从战火中走来

公元1842年9月29日，英国工程师威廉姆·萨缪尔·亨森提交了一份具有划时代意义的专利申请，他想要用蒸汽动力将飞行器送上天空。不过蒸汽机过于笨重，并没能让有动力的重于空气的飞行器飞上蓝天。但是，1903年12月17日，莱特兄弟首次制作了完全可控、带有航空发动机、机身比空气重、持续滞空不落地的飞机，也就是“世界上第一架飞机”。负责研制这架飞机的发动机的工程师叫做泰勒。他的设计可谓是具有划时代的意义。从此以后，航空发动机的发展一发而不可收拾。亨森爵士的蒸汽航空发动机，其功率高达20千瓦，但是相对于1 360千克的总重来说，功率/重量比仅为0.015。而泰勒的4缸水冷汽油机的功率虽然不及亨森爵士的蒸汽机的一半，但其功率/重量比达到了0.109，是前者的7.3倍。

在那之后，活塞发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机等发展迅速，推动着人类航空事业的不断进步。但是，在所有的航空发动机中，不带转子，结构极其简单的设计理念始终像一个魔咒一样，诱惑着无数工程师为其付出青春。

披挂上阵冲向战场

1949年4月，由法国传奇工程师雷内·勒杜克设计的010型飞机试飞成功，成为世界上首架冲压喷气飞机。但是在多年的探索之后，冲压发动机的一个致命缺陷暴露出来：无法在静止条件下产生足够的推力。早期冲压喷气飞机需要由载机驮在背上，随载机加速到接近400 千米/小时的速度后才能启动冲压发动机并脱离载机。这样的设计使其無法独立起飞，而驮载起飞的方式限制了冲压飞机的起飞重量，也增加了起飞风险（曾发生过冲压飞机与载机相撞的事故）。1958年，有关冲压喷气飞机的研究出现了停滞。后来涡轮喷气式发动机发展迅速，冲压发动机便很少出现在飞机上了。

冲压发动机需要相当高的速度才能良好工作，速度达到3马赫左右时工作最为有效，最高可以在6马赫速度下工作。冲压发动机在飞机上的应用可谓昙花一现。但是它重量轻、结构简单的特点非常明显，这足以引起导弹设计师的兴趣。很快，他们就发现了冲压发动机的新优势。以火箭发动机驱动的导弹需要自带氧化剂和燃烧剂。而冲压发动机可以利用大气中的氧气，不需携带氧化剂，这会大大减轻导弹的重量和成本。

实际上，早在第二次世界大战之前，一种更为简洁的脉冲喷气式发动机的雏形就已经出现了。

德国有个叫保罗·施密特的工程师在1928年开始对他梦想中的发动机进行忘我的研究。保罗·施密特把这种发动机叫做脉冲喷气式发动机（有时也称作间歇工作式发动机）。他决心将1913年法国工程师洛林提出的冲压发动机的概念变成现实。不过，这类发动机逐渐偏离了洛林早期的概念，开始转向用频繁启闭的阀门来控制燃气的流向和发动机工作的流程，而非先驱者们提出的单向流动的理想循环方式。

1930年，保罗·施密特的脉冲喷气式发动机研制成功。法国工程师洛林已经在数月前抱憾去世，而施密特的这种发动机则在14年后，成为了世界上第一种巡航导弹V-1的动力来源。

V-1导弹的飞行速度为640 千米/小时，这样的速度得益于施密特的脉冲喷气发动机。施密特很早就注意到，脉动式的燃烧在工程热力学上来看是一种非常高效的方式。

脉冲喷气式发动机按照一定的频率产生高温且高速的燃气，经过尾喷管后，就能够向后产生流速和推力大小呈周期性变化的气流。在脉冲喷气式发动机的核心部位——脉动燃烧室，一场剧烈的物理化学过程在紧张上演。燃料在一瞬间被点燃，然后以类似爆炸的方式快速完成氧化还原过程并释放出大量能量。在如此高的燃烧强度下，其热力学过程简洁有效，使燃料发挥出了较高的效能，而这种燃烧效果是其他以连续燃烧的方式进行共工作的发动机所难以匹敌的。

多人奋斗成就今天

回首过去，1913年，法国工程师雷内·劳伦首次提出了一种不依赖于活塞和转子的新型发动机的概念。他认为，当发动机不停地向前冲击的时候，流经进气道的空气会不断地增加压力，这样不用压气机就可以让发动机里的燃料持续燃烧并向后产生推力。这种发动机只有进气道、燃烧室和喷管三部分组成，中间没有活塞也无需转子（甚至可以没有任何活动部件），构造非常简单、重量较轻，能够拥有很大的推重比。劳伦对他提出的新概念很满意，可惜囿于当时的材料和工艺水平，直到抱憾去世，他始终没能制成原型机。

1915年，匈牙利布达佩斯的工程师阿尔伯特·福诺提出了类似的概念。他将这种发动机与炮弹结合，发明了冲压喷气炮弹。这种炮弹能够借助自身动力，因此即使出膛动能不大也能有超远的射程。不过，当时的奥匈帝国并不看好这种设计，没有给福诺一张订单。对于冲压发动机的技术发展来说，这竟是一件好事。第一次世界大战后，福诺看到了飞机的重要作用，加上他已经对炮弹失去了兴趣，于是开始转行研究冲压喷气飞机，并在1928年向德国提交了一种高空超声速飞机的专利申请。这个超前于时代的设计使德国专利部门犹豫了4年，终于在1932年给福诺确认了专利。（要知道，1946年世界上才开始出现第一架能够超声速飞行的飞机。）

1926年，英国工程师本杰明·卡特提出了在发动机中安置火焰稳定器的设计。1928年，德国开始研究激波。当飞行器的速度超过声速时，飞行器前方来不及躲开的空气会不断地堆积压缩，并最终形成激波。激波的厚度只有几微米，但是激波前后的空气性质会发生巨大的变化。德国人以此为灵感设计出了带中心锥的进气道，利用一系列斜激波来改善冲压发动机的进气环境。这两项发明奠定了早期冲压发动机的基础。

冲压发动机是喷气发动机的一种，它利用了发动机的前向运动来压缩空气，而不使用带有可旋转叶片的压缩机。这种发动机能够利用高速迎面气流进入发动机后减速使空气增压的航空发动机。通常由涵道（又称扩压器）、燃烧室和喷管组成。航空器飞行时迎面气流在通过涵道的过程中将动能转变为压力能，经压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合进行等压燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排出，产生推力。冲压发动机的体积比较小，结构比较简单，因此对于那些需要这种发动机的高速飞行器相当有用，比如导弹。因而武器设计者试图在火炮中使用冲压发动机技术。使用冲压发动机技术的身管武器，能够使其发射物的射程成倍增加。

而脉冲喷气式发动机则是对冲压发动机中没有转子的极简设计理念的继承，但是它本身又开启了一个全新的技术流派。脉冲喷气式发动机由燃油系统、燃烧室、进气口、单向阀和排气管构成。在工作的时候，先启动高压空气供应，并且开启燃油供应系统。此时，高压空气将进气口处的单向阀吹开，同时，燃油与空气被带入燃烧室中进行混合。然后，火花塞启动，将混合油气点燃。燃气爆炸后，进气口处的单向阀门被燃烧室内的强大压力按住，封堵了燃气向前排出的路径。燃气只得通过排气管向后排出，并产生推力。而当燃气向外膨胀做功之后，会引起燃烧室内温度和压力的骤降。此时，燃烧室的压力会相對于大气形成负压。单向阀在负压的作用下会自动打开，引入新鲜的空气和燃油，开启下一次循环。

脉冲式喷气发动机，其核心部件是脉冲燃烧器。脉冲燃烧本身具有稳态燃烧难以匹敌的优点。脉冲燃烧的高强度、高效率以及脉冲燃烧室结构简单、可靠性高的特点使得这种发动机并没有随着第二次世界大战的硝烟的消散而退出历史舞台。

缩小尺寸后，脉冲喷气发动机开始在各种高端航空模型中继续吸引着全世界无数工程师和爱好者的兴趣。涡喷发动机可以说是航空模型爱好者的终极梦想，而脉冲喷气式发动机那种独特的声音一旦响起，更是让众多发烧友大呼过瘾。

不过，说起声音，这就不得不提脉冲喷气式发动机的一个缺点了。虽然爱好者痴迷于这种声音，但是巨大的噪声也的确在一定程度上限制这种发动机的应用范畴。

脉冲喷气式发动机的噪声为什么如此大呢？主要有两个原因。首先，脉冲喷气式发动机的燃烧，本身就是瞬间的爆燃与声波之间的脉冲波交互作用的结果，脉冲波会不可避免地从进气口阀门和排气口辐射出来。可以说，一旦彻底消除了这种脉动的噪声，也就彻底让该类发动机熄火了。另外，根据斯宾塞的声学理论进行计算会发现，脉冲喷气式发动机的声波会向燃烧室和排气管的中心进行辐射和弯曲，传统的消声器和花瓣状消声结构在此类发动机上的应用情况并不理想。

至此，我们已经明晰了脉冲喷气式发动机的诞生过程，得知了劳伦、福诺和卡特在理论上的贡献以及富有天赋的工程师施密特终于将这种发动机带到了世界上。脉冲喷气式发动机已经发展为与冲压发动机并行的另一种不用借助转子就能产生推力的航空喷气式发动机，并且具有燃烧效率高、结构极其简单等优点，期待未来的技术发展能够解决其噪声和点火问题，使其跳出航模发动机的禁锢，走向更为广泛的应用领域。

责任编辑：邢强

推荐访问:战火 走来