從戰(zhàn)火中走來

鹿鳴

公元1842年9月29日，英國工程師威廉姆·薩繆爾·亨森提交了一份具有劃時代意義的專利申請，他想要用蒸汽動力將飛行器送上天空。不過蒸汽機過于笨重，并沒能讓有動力的重于空氣的飛行器飛上藍天。但是，1903年12月17日，萊特兄弟首次制作了完全可控、帶有航空發(fā)動機、機身比空氣重、持續(xù)滯空不落地的飛機，也就是“世界上第一架飛機”。負責研制這架飛機的發(fā)動機的工程師叫做泰勒。他的設計可謂是具有劃時代的意義。從此以后，航空發(fā)動機的發(fā)展一發(fā)而不可收拾。亨森爵士的蒸汽航空發(fā)動機，其功率高達20千瓦，但是相對于1 360千克的總重來說，功率/重量比僅為0.015。而泰勒的4缸水冷汽油機的功率雖然不及亨森爵士的蒸汽機的一半，但其功率/重量比達到了0.109，是前者的7.3倍。

在那之后，活塞發(fā)動機、渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機等發(fā)展迅速，推動著人類航空事業(yè)的不斷進步。但是，在所有的航空發(fā)動機中，不帶轉子，結構極其簡單的設計理念始終像一個魔咒一樣，誘惑著無數(shù)工程師為其付出青春。

披掛上陣沖向戰(zhàn)場

1949年4月，由法國傳奇工程師雷內·勒杜克設計的010型飛機試飛成功，成為世界上首架沖壓噴氣飛機。但是在多年的探索之后，沖壓發(fā)動機的一個致命缺陷暴露出來：無法在靜止條件下產生足夠的推力。早期沖壓噴氣飛機需要由載機馱在背上，隨載機加速到接近400 千米/小時的速度后才能啟動沖壓發(fā)動機并脫離載機。這樣的設計使其無法獨立起飛，而馱載起飛的方式限制了沖壓飛機的起飛重量，也增加了起飛風險（曾發(fā)生過沖壓飛機與載機相撞的事故）。1958年，有關沖壓噴氣飛機的研究出現(xiàn)了停滯。后來渦輪噴氣式發(fā)動機發(fā)展迅速，沖壓發(fā)動機便很少出現(xiàn)在飛機上了。

沖壓發(fā)動機需要相當高的速度才能良好工作，速度達到3馬赫左右時工作最為有效，最高可以在6馬赫速度下工作。沖壓發(fā)動機在飛機上的應用可謂曇花一現(xiàn)。但是它重量輕、結構簡單的特點非常明顯，這足以引起導彈設計師的興趣。很快，他們就發(fā)現(xiàn)了沖壓發(fā)動機的新優(yōu)勢。以火箭發(fā)動機驅動的導彈需要自帶氧化劑和燃燒劑。而沖壓發(fā)動機可以利用大氣中的氧氣，不需攜帶氧化劑，這會大大減輕導彈的重量和成本。

實際上，早在第二次世界大戰(zhàn)之前，一種更為簡潔的脈沖噴氣式發(fā)動機的雛形就已經出現(xiàn)了。

德國有個叫保羅·施密特的工程師在1928年開始對他夢想中的發(fā)動機進行忘我的研究。保羅·施密特把這種發(fā)動機叫做脈沖噴氣式發(fā)動機（有時也稱作間歇工作式發(fā)動機）。他決心將1913年法國工程師洛林提出的沖壓發(fā)動機的概念變成現(xiàn)實。不過，這類發(fā)動機逐漸偏離了洛林早期的概念，開始轉向用頻繁啟閉的閥門來控制燃氣的流向和發(fā)動機工作的流程，而非先驅者們提出的單向流動的理想循環(huán)方式。

1930年，保羅·施密特的脈沖噴氣式發(fā)動機研制成功。法國工程師洛林已經在數(shù)月前抱憾去世，而施密特的這種發(fā)動機則在14年后，成為了世界上第一種巡航導彈V-1的動力來源。

V-1導彈的飛行速度為640 千米/小時，這樣的速度得益于施密特的脈沖噴氣發(fā)動機。施密特很早就注意到，脈動式的燃燒在工程熱力學上來看是一種非常高效的方式。

脈沖噴氣式發(fā)動機按照一定的頻率產生高溫且高速的燃氣，經過尾噴管后，就能夠向后產生流速和推力大小呈周期性變化的氣流。在脈沖噴氣式發(fā)動機的核心部位——脈動燃燒室，一場劇烈的物理化學過程在緊張上演。燃料在一瞬間被點燃，然后以類似爆炸的方式快速完成氧化還原過程并釋放出大量能量。在如此高的燃燒強度下，其熱力學過程簡潔有效，使燃料發(fā)揮出了較高的效能，而這種燃燒效果是其他以連續(xù)燃燒的方式進行共工作的發(fā)動機所難以匹敵的。

多人奮斗成就今天

回首過去，1913年，法國工程師雷內·勞倫首次提出了一種不依賴于活塞和轉子的新型發(fā)動機的概念。他認為，當發(fā)動機不停地向前沖擊的時候，流經進氣道的空氣會不斷地增加壓力，這樣不用壓氣機就可以讓發(fā)動機里的燃料持續(xù)燃燒并向后產生推力。這種發(fā)動機只有進氣道、燃燒室和噴管三部分組成，中間沒有活塞也無需轉子（甚至可以沒有任何活動部件），構造非常簡單、重量較輕，能夠擁有很大的推重比。勞倫對他提出的新概念很滿意，可惜囿于當時的材料和工藝水平，直到抱憾去世，他始終沒能制成原型機。

1915年，匈牙利布達佩斯的工程師阿爾伯特·福諾提出了類似的概念。他將這種發(fā)動機與炮彈結合，發(fā)明了沖壓噴氣炮彈。這種炮彈能夠借助自身動力，因此即使出膛動能不大也能有超遠的射程。不過，當時的奧匈帝國并不看好這種設計，沒有給福諾一張訂單。對于沖壓發(fā)動機的技術發(fā)展來說，這竟是一件好事。第一次世界大戰(zhàn)后，福諾看到了飛機的重要作用，加上他已經對炮彈失去了興趣，于是開始轉行研究沖壓噴氣飛機，并在1928年向德國提交了一種高空超聲速飛機的專利申請。這個超前于時代的設計使德國專利部門猶豫了4年，終于在1932年給福諾確認了專利。（要知道，1946年世界上才開始出現(xiàn)第一架能夠超聲速飛行的飛機。）

1926年，英國工程師本杰明·卡特提出了在發(fā)動機中安置火焰穩(wěn)定器的設計。1928年，德國開始研究激波。當飛行器的速度超過聲速時，飛行器前方來不及躲開的空氣會不斷地堆積壓縮，并最終形成激波。激波的厚度只有幾微米，但是激波前后的空氣性質會發(fā)生巨大的變化。德國人以此為靈感設計出了帶中心錐的進氣道，利用一系列斜激波來改善沖壓發(fā)動機的進氣環(huán)境。這兩項發(fā)明奠定了早期沖壓發(fā)動機的基礎。

沖壓發(fā)動機是噴氣發(fā)動機的一種，它利用了發(fā)動機的前向運動來壓縮空氣，而不使用帶有可旋轉葉片的壓縮機。這種發(fā)動機能夠利用高速迎面氣流進入發(fā)動機后減速使空氣增壓的航空發(fā)動機。通常由涵道（又稱擴壓器）、燃燒室和噴管組成。航空器飛行時迎面氣流在通過涵道的過程中將動能轉變?yōu)閴毫δ?，經壓縮后的空氣進入燃燒室與燃料混合進行等壓燃燒，生成的高溫燃氣在噴管中膨脹加速后排出，產生推力。沖壓發(fā)動機的體積比較小，結構比較簡單，因此對于那些需要這種發(fā)動機的高速飛行器相當有用，比如導彈。因而武器設計者試圖在火炮中使用沖壓發(fā)動機技術。使用沖壓發(fā)動機技術的身管武器，能夠使其發(fā)射物的射程成倍增加。

而脈沖噴氣式發(fā)動機則是對沖壓發(fā)動機中沒有轉子的極簡設計理念的繼承，但是它本身又開啟了一個全新的技術流派。脈沖噴氣式發(fā)動機由燃油系統(tǒng)、燃燒室、進氣口、單向閥和排氣管構成。在工作的時候，先啟動高壓空氣供應，并且開啟燃油供應系統(tǒng)。此時，高壓空氣將進氣口處的單向閥吹開，同時，燃油與空氣被帶入燃燒室中進行混合。然后，火花塞啟動，將混合油氣點燃。燃氣爆炸后，進氣口處的單向閥門被燃燒室內的強大壓力按住，封堵了燃氣向前排出的路徑。燃氣只得通過排氣管向后排出，并產生推力。而當燃氣向外膨脹做功之后，會引起燃燒室內溫度和壓力的驟降。此時，燃燒室的壓力會相對于大氣形成負壓。單向閥在負壓的作用下會自動打開，引入新鮮的空氣和燃油，開啟下一次循環(huán)。

脈沖式噴氣發(fā)動機，其核心部件是脈沖燃燒器。脈沖燃燒本身具有穩(wěn)態(tài)燃燒難以匹敵的優(yōu)點。脈沖燃燒的高強度、高效率以及脈沖燃燒室結構簡單、可靠性高的特點使得這種發(fā)動機并沒有隨著第二次世界大戰(zhàn)的硝煙的消散而退出歷史舞臺。

縮小尺寸后，脈沖噴氣發(fā)動機開始在各種高端航空模型中繼續(xù)吸引著全世界無數(shù)工程師和愛好者的興趣。渦噴發(fā)動機可以說是航空模型愛好者的終極夢想，而脈沖噴氣式發(fā)動機那種獨特的聲音一旦響起，更是讓眾多發(fā)燒友大呼過癮。

不過，說起聲音，這就不得不提脈沖噴氣式發(fā)動機的一個缺點了。雖然愛好者癡迷于這種聲音，但是巨大的噪聲也的確在一定程度上限制這種發(fā)動機的應用范疇。

脈沖噴氣式發(fā)動機的噪聲為什么如此大呢？主要有兩個原因。首先，脈沖噴氣式發(fā)動機的燃燒，本身就是瞬間的爆燃與聲波之間的脈沖波交互作用的結果，脈沖波會不可避免地從進氣口閥門和排氣口輻射出來。可以說，一旦徹底消除了這種脈動的噪聲，也就徹底讓該類發(fā)動機熄火了。另外，根據斯賓塞的聲學理論進行計算會發(fā)現(xiàn)，脈沖噴氣式發(fā)動機的聲波會向燃燒室和排氣管的中心進行輻射和彎曲，傳統(tǒng)的消聲器和花瓣狀消聲結構在此類發(fā)動機上的應用情況并不理想。

至此，我們已經明晰了脈沖噴氣式發(fā)動機的誕生過程，得知了勞倫、福諾和卡特在理論上的貢獻以及富有天賦的工程師施密特終于將這種發(fā)動機帶到了世界上。脈沖噴氣式發(fā)動機已經發(fā)展為與沖壓發(fā)動機并行的另一種不用借助轉子就能產生推力的航空噴氣式發(fā)動機，并且具有燃燒效率高、結構極其簡單等優(yōu)點，期待未來的技術發(fā)展能夠解決其噪聲和點火問題，使其跳出航模發(fā)動機的禁錮，走向更為廣泛的應用領域。

責任編輯：邢強