一場爆炸！將我們送上太空？探索太空飛船的能源奧秘

無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動機提供動力的超高聲速飛機的概念圖。圖源：Daniel A. Rosato, NASA

無止境的爆炸可能是超高音速飛行和太空飛機的關鍵，這些飛機可以順利的從地球飛入軌道。目前，研究人員已經在實驗室里模擬了可能使這些飛機產生爆炸的現象。

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

科學家們長期以來的一個夢想就是建造一個能夠使用這種能量所進行飛行的飛機引擎；這種飛船理論上可以在一小時內從紐約飛到倫敦。但引爆是一件非常難以控制的，通常持續不到一微秒，所以還沒有科學家能夠使其成為現實。

目前，中佛羅里達大學的一個團隊創造了一個實驗裝置，使他們能夠在一個固定的位置持續引爆幾秒鐘，研究人員認為這是朝著未來高超音速推進系統邁出的重要一步。

"中佛羅里達大學機械和航空航天工程副教授、也是這項研究論文的主要作者Kareem Ahmed，發表在《國家科學院院刊》上的一篇關于說："我們在這里要做的是控制這種引爆。

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

這一突破是建立在幾十年來對一種被稱為斜爆波發動機（ODWE）的理論推進系統的研究上。這個概念的工作原理是將空氣和燃料的混合物以高超音速（超過五倍音速）輸送到一個斜面上，從而產生一個沖擊波。這個沖擊波將迅速加熱燃料——也就是空氣混合物并使其爆炸，將廢氣從發動機的后面高速噴出。其結果是產生大量的推力。

當空氣和燃料的混合物以這種方式引爆時，所產生的燃燒是非常有效的，因為接近100%的燃料被燃燒。爆炸還產生了大量的壓力，這意味著發動機可以產生比其他方法更多的推力。研究人員說，從理論上講，這種引爆所產生的能量應該能夠以高達17倍的音速推動飛機，這可能快到足以讓航天器簡單地飛出大氣層，而不是需要搭上火箭。

但技術上的挑戰在于如何維持足夠長的引爆時間，為這種飛行提供動力，但以前的實驗證明最高也就幾毫秒。艾哈邁德說，主要的困難在于防止爆炸向燃料源的上游移動，在那里它可能會造成嚴重的損害，或者進一步向下游移動，在那里它將會熄滅。

"一直存在著這樣的問題：如果你把它保持在一毫秒左右，你只是暫時保持嗎？Ahmed說。"你不知道你是否已經穩定下來了。"

為了測試他們是否能夠改進以前的記錄，Ahmed和他的同事們建造了一個大約2.5英尺長（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斜坡發射之前，將其混合并加熱。

通過仔平衡空氣與燃料混合物的比例、氣體流動的速度和坡道的角度，實驗團隊能夠產生一個固定位置約3秒的爆炸。Ahmed說，這已經足夠確認爆炸穩定發生在一個固定的位置，而不是向上或向下游移動，這是朝著實現現實生活中的ODWE邁出的第一個重要步驟。

德克薩斯大學阿靈頓分校的機械和航空航天工程教授Frank Lu說，展示穩定的引爆是一項重大成就。為了開發一個實用的發動機，研究人員現在必須解決如何在一定的速度和高度范圍內運行，并處理由燃料和空氣不均勻混合等因素引起的燃燒不穩定。

"我認為調查人員做得很好，并期待著進一步的結果，"Lu告訴《生活科學》。

Ahmed解釋說，研究人員只進行了幾秒鐘的實驗，主要是因為爆炸的強度迅速侵蝕了試驗室的玻璃側面。他說，他們在最初的測試中不得不使用玻璃，以便他們能夠對爆炸進行光學測量，但是如果他們用金屬邊代替，他們應該能夠運行更長時間的爆炸。

而且有希望的是，Ahmed說，測試裝置的結構與全尺寸ODWE的設計沒有什么不同。研究人員現在面臨的主要挑戰是研究他們如何能夠改變燃料混合、空氣速度和斜角這三個關鍵成分，同時仍然保持爆炸的穩定性。

Ahmed說：“現在，我們已經證明它是可行的，單更多的是一個工程問題——探索如何在更大的操作領域內維持它?！?/p>

BY:Edd Gent

FY:秋白

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