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計算機建模如何幫助華盛頓大學工程師，打造更加高效穩(wěn)定的旋轉爆震火箭發(fā)動機？

華盛頓大學的工程師們，正在研究一種新型的火箭發(fā)動機。長期以來，研究人員們一直在數(shù)學模型的開發(fā)上面臨很大的困難。

不過在計算機建模的幫助下，這種旋轉爆震發(fā)動機（RDE）有望實現(xiàn)比常規(guī)液體燃料火箭更輕、更高效，制造上也更加容易。

據(jù)悉，該模型可描述非常難以預測的發(fā)動機設計，以及如何讓它工作起來更加穩(wěn)定。

【這臺 RDE 實驗機可控制包括氣缸間隙在內(nèi)的不同參數(shù)。來自：James Koch】

RDE 火箭發(fā)動機的基礎，類似于二戰(zhàn)期間臭名昭著的德國 V1 巡航導彈上的脈沖噴氣發(fā)動機。

其包含了一個簡單的燃燒室，一端帶有排氣管，正面則裝有彈簧板條。運行時，空氣可從板條處進入、與燃料混合、然后被引爆，以產(chǎn)生推力脈沖。

不過 RDE 的研發(fā)工程團隊，希望在設計上更進一步。威斯康星大學航空與航天專業(yè)博士生 James Koch 稱，旋轉爆震發(fā)動機在燃燒的利用上采取了不同的控制方法。

其由同心圓柱體制成，推進劑在汽缸之間的間隙中流動，并在點火后迅速釋放熱量，以形成沖擊波。這是一種強烈的氣體脈沖，壓力和溫度都明顯超過音速。

換言之，RDE 的燃燒過程，實際上是一種爆炸。但在度過了初始的啟動階段之后，即可利用更加穩(wěn)定的燃燒脈沖形式。

隨著推進劑的不斷消耗、以及高壓和高溫的產(chǎn)生，RDE 可將廢氣排出燃燒室。發(fā)動機的高速運轉，可提供強勁的推力。

棘手的是，爆炸沖擊波的形成和維持很是不可預測。為更好地了解正在發(fā)生的事情，華盛頓團隊構建了一套實驗性的 RDE 裝置。

該裝置能夠在一系列半秒實驗期間執(zhí)行不同的運行參數(shù)，然后通過 24 萬 fps 的高速相機來拍攝記錄。

視頻加載中...

【Ignition, deflagration-to-detonation】

基于這些數(shù)據(jù)，團隊打造了一套數(shù)學模型，以確定發(fā)動機是否按照既定配置在穩(wěn)定運行。即便如此，想要確定 RDE 的整體性能，仍有很長一段路要走。

Koch 表示，當前目標僅是重現(xiàn)已觀察到的脈沖行為，以確保輸出模型與實驗結果相似（已經(jīng)確定主要的物理學及其相互作用）。后續(xù)任務是將研究成果定量化，以研究如何打造更好的火箭發(fā)動機。

有關這項研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《物理評論 E 刊》（Physical Review E）上。原標題為：

《Mode-locked rotating detonation waves: Experiments and a model equation》

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