一場(chǎng)爆炸！將我們送上太空？探索太空飛船的能源奧秘

無(wú)休止的爆炸可能可以將超高音速飛行器送入太空

圖解： 這是一張由斜爆震波發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的超高聲速飛機(jī)的概念圖。圖源：Daniel A. Rosato, NASA

無(wú)止境的爆炸可能是超高音速飛行和太空飛機(jī)的關(guān)鍵，這些飛機(jī)可以順利的從地球飛入軌道。目前，研究人員已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里模擬了可能使這些飛機(jī)產(chǎn)生爆炸的現(xiàn)象。

這些爆炸不是我們所理解的簡(jiǎn)單的爆炸，而是一種特別強(qiáng)大的爆炸，其向外移動(dòng)的速度超過(guò)了音速。去年震撼黎巴嫩貝魯特港的大爆炸就是一種類似的引爆，它們所能產(chǎn)生的巨大能量造成的輻射面積相當(dāng)廣的破壞。

科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)夢(mèng)想就是建造一個(gè)能夠使用這種能量所進(jìn)行飛行的飛機(jī)引擎；這種飛船理論上可以在一小時(shí)內(nèi)從紐約飛到倫敦。但引爆是一件非常難以控制的，通常持續(xù)不到一微秒，所以還沒(méi)有科學(xué)家能夠使其成為現(xiàn)實(shí)。

目前，中佛羅里達(dá)大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，使他們能夠在一個(gè)固定的位置持續(xù)引爆幾秒鐘，研究人員認(rèn)為這是朝著未來(lái)高超音速推進(jìn)系統(tǒng)邁出的重要一步。

"中佛羅里達(dá)大學(xué)機(jī)械和航空航天工程副教授、也是這項(xiàng)研究論文的主要作者Kareem Ahmed，發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)院院刊》上的一篇關(guān)于說(shuō)："我們?cè)谶@里要做的是控制這種引爆。

"我們想把它凍結(jié)在太空中，并利用這種能量。Ahmed告訴《生活科學(xué)》，"與其像你在黎巴嫩看到的那樣讓它摧毀建筑物，現(xiàn)在我想利用它，用它生產(chǎn)推力。"如果我們能做到這一點(diǎn)，我們就可以超速旅行。"

這一突破是建立在幾十年來(lái)對(duì)一種被稱為斜爆波發(fā)動(dòng)機(jī)（ODWE）的理論推進(jìn)系統(tǒng)的研究上。這個(gè)概念的工作原理是將空氣和燃料的混合物以高超音速（超過(guò)五倍音速）輸送到一個(gè)斜面上，從而產(chǎn)生一個(gè)沖擊波。這個(gè)沖擊波將迅速加熱燃料——也就是空氣混合物并使其爆炸，將廢氣從發(fā)動(dòng)機(jī)的后面高速噴出。其結(jié)果是產(chǎn)生大量的推力。

當(dāng)空氣和燃料的混合物以這種方式引爆時(shí)，所產(chǎn)生的燃燒是非常有效的，因?yàn)榻咏?00%的燃料被燃燒。爆炸還產(chǎn)生了大量的壓力，這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生比其他方法更多的推力。研究人員說(shuō)，從理論上講，這種引爆所產(chǎn)生的能量應(yīng)該能夠以高達(dá)17倍的音速推動(dòng)飛機(jī)，這可能快到足以讓航天器簡(jiǎn)單地飛出大氣層，而不是需要搭上火箭。

但技術(shù)上的挑戰(zhàn)在于如何維持足夠長(zhǎng)的引爆時(shí)間，為這種飛行提供動(dòng)力，但以前的實(shí)驗(yàn)證明最高也就幾毫秒。艾哈邁德說(shuō)，主要的困難在于防止爆炸向燃料源的上游移動(dòng)，在那里它可能會(huì)造成嚴(yán)重的損害，或者進(jìn)一步向下游移動(dòng)，在那里它將會(huì)熄滅。

"一直存在著這樣的問(wèn)題：如果你把它保持在一毫秒左右，你只是暫時(shí)保持嗎？Ahmed說(shuō)。"你不知道你是否已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)了。"

為了測(cè)試他們是否能夠改進(jìn)以前的記錄，Ahmed和他的同事們建造了一個(gè)大約2.5英尺長(zhǎng)（0.76米）的系列腔體，在將空氣和氫氣加速到高超音速并向一個(gè)斜坡發(fā)射之前，將其混合并加熱。

通過(guò)仔平衡空氣與燃料混合物的比例、氣體流動(dòng)的速度和坡道的角度，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)能夠產(chǎn)生一個(gè)固定位置約3秒的爆炸。Ahmed說(shuō)，這已經(jīng)足夠確認(rèn)爆炸穩(wěn)定發(fā)生在一個(gè)固定的位置，而不是向上或向下游移動(dòng)，這是朝著實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的ODWE邁出的第一個(gè)重要步驟。

德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的機(jī)械和航空航天工程教授Frank Lu說(shuō)，展示穩(wěn)定的引爆是一項(xiàng)重大成就。為了開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)用的發(fā)動(dòng)機(jī)，研究人員現(xiàn)在必須解決如何在一定的速度和高度范圍內(nèi)運(yùn)行，并處理由燃料和空氣不均勻混合等因素引起的燃燒不穩(wěn)定。

"我認(rèn)為調(diào)查人員做得很好，并期待著進(jìn)一步的結(jié)果，"Lu告訴《生活科學(xué)》。

Ahmed解釋說(shuō)，研究人員只進(jìn)行了幾秒鐘的實(shí)驗(yàn)，主要是因?yàn)楸ǖ膹?qiáng)度迅速侵蝕了試驗(yàn)室的玻璃側(cè)面。他說(shuō)，他們?cè)谧畛醯臏y(cè)試中不得不使用玻璃，以便他們能夠?qū)ΡㄟM(jìn)行光學(xué)測(cè)量，但是如果他們用金屬邊代替，他們應(yīng)該能夠運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間的爆炸。

而且有希望的是，Ahmed說(shuō)，測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)與全尺寸ODWE的設(shè)計(jì)沒(méi)有什么不同。研究人員現(xiàn)在面臨的主要挑戰(zhàn)是研究他們?nèi)绾文軌蚋淖內(nèi)剂匣旌?、空氣速度和斜角這三個(gè)關(guān)鍵成分，同時(shí)仍然保持爆炸的穩(wěn)定性。

Ahmed說(shuō)：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)證明它是可行的，單更多的是一個(gè)工程問(wèn)題——探索如何在更大的操作領(lǐng)域內(nèi)維持它?！?/p>

BY:Edd Gent

FY:秋白

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