无休止的爆炸可能可以将超高音速飞行器送入太空

图解： 这是一张由斜爆震波发动机提供动力的超高声速飞机的概念图。图源：Daniel A. Rosato, NASA

无止境的爆炸可能是超高音速飞行和太空飞机的关键，这些飞机可以顺利的从地球飞入轨道。目前，研究人员已经在实验室里模拟了可能使这些飞机产生爆炸的现象。

这些爆炸不是我们所理解的简单的爆炸，而是一种特别强大的爆炸，其向外移动的速度超过了音速。去年震撼黎巴嫩贝鲁特港的大爆炸就是一种类似的引爆，它们所能产生的巨大能量造成的辐射面积相当广的破坏。

科学家们长期以来的一个梦想就是建造一个能够使用这种能量进行飞行的飞机引擎；这种飞船理论上可以在一小时内从纽约飞到伦敦。但引爆是一件非常难以控制的，通常持续不到一微秒，所以还没有科学家能够使其成为现实。

目前，中佛罗里达大学的一个团队创造了一个实验装置，使他们能够在一个固定的位置持续引爆几秒钟，研究人员认为这是朝着未来高超音速推进系统迈出的重要一步。

"中佛罗里达大学机械和航空航天工程副教授、也是这项研究论文的主要作者Kareem Ahmed，发表在《国家科学院院刊》上的一篇关于说："我们在这里要做的是控制这种引爆。

"我们想把它冻结在太空中，并利用这种能量。Ahmed告诉《生活科学》，"与其像你在黎巴嫩看到的那样让它摧毁建筑物，现在我想利用它，用它生产推力。"如果我们能做到这一点，我们就可以超速旅行。"

这一突破是建立在几十年来对一种被称为斜爆波发动机（ODWE）的理论推进系统的研究上。这个概念的工作原理是将空气和燃料的混合物以高超音速（超过五倍音速）输送到一个斜面上，从而产生一个冲击波。这个冲击波将迅速加热燃料——也就是空气混合物并使其爆炸，将废气从发动机的后面高速喷出。其结果是产生大量的推力。

当空气和燃料的混合物以这种方式引爆时，所产生的燃烧是非常有效的，因为接近100%的燃料被燃烧。爆炸还产生了大量的压力，这意味着发动机可以产生比其他方法更多的推力。研究人员说，从理论上讲，这种引爆所产生的能量应该能够以高达17倍的音速推动飞机，这可能快到足以让航天器简单地飞出大气层，而不是需要搭上火箭。

但技术上的挑战在于如何维持足够长的引爆时间，为这种飞行提供动力，但以前的实验证明最高也就几毫秒。艾哈迈德说，主要的困难在于防止爆炸向燃料源的上游移动，在那里它可能会造成严重的损害，或者进一步向下游移动，在那里它将会熄灭。

"一直存在着这样的问题：如果你把它保持在一毫秒左右，你只是暂时保持吗？Ahmed说。"你不知道你是否已经稳定下来了。"

为了测试他们是否能够改进以前的记录，Ahmed和他的同事们建造了一个大约2.5英尺长（0.76米）的系列腔体，在将空气和氢气加速到高超音速并向一个斜坡发射之前，将其混合并加热。

通过自平衡空气与燃料混合物的比例、气体流动的速度和坡道的角度，实验团队能够产生一个固定位置约3秒的爆炸。Ahmed说，这已经足够确认爆炸稳定发生在一个固定的位置，而不是向上或向下游移动，这是朝着实现现实生活中的ODWE迈出的第一个重要步骤。

德克萨斯大学阿灵顿分校的机械和航空航天工程教授Frank Lu说，展示稳定的引爆是一项重大成就。为了开发一个实用的发动机，研究人员现在必须解决如何在一定的速度和高度范围内运行，并处理由燃料和空气不均匀混合等因素引起的燃烧不稳定。

"我认为调查人员做得很好，并期待着进一步的结果，"Lu告诉《生活科学》。

Ahmed解释说，研究人员只进行了几秒钟的实验，主要是因为爆炸的强度迅速侵蚀了试验室的玻璃侧面。他说，他们在最初的测试中不得不使用玻璃，以便他们能够对爆炸进行光学测量，但是如果他们用金属边代替，他们应该能够运行更长时间的爆炸。

而且有希望的是，Ahmed说，测试装置的结构与全尺寸ODWE的设计没有什么不同。研究人员现在面临的主要挑战是研究他们如何能够改变燃料混合、空气速度和斜角这三个关键成分，同时仍然保持爆炸的稳定性。

Ahmed说：“现在，我们已经证明它是可行的，但更多的是一个工程问题——探索如何在更大的操作领域内维持它。”