中国未来发动机的希望转贴<中国研制龙卷风原理航空发 ...

高歌现任北京航空航天大学能源动力学院动力工程及工程热物理学科一级责任教授，航空发动机气动热力国防重点实验室副主任，长期从事动力工程、工程热物理及流体力学领域的教学与科研工作，并在基础科研和多学科的应用技术领域取得了一系列国际领先水平的创新性科研成果。他在1984年发明的"沙丘驻涡火焰稳定器"，获国家发明一等奖，钱学森同志称之为"一项长中国人志气的重要发明"。该成果广泛应用于我国多种军用航空发动机中，取得了数以亿元计的经济效益，至今仍保有先进水平。本刊记者于今年10月采访了高歌教授，了解到了他近期从事的一些前沿科研工作的最新进展，尤其是他对龙卷风的研究及其工程应用价值，让人耳目一新。




　　高歌教授在采访中提到，传统的航空发动机技术虽然还在不停地改进提高之中，但受到原理和材料工艺上的限制，已经逐渐逼近了性能发展的极限。目前虽然涌现出一些新型航空发动机技术，但仍然没有走出依靠压力膨胀过程来实现热功转换的思路。他强调，人们应该另辟蹊径，寻找其他可用的工作原理。为此，他研究了自然界龙卷风的形成与强化机制，发明了一项称为"余热增推"的技术，直接利用龙卷旋涡实现热功转换并提取能量，用以提高航空发动机的推力和工作效率，这是具有独创性的重大科研成果，是人们未曾涉足过的一片新天地。





　　传统航空发动机技术需要新的突破




　　高歌首先提到，航空发动机经历了两个大的历史阶段，第一阶段就是在1950年以前，主要是活塞发动机的使用。第二阶段在二次世界大战以后，涡轮发动机迅猛发展，一直占据着霸主地位，它有很多的变种，如涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机等，但其核心技术都是压气机－涡轮组合，即燃气轮机。




　　很早就有人提出，涡轮发动机过了巅峰期以后有没有后续机种。为什么会提出这个问题呢？因为人类所发明的热机到目前为止，绝大多数都是依靠压力膨胀过程来实现热功转换的，活塞发动机、涡轮发动机都是如此。而要提高涡轮发动机的性能主要有两条途径，一个是提高压比，另一个是提高涡轮前温度，这是它的工作原理决定的。但提高压比、提高涡轮前温度是有一定限制的，设想压比达到40左右，压气机的转速会很大；同时压比提高，叶片的强度也成问题。所以无论从压比还是从温度来说，涡轮发动机基本上快要接近其性能极限了。




　　当然，所有发动机在其发展的历程中，性能都有从低到高的发展过程。但如果原理上不出现重大变化的话，就不会有本质的改变。如涡轮发动机压气机本身的效率，四十年前是81%～82%，而今天，最好的压气机的效率是86%～87%。可以看出，大约每十年只提高1%多一点。人们不得不考虑未来航空发动机的出路问题。




　　脉冲爆震发动机和旋转冲压发动机




　　航空涡轮发动机目前出现了很多新的机种，如脉冲爆震发动机、冲压发动机等，这是主要的几个研究方向，也是试图找到大幅提高航空发动机性能的技术尝试。但这些发动机还处于摸索阶段，高歌一一对其技术难点和缺陷进行了分析。





　　高歌提到，脉冲爆震发动机噪声巨大，工作频率跟不上去。工作频率就是指爆震燃烧频率，要100赫兹左右才能够产生足够的比冲，如果到不了这个频率，比冲不够，与涡轮机相比就没有竞争力。设想在一个空腔里面，排气、进气一秒钟来回一百多次，而且还没有一个活塞把气体推出去，只靠自己的膨胀过程来填充、爆炸，再填充、再爆炸，这本身是非常困难的。




　　冲压发动机不能解决零速启动、低速情况下的低效率等问题。高歌向记者介绍到，最近国内外都在进行旋转冲压发动机的研究，旋转冲压发动机就是想克服直流式冲压发动机不能零速起飞的缺点。旋转冲压发动机内部有一个转子，启动时首先用电力驱动，或是由其它起动机让转子高速旋转，气流进入转子后再发生冲波，产生高压，利用转子本身的旋转制造一个超声速或者跨声速的入流，在旋转场里提高马赫数，最后达到冲压的效果。美国一台一百千瓦级的旋转冲压发动机已经试运转成功了。




　　但旋转冲压发动机运用到航空发动机上有很大的难度，首先要解决发动机直径问题，飞机不可能安装直径太大的发动机。另外，转子旋转以后燃烧系统如何配置，高超声速气流进来如何变成没有旋转，研制出来以后能不能在效率、尺寸、推重比等方面和现有的涡轮发动机竞争，这都有待未来发展才能得出定论。本来冲压发动机就是一个空筒子，现在有一个转子在发动机里面旋转，解决了低速启动的问题，但飞到高速以后，气流冲进来遇到了转子这样一个大障碍物，如何解决，还面临一系列的问题。高歌认为旋转冲压发动机的前途将取决于一系列关键技术能否得到妥善解决。




　　脉冲爆震发动机、冲压发动机等这些新技术，依然没有摆脱传统的热机工作原理，只是改进而已，真正的突破还要在其他方向上寻找。




　　龙卷风原理在航空发动机上的应用




　　高歌谈到，航空发动机最近显示了一些很有前途的研究方向，就是有没有可能不利用压力膨胀过程来实现热功转换，而以往所有热机都是压力膨胀实现热功转换的。他把研究方向瞄向了自然界的龙卷风。龙卷风不是利用压力过程而是利用旋涡，依靠龙卷风式的特殊旋涡的旋转把热能变成机械能。高歌带领的研究人员已经在这方面做了大量试验和应用研究。





　　高歌指出，龙卷风的旋转能量来源对于研究大气流体力学的人来说，他们肯定可以明白无误地说，这是龙卷风外围的热气流的热能提供的旋转能量，但有一些教条的人会说，"热力学上没有这一说法，热能变成机械能必须要有压力膨胀过程！"实际上龙卷风在旋转过程中遵守着流体力学的一个定理，称为克罗科（Crocco）定理。这个定理通俗地讲，就是在一个旋涡的外围，如果外边热里边冷，就产生了一个沿半径方向内指的焓梯度，或是温度梯度，这个焓梯度越大，旋风的旋转强度就越大。如果在龙卷风外围有热量加入的话，龙卷风就会得以强化。




　　高歌利用龙卷风的原理开发了一项"余热增推"技术，在不改变核心机的前提下可以轻而易举地获取发动机推力的增加，增推效果相当可观。这项原理和技术是高歌首创的，并且在航空发动机上得到了验证，有重大的实用价值。通过"余热增推"技术，可以直接利用龙卷旋涡将热能转换为旋转动能，进而提高发动机的推力和推重比、降低单位推力的耗油率。龙卷风组合燃烧技术也可极大地改善燃烧性能，使燃烧效率从85%提高到97.5%，阻力、贫富油、稳定性等性能指标也达到国际领先水平。可以断言，龙卷风原理开辟了热机发展一个值得探索的新方向。




　　克罗科定理在20世纪初就有了，是一个纯粹的理论工具，人们没有找到其工程技术运用的途径。高歌首先在试验中发现龙卷风能够把热能变成机械能，然后想到了能利用它来增加发动机推力，最后才找到了克罗科定理。并不是克罗科定理指导其开发出有关技术，而是高歌做出来以后为了找理论解释才想到了克罗科定理。




　　高歌强调，中国人应增强自信心，我们有能力在科技领域自主创新。"沙丘驻涡"技术为我国的航空发动机技术做出了贡献，而这项"余热增推"技术比"沙丘驻涡"的价值要大得多。

　　物质观的改变和真空能发动机




　　高歌还将研究方向扩展到高能物理方面。他说，21世纪伊始，就传出了一些和20世纪科学观有着重大突变性质的观点，一个是物质观的改变，另外一个就是关于真空概念的改变。所谓物质观的改变，就是宇宙的物质构成是4.4%的显物质，95.6%的暗物质、暗能量。暗物质、暗能量是什么，怎么提取它、利用它，将成为21世纪科技具有划时代变革意义的一个标志。如果能够提取和利用暗物质、暗能量，人类的科学技术和文明就要进入一个崭新的新纪元。





　　有关真空概念，过去的课本上都说真空是什么也没有，现在真空观发生了重大变化，认为"真空是物质的凝聚态"（李政道语），真空是能量海，蕴藏着极大的能量。有人说1立方厘米真空里面含有1095克的能量，通过质能互换定理（E=MC2），可以把真空中的能量看成无穷大。




　　高歌进一步解释到，暗能量充斥于远离星系的宇宙深空之中，具有单纯磁性斥力而导致宇宙加速膨胀；在地球周围真空中则凝聚着暗物质，具有单纯吸力。暗物质粒子的尺度和电子相同，可以自由穿透显物质实体，实际上人们都"浸泡"在这样一个暗物质的海洋里，因为各个地方的密度都一样，就不易感觉到它的存在。如何才能"感觉"到它呢？就是在容器中用旋涡或者是电磁、冷核聚变等方法，把一个局部空间变成真空，即所谓的显物质真空，这样暗物质的浓度就要进一步地提高，与有显物质的外围就不一样了。暗物质有了密度梯度以后，它就会对显物质发生作用，真空对显物质的作用称为"界变"。




　　"界变"和物质的"相变"是完全不同的，和"质变"也有区别，真空就是一个界变点，物质和真空相互作用会发生能量形态和物理属性上的突变。可以说，真空的重大作用就是使物质能够发生界变，而界变能够使正熵过程变成负熵过程，正物质变成反物质。真空中的暗物质具有吸聚作用，可增强旋涡的旋转，这就是旋涡真空能动力系统的基础原理。"真空能"在国外称为"ZeroPointEnergy"。以这个理论为指导，应用在工程上，例如：磁流体真空能系统能够制造出反重力系统，而真空能技术也可与航空涡轮发动机组合起来。




　　高歌认为，以上两种观念的改变要引起人类科技的一个天翻地覆的变化，对航空发动机而言，今后一个确凿无疑的发展方向，第一步就是发展涡轮和真空能组合发动机。这是一种混合式动力系统，是一种真空能发动机的初级应用形式，但对于现有的航空发动机技术已经是高级形式了，它将是现有航空涡轮发动机的后续机种。2001年在英国伦敦召开了一次场推进会议，有个美国专家提出来，20世纪是核能世纪，21世纪是真空能世纪。还有人认为，5年之内有可能造出真空能发动机。高歌在真空能发动机方面也做了大量的研究，证明了真空能的存在和提取的可能性，也证实了在航空发动机上应用的可能性。



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高歌现任北京航空航天大学能源动力学院动力工程及工程热物理学科一级责任教授，航空发动机气动热力国防重点实验室副主任，长期从事动力工程、工程热物理及流体力学领域的教学与科研工作，并在基础科研和多学科的应用技术领域取得了一系列国际领先水平的创新性科研成果。他在1984年发明的"沙丘驻涡火焰稳定器"，获国家发明一等奖，钱学森同志称之为"一项长中国人志气的重要发明"。该成果广泛应用于我国多种军用航空发动机中，取得了数以亿元计的经济效益，至今仍保有先进水平。本刊记者于今年10月采访了高歌教授，了解到了他近期从事的一些前沿科研工作的最新进展，尤其是他对龙卷风的研究及其工程应用价值，让人耳目一新。




　　高歌教授在采访中提到，传统的航空发动机技术虽然还在不停地改进提高之中，但受到原理和材料工艺上的限制，已经逐渐逼近了性能发展的极限。目前虽然涌现出一些新型航空发动机技术，但仍然没有走出依靠压力膨胀过程来实现热功转换的思路。他强调，人们应该另辟蹊径，寻找其他可用的工作原理。为此，他研究了自然界龙卷风的形成与强化机制，发明了一项称为"余热增推"的技术，直接利用龙卷旋涡实现热功转换并提取能量，用以提高航空发动机的推力和工作效率，这是具有独创性的重大科研成果，是人们未曾涉足过的一片新天地。





　　传统航空发动机技术需要新的突破




　　高歌首先提到，航空发动机经历了两个大的历史阶段，第一阶段就是在1950年以前，主要是活塞发动机的使用。第二阶段在二次世界大战以后，涡轮发动机迅猛发展，一直占据着霸主地位，它有很多的变种，如涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机等，但其核心技术都是压气机－涡轮组合，即燃气轮机。




　　很早就有人提出，涡轮发动机过了巅峰期以后有没有后续机种。为什么会提出这个问题呢？因为人类所发明的热机到目前为止，绝大多数都是依靠压力膨胀过程来实现热功转换的，活塞发动机、涡轮发动机都是如此。而要提高涡轮发动机的性能主要有两条途径，一个是提高压比，另一个是提高涡轮前温度，这是它的工作原理决定的。但提高压比、提高涡轮前温度是有一定限制的，设想压比达到40左右，压气机的转速会很大；同时压比提高，叶片的强度也成问题。所以无论从压比还是从温度来说，涡轮发动机基本上快要接近其性能极限了。




　　当然，所有发动机在其发展的历程中，性能都有从低到高的发展过程。但如果原理上不出现重大变化的话，就不会有本质的改变。如涡轮发动机压气机本身的效率，四十年前是81%～82%，而今天，最好的压气机的效率是86%～87%。可以看出，大约每十年只提高1%多一点。人们不得不考虑未来航空发动机的出路问题。




　　脉冲爆震发动机和旋转冲压发动机




　　航空涡轮发动机目前出现了很多新的机种，如脉冲爆震发动机、冲压发动机等，这是主要的几个研究方向，也是试图找到大幅提高航空发动机性能的技术尝试。但这些发动机还处于摸索阶段，高歌一一对其技术难点和缺陷进行了分析。





　　高歌提到，脉冲爆震发动机噪声巨大，工作频率跟不上去。工作频率就是指爆震燃烧频率，要100赫兹左右才能够产生足够的比冲，如果到不了这个频率，比冲不够，与涡轮机相比就没有竞争力。设想在一个空腔里面，排气、进气一秒钟来回一百多次，而且还没有一个活塞把气体推出去，只靠自己的膨胀过程来填充、爆炸，再填充、再爆炸，这本身是非常困难的。




　　冲压发动机不能解决零速启动、低速情况下的低效率等问题。高歌向记者介绍到，最近国内外都在进行旋转冲压发动机的研究，旋转冲压发动机就是想克服直流式冲压发动机不能零速起飞的缺点。旋转冲压发动机内部有一个转子，启动时首先用电力驱动，或是由其它起动机让转子高速旋转，气流进入转子后再发生冲波，产生高压，利用转子本身的旋转制造一个超声速或者跨声速的入流，在旋转场里提高马赫数，最后达到冲压的效果。美国一台一百千瓦级的旋转冲压发动机已经试运转成功了。




　　但旋转冲压发动机运用到航空发动机上有很大的难度，首先要解决发动机直径问题，飞机不可能安装直径太大的发动机。另外，转子旋转以后燃烧系统如何配置，高超声速气流进来如何变成没有旋转，研制出来以后能不能在效率、尺寸、推重比等方面和现有的涡轮发动机竞争，这都有待未来发展才能得出定论。本来冲压发动机就是一个空筒子，现在有一个转子在发动机里面旋转，解决了低速启动的问题，但飞到高速以后，气流冲进来遇到了转子这样一个大障碍物，如何解决，还面临一系列的问题。高歌认为旋转冲压发动机的前途将取决于一系列关键技术能否得到妥善解决。




　　脉冲爆震发动机、冲压发动机等这些新技术，依然没有摆脱传统的热机工作原理，只是改进而已，真正的突破还要在其他方向上寻找。




　　龙卷风原理在航空发动机上的应用




　　高歌谈到，航空发动机最近显示了一些很有前途的研究方向，就是有没有可能不利用压力膨胀过程来实现热功转换，而以往所有热机都是压力膨胀实现热功转换的。他把研究方向瞄向了自然界的龙卷风。龙卷风不是利用压力过程而是利用旋涡，依靠龙卷风式的特殊旋涡的旋转把热能变成机械能。高歌带领的研究人员已经在这方面做了大量试验和应用研究。





　　高歌指出，龙卷风的旋转能量来源对于研究大气流体力学的人来说，他们肯定可以明白无误地说，这是龙卷风外围的热气流的热能提供的旋转能量，但有一些教条的人会说，"热力学上没有这一说法，热能变成机械能必须要有压力膨胀过程！"实际上龙卷风在旋转过程中遵守着流体力学的一个定理，称为克罗科（Crocco）定理。这个定理通俗地讲，就是在一个旋涡的外围，如果外边热里边冷，就产生了一个沿半径方向内指的焓梯度，或是温度梯度，这个焓梯度越大，旋风的旋转强度就越大。如果在龙卷风外围有热量加入的话，龙卷风就会得以强化。




　　高歌利用龙卷风的原理开发了一项"余热增推"技术，在不改变核心机的前提下可以轻而易举地获取发动机推力的增加，增推效果相当可观。这项原理和技术是高歌首创的，并且在航空发动机上得到了验证，有重大的实用价值。通过"余热增推"技术，可以直接利用龙卷旋涡将热能转换为旋转动能，进而提高发动机的推力和推重比、降低单位推力的耗油率。龙卷风组合燃烧技术也可极大地改善燃烧性能，使燃烧效率从85%提高到97.5%，阻力、贫富油、稳定性等性能指标也达到国际领先水平。可以断言，龙卷风原理开辟了热机发展一个值得探索的新方向。




　　克罗科定理在20世纪初就有了，是一个纯粹的理论工具，人们没有找到其工程技术运用的途径。高歌首先在试验中发现龙卷风能够把热能变成机械能，然后想到了能利用它来增加发动机推力，最后才找到了克罗科定理。并不是克罗科定理指导其开发出有关技术，而是高歌做出来以后为了找理论解释才想到了克罗科定理。




　　高歌强调，中国人应增强自信心，我们有能力在科技领域自主创新。"沙丘驻涡"技术为我国的航空发动机技术做出了贡献，而这项"余热增推"技术比"沙丘驻涡"的价值要大得多。

　　物质观的改变和真空能发动机




　　高歌还将研究方向扩展到高能物理方面。他说，21世纪伊始，就传出了一些和20世纪科学观有着重大突变性质的观点，一个是物质观的改变，另外一个就是关于真空概念的改变。所谓物质观的改变，就是宇宙的物质构成是4.4%的显物质，95.6%的暗物质、暗能量。暗物质、暗能量是什么，怎么提取它、利用它，将成为21世纪科技具有划时代变革意义的一个标志。如果能够提取和利用暗物质、暗能量，人类的科学技术和文明就要进入一个崭新的新纪元。





　　有关真空概念，过去的课本上都说真空是什么也没有，现在真空观发生了重大变化，认为"真空是物质的凝聚态"（李政道语），真空是能量海，蕴藏着极大的能量。有人说1立方厘米真空里面含有1095克的能量，通过质能互换定理（E=MC2），可以把真空中的能量看成无穷大。




　　高歌进一步解释到，暗能量充斥于远离星系的宇宙深空之中，具有单纯磁性斥力而导致宇宙加速膨胀；在地球周围真空中则凝聚着暗物质，具有单纯吸力。暗物质粒子的尺度和电子相同，可以自由穿透显物质实体，实际上人们都"浸泡"在这样一个暗物质的海洋里，因为各个地方的密度都一样，就不易感觉到它的存在。如何才能"感觉"到它呢？就是在容器中用旋涡或者是电磁、冷核聚变等方法，把一个局部空间变成真空，即所谓的显物质真空，这样暗物质的浓度就要进一步地提高，与有显物质的外围就不一样了。暗物质有了密度梯度以后，它就会对显物质发生作用，真空对显物质的作用称为"界变"。




　　"界变"和物质的"相变"是完全不同的，和"质变"也有区别，真空就是一个界变点，物质和真空相互作用会发生能量形态和物理属性上的突变。可以说，真空的重大作用就是使物质能够发生界变，而界变能够使正熵过程变成负熵过程，正物质变成反物质。真空中的暗物质具有吸聚作用，可增强旋涡的旋转，这就是旋涡真空能动力系统的基础原理。"真空能"在国外称为"ZeroPointEnergy"。以这个理论为指导，应用在工程上，例如：磁流体真空能系统能够制造出反重力系统，而真空能技术也可与航空涡轮发动机组合起来。




　　高歌认为，以上两种观念的改变要引起人类科技的一个天翻地覆的变化，对航空发动机而言，今后一个确凿无疑的发展方向，第一步就是发展涡轮和真空能组合发动机。这是一种混合式动力系统，是一种真空能发动机的初级应用形式，但对于现有的航空发动机技术已经是高级形式了，它将是现有航空涡轮发动机的后续机种。2001年在英国伦敦召开了一次场推进会议，有个美国专家提出来，20世纪是核能世纪，21世纪是真空能世纪。还有人认为，5年之内有可能造出真空能发动机。高歌在真空能发动机方面也做了大量的研究，证明了真空能的存在和提取的可能性，也证实了在航空发动机上应用的可能性。



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