2020年2月19日
将任何东西发射到太空都需要大量的燃料。事实上，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，而这些燃料大约比一头蓝鲸重15倍。
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引擎。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、建造起来更简单。图片来源:NASA/Bill Ingalls/Flickr。
然而，一种新型发动机——称为旋转爆震发动机——有可能使火箭更省油、更轻、制造难度更小。但目前只有一个问题，旋转爆炸引擎在真正的火箭上使用非常不可靠。
在华盛顿大学在美国，科学家们设计了一个独特的数学模型来解释这些新型发动机的工作原理。有了这些数据，工程师们就可以进行试验来增强旋转爆炸引擎，使其更稳定，这是第一次。研究人员将这些发现发表在物理评论E1月10日日志th,2020年。
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，但我们不知道发生了什么。我试图通过观察模式的形成来改变我们的结果，而不是问一个工程问题——比如如何得到性能最好的引擎——然后，结果证明它是可行的。
James Koch，研究首席作者和博士生，航空航天系，华盛顿大学
标准的火箭发动机是先燃烧推进剂，然后将推进剂从发动机后部挤出来产生推力。
”旋转爆震发动机使用不同的方法来燃烧推进剂,”科赫补充说。”它是由同心圆柱体组成的。推进剂在气瓶之间流动，点火后，快速的热量释放形成冲击波，这是一种压力和温度明显更高的气体脉冲，其移动速度快于音速．
科赫继续说道,“这个燃烧过程实际上是一个引爆——一个爆炸——但在这个初始启动阶段之后，我们看到了一些稳定的燃烧脉冲的形成，这些燃烧脉冲继续消耗可用的推进剂。这就产生了高压和高温，促使发动机后部的废气高速排出，从而产生推力”。
传统的发动机利用大量的机械来引导和调节燃烧反应，从而产生驱动发动机所需的功。然而，在一个旋转爆震引擎中的冲击波自然地执行一切，而不需要引擎组件的任何进一步帮助。
当气流在燃烧室中流动时，燃烧驱动的冲击自然地压缩气流。缺点是这些爆炸有自己的想法。一旦你引爆了什么，它就会爆炸。它是如此暴力。
James Koch，研究首席作者和博士生，航空航天系，华盛顿大学
为了阐明这些发动机的工作原理，科学家们最初创造了一个实验性的旋转爆震发动机，在这个发动机中，他们可以控制不同的参数，比如气缸之间存在的间隙的大小。然后，研究人员使用高速摄像机记录下了燃烧过程。
每个实验只花了0.5秒，但科学家们以每秒24万帧的速度记录了这些实验，这样他们就可以观察慢镜头中到底发生了什么。在此基础上，该团队创建了一个数学模型来模拟他们在视频中所看到的东西。
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化和复杂动力学的模型。
J. Nathan Kutz，研究合著者，华盛顿大学应用数学系教授
这一数学模型首次使科学家们能够确定这种发动机是不稳定的还是稳定的。该模型还使研究小组能够评估特定引擎的实际性能。
”这种新方法不同于该领域的传统智慧，其广泛的应用和新的见解完全出乎我的意料这项研究的合著者、华盛顿大学航空航天学研究副教授卡尔·诺伦说。
目前，这种新模型还没有完全准备好，因此还不能供工程师使用。
”我在这里的目的仅仅是再现我们看到的脉冲的行为，以确保模型输出与我们的实验结果相似,”科赫补充说。”我已经确定了主导物理以及它们是如何相互作用的。现在我可以把我在这里做的量化。从这里我们可以讨论如何制作更好的引擎”。
华盛顿大学航空航天学教授黑坂满(Mitsuru Kurosaka)也是这项研究的合著者。美国空军科学研究办公室和海军研究办公室资助了这项研究。
旋转爆轰波的点火、爆燃至爆轰和锁定模式
为了启动反应，推进剂从气瓶之间的间隙流动，点火后，快速的热量释放形成冲击波(从11秒开始)。在这个启动阶段之后，一些稳定的燃烧脉冲形成，继续消耗可用的推进剂。视频资料:詹姆斯·科赫/华盛顿大学。
来源:https://www.washington.edu/