高歌：核心機(jī)余熱增推技術(shù)使用，真空能發(fā)動(dòng)機(jī)能夠制造 ZT[Page:1] - 發(fā)動(dòng)機(jī)專欄 ...

ziyoumin 2011-01-08

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高歌：核心機(jī)余熱增推技術(shù)使用，真空能發(fā)動(dòng)機(jī)能夠制造 ZT

高歌教授訪談錄
　　New Trend of Aero Engine System
　　《國(guó)際航空》本刊記者/劉勝君孫偉
　　高歌現(xiàn)任北京航空航天大學(xué)能源動(dòng)力學(xué)院動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科一級(jí)責(zé)任教授，航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，長(zhǎng)期從事動(dòng)力工程、工程熱物理及流體力學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作，并在基礎(chǔ)科研和多學(xué)科的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域取得了一系列國(guó)際領(lǐng)先水平的創(chuàng)新性科研成果。他在1984年發(fā)明的"沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器"，獲國(guó)家發(fā)明一等獎(jiǎng)，錢(qián)學(xué)森同志稱之為"一項(xiàng)長(zhǎng)中國(guó)人志氣的重要發(fā)明"。該成果廣泛應(yīng)用于我國(guó)多種軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，取得了數(shù)以億元計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益，至今仍保有先進(jìn)水平。本刊記者于今年10月采訪了高歌教授，了解到了他近期從事的一些前沿科研工作的最新進(jìn)展，尤其是他對(duì)龍卷風(fēng)的研究及其工程應(yīng)用價(jià)值，讓人耳目一新。
　　高歌教授在采訪中提到，傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)雖然還在不停地改進(jìn)提高之中，但受到原理和材料工藝上的限制，已經(jīng)逐漸逼近了性能發(fā)展的極限。目前雖然涌現(xiàn)出一些新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，但仍然沒(méi)有走出依靠壓力膨脹過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的思路。他強(qiáng)調(diào)，人們應(yīng)該另辟蹊徑，尋找其他可用的工作原理。為此，他研究了自然界龍卷風(fēng)的形成與強(qiáng)化機(jī)制，發(fā)明了一項(xiàng)稱為"余熱增推"的技術(shù)，直接利用龍卷旋渦實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換并提取能量，用以提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和工作效率，這是具有獨(dú)創(chuàng)性的重大科研成果，是人們未曾涉足過(guò)的一片新天地。
　　傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)需要新的突破
　　高歌首先提到，航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了兩個(gè)大的歷史階段，第一階段就是在1950年以前，主要是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的使用。第二階段在二次世界大戰(zhàn)以后，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)迅猛發(fā)展，一直占據(jù)著霸主地位，它有很多的變種，如渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)等，但其核心技術(shù)都是壓氣機(jī)－渦輪組合，即燃?xì)廨啓C(jī)。
　　很早就有人提出，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)了巔峰期以后有沒(méi)有后續(xù)機(jī)種。為什么會(huì)提出這個(gè)問(wèn)題呢？因?yàn)槿祟?lèi)所發(fā)明的熱機(jī)到目前為止，絕大多數(shù)都是依靠壓力膨脹過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)都是如此。而要提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能主要有兩條途徑，一個(gè)是提高壓比，另一個(gè)是提高渦輪前溫度，這是它的工作原理決定的。但提高壓比、提高渦輪前溫度是有一定限制的，設(shè)想壓比達(dá)到40左右，壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)很大；同時(shí)壓比提高，葉片的強(qiáng)度也成問(wèn)題。所以無(wú)論從壓比還是從溫度來(lái)說(shuō)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)基本上快要接近其性能極限了。
　　當(dāng)然，所有發(fā)動(dòng)機(jī)在其發(fā)展的歷程中，性能都有從低到高的發(fā)展過(guò)程。但如果原理上不出現(xiàn)重大變化的話，就不會(huì)有本質(zhì)的改變。如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)本身的效率，四十年前是81%～82%，而今天，最好的壓氣機(jī)的效率是86%～87%?？梢钥闯觯蠹s每十年只提高1%多一點(diǎn)。人們不得不考慮未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的出路問(wèn)題。
　　脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)
　　航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)目前出現(xiàn)了很多新的機(jī)種，如脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等，這是主要的幾個(gè)研究方向，也是試圖找到大幅提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的技術(shù)嘗試。但這些發(fā)動(dòng)機(jī)還處于摸索階段，高歌一一對(duì)其技術(shù)難點(diǎn)和缺陷進(jìn)行了分析。
　　高歌提到，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲巨大，工作頻率跟不上去。工作頻率就是指爆震燃燒頻率，要100赫茲左右才能夠產(chǎn)生足夠的比沖，如果到不了這個(gè)頻率，比沖不夠，與渦輪機(jī)相比就沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。設(shè)想在一個(gè)空腔里面，排氣、進(jìn)氣一秒鐘來(lái)回一百多次，而且還沒(méi)有一個(gè)活塞把氣體推出去，只靠自己的膨脹過(guò)程來(lái)填充、爆炸，再填充、再爆炸，這本身是非常困難的。
　　沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不能解決零速啟動(dòng)、低速情況下的低效率等問(wèn)題。高歌向記者介紹到，最近國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)就是想克服直流式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)不能零速起飛的缺點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部有一個(gè)轉(zhuǎn)子，啟動(dòng)時(shí)首先用電力驅(qū)動(dòng)，或是由其它起動(dòng)機(jī)讓轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)子后再發(fā)生沖波，產(chǎn)生高壓，利用轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)制造一個(gè)超聲速或者跨聲速的入流，在旋轉(zhuǎn)場(chǎng)里提高馬赫數(shù)，最后達(dá)到?jīng)_壓的效果。美國(guó)一臺(tái)一百千瓦級(jí)的旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)試運(yùn)轉(zhuǎn)成功了。
　　但旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)上有很大的難度，首先要解決發(fā)動(dòng)機(jī)直徑問(wèn)題，飛機(jī)不可能安裝直徑太大的發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以后燃燒系統(tǒng)如何配置，高超聲速氣流進(jìn)來(lái)如何變成沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，研制出來(lái)以后能不能在效率、尺寸、推重比等方面和現(xiàn)有的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，這都有待未來(lái)發(fā)展才能得出定論。本來(lái)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)就是一個(gè)空筒子，現(xiàn)在有一個(gè)轉(zhuǎn)子在發(fā)動(dòng)機(jī)里面旋轉(zhuǎn)，解決了低速啟動(dòng)的問(wèn)題，但飛到高速以后，氣流沖進(jìn)來(lái)遇到了轉(zhuǎn)子這樣一個(gè)大障礙物，如何解決，還面臨一系列的問(wèn)題。高歌認(rèn)為旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的前途將取決于一系列關(guān)鍵技術(shù)能否得到妥善解決。
　　脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等這些新技術(shù)，依然沒(méi)有擺脫傳統(tǒng)的熱機(jī)工作原理，只是改進(jìn)而已，真正的突破還要在其他方向上尋找。
　　龍卷風(fēng)原理在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用
　　高歌談到，航空發(fā)動(dòng)機(jī)最近顯示了一些很有前途的研究方向，就是有沒(méi)有可能不利用壓力膨脹過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換，而以往所有熱機(jī)都是壓力膨脹實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的。他把研究方向瞄向了自然界的龍卷風(fēng)。龍卷風(fēng)不是利用壓力過(guò)程而是利用旋渦，依靠龍卷風(fēng)式的特殊旋渦的旋轉(zhuǎn)把熱能變成機(jī)械能。高歌帶領(lǐng)的研究人員已經(jīng)在這方面做了大量試驗(yàn)和應(yīng)用研究。
　　高歌指出，龍卷風(fēng)的旋轉(zhuǎn)能量來(lái)源對(duì)于研究大氣流體力學(xué)的人來(lái)說(shuō)，他們肯定可以明白無(wú)誤地說(shuō)，這是龍卷風(fēng)外圍的熱氣流的熱能提供的旋轉(zhuǎn)能量，但有一些教條的人會(huì)說(shuō)，"熱力學(xué)上沒(méi)有這一說(shuō)法，熱能變成機(jī)械能必須要有壓力膨脹過(guò)程！"實(shí)際上龍卷風(fēng)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中遵守著流體力學(xué)的一個(gè)定理，稱為克羅科（Crocco）定理。這個(gè)定理通俗地講，就是在一個(gè)旋渦的外圍，如果外邊熱里邊冷，就產(chǎn)生了一個(gè)沿半徑方向內(nèi)指的焓梯度，或是溫度梯度，這個(gè)焓梯度越大，旋風(fēng)的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度就越大。如果在龍卷風(fēng)外圍有熱量加入的話，龍卷風(fēng)就會(huì)得以強(qiáng)化。
　　高歌利用龍卷風(fēng)的原理開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)"余熱增推"技術(shù)，在不改變核心機(jī)的前提下可以輕而易舉地獲取發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增加，增推效果相當(dāng)可觀。這項(xiàng)原理和技術(shù)是高歌首創(chuàng)的，并且在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了驗(yàn)證，有重大的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)"余熱增推"技術(shù)，可以直接利用龍卷旋渦將熱能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和推重比、降低單位推力的耗油率。龍卷風(fēng)組合燃燒技術(shù)也可極大地改善燃燒性能，使燃燒效率從85%提高到97.5%，阻力、貧富油、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)也達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。可以斷言，龍卷風(fēng)原理開(kāi)辟了熱機(jī)發(fā)展一個(gè)值得探索的新方向。
　　克羅科定理在20世紀(jì)初就有了，是一個(gè)純粹的理論工具，人們沒(méi)有找到其工程技術(shù)運(yùn)用的途徑。高歌首先在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)能夠把熱能變成機(jī)械能，然后想到了能利用它來(lái)增加發(fā)動(dòng)機(jī)推力，最后才找到了克羅科定理。并不是克羅科定理指導(dǎo)其開(kāi)發(fā)出有關(guān)技術(shù)，而是高歌做出來(lái)以后為了找理論解釋才想到了克羅科定理。
　　高歌強(qiáng)調(diào)，中國(guó)人應(yīng)增強(qiáng)自信心，我們有能力在科技領(lǐng)域自主創(chuàng)新。"沙丘駐渦"技術(shù)為我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)做出了貢獻(xiàn)，而這項(xiàng)"余熱增推"技術(shù)比"沙丘駐渦"的價(jià)值要大得多。
　　物質(zhì)觀的改變和真空能發(fā)動(dòng)機(jī)
　　高歌還將研究方向擴(kuò)展到高能物理方面。他說(shuō)，21世紀(jì)伊始，就傳出了一些和20世紀(jì)科學(xué)觀有著重大突變性質(zhì)的觀點(diǎn)，一個(gè)是物質(zhì)觀的改變，另外一個(gè)就是關(guān)于真空概念的改變。所謂物質(zhì)觀的改變，就是宇宙的物質(zhì)構(gòu)成是4.4%的顯物質(zhì)，95.6%的暗物質(zhì)、暗能量。暗物質(zhì)、暗能量是什么，怎么提取它、利用它，將成為21世紀(jì)科技具有劃時(shí)代變革意義的一個(gè)標(biāo)志。如果能夠提取和利用暗物質(zhì)、暗能量，人類(lèi)的科學(xué)技術(shù)和文明就要進(jìn)入一個(gè)嶄新的新紀(jì)元。
　　有關(guān)真空概念，過(guò)去的課本上都說(shuō)真空是什么也沒(méi)有，現(xiàn)在真空觀發(fā)生了重大變化，認(rèn)為"真空是物質(zhì)的凝聚態(tài)"（李政道語(yǔ)），真空是能量海，蘊(yùn)藏著極大的能量。有人說(shuō)1立方厘米真空里面含有1095克的能量，通過(guò)質(zhì)能互換定理（E=MC2），可以把真空中的能量看成無(wú)窮大。
　　高歌進(jìn)一步解釋到，暗能量充斥于遠(yuǎn)離星系的宇宙深空之中，具有單純磁性斥力而導(dǎo)致宇宙加速膨脹；在地球周?chē)婵罩袆t凝聚著暗物質(zhì)，具有單純吸力。暗物質(zhì)粒子的尺度和電子相同，可以自由穿透顯物質(zhì)實(shí)體，實(shí)際上人們都"浸泡"在這樣一個(gè)暗物質(zhì)的海洋里，因?yàn)楦鱾€(gè)地方的密度都一樣，就不易感覺(jué)到它的存在。如何才能"感覺(jué)"到它呢？就是在容器中用旋渦或者是電磁、冷核聚變等方法，把一個(gè)局部空間變成真空，即所謂的顯物質(zhì)真空，這樣暗物質(zhì)的濃度就要進(jìn)一步地提高，與有顯物質(zhì)的外圍就不一樣了。暗物質(zhì)有了密度梯度以后，它就會(huì)對(duì)顯物質(zhì)發(fā)生作用，真空對(duì)顯物質(zhì)的作用稱為"界變"。
　　 "界變"和物質(zhì)的"相變"是完全不同的，和"質(zhì)變"也有區(qū)別，真空就是一個(gè)界變點(diǎn)，物質(zhì)和真空相互作用會(huì)發(fā)生能量形態(tài)和物理屬性上的突變。可以說(shuō)，真空的重大作用就是使物質(zhì)能夠發(fā)生界變，而界變能夠使正熵過(guò)程變成負(fù)熵過(guò)程，正物質(zhì)變成反物質(zhì)。真空中的暗物質(zhì)具有吸聚作用，可增強(qiáng)旋渦的旋轉(zhuǎn)，這就是旋渦真空能動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)原理。"真空能"在國(guó)外稱為"Zero Point Energy"。以這個(gè)理論為指導(dǎo)，應(yīng)用在工程上，例如：磁流體真空能系統(tǒng)能夠制造出反重力系統(tǒng)，而真空能技術(shù)也可與航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)組合起來(lái)。
　　高歌認(rèn)為，以上兩種觀念的改變要引起人類(lèi)科技的一個(gè)天翻地覆的變化，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，今后一個(gè)確鑿無(wú)疑的發(fā)展方向，第一步就是發(fā)展渦輪和真空能組合發(fā)動(dòng)機(jī)。這是一種混合式動(dòng)力系統(tǒng)，是一種真空能發(fā)動(dòng)機(jī)的初級(jí)應(yīng)用形式，但對(duì)于現(xiàn)有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)是高級(jí)形式了，它將是現(xiàn)有航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)機(jī)種。2001年在英國(guó)倫敦召開(kāi)了一次場(chǎng)推進(jìn)會(huì)議，有個(gè)美國(guó)專家提出來(lái)，20世紀(jì)是核能世紀(jì)，21世紀(jì)是真空能世紀(jì)。還有人認(rèn)為，5年之內(nèi)有可能造出真空能發(fā)動(dòng)機(jī)。高歌在真空能發(fā)動(dòng)機(jī)方面也做了大量的研究，證明了真空能的存在和提取的可能性，也證實(shí)了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的可能性。
　　第二步就是制造純粹的真空能發(fā)動(dòng)機(jī)。真空能發(fā)動(dòng)機(jī)既包括水平動(dòng)力式，也包括垂直動(dòng)力式。垂直動(dòng)力的單極磁流體真空能發(fā)動(dòng)機(jī)就是做成一個(gè)圓盤(pán)形，它具有幾十噸到上百噸的提升力，可以使飛行器懸浮在空中，也能高速升降。這種發(fā)動(dòng)機(jī)在今后的幾十年內(nèi)一定能夠造出來(lái)，高歌希望能親自參與我國(guó)真空能發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，并親眼看到它實(shí)用化的到來(lái)。
　　除了真空能發(fā)動(dòng)機(jī)，下一代航空航天動(dòng)力系統(tǒng)就是反質(zhì)子發(fā)動(dòng)機(jī)，研究的序幕已經(jīng)拉開(kāi)。2003年7月，美國(guó)NASA把反質(zhì)子發(fā)動(dòng)機(jī)列為今后十年的三大絕密項(xiàng)目之一。反質(zhì)子發(fā)動(dòng)機(jī)制成以后，將會(huì)為航空航天飛行器提供非常強(qiáng)勁的動(dòng)力，因?yàn)樗蓪?shí)現(xiàn)全部的質(zhì)能互換。高歌說(shuō)："美國(guó)人能不能成功，我不做評(píng)論，美國(guó)人走的方向和技術(shù)細(xì)節(jié)我們也不清楚。但我們也不必一天到晚跟著他們后面走，我們可以走出中國(guó)人自己的路。以中國(guó)人的智慧，完全可以自主創(chuàng)新做出這些東西來(lái)。"

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來(lái)自： ziyoumin > 《我的圖書(shū)館》

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