在高温度高压力下自动点火,以此来实现连续不断地爆轰。

  你可能想的是,多简单啊,实现起来应该不难吧?人造太阳也很简单,用强磁铁把等离子体约束在腔室里,等它们发生聚变反应就行了,问题是需要极其复杂的装置才能把这句话变成现实。旋转爆轰发动机也是一样,你得一秒钟点燃上千次的爆炸,才能制造有效的火箭发动机,也就是一秒钟内就得喷射上千次燃料,然后这些超音速爆震波,又得按顺序环绕圆柱体运行,千分之一秒就是一圈,很容易互相干扰,导致点火中断。如果没有强大的计算机来模拟,这些都是空谈。

  然后就是材料和制造问题,你非常容易就想到,要用爆轰来代替燃烧,发动机需要承受巨大的压力和高温,NASA使用的是来自KBM先进材料公司的铌铬铜合金,强度高,导热性好,能承受2000度的高温,用3D打印成型。我找到了这样一种材料的成分,大致是铌2.7%-3%,铬3.1%-3.4%,铁氧铝硅微量,剩下的是铜。

  那么制造问题又是什么呢?爆震波的起爆条件极为苛刻,喷射器、燃烧室等都需要精确设计,才能1秒内上千次地连续爆轰,否则非常容易就歇火了。像是喷射器,爆轰产生的压力高达100万帕,如何防止高温燃气反噬回去?这就是我视频开头说的此公司的绝招了,此公司名叫金星航空航天(Venus Aerospace),总部在德克萨斯州,他们利用特斯拉阀的原理,用3D打印制造了最关键的喷射器。这种发动机采用再生冷却RDRE架构,熬过了4分多钟的连续高温爆轰,而此前的纪录仅为数秒,这在某种程度上预示着美国在这项技术上,已实现了一个重要的里程碑。

  特斯拉阀是尼古拉·特斯拉发明的“无用玩意儿”,特斯拉被一些人称为最接近神的男人,一生发明了现代社会的很多重要设计,但这个脑洞大开的精巧特斯拉阀却始终没有派上大用场。这种阀门内部有很多交替的管状分支和半环状回旋结构,流体正向进入管路会畅通无阻,但反向进入时,环路流体会和支路流体迎头相撞,导致速度减缓,从而阻碍流体的运动。

  随着流量的持续不断的增加,特斯拉阀可以更有效地阻止反向流动,这在必须精确控制流量的情况下很有用,这不正是旋转爆轰喷射器所需要的吗?所以未来如果旋转爆轰发动机,真的成为商业太空的基石,特斯拉恐怕又要扬眉吐气一把了。

  金星航天打造的观星者太空飞机,长45.72米,宽30.48米,可以搭载12名乘客。它设计了两套发动机系统,先用喷气式发动机起飞,速度起来后切换到火箭发动机,在52公里的中间层巡航飞行,这里空气稀薄阻力小,气流平稳,速度可达9马赫,也就是9800公里/小时,两个小时就可到达地球上任何地方,如果能达到更快的15马赫以上,一个小时就能到任何地方了。

  金星航天和NASA实际都在独立开发,关键设计上相互合作,取长补短。金星航天的旋转爆轰发动机设计,更是令人咋舌,每秒钟将引爆20000次爆轰,目前该公司正在开发6米长的测试无人机,速度预计为5马赫。

  还有一种驻定斜爆震冲压发动机,这个目前可能主要是中国和美国在搞,据称能够在高超音速下稳定、高效工作,中国研究的速度可达16马赫。中弗罗里达大学认为,这样的形式燃烧效率非常之高,几乎100%的燃料都被燃烧,理论速度是17马赫,可以让航天器直接飞出大气层,这在某种程度上预示着可以打造真正的空天飞机了。

  中国斜爆震发动机的灵感,来自于1980年NASA的一篇论文,它的结构和超燃冲压发动机进气道类似,但倾斜的角度更大,能解决超高音速下,燃料来不及充分燃烧的问题。斜爆轰发动机在流道尾部设计了斜梯面,可以诱导高速混合气体撞击斜面,由此产生冲击波加热混合物,导致其斜波爆轰。但斜爆轰只能在超高音速下启动,所以还需和其他发动机配合,或进行更深入的设计。

  所以从目前的研究来看,爆震火箭发动机技术,可能已处于即将突破的前夜,NASA的测试已近乎可以 实用 了,那么作为和NASA合作的金星航天,雄心勃勃想推出超高音速太空飞机,虽然这一个名字可能不太恰当,但在未来十年内取得某种突破也不是不可能。

  不过在这条赛道上还有中美欧日等很多公司机构在竞争,有些可能已经取得了较大突破,只是因为这项技术的敏感性而没有展示出来,最终谁会在这条赛道上脱颖而出,可能就只有等待时间的检验了。但我们大家可以畅想的是,可能在一二十年后,地球就将开始慢慢地建立1小时的经济圈。

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