▏****爆震發動機的結構與原理一、創新構造爆震發動機是一種利用爆震波來進行燃燒并產生推力的發動機形式，主要分為脈沖爆震發動機（PDE）、旋轉爆震發動機（RDE）以及斜爆震發動機（ODE）三類。它的構造極具創新性，以旋轉爆震發動機為例，通常由環形燃燒室、起爆裝置、推進劑噴注器、尾噴管等部分組成。環形燃燒室是爆震燃燒的核心區域，其獨特的環形結構設計，為爆震波的旋轉傳播提供了空間；起爆裝置用于觸發爆震波的產生，是發動機啟動的關鍵；推進劑噴注器則負責將燃料和氧化劑按照一定比例精準地噴入燃燒室，確保混合氣體的均勻性和燃燒的穩定性；尾噴管則將燃燒產生的高溫高壓氣體高速排出，轉化為強大的推力。與傳統發動機相比，爆震發動機在構造上更加簡潔，理想情況下不需要大型渦輪、壓氣機等復雜部件，這不僅降低了發動機的整體重量，還減少了部件之間的能量損耗，提高了發動機的效率。二、工作原理爆震發動機的工作原理基于爆震燃燒這一獨特的過程。在爆震燃燒中，燃料與氧化劑的混合氣在極短時間內經受激波壓縮，隨后以超音速形成爆震波進行快速燃燒。以脈沖爆震發動機的工作過程為例，首先通過進氣裝置使燃料和空氣混合形成可爆混氣，被吸入發動機的爆震室；然后在爆震室后端通過火花塞或其他點火方式觸發燃燒，由于燃燒管往往有誘導段或激波形成段，火焰會在極短時間內轉變為超音速爆震波；爆震波產生的高溫高壓氣體膨脹并排出，這一過程會產生強大的推力；最后排出廢氣，并為下一次循環做好準備，閥門再次打開，引入新一輪混合氣，準備下一次爆震。而旋轉爆震發動機的工作過程稍有不同。它在環形通道內讓爆震波沿周向旋轉，燃料和氧化劑通過封閉端的環縫或噴孔注入燃燒室，形成可燃混合物，通過預爆震管或火花塞等進行起爆，形成一個或多個沿圓周方向旋轉傳播、發展的爆震波，生成的高溫高壓爆震燃燒產物經尾噴管軸向膨脹后高速排出、產生推力。一旦成功建立旋轉爆震波，理想情況下可維持 “連續” 燃燒模式，不需要頻繁點火，燃燒效率更高，脈動和機械沖擊相對更小。這種利用爆震燃燒產生的強大壓力波推動氣體快速排出從而產生推力的原理，使得爆震發動機具有更高的燃燒速度和反應物轉換速度，能夠在相同體積和重量下獲得更高的推力，為飛行器提供了更強大的動力支持。

▏****爆震發動機的特性與制造一、性能優勢爆震發動機具有一系列顯著的性能優勢。在燃燒特性方面，它的燃燒速度極快，能夠在瞬間釋放出大量能量，這使得它的熱效率相比傳統發動機有了大幅提升。相關研究數據表明，爆震發動機的熱循環效率可達 49%，而傳統發動機的熱循環效率僅為 27% 左右，這意味著爆震發動機在消耗相同燃料的情況下，能夠產生更多的有用功。爆震發動機的推重比也十分出色。以脈沖爆震發動機為例，其推重比能達到 20 左右，而先進渦扇發動機的推重比通常在 12 - 13 之間。較高的推重比使得搭載爆震發動機的飛行器在飛行過程中能夠更加靈活，加速性能更好，能夠在短時間內達到較高的飛行速度。此外，爆震發動機在理論上能夠實現更高的飛行速度。其飛行包線更寬，不僅能零速度啟動，而且最高飛行速度遠超傳統發動機。像斜爆震發動機，理論上最高速度甚至可以達到 17 馬赫，這一速度優勢使得爆震發動機在未來的高超音速飛行器領域具有巨大的應用潛力，有望實現快速的全球到達和太空探索等任務。二、制造挑戰盡管爆震發動機具有諸多優勢，但在制造過程中也面臨著一系列嚴峻的挑戰。其中，燃燒不穩定是一個關鍵問題。爆震燃燒是一個極其復雜的過程，涉及到激波與火焰的相互作用、化學反應動力學等多個方面，這使得爆震燃燒的穩定性難以控制。如果燃燒不穩定，不僅會導致發動機性能下降，還可能對發動機結構造成嚴重損壞。例如，在脈沖爆震發動機中，爆震波的間歇性產生容易導致推力的不穩定，影響飛行器的飛行性能。為了解決這一問題，科研人員通過優化燃燒室結構設計，采用先進的數值模擬技術，深入研究爆震燃燒的機理，以提高燃燒的穩定性。例如，通過設計特殊形狀的燃燒室，改變氣流的流動方式，使得燃料和氧化劑能夠更加均勻地混合，從而促進爆震燃燒的穩定進行。材料問題也是制造爆震發動機時需要攻克的難題。由于爆震發動機在工作過程中，燃燒室等部件會承受極高的壓力和溫度，對材料的性能提出了極高的要求。在爆震燃燒時，燃燒室內部的壓力可瞬間達到數十個甚至上百個大氣壓，溫度也會急劇升高到數千攝氏度。這就要求材料具備良好的耐高溫性能，能夠在高溫環境下保持穩定的物理和化學性質，同時還要有足夠的強度和韌性，以承受高壓的沖擊。目前，科學家們正在積極研發新型耐高溫、高強度材料，如陶瓷基復合材料、碳 - 碳復合材料等，這些材料具有優異的耐高溫性能和強度，有望滿足爆震發動機的制造需求。在制造工藝方面，爆震發動機也面臨著挑戰。由于爆震發動機的結構設計和工作原理與傳統發動機不同，其制造工藝也需要進行創新和改進。例如，旋轉爆震發動機的環形燃燒室制造難度較大，需要高精度的加工工藝來保證燃燒室的形狀和尺寸精度，以確保爆震波能夠在燃燒室內穩定旋轉傳播。同時，對于推進劑噴注器等關鍵部件，也需要采用先進的制造工藝，實現燃料和氧化劑的精確噴注和混合，提高燃燒效率。為了解決這些問題，科研人員采用了先進的增材制造技術、精密加工技術等，通過這些技術的應用，能夠制造出高精度、高性能的爆震發動機部件，推動爆震發動機的發展。

▏****爆震發動機的應用前景一、未來航天爆震發動機在未來航天領域展現出了極為廣闊的應用前景，有望成為推動航天技術發展的關鍵動力。在未來的空天飛行器中，爆震發動機可以發揮重要作用。例如，它有可能助力實現單級入軌這一極具挑戰性的航天任務。傳統的航天發射方式通常需要多級火箭的接力才能將航天器送入軌道，這種方式不僅結構復雜，而且成本高昂。而爆震發動機憑借其高推重比和高效率的特點，使得單級入軌成為可能。單級入軌意味著航天器可以在一臺發動機的推動下，直接從地面加速進入地球軌道，大大簡化了航天發射的過程，降低了發射成本。在深空探測任務中，爆震發動機也能發揮獨特優勢。以火星探測為例，目前的火星探測器在前往火星的過程中，需要攜帶大量的燃料來滿足漫長旅程的需求，這不僅增加了探測器的重量和成本，還限制了探測器的有效載荷。如果采用爆震發動機，其高效的燃燒特性可以減少燃料的攜帶量，提高探測器的有效載荷能力，使得探測器能夠攜帶更多先進的科學儀器，對火星進行更深入、更全面的探測，為人類探索火星奧秘提供更強大的支持。二、高超音速武器爆震發動機為高超音速武器的發展提供了強大的動力支持，有望顯著提升武器的性能。在軍事領域，高超音速武器具有速度快、突防能力強等特點，能夠在短時間內對目標發動攻擊，讓敵方防御系統難以攔截。爆震發動機的高推重比和高燃燒速度，使得高超音速武器能夠獲得更高的飛行速度和更遠的射程。例如，裝備爆震發動機的高超音速導彈，其飛行速度可以輕松超過 5 馬赫，甚至達到更高的速度，這使得導彈能夠在極短的時間內抵達目標，大大縮短了敵方的反應時間，提高了導彈的命中率和殺傷力。此外，爆震發動機還能提高武器的機動性。傳統導彈在飛行過程中，由于受到發動機性能的限制，機動性相對較差。而爆震發動機的應用，使得高超音速武器在飛行過程中能夠更加靈活地調整飛行軌跡，實現復雜的機動動作，從而有效規避敵方的攔截，增強武器的作戰效能。以某型正在研發的高超音速巡航導彈為例，采用爆震發動機后，其不僅速度大幅提升，而且在飛行過程中能夠進行大幅度的變向機動，讓敵方的防空系統難以捉摸，大大提高了導彈的生存能力和打擊能力。沖壓發動機、渦扇發動機和爆震發動機各自憑借獨特的性能特點，在不同的飛行領域發揮著關鍵作用。沖壓發動機以其簡單的結構和適合高速飛行的特性，在無人機、靶機以及高超音速飛行器等領域展現出重要價值；渦扇發動機憑借強大的推力、高燃油效率和低噪音等優勢，成為民用航空和軍事航空的主力軍；爆震發動機則以其高效的燃燒和高推重比，在未來航天和高超音速武器等領域展現出巨大的應用潛力。展望未來，航空發動機技術有望取得更多突破。在材料科學領域，科學家們將不斷研發新型材料，以滿足發動機在高溫、高壓等極端條件下的性能需求。例如，新型高溫合金、陶瓷基復合材料等的出現，將進一步提高發動機的耐高溫性能和強度，從而提升發動機的效率和可靠性。在制造工藝方面，3D 打印、增材制造等先進技術將得到更廣泛的應用，這些技術能夠實現復雜部件的精確制造，提高生產效率，降低制造成本。隨著科技的不斷進步，航空發動機的應用領域也將不斷拓展。在民用航空領域，發動機將朝著更加環保、高效的方向發展，以滿足人們對綠色航空的需求。例如，新型渦扇發動機將進一步降低燃油消耗和廢氣排放，減少對環境的影響。在軍事航空領域，發動機的性能將不斷提升，以適應未來戰爭的需求。高超音速飛行器的發展將使軍事打擊更加迅速和精準，爆震發動機將為其提供強大的動力支持。此外，航空發動機在新興領域，如高空長航時無人機、臨近空間飛行器等方面，也將發揮重要作用，為人類探索未知領域提供動力保障。（圖片源自網絡）
作者 | 幾維鳥畢業于新西蘭林肯大學。對大眾科普知識擁有濃厚興趣，曾在多個科普期刊上發表過科普文章。關注事實，積極探索前沿科技。

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來源: 吉林科普微窗