60年后，全新引擎动力火箭即将问世

　　图片说明：旋转爆轰引擎可以使火箭更轻、更快、更简单。首次设想是在20世纪50年代，现在几乎为首次飞行做好了准备。
　　对于大多数航空航天工程师来说，火箭引擎的爆炸是一场灾难。但对卡里姆·艾哈迈德来说，这才是最重要的。作为佛罗里达大学推进和能源研究实验室的主任，艾哈迈德在过去几年里一直在开发下一代火箭引擎，这种引擎可以通过控制爆炸将物质送入太空。它被称为旋转爆炸引擎，有望使火箭更轻、更快、更简单。但在它进入太空之前，工程师和物理学家需要更好地了解它是如何工作的。
　　艾哈迈德说:＂我们面临的挑战是试图了解内部到底发生了什么，并能够预测性能。＂＂我们希望它们能像传统引擎一样可预测。＂
　　旋转爆轰引擎(RDEs)，听起来像是科幻小说里的东西，但这个概念与太空时代本身一样古老。在20世纪50年代末和60年代初，从事火箭发动机研究的航空航天工程师设想将RDEs作为一种将问题转化为解决方案的方法。＂有时候，火箭发动机会非常不稳定，会发生爆炸，＂先驱亚瑟·尼科尔斯(Arthur Nicholls)去世前不久在密歇根大学(University of Michigan)接受采访时回忆道。＂然后产生了一个想法——好吧，我们用它会怎么样?＂
　　RDEs发动机与其他火箭发动机基本相同:燃料和氧化剂被点燃，当它们迅速膨胀时，被高速推出喷管，使火箭朝着相反的方向爆炸。但是，一如既往，细节决定成败。在SpaceX使用的传统液体火箭发动机中，燃料和氧化剂是通过笨重的涡轮泵和其他复杂机械增压并送入点火室的。旋转爆震发动机不需要这些增压系统，因为爆炸产生的冲击波提供了压力。
　　在Ahmed和他的同事开发的RDE中，氢和氧被送入燃烧室。一个小管被用来将冲击波送入舱内，从而触发爆炸。当压力波通过燃烧室时，会遇到更多的氢和氧，这些氢和氧是由几十个微型喷射器注入发动机前端的。当爆震波碰到新鲜的燃料和氧化剂时，它会迅速提高气体的温度和压力。这使它们燃烧，并从火箭发动机中喷出火焰。
　　我们习惯于认为爆炸是一次性事件——某物爆炸了，就是这样。但是一个功能性的RDE需要维持初始爆炸，这就是＂旋转＂部分的作用。推进剂通过一个特殊设计的注射板进入发动机，注射板上有几十个小孔，这些小孔就像雷轰波的跑道，使雷轰波能够围绕气缸旋转。旋转的波以新的推进剂为食，并将在一个无尽的循环中产生新的爆震波，直到没有更多的燃料流入燃烧室。
　　本月早些时候，Ahmed和来自佛罗里达大学和美国空军的一组研究人员公布了第一个使用氢和氧作为推进剂的旋转爆炸引擎的测试结果。这种化学鸡尾酒通常被用来推动火箭在进入轨道的最后一段旅程的上一级。但是Ahmed说，许多工程师认为这种化学混合物太容易挥发，不适合用于旋转爆轰发动机。＂氢是一种疯狂的燃料，＂他说。＂大多数人认为不可能引爆氢和氧，因为它会像典型的火箭发动机一样爆燃，而不是引爆发动机。＂
　　发动机产生的波的数量取决于向系统中注入的推进剂的数量。由Ahmed和他的同事制造的引擎有5个波，但其他RDEs有多达8个波。目前还不清楚波的数量如何影响引擎的性能，这需要更好地了解波本身。为了研究发动机产生的波，Ahmed和他的同事们在推进剂中加入了一种化学示踪剂，并用一台高速摄像机以每秒20万帧的速度拍摄发动机。结果看起来像一个throbber，它在你的PC上旋转，告诉你什么时候有一个计算机应用程序挂起了。
　　艾哈迈德估计，消除所有涡轮泵装置可以使火箭重量减轻约30%。它还能使发动机比传统发动机更简单、更省油。
　　利用爆炸并将其送入太空在理论上似乎很酷，但在实践中却极具挑战性。最大的挑战仍然是掌握发动机中发生的基本反应。＂人们对大多数爆震波现象似乎知之甚少，＂美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory)旋转爆震波引擎研究负责人威廉·哈格斯(William Hargus)在2018年一篇描述该项目的论文中写道，RDEs＂需要在其基本理解上有重大的改进，才能确定它们是否能够为火箭推进界提供性能改进。＂
　　华盛顿大学应用数学临时博士后研究员詹姆斯·科赫说，由于爆炸过程极其猛烈，而且＂非常快＂，所以很难研究它们。点燃发动机的初始爆炸产生的冲击波能以每小时4000英里的速度传播一厘米左右的距离。而一旦引擎启动，就很难从火焰其余部分的旋转爆震波中分辨出微弱的信号。
　　经过20世纪50年代末和60年代初期的大量研究，随着控制爆炸的复杂性不断增加，美国宇航局和其他航天机构转而将注意力集中在改进传统发动机上。从那时起，旋转爆轰发动机的研究就在幕后进行，在过去的几年里，这个想法又重新流行起来。2018年，美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory)的官员宣布了一项计划，开发和驾驶一种使用传统火箭推进剂的RDE。Ahmed的团队开发的引擎就是该项目的成果，他表示，空军的目标是在2025年实现RDE引擎的首飞。
　　为了克服在RDEs上工作的挑战，工程师们依靠计算流体动力学来创建爆炸过程的详细模拟。同样的计算技术也被用于设计新型飞机、潜艇和火箭，但模拟一个旋转爆炸引擎将超级计算机推到了极限。科赫说:＂这是一种非常实事求是、粗暴的方法。＂＂国防部已经在旋转爆轰引擎上进行了模拟，在他们领先的超级计算机上运行大约需要三周到一个月的时间。＂
　　科赫决心找到一种更好的方法来模拟爆震波，所以他转向了一个叫做非线性波和模式动力学的数学分支，它使用数学来创建模型来描述模式是如何形成的。当科赫和他的同事在他们的实验室里点燃了一个小型旋转爆炸发动机时，科赫发现发动机中发生的基本物理过程可以用他的数学模型来描述——不需要超级计算机。＂这种方法真的很有效，＂科赫说。＂我可以在我的笔记本电脑上运行一个大概30秒的模拟，得出的结果与国防部用了三周的结果差不多。＂
　　科赫说，他的新技术正在研究领域＂掀起波澜＂，但它不太可能很快取代超级计算机建模。它仍然是抽象的，因为它不能用于建模特定的RDEs。科赫公司不能只输入喷油器的数量，燃料的类型，发动机的直径和其他参数，就能得到一个特定发动机的模拟结果。他说:＂我们离那种情况还有好几年的距离。＂但是这个数学模型对于理解RDEs的基本物理是重要的一步。
　　RDEs可以提供比改进火箭更多的东西。美国能源部(US Department of Energy)正在投资研究将RDEs用于固定发电，通用电气(General Electric)等公司也在探索它们在喷气发动机上的应用。但Ahmed说，这些系统将首先在火箭上实际应用，因为在减轻重量和提高燃料效率方面有很多收获。经过60年的努力，爆炸火箭引擎可能即将升空。
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