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 主题:电动喷气机,Elon Musk的梦想
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泡菜 手机已验证
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关于特斯拉能否打败传统汽车厂商的口水仗,各路媒体已经基本上把各种体位都想过,所有的料都嚼三遍,没什么意思了。那么我们就来一起提前猜想Musk下一步的电动垂直起降超音速喷气机,具体应该如何实现。

Elon Musk曾经说过,希望打造电动垂直起降超音速喷气机,之后又在钢铁侠2客串时重复了这个想法。这可以说是Musk尚未完成的理想。


美国波音公司配备固体高分子型燃料电池(PEFC)的小型载人飞机全球首次试飞成功

狂想电动喷气机正篇 Elon Musk未完成的梦想
日本IHI公司与美国波音公司合作,实施了配备再生型燃料电池系统的民用飞机的试飞。目前客机主要依靠专门的燃气轮机发电。

目前已经有很多人在尝试打造电动飞机,但是螺旋桨或者电动涵道风扇驱动的电动飞机,相对于现行喷气机并没有飞行性能方面的优势。为了做出电动喷气机,我们首先要了解喷气式发动机的原理。



从这个视频我们可以理解,现行喷气式发动机的根本原理就是压缩气体、燃烧膨胀推动飞机飞行。

电传动与分布式推进
关于电动飞机,目前已经有的研究方向主要是燃气轮机发电,超导电机直接驱动风扇,这样虽然有能量转换损失,但是布置更加灵活,燃气轮机发电的工作环境也更加理想(本来就有很多燃气轮机是从航空发动机改的,为发电进行了优化)。

狂想电动喷气机正篇 Elon Musk未完成的梦想

狂想电动喷气机正篇 Elon Musk未完成的梦想

在目前民航机主流的大涵道比涡轮风扇发动机中,为飞机提供大部分推力的风扇的最佳推进转速较低,而作为动力源驱动风扇的核心机,包括压气机和涡轮在内,在高转速下具有较高的热效率。因此,采用电传动,给风扇和核心机解耦,可以减少压气级数量,提高热效率和推进效率,降低噪音和氮氧化物排放。这种电传动的全电飞机,虽然经过了“化学能—机械能—电能—机械能”的复杂能量转换,但是仍然有希望通过优化每一环节的运行效率,最终在燃料经济性方面超过现行的大涵道比涡扇发动机,从而适用于对于成本要求苛刻的民航产业。

狂想电动喷气机正篇 Elon Musk未完成的梦想

采用分布式推进结构(distributed propulsion)配有16个超导电机风扇的客机概念图,由于没有燃烧室的加热膨胀功能,预期的飞行速度没有优势,主要是为了民航降低噪音。
狂想电动喷气机正篇 Elon Musk未完成的梦想

采用分布式推进,具有可释放单元的美国边境监视概念机。图片来自NASA兰利研究中心

狂想电动喷气机正篇 Elon Musk未完成的梦想

苏黎世联邦理工大学的分布式飞行阵列

他山之石—核涡喷
电动只能用来让飞机低速节能飞行吗?当然不止如此,喷气机高速飞行的关键在于空气膨胀,而使空气膨胀做功并不是只有燃烧一种形式。我们先来跑题,看看上世纪冷战时期美苏疯狂的核动力飞行器计划,为了实现洲际飞行,其配备的发动机取消了燃烧室,利用核反应堆的热量来加热空气使之膨胀推动飞行。

【两台通用电气的涡轮风扇发动机借助两台被屏蔽起来的反应堆成功达到了近满功率输出。将核反应堆放出的热加到冲压发动机上的设备的研究产生了兴趣。这个研究被命名为“冥王星计划”(Project Pluto)】


这是留里卡为米亚西舍夫设计的核-涡喷发动机СКБ-500。苏联工程师们对几种类型的核动力发动机进行了测试,包括冲压发动机,涡轮旋桨发动机机和涡轮喷气发动机。工程师对各发动机的不同传输机制进行了反复测试,其中重点验证各方案转递核反应堆产生的热能的情况。经过广泛的试验和各方案发动机、传送系统之间的反复对比,苏联工程师们的结论是:直接循环的涡喷发动机是最好的选择。设计人员决定采用直接循环的方式进行能源传输方式。这种方法将使用反应堆作为动力装置的能源,以取代喷气式发动机使用的燃烧。

在直接循环能量传输装置内,进入的空气进首先入涡喷发动机的压缩机,然后,通过一个引导空气通往反应堆堆芯的通风道。这个时候通入的空气中作为反应堆冷却剂的同时正在不断升温。离开后核反应堆堆芯后的空气又回到另一个通风道,并从那里经由发动机的涡轮喷出。

如何打造电动喷气机
从以上史料我们可以理解,喷气式发动机的燃烧室燃烧反应并不是高速飞行的必要条件,只要能有效地提供热源,使空气膨胀就可以了。

而被称为钢铁侠的Elon Musk 同学声称要做的电动超音速垂直起降喷气机应该如何驱动呢? “There is this airplane design that I’ve had in mind for about four years. It is a VTVL, supersonic electric jet,” ——Elon Musk

“…… If you just changed the engines, you could double the range. Then I did the math, saw that the higher you go in the atmosphere, there’s less drag, so the faster & more efficient it is. So an electric motored plane could really work…….”

Musk认为电动超音速喷气机值得去做的主要依据是:飞机在高空飞行时,空气阻力小有助于减少损耗、提高效率,但是由于氧气稀薄,喷气式发动机的性能受到一定制约。而飞机自己携带氧气过于笨重就跟火箭没什么区别了。电动飞机取消燃烧室有可能做到不受任何含氧量限制,只要这个星球有适当密度的大气层就可以工作。为此需要寻求燃料之外的加热方法。

狂想电动喷气机正篇 Elon Musk未完成的梦想

国外有人提出了电弧加热的构想并申请了专利(Arcjet,而钢铁侠的能量源方舟反应炉的原文是Arc Reactor),他表示该技术已经被应用在了卫星上但是也有可能在大气层中发挥作用。

等离子体发动机,或者说电磁推进,名字非常科幻,但是原理并不复杂:工作介质通过电弧时形成等离子体。在低气压下,电流遍及整个电极表面并在射流中形成一定分布。电流和磁场的相互作用使气体在轴向加速,产生很高的比冲。这种推进方式其实推力一般只有几十毫牛到几十牛,只能在真空环境下发挥作用。

如果把燃烧室的火焰换成等离子体,在大气层中只需要利用小部分等离子体的高温让大部分气体膨胀到一定程度就可以工作,此时用电场、磁场使等离子体加速并无必要。但是如果保留只用于太空模式的电场加速装置的话,确实可能实现同一台发动机大气层内外通吃的科幻效果。

但是普通气体大约需要加温到6000℃以上才能产生微弱的电离,因此等离子体作为热源的效率显然不可能比电阻丝高。国外也有人提到掺入过热蒸汽来取代燃烧室的构想。另外如果在高空高速为工作前提,可以直接省去风扇,构成电加热冲压。

其他
等离子体除了用于外太空推进,还有一些其他应用场景,比如降低空气阻力。

日本铁道综研技术研究所在“铁道综研技术论坛2013”(2013年8月29~30日)上,展示了通过在受电弓弓头(接触送电线的部件)上安装等离子体激励器等来降低空气动力噪声的研究成果。通过控制受电弓弓头周围的空气气流,来防止产生卡门涡街,从而抑制噪声的发生。这一成果除了受电弓弓头之外,还有望应用于无法改成流线型等形状的部件,降低空气动力噪声。 等离子体激励器通过向介电体施加交流电压来产生等离子体。

最后,笔者在搜集资料过程中,找到了一些有意思的研究:水中稳态等离子体推进效应研究

为了提高船舶的航行速度、降低运行噪声以及实现直线推进,本课题在国防科工委技术基础研究项目“舰船定向用等离子体推进技术的研究”的资助下。开展了基于稳态或脉冲等离子体效应的喷气式推进在舰船上应用的可行性探索,关于稳态等离子体推进模型的设计以及动力特性的研究是其中重点之一。

狂想电动喷气机正篇 Elon Musk未完成的梦想

狂想电动喷气机正篇 Elon Musk未完成的梦想

当然按照现阶段的实验结果,这种船舶用等离子体发动机的推力小到可以忽略,估算推进效率仅为0.02,比起推进效率高达0.8~0.85的潜艇用泵喷推进器,很难有实用化的希望。

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2018-11-30 12:33
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sandoo
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把简单的事情弄复杂。真么说吧,以目前的技术,航空工业还是燃烧推进比较靠谱。你不想你的直升机,私人飞机,客机随时炸鸡吧
本帖由安卓客户端发布
2018-11-30 14:59
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