实现太空梦想的技术

─ PD Aerospace 的航天器配备了“脉冲爆震发动机”，可以在喷气模式和火箭模式之间切换。原理和机制是什么？

第二次世界大战前后，德国开发了“脉冲喷气发动机”^*5(PJE)''已投入实际使用。该发动机通过发动机内部的间歇性爆炸产生喷射流，并且可以通过仅由簧片阀、燃烧室和尾管组成的非常简单的结构产生推力。另外，爆炸声是在一定时期发生的，因此操作声也有其特点。我们正在开发的“脉冲爆震发动机（PDE）”起源于脉冲喷气发动机，但又有所不同。最大的区别在于燃烧方式。 PJE 的燃烧是“爆炸”，而 PDE 的燃烧是“爆炸”。这种爆炸英文称为detonation。

“爆炸”是燃烧的一种形式。 “燃烧”现象的出现根据燃烧速度（更准确地说是火焰传播速度）而变化。燃烧缓慢的东西，如蜡烛火焰，或燃烧剧烈的东西，如煤气炉，甚至更剧烈，当它同时燃烧时，就会发生爆炸。

燃烧速度变得比爆炸还要快，当超过音速时，就变成了“爆炸”。是否超过音速非常重要；如果超过音速，火焰前端会产生“冲击波”。这种冲击波压缩未燃烧的气体并提高其温度，从而提高燃烧效率。 “一下子燃烧”就是“能够在短时间内释放出能量”，从而能够产生大量的电力。 “脉冲爆震发动机”就是这种技术在推进装置上的应用。

喷气发动机和火箭发动机的相同之处在于它们都利用燃烧现象。用于燃烧的“氧气”可以从大气中的“空气”中获得，也可以从飞机上携带的“氧化剂”中获得。^*6'' 被使用。这种差异带来了发动机结构上的巨大差异，两者只能作为完全不同的东西存在。然而，只有简单圆柱结构的偏微分方程使得两者共存成为可能。 “喷射燃烧模式”通过吸入空气进行操作，而“火箭燃烧模式”则使用机载氧化剂通过“切换”将氧化剂喷射到燃烧室中的路线来进行操作。

[图1] PD Aerospace正在开发的燃烧模式切换发动机的机制
可以在喷气燃烧模式和火箭燃烧模式之间切换的发动机可以简化航天器系统，从而可以显着降低太空运输的成本。
来源：PD Aerospace

── 7月，你们成功试验了脉冲爆震发动机的“喷气/火箭燃烧模式切换”。切换这种模式的想法是如何产生的？

当我在读研究生时，我正在研究超燃冲压发动机的燃烧。超燃冲压发动机在运行过程中会经历一种称为“强燃烧和弱燃烧”的现象。这句话深深地印在了我的脑海里。

有一天，我回到家，看到家里贴的一张脉冲喷气发动机的结构图，我随意地看了一下，突然想到：“它呼吸空气时是喷气发动机，但爆炸的那一刻，内部压力增大，喷射出来，所以它和火箭发动机是一样的。脉冲喷气发动机在某个时刻就是火箭发动机。”

超燃冲压发动机的“强燃烧和弱燃烧”两种模式和脉冲喷气发动机在某一时刻表现得像火箭发动机的想法重叠，我们提出了“通过脉冲燃烧方法，如果我们设计一种引入氧化剂的方法，我们也许能够在一台发动机中实现喷气燃烧和火箭燃烧。”这就是这个想法的开始。

── 切换燃烧模式的难点是什么？

证明起来其实并不难。您所要做的就是切换空气和氧气管线。

困难不在于证明它，而在于将其达到实际水平。有许多技术问题需要解决，例如更大的尺寸、更长的运行时间、运行稳定性、可靠性和耐用性。由于预算少、人员少、测量设备劣质、环境受限，很难在很短的时间内达到理想的性能。

当然，事情往往不会按计划进行，所以我们必须调查原因，想出新的想法，用简单的方法解决问题。保持这种精神力量和坚韧，是另一个“难点”。

小川社长开发的脉冲爆震发动机

[视频1]在筑波大学进行的脉冲爆震发动机推力测量测试

─ 其他航天公司正在开发仅使用火箭发动机飞行的航天器，或通过在空中分离喷气机和火箭来飞行的航天器。贵公司可切换模式的飞机有哪些优势？

一般来说，可以同时实现以下两件事。这些是“降低成本”和“提高安全性”。

可以提及以下四项来降低成本。

• ① 由于只有一套飞机系统，不仅可以降低制造成本，还可以降低运营成本，因为飞行员、维修人员、维修设备、备件等都可以整合为一。
• ②由于发动机本身结构简单，零件数量减少，这也降低了制造和维护成本。
• ③PDE热效率高。换句话说，它具有良好的燃油效率，从而降低了运营成本。
• ④从太空返回时，它可以以喷气模式进行动力飞行，而不是滑翔，从而可以停留在天空中并降低着陆速度，从而可以使用现有机场。也就是说，不需要专门的机场，降低了运营成本。

为了提高安全性，可以提及以下三项。

• ① 你可以随时切换到喷气模式，这样你就可以中止（停止任务）。
• ② 回程时可以使用喷气模式飞行，这样您就可以潜水（转移到另一个机场）。
• ③返回时您可以使用喷气模式飞行，这样您就可以重新着陆。

例如，维珍银河在名为“白骑士二号”的母机上驾驶一艘名为“SpaceShipTwo”的宇宙飞船，该飞船配备了火箭发动机，并在 15 公里的高度将飞船分开。采用仅分离的航天器飞入太空的方法。太空船二号只有火箭发动机，在上升过程中燃料耗尽，因此在返航过程中必须滑翔。母机上将有两名飞行员，飞船上将有两名飞行员。

维珍银河的太空船二号
在形状像两架相连的飞机的母机“白骑士二号”的中心，是在亚轨道飞行进行太空旅行的太空飞机“太空船二号”。它可容纳 8 人，其中 6 名乘客和 2 名飞行员。
图片：©polaris/amanaimages

【图2】100km高度亚轨道（亚轨道）航天飞行路径
PD Aerospace 和维珍银河公司的飞机式（有翼）航天器的飞行路径大致相似。
来源：PD Aerospace