鹿鳴

公元1842年9月29日，英國(guó)工程師威廉姆·薩繆爾·亨森提交了一份具有劃時(shí)代意義的專利申請(qǐng)，他想要用蒸汽動(dòng)力將飛行器送上天空。不過蒸汽機(jī)過于笨重，并沒能讓有動(dòng)力的重于空氣的飛行器飛上藍(lán)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(dòng)機(jī)、機(jī)身比空氣重、持續(xù)滯空不落地的飛機(jī)，也就是“世界上第一架飛機(jī)”。負(fù)責(zé)研制這架飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的工程師叫做泰勒。他的設(shè)計(jì)可謂是具有劃時(shí)代的意義。從此以后，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展一發(fā)而不可收拾。亨森爵士的蒸汽航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率高達(dá)20千瓦，但是相對(duì)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(jī)的功率雖然不及亨森爵士的蒸汽機(jī)的一半，但其功率/重量比達(dá)到了0.109，是前者的7.3倍。

在那之后，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)等發(fā)展迅速，推動(dòng)著人類航空事業(yè)的不斷進(jìn)步。但是，在所有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，不帶轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)理念始終像一個(gè)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(chǎng)

1949年4月，由法國(guó)傳奇工程師雷內(nèi)·勒杜克設(shè)計(jì)的010型飛機(jī)試飛成功，成為世界上首架沖壓噴氣飛機(jī)。但是在多年的探索之后，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)致命缺陷暴露出來：無法在靜止條件下產(chǎn)生足夠的推力。早期沖壓噴氣飛機(jī)需要由載機(jī)馱在背上，隨載機(jī)加速到接近400 千米/小時(shí)的速度后才能啟動(dòng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)并脫離載機(jī)。這樣的設(shè)計(jì)使其無法獨(dú)立起飛，而馱載起飛的方式限制了沖壓飛機(jī)的起飛重量，也增加了起飛風(fēng)險(xiǎn)（曾發(fā)生過沖壓飛機(jī)與載機(jī)相撞的事故）。1958年，有關(guān)沖壓噴氣飛機(jī)的研究出現(xiàn)了停滯。后來渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展迅速，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)便很少出現(xiàn)在飛機(jī)上了。

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要相當(dāng)高的速度才能良好工作，速度達(dá)到3馬赫左右時(shí)工作最為有效，最高可以在6馬赫速度下工作。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的應(yīng)用可謂曇花一現(xiàn)。但是它重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)非常明顯，這足以引起導(dǎo)彈設(shè)計(jì)師的興趣。很快，他們就發(fā)現(xiàn)了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的新優(yōu)勢(shì)。以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)彈需要自帶氧化劑和燃燒劑。而沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可以利用大氣中的氧氣，不需攜帶氧化劑，這會(huì)大大減輕導(dǎo)彈的重量和成本。

實(shí)際上，早在第二次世界大戰(zhàn)之前，一種更為簡(jiǎn)潔的脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的雛形就已經(jīng)出現(xiàn)了。

德國(guó)有個(gè)叫保羅·施密特的工程師在1928年開始對(duì)他夢(mèng)想中的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行忘我的研究。保羅·施密特把這種發(fā)動(dòng)機(jī)叫做脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)（有時(shí)也稱作間歇工作式發(fā)動(dòng)機(jī)）。他決心將1913年法國(guó)工程師洛林提出的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的概念變成現(xiàn)實(shí)。不過，這類發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸偏離了洛林早期的概念，開始轉(zhuǎn)向用頻繁啟閉的閥門來控制燃?xì)獾牧飨蚝桶l(fā)動(dòng)機(jī)工作的流程，而非先驅(qū)者們提出的單向流動(dòng)的理想循環(huán)方式。

1930年，保羅·施密特的脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功。法國(guó)工程師洛林已經(jīng)在數(shù)月前抱憾去世，而施密特的這種發(fā)動(dòng)機(jī)則在14年后，成為了世界上第一種巡航導(dǎo)彈V-1的動(dòng)力來源。

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

脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)按照一定的頻率產(chǎn)生高溫且高速的燃?xì)?，?jīng)過尾噴管后，就能夠向后產(chǎn)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(dòng)機(jī)的核心部位——脈動(dòng)燃燒室，一場(chǎng)劇烈的物理化學(xué)過程在緊張上演。燃料在一瞬間被點(diǎn)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(qiáng)度下，其熱力學(xué)過程簡(jiǎn)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(jìn)行共工作的發(fā)動(dòng)機(jī)所難以匹敵的。

多人奮斗成就今天

回首過去，1913年，法國(guó)工程師雷內(nèi)·勞倫首次提出了一種不依賴于活塞和轉(zhuǎn)子的新型發(fā)動(dòng)機(jī)的概念。他認(rèn)為，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不停地向前沖擊的時(shí)候，流經(jīng)進(jìn)氣道的空氣會(huì)不斷地增加壓力，這樣不用壓氣機(jī)就可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)里的燃料持續(xù)燃燒并向后產(chǎn)生推力。這種發(fā)動(dòng)機(jī)只有進(jìn)氣道、燃燒室和噴管三部分組成，中間沒有活塞也無需轉(zhuǎn)子（甚至可以沒有任何活動(dòng)部件），構(gòu)造非常簡(jiǎn)單、重量較輕，能夠擁有很大的推重比。勞倫對(duì)他提出的新概念很滿意，可惜囿于當(dāng)時(shí)的材料和工藝水平，直到抱憾去世，他始終沒能制成原型機(jī)。

1915年，匈牙利布達(dá)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(dòng)機(jī)與炮彈結(jié)合，發(fā)明了沖壓噴氣炮彈。這種炮彈能夠借助自身動(dòng)力，因此即使出膛動(dòng)能不大也能有超遠(yuǎn)的射程。不過，當(dāng)時(shí)的奧匈帝國(guó)并不看好這種設(shè)計(jì)，沒有給福諾一張訂單。對(duì)于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)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(jī)的重要作用，加上他已經(jīng)對(duì)炮彈失去了興趣，于是開始轉(zhuǎn)行研究沖壓噴氣飛機(jī)，并在1928年向德國(guó)提交了一種高空超聲速飛機(jī)的專利申請(qǐng)。這個(gè)超前于時(shí)代的設(shè)計(jì)使德國(guó)專利部門猶豫了4年，終于在1932年給福諾確認(rèn)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(jī)。）

1926年，英國(guó)工程師本杰明·卡特提出了在發(fā)動(dòng)機(jī)中安置火焰穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)。1928年，德國(guó)開始研究激波。當(dāng)飛行器的速度超過聲速時(shí)，飛行器前方來不及躲開的空氣會(huì)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(zhì)會(huì)發(fā)生巨大的變化。德國(guó)人以此為靈感設(shè)計(jì)出了帶中心錐的進(jìn)氣道，利用一系列斜激波來改善沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣環(huán)境。這兩項(xiàng)發(fā)明奠定了早期沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)。

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，它利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的前向運(yùn)動(dòng)來壓縮空氣，而不使用帶有可旋轉(zhuǎn)葉片的壓縮機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)能夠利用高速迎面氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后減速使空氣增壓的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。通常由涵道（又稱擴(kuò)壓器）、燃燒室和噴管組成。航空器飛行時(shí)迎面氣流在通過涵道的過程中將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，?jīng)壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室與燃料混合進(jìn)行等壓燃燒，生成的高溫燃?xì)庠趪姽苤信蛎浖铀俸笈懦?，產(chǎn)生推力。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的體積比較小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，因此對(duì)于那些需要這種發(fā)動(dòng)機(jī)的高速飛行器相當(dāng)有用，比如導(dǎo)彈。因而武器設(shè)計(jì)者試圖在火炮中使用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。使用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)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(dòng)機(jī)則是對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中沒有轉(zhuǎn)子的極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)理念的繼承，但是它本身又開啟了一個(gè)全新的技術(shù)流派。脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)由燃油系統(tǒng)、燃燒室、進(jìn)氣口、單向閥和排氣管構(gòu)成。在工作的時(shí)候，先啟動(dòng)高壓空氣供應(yīng)，并且開啟燃油供應(yīng)系統(tǒng)。此時(shí)，高壓空氣將進(jìn)氣口處的單向閥吹開，同時(shí)，燃油與空氣被帶入燃燒室中進(jìn)行混合。然后，火花塞啟動(dòng)，將混合油氣點(diǎn)燃。燃?xì)獗ê?，進(jìn)氣口處的單向閥門被燃燒室內(nèi)的強(qiáng)大壓力按住，封堵了燃?xì)庀蚯芭懦龅穆窂健Ｈ細(xì)庵坏猛ㄟ^排氣管向后排出，并產(chǎn)生推力。而當(dāng)燃?xì)庀蛲馀蛎涀龉χ螅瑫?huì)引起燃燒室內(nèi)溫度和壓力的驟降。此時(shí)，燃燒室的壓力會(huì)相對(duì)于大氣形成負(fù)壓。單向閥在負(fù)壓的作用下會(huì)自動(dòng)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(dòng)機(jī)，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(diǎn)。脈沖燃燒的高強(qiáng)度、高效率以及脈沖燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)使得這種發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)。

縮小尺寸后，脈沖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)可以說是航空模型愛好者的終極夢(mèng)想，而脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)那種獨(dú)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(dòng)機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)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(dòng)機(jī)的應(yīng)用范疇。

脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲為什么如此大呢？主要有兩個(gè)原因。首先，脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)果，脈沖波會(huì)不可避免地從進(jìn)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(dòng)的噪聲，也就徹底讓該類發(fā)動(dòng)機(jī)熄火了。另外，根據(jù)斯賓塞的聲學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算會(huì)發(fā)現(xiàn)，脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的聲波會(huì)向燃燒室和排氣管的中心進(jìn)行輻射和彎曲，傳統(tǒng)的消聲器和花瓣?duì)钕暯Y(jié)構(gòu)在此類發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用情況并不理想。

至此，我們已經(jīng)明晰了脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生過程，得知了勞倫、福諾和卡特在理論上的貢獻(xiàn)以及富有天賦的工程師施密特終于將這種發(fā)動(dòng)機(jī)帶到了世界上。脈沖噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展為與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)并行的另一種不用借助轉(zhuǎn)子就能產(chǎn)生推力的航空噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，并且具有燃燒效率高、結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，期待未來的技術(shù)發(fā)展能夠解決其噪聲和點(diǎn)火問題，使其跳出航模發(fā)動(dòng)機(jī)的禁錮，走向更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)