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反冲发动机, 推进方式的革命
彭志平0755-5551725 2002/5/12

    有史以来,各仲航行器━舰船、潜艇、飞机、火箭,都使用原始的推进方式:向后推出流体,产生推进力而向前航行;这一推进方式产生于原始社会的独木舟,原始人用木浆向后推水,得到推进力使舟前行;独木舟的推进方式从原始社会沿用至今,一统天下,为所有航行器的唯一选择,可能是物理学中的误区;

    传统理论说,航行器与流体作为质点系,若无外力作用,二者动量和不变,质心仍在原处没有移动;此说将大气、海洋及流体视为质点欠妥,未反映真实航行情况和功能动力关系,用定律束缚人的思想;

    对传统推进,本文提出推进定律如下:匀速向前的航行器m₂用螺旋桨将质量为m₁的静止流体向后推出,应有: (1).推进力F等于流体后退速度v₁与流量Q(kg/s)的乘积; (2).推进效率η=2v₂/(2v₂+v₁); (3).推力功对二者的分配与二者速度成正比:A₁/A₂=v₁/2v₂;

  证明如下:设在时间t内,流体m₁被加速至v₁,其位移为S₁,航行器m₂的位移为S₂; 则有:(1).由:气流的动量改变是m₁v₁,则F=m₁v₁/t, 而m₁/t=Q,可得F=Qv₁; (2).由:S₂=v₂t,S₁=v₁t/2,可得η=FS₂/F(S₂+S₁)=2v₂/(2v₂+v₁); (3).由:推力功的分配:给流体:A₁=QV₁²/2,给航行器:A₂=Fv₂=Qv₁v₂,可得A₁/A₂=v₁/2v₂;证毕;

  推论: 推进力F与流体单位时间的动量改变成正比,流量Q与流体后退速度v₁的一次方成正比,推进力F与v₁的二次方成正比,流体得到的推力功A₁与V₁的三次方成正比,推进效率η及分配给航行器的推力功A₂均与航行速度V2成正比; 推进定律及推论揭示了传统推进方式的工作过程及存在的问题;

  静止空气向后推,二者质量悬殊,气流后退速度是飞机速度的数倍,飞行时约为6倍多,起飞时平均为20多倍,推进力的位移向后且远远超过飞机的位移,按推进定律计算,有75~91%的推力功被气流获得,成为无用功;而飞机得到的推力功只有9~25%,效率很低;同理,船的推进效率更低; (有一现象耐人寻味:船夫用撑杆推水下的石头,使船前行,石头质量为无穷大,其位移为0,推力的位移等于船的位移,推进效率100%); (2).空气接触叶片的瞬间被压缩,离开叶片又膨胀,气流的压力、速度有突变,产生噪音,损失能量,涡轮风扇沉重复杂故障多;

  传统推进的问题是: (1).推力功的分配结果很糟:例如飞机,用转动的风扇叶片将所以,探索新的推进方式应列为现代物理学重要课题,它关系数百万的飞机和船,而提出课题和唤起人类关注更重要,其价值一旦被发现,会形成研究探索的焦点,新的高效的推进方式将指日可待;

  反冲发动机有希望成为新的推进方式,它是喷咀与弧形涡道的组合,以反冲方式产生推进力,其原理是:在航行器中用喷咀向前推出流体m₁,流体以速度v₁流过弧形涡道再向后喷出,高速流体急转弯180度,产生剧烈的转向冲量,形成强大的反冲推进力F,如果航行器在F方向的位移为S,则F做的推力功为FS;由于气流向前,使更多的推力功被航行器获得;其结构如图1:飞机2以速度v₂向前飞行,高压室3通过缩-扩喷管CA向前喷气,气流进入反冲涡道AB(180度弧形弯管,矩形截面)转变流向,在出口B经渐扩喷管BD向后喷出,涡道以向心推力将向前的气流往后推,气流则以离心推力F驱动涡道高速前行;飞机2还受到喷管CA产生的反推力Fc和喷管BD产生的推进力FD,FD取决于B处气流的静压PB,适当选择PB可使FD与Fc互相抵消,而且FD远小于离心推力F,因此本文只分析离心推力F; 现以反冲火箭为例,推导离心推力和推进效率的计算公式:如图1,火箭2有反冲涡道AB,其半径R=0.4m,设气流相对速度v₁=4km/s,流量Q=m₁/t=200kg/s,每米气流质量m0=Q/v₁ ;火箭飞行速度为v₂; 求证: (1). 离心推力F=2Qv₁ ; (2). 反冲推进效率η=4v₁v₂/( v₁+v₂)² ;证明与计算如下: 向前推出流体产生了向前的动量改变(约为转向冲量25%),(3). Fc=Q(v₁━v₂);

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