求美國防部：中國正在研制 “龍卷風(fēng)”發(fā)動機(jī)?。浚?/p>

【專家解說】：高歌現(xiàn)任北京航空航天大學(xué)能源動力學(xué)院動力工程及工程熱物理學(xué)科一級責(zé)任教授，航空發(fā)動機(jī)氣動熱力國防重點實驗室副主任，長期從事動力工程、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"，獲國家發(fā)明一等獎，錢學(xué)森同志稱之為"一項長中國人志氣的重要發(fā)明"。該成果廣泛應(yīng)用于我國多種軍用航空發(fā)動機(jī)中，取得了數(shù)以億元計的經(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，尤其是他對龍卷風(fēng)的研究及其工程應(yīng)用價值，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)動機(jī)技術(shù)，但仍然沒有走出依靠壓力膨脹過程來實現(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)明了一項稱為"余熱增推"的技術(shù)，直接利用龍卷旋渦實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換并提取能量，用以提高航空發(fā)動機(jī)的推力和工作效率，這是具有獨創(chuàng)性的重大科研成果，是人們未曾涉足過的一片新天地。 　　傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)技術(shù)需要新的突破 　　高歌首先提到，航空發(fā)動機(jī)經(jīng)歷了兩個大的歷史階段，第一階段就是在1950年以前，主要是活塞發(fā)動機(jī)的使用。第二階段在二次世界大戰(zhàn)以后，渦輪發(fā)動機(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)動機(jī)、渦槳發(fā)動機(jī)、渦軸發(fā)動機(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)動機(jī)過了巔峰期以后有沒有后續(xù)機(jī)種。為什么會提出這個問題呢？因為人類所發(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程來實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的，活塞發(fā)動機(jī)、渦輪發(fā)動機(jī)都是如此。而要提高渦輪發(fā)動機(jī)的性能主要有兩條途徑，一個是提高壓比，另一個是提高渦輪前溫度，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)速會很大；同時壓比提高，葉片的強(qiáng)度也成問題。所以無論從壓比還是從溫度來說，渦輪發(fā)動機(jī)基本上快要接近其性能極限了。 　　當(dāng)然，所有發(fā)動機(jī)在其發(fā)展的歷程中，性能都有從低到高的發(fā)展過程。但如果原理上不出現(xiàn)重大變化的話，就不會有本質(zhì)的改變。如渦輪發(fā)動機(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?，大約每十年只提高1%多一點。人們不得不考慮未來航空發(fā)動機(jī)的出路問題。 　　脈沖爆震發(fā)動機(jī)和旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī) 　　航空渦輪發(fā)動機(jī)目前出現(xiàn)了很多新的機(jī)種，如脈沖爆震發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)等，這是主要的幾個研究方向，也是試圖找到大幅提高航空發(fā)動機(jī)性能的技術(shù)嘗試。但這些發(fā)動機(jī)還處于摸索階段，高歌一一對其技術(shù)難點和缺陷進(jìn)行了分析。 　　高歌提到，脈沖爆震發(fā)動機(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，如果到不了這個頻率，比沖不夠，與渦輪機(jī)相比就沒有競爭力。設(shè)想在一個空腔里面，排氣、進(jìn)氣一秒鐘來回一百多次，而且還沒有一個活塞把氣體推出去，只靠自己的膨脹過程來填充、爆炸，再填充、再爆炸，這本身是非常困難的。 　　沖壓發(fā)動機(jī)不能解決零速啟動、低速情況下的低效率等問題。高歌向記者介紹到，最近國內(nèi)外都在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)的研究，旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)就是想克服直流式?jīng)_壓發(fā)動機(jī)不能零速起飛的缺點。旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部有一個轉(zhuǎn)子，啟動時首先用電力驅(qū)動，或是由其它起動機(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)制造一個超聲速或者跨聲速的入流，在旋轉(zhuǎn)場里提高馬赫數(shù)，最后達(dá)到?jīng)_壓的效果。美國一臺一百千瓦級的旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)已經(jīng)試運轉(zhuǎn)成功了。 　　但旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)運用到航空發(fā)動機(jī)上有很大的難度，首先要解決發(fā)動機(jī)直徑問題，飛機(jī)不可能安裝直徑太大的發(fā)動機(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)來如何變成沒有旋轉(zhuǎn)，研制出來以后能不能在效率、尺寸、推重比等方面和現(xiàn)有的渦輪發(fā)動機(jī)競爭，這都有待未來發(fā)展才能得出定論。本來沖壓發(fā)動機(jī)就是一個空筒子，現(xiàn)在有一個轉(zhuǎn)子在發(fā)動機(jī)里面旋轉(zhuǎn)，解決了低速啟動的問題，但飛到高速以后，氣流沖進(jìn)來遇到了轉(zhuǎn)子這樣一個大障礙物，如何解決，還面臨一系列的問題。高歌認(rèn)為旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(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)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)等這些新技術(shù)，依然沒有擺脫傳統(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)動機(jī)上的應(yīng)用 　　高歌談到，航空發(fā)動機(jī)最近顯示了一些很有前途的研究方向，就是有沒有可能不利用壓力膨脹過程來實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換，而以往所有熱機(jī)都是壓力膨脹實現(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和應(yīng)用研究。 　　高歌指出，龍卷風(fēng)的旋轉(zhuǎn)能量來源對于研究大氣流體力學(xué)的人來說，他們肯定可以明白無誤地說，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說，"熱力學(xué)上沒有這一說法，熱能變成機(jī)械能必須要有壓力膨脹過程！"實際上龍卷風(fēng)在旋轉(zhuǎn)過程中遵守著流體力學(xué)的一個定理，稱為克羅科（Crocco）定理。這個定理通俗地講，就是在一個旋渦的外圍，如果外邊熱里邊冷，就產(chǎn)生了一個沿半徑方向內(nèi)指的焓梯度，或是溫度梯度，這個焓梯度越大，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)就會得以強(qiáng)化。 　　高歌利用龍卷風(fēng)的原理開發(fā)了一項"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)動機(jī)推力的增加，增推效果相當(dāng)可觀。這項原理和技術(shù)是高歌首創(chuàng)的，并且在航空發(fā)動機(jī)上得到了驗證，有重大的實用價值。通過"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)動能，進(jìn)而提高發(fā)動機(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)到國際領(lǐng)先水平?？梢詳嘌?，龍卷風(fēng)原理開辟了熱機(jī)發(fā)展一個值得探索的新方向。 　　克羅科定理在20世紀(jì)初就有了，是一個純粹的理論工具，人們沒有找到其工程技術(shù)運用的途徑。高歌首先在試驗中發(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增加發(fā)動機(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)其開發(fā)出有關(guān)技術(shù)，而是高歌做出來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)為我國的航空發(fā)動機(jī)技術(shù)做出了貢獻(xiàn)，而這項"余熱增推"技術(shù)比"沙丘駐渦"的價值要大得多。 　　物質(zhì)觀的改變和真空能發(fā)動機(jī) 　　高歌還將研究方向擴(kuò)展到高能物理方面。他說，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，一個是物質(zhì)觀的改變，另外一個就是關(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)科技具有劃時代變革意義的一個標(biāo)志。如果能夠提取和利用暗物質(zhì)、暗能量，人類的科學(xué)技術(shù)和文明就要進(jìn)入一個嶄新的新紀(jì)元。 　　有關(guān)真空概念，過去的課本上都說真空是什么也沒有，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），真空是能量海，蘊(yùn)藏著極大的能量。有人說1立方厘米真空里面含有1095克的能量，通過質(zhì)能互換定理（E=MC2），可以把真空中的能量看成無窮大。 　　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；在地球周圍真空中則凝聚著暗物質(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)實體，實際上人們都"浸泡"在這樣一個暗物質(zhì)的海洋里，因為各個地方的密度都一樣，就不易感覺到它的存在。如何才能"感覺"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，它就會對顯物質(zhì)發(fā)生作用，真空對顯物質(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，真空就是一個界變點，物質(zhì)和真空相互作用會發(fā)生能量形態(tài)和物理屬性上的突變?？梢哉f，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程變成負(fù)熵過程，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力系統(tǒng)的基礎(chǔ)原理。"真空能"在國外稱為"Zero Point Energy"。以這個理論為指導(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)動機(jī)組合起來。 　　高歌認(rèn)為，以上兩種觀念的改變要引起人類科技的一個天翻地覆的變化，對航空發(fā)動機(jī)而言，今后一個確鑿無疑的發(fā)展方向，第一步就是發(fā)展渦輪和真空能組合發(fā)動機(jī)。這是一種混合式動力系統(tǒng)，是一種真空能發(fā)動機(jī)的初級應(yīng)用形式，但對于現(xiàn)有的航空發(fā)動機(jī)技術(shù)已經(jīng)是高級形式了，它將是現(xiàn)有航空渦輪發(fā)動機(jī)的后續(xù)機(jī)種。2001年在英國倫敦召開了一次場推進(jìn)會議，有個美國專家提出來，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)動機(jī)。高歌在真空能發(fā)動機(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，也證實了在航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的可能性。 　　第二步就是制造純粹的真空能發(fā)動機(jī)。真空能發(fā)動機(jī)既包括水平動力式，也包括垂直動力式。垂直動力的單極磁流體真空能發(fā)動機(jī)就是做成一個圓盤形，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)動機(jī)在今后的幾十年內(nèi)一定能夠造出來，高歌希望能親自參與我國真空能發(fā)動機(jī)的研制工作，并親眼看到它實用化的到來。 　　除了真空能發(fā)動機(jī)，下一代航空航天動力系統(tǒng)就是反質(zhì)子發(fā)動機(jī)，研究的序幕已經(jīng)拉開。2003年7月，美國NASA把反質(zhì)子發(fā)動機(jī)列為今后十年的三大絕密項目之一。反質(zhì)子發(fā)動機(jī)制成以后，將會為航空航天飛行器提供非常強(qiáng)勁的動力，因為它可實現(xiàn)全部的質(zhì)能互換。高歌說："美國人能不能成功，我不做評論，美國人走的方向和技術(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，我們可以走出中國人自己的路。以中國人的智慧，完全可以自主創(chuàng)新做出這些東西來。"