新的旋转爆炸引擎可天富登天富平台登录录以使航天器更便宜、更轻

时间:2020-09-15 14:59 作者:http://zdtnx.com.cn/ 分享到:
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2017年,一艘联盟号宇宙飞船从哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场发射,使用的是传统的燃料密集型发动机。华盛顿大学的研究人员开发了一个数学模型,描述了一种新型发动机是如何工作的。这种发动机有望使火箭更省油、更轻、建造更简单。来源:美国国家航空航天局/比尔英格尔斯天富平台登录
 
把什么东西发射到太空需要很多燃料。将美国宇航局的航天飞机送入轨道需要超过350万磅的燃料,大约是一只蓝鲸的15倍。
 
但是一种被称为旋转爆炸引擎的新型发动机不仅能使火箭更省油,而且更轻,构造更简单。只有一个问题:现在这个引擎太不可预测了,不能用在真正的火箭上。
 
华盛顿大学的研究人员开发了一个数学模型来描述这些发动机是如何工作的。有了这些信息,工程师们第一次可以开发测试来改进这些引擎,使它们更加稳定。该团队于2020年1月10日在《物理评论E》上发表了这些发现。
 
“旋转爆震发动机领域仍处于起步阶段。我们有大量关于这些引擎的数据,但我们不知道到底发生了什么,”该研究的主要作者詹姆斯·科赫说,他是华盛顿大学航空航天专业的博士生。“我试图通过观察模式的形成,而不是问一个工程问题——比如如何得到性能最高的引擎——来重新塑造我们的结果,然后突然,结果证明它是可行的。”
 
 
传统的火箭发动机是通过燃烧推进剂,然后将其推出发动机后部来产生推力。天富登录
 
“旋转爆轰发动机采用不同的方法来燃烧推进剂,”科赫说。“它是由同心圆柱体构成的。推进剂在气缸之间流动,点火后,快速的热释放形成激波,这是一种压力和温度明显高于声速的强烈气体脉冲。
 
为了启动反应,推进剂在气缸之间的间隙流动,点火后,快速的热量释放形成激波(在11秒时开始)。在启动阶段之后,会形成一些稳定的燃烧脉冲,继续消耗可用的推进剂。资料来源:詹姆斯·科赫/华盛顿大学
 
“这种燃烧过程实际上是一种爆炸,但在最初的启动阶段之后,我们看到一些稳定的燃烧脉冲形成,继续消耗可用的推进剂。这将产生高压和高温,驱动发动机后部高速排气,从而产生推力。”
 
传统的发动机使用许多机械来指导和控制燃烧反应,从而产生推动发动机所需的功。但在一个旋转爆震引擎中,冲击波自然地做了一切,而不需要来自引擎部件的额外帮助。
 
“燃烧驱动的冲击自然压缩流动,因为他们在燃烧室,”科赫说。“这样做的缺点是,这些爆炸有自己的思想。一旦你引爆了什么东西,它就会爆炸。它是如此暴力。”
 
旋转爆轰发动机
 
研究人员首先开发了一种实验性的旋转爆震发动机(如图所示),他们可以控制不同的参数,比如气缸之间的间隙大小。供给线(右)引导推进剂流入发动机。在里面,有另一个圆柱体与外面的一块同心。发动机顶部伸出的传感器(左)测量气缸长度上的压力。摄像机将在左边,从引擎的后端看。资料来源:詹姆斯·科赫/华盛顿大学天富登录
 
为了能够描述这些发动机是如何工作的,研究人员首先开发了一种试验性的旋转爆震发动机,在那里他们可以控制不同的参数,比如气缸之间的间隙大小。然后他们用高速摄像机记录了燃烧过程。每个实验只需要0.5秒就可以完成,但是研究人员以每秒24万帧的速度记录了这些实验,这样他们就可以看到在慢动作中发生了什么。
 
在此基础上,研究人员开发了一个数学模型来模拟他们在视频中看到的情况。
 
“这是目前文献中唯一能够描述我们在实验中观察到的这些旋转爆震发动机的多样而复杂的动力学模型,”合著者J. Nathan Kutz说,他是华盛顿大学应用数学教授。
 
该模型允许研究人员首次确定这种类型的发动机是稳定的还是不稳定的。它还允许他们评估一个特定引擎的性能。
 
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成功案例success case