馬文杰

不要把科幻影片中的科技元素都當(dāng)作純粹的幻想。有時電影里閃而過的裝備，很可能昭示了嶄新的技術(shù)發(fā)展趨勢。美國影片“絕秘飛行”就是個生動的例子。從技術(shù)角度來看，該片最大的魅力并不在于令人眼花繚亂的電影特技，而在于其中那決不虛妄的噴氣推進(jìn)技術(shù)。

影片中的主角“鷹爪”與高智能無人機(jī)“EDI”都具有令人眼花繚亂的飛行性能，其中最引人注目的是它們的超機(jī)動性和能夠達(dá)到馬赫數(shù)4的超聲速巡航能力，其中“EDI”還具有垂直起降的能力。具備這種能力的前提是飛行器的氣動布局，動力裝置、可變翼技術(shù)、材料工藝，自動控制系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)和相互匹配必須達(dá)到極高水平。本文結(jié)合影片中出現(xiàn)的一些典型飛行過程，對“鷹爪”和“EDI”所采用的動力裝置談?wù)勛约旱目捶?，以饗讀者。

飛行器本身能達(dá)到的飛行狀態(tài)和飛行能力，很大程度上決定于它所配備動力裝置的能力。影片中“鷹爪”和“EDI”同時擁有優(yōu)異的低空亞聲速機(jī)動能力和馬赫數(shù)4的超聲速巡航能力。根據(jù)航空推進(jìn)系統(tǒng)現(xiàn)在所處的發(fā)展階段，目前單一類型的發(fā)動機(jī)不能夠滿足在馬赫數(shù)0～4的較寬范圍內(nèi)保持高效率的工作。由此可以推知，影片中“鷹爪”和“EDI”都采用了一定形式的組合式發(fā)動機(jī)，以滿足它們在不同飛行狀態(tài)下高效工作的要求。

首先介紹一下什么叫組合式發(fā)動機(jī)。目前以噴氣方式推進(jìn)的各種類型飛行器(包括航空器和航天器)采用的動力裝置多種多樣，主要有渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，壓燃沖壓發(fā)動機(jī)、固體和液體火箭發(fā)動機(jī)。此外還有一些正在研究階段的新概念發(fā)動機(jī)，如超燃沖壓發(fā)動機(jī)、脈沖爆震發(fā)動機(jī)等。這些發(fā)動機(jī)都有各自擅長的工作范圍和條件，根據(jù)飛行器的需要，將這些類型發(fā)動機(jī)中的兩種或兩種以上組合在一起，在不同的飛行階段最大限度的發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢，這樣的動力裝置稱為組合式的發(fā)動機(jī)。實際中采用組合發(fā)動機(jī)的典型例子，就是大家非常熟悉的SR－71黑鳥高空高速偵察機(jī)，其最大飛行高度30千米，最大飛行馬赫數(shù)可達(dá)3.5，20世紀(jì)60年代末開始投入使用。它的高空高速性能在當(dāng)時幾乎沒有哪一種航空器可以與之相比，SR-71從誕生至今從未有被擊落的紀(jì)錄。

SR-71所采用的發(fā)動機(jī)J58就是一種由渦輪噴氣發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)組成的組合式發(fā)動機(jī)，它有渦輪噴氣發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)兩種工作模式。在初始飛行的較低速階段，組合發(fā)動機(jī)以渦輪噴氣模式工作，可控調(diào)節(jié)翼板完全置于流路外側(cè)，氣流完全通過渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，一直將飛機(jī)加速至高亞聲速。此時，后方的沖壓發(fā)動機(jī)組件作為加力燃燒室工作，將飛機(jī)加速至馬赫數(shù)大于1的超聲速狀態(tài)。當(dāng)飛機(jī)繼續(xù)加速至更高的飛行速度時，可控調(diào)節(jié)翼板完全置于流路內(nèi)側(cè)，與發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣錐合為一體，渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流路完全關(guān)閉，隨即停止工作。組合發(fā)動機(jī)按沖壓發(fā)動機(jī)模式工作，一直加速至馬赫數(shù)3以上。正是由于組合發(fā)動機(jī)在不同飛行階段，發(fā)揮出了不同發(fā)動機(jī)模式的工作優(yōu)勢，才造就了SR－71的優(yōu)異的高空高速性能，使其在航空器發(fā)展史上寫下光輝的一筆。

我們從現(xiàn)實中的SR－71回到科幻影片中的“鷹爪”和“EDI”。前面已經(jīng)分析過，它們采用的是一定形式的組合發(fā)動機(jī)，但究竟是哪些發(fā)動機(jī)的組合模式呢，下面我們結(jié)合影片中提供的信息，進(jìn)行一下分析，作一個有趣的暢想之旅。

首先讓我們從影片中的臺詞人手，影片中有一小段對“EDI”動力裝置的介紹臺詞，它描述“EDI”采用的是脈沖爆震發(fā)動機(jī)以及雙混式的渦輪沖壓發(fā)動機(jī)。我認(rèn)為可以理解為“EDI”采用的就是一種由渦輪發(fā)動機(jī)+沖壓發(fā)動機(jī)+脈沖爆震發(fā)動機(jī)以一定形式組合而成的組合式發(fā)動機(jī)，而“鷹爪”采用的也是與“EDI”大致相同的動力裝置。這一點可以從影片中“EDI”和“鷹爪”的尾噴口排布形式加以推斷和判別。觀察影片里“EDI”和“鷹爪”的尾噴口排布，它們均由一個扁形主噴口及圍繞在主噴口周圍的若干圓形小噴口組成。推測主噴口為渦輪＋沖壓組合發(fā)動機(jī)的噴口，環(huán)形排列的圓形小噴口為脈沖爆震發(fā)動機(jī)的噴口。從SR-71的J58發(fā)動機(jī)的尾噴口形式不難理解“EDI”和“鷹爪”的主噴口形式。那么為什么推測圓形小噴口為脈沖爆震發(fā)動機(jī)的噴口呢?回答這個問題之前，我們先來了解一下目前脈沖爆震發(fā)動機(jī)(PDE)的簡單情況?！懊}沖爆震”的命名是來源于這種發(fā)動機(jī)工作所遵循的燃燒過程機(jī)制。談到燃燒過程，可以把自然界中的火焰分為兩類，一類是緩燃火焰(也叫正?；鹧?，以大多數(shù)碳?xì)淙剂虾涂諝獾幕旌衔餅槔浠鹧媸前凑辗€(wěn)定的、較為緩慢的速度傳播，速度約為幾十厘米每秒至十幾米每秒。目前渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，沖壓發(fā)動機(jī)及火箭發(fā)動機(jī)的燃燒過程都屬于緩燃模式。另一類就是爆震火焰，它的傳播速度極快，可以達(dá)到幾千米每秒，而脈沖爆震發(fā)動機(jī)的工作就是依靠這種爆震燃燒模式，并利用間歇式的脈沖爆震波產(chǎn)生推力的。

那么，在實際的發(fā)動機(jī)中如何應(yīng)用和實現(xiàn)這種爆震燃燒模式呢?先來看一個典型的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由進(jìn)氣道，閥門，點火器、爆震室和噴管組成。簡單來說，其工作循環(huán)包括進(jìn)氣，燃油噴注，點火，爆震波的起爆，形成及傳播，排氣過程。從以上循環(huán)過程中，我們很自然的想到，在結(jié)構(gòu)相對簡單的脈沖爆震發(fā)動機(jī)中，怎樣實現(xiàn)脈沖爆震波的觸發(fā)起爆是脈沖爆震發(fā)動機(jī)工作的關(guān)鍵一環(huán)。

爆震波的起爆一般有兩種方式，直接起爆和間接起爆。直接起爆所需要的點火能量是十分巨大的，對一般的碳?xì)淙剂蟻碚f，大約需要10⁵～10⁶焦耳的能量。而普通的渦輪發(fā)動機(jī)加力燃燒室點火用的高能電嘴的點火能量不過是幾至十幾焦耳，兩者相差太大。因此，目前在脈沖爆震發(fā)動機(jī)中難以采用直接起爆的方式。自然，間接起爆便是脈沖爆震發(fā)動機(jī)實際采用的起爆方式(參照圖7)。在爆震室中，如果點火能量達(dá)不到直接起爆所需的能量時，油氣混氣也會被點燃，只不過燃燒的方式是通常的緩燃方式，雖然此時不能直接形成爆震，但是只要設(shè)法創(chuàng)造出適當(dāng)?shù)臈l件，緩燃就會轉(zhuǎn)變?yōu)楸鸬姆绞?。為了促進(jìn)緩燃向爆震的轉(zhuǎn)變，主要有物理和化學(xué)的方法，物理方法主要是在爆震管中安裝強(qiáng)化緩燃向爆震轉(zhuǎn)變過程的裝置，例如螺旋絲、堵板和孔板等等?；瘜W(xué)方法主要是加入燃料添加劑等?？梢?，在低點火能量下，實現(xiàn)滿足要求的脈沖爆震波的起爆，才是脈沖爆震發(fā)動機(jī)的奧妙所在。

脈沖爆震發(fā)動機(jī)的優(yōu)點主要是熱循環(huán)效率高，結(jié)構(gòu)簡單，不需要壓氣機(jī)和渦輪等旋轉(zhuǎn)部件。正是由于其獨到的優(yōu)勢，使得它備受關(guān)注，成為很有應(yīng)用前景的一種全新概念

動力裝置。因此，可以理解，影片的創(chuàng)作者將脈沖爆震發(fā)動機(jī)安裝于“EDI”和“鷹爪”兩種未來戰(zhàn)機(jī)上，是對脈沖爆震發(fā)動機(jī)的美好前景寄予了很大期望的。

目前，雖然脈沖爆震發(fā)動機(jī)還處于研究階段，但已經(jīng)取得了十分令人振奮的成績。結(jié)合脈沖爆震發(fā)動機(jī)的研究情況，我們可以從影片中“EDI”和“鷹爪”動力裝置的工作情形中捕捉到現(xiàn)實脈沖爆震發(fā)動機(jī)的影子。下面舉幾個例子來看，66頁下圖中展示了普惠公司的脈沖爆震發(fā)動機(jī)的地面試驗情形，它包含5個爆震管，呈環(huán)形排列，這與影片中“EDI”和“鷹爪”的尾部環(huán)形排列的圓形小噴口是十分相似的。

前面已經(jīng)分析過，影片中“EDI”和“鷹爪”所使用的是渦輪發(fā)動機(jī)+沖壓發(fā)動機(jī)+脈沖爆震發(fā)動機(jī)的組合式發(fā)動機(jī)，但它們具體是怎么組合的呢?為了對這幾種發(fā)動機(jī)的具體組合方式有一個直觀的感性認(rèn)識，這里我們再簡單介紹一種將脈沖爆震發(fā)動機(jī)與其它類型動力裝置組合使用的方案實例。中是一種由脈沖爆震發(fā)動機(jī)與渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)合而成的混合式脈沖爆震發(fā)動機(jī)的概念。這種混合式脈沖爆震發(fā)動機(jī)以渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，在外涵道中環(huán)形排列安裝一定數(shù)量的脈沖爆震管，具備了渦扇發(fā)動機(jī)和脈沖爆震發(fā)動機(jī)兩者的優(yōu)勢，是一種很有前景的應(yīng)用概念。這種混合式脈沖爆震發(fā)動機(jī)概念的發(fā)動機(jī)尾噴口的布局形式，是由一個主噴口以及環(huán)狀排列在其周圍的圓形小噴口所組成，這與“EDI”和“鷹爪”的尾噴口布局是基本相同的，只不過“EDI”和“鷹爪”的動力裝置中還包含了一種沖壓發(fā)動機(jī)而已。

此外，資料顯示，美國空軍實驗室于2004年進(jìn)行了世界上第一架以脈沖爆震發(fā)動機(jī)為動力的有人駕駛飛機(jī)N90EZ的地面聲學(xué)和振動試驗。

“EDI”和“鷹爪”雖然是科幻影片中的未來戰(zhàn)機(jī)，但我們還是可以從它們身上找到未來推進(jìn)技術(shù)的影子?！癊DI”和“鷹爪”戰(zhàn)機(jī)作為科幻影片“絕秘飛行”的主角，為我們展現(xiàn)了采用先進(jìn)組合動力裝置的未來飛行器可能呈現(xiàn)的夢幻般的飛行畫面。當(dāng)然，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)理論來衡量，這部影片還存在些許不足，但是不可否認(rèn)，影片為我們了解先進(jìn)航空動力裝置提供了一個平臺。更為可貴的是，影片的創(chuàng)作者，把現(xiàn)實中人們寄予厚望的渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)和脈沖爆震發(fā)動機(jī)集中展現(xiàn)在“EDI”和“鷹爪”戰(zhàn)機(jī)身上，算是一個小小的技術(shù)亮點。

責(zé)任編輯偉翼