本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。

在当前的太空探索时代，成本效益是非常重要的。通过降低与发射相关的成本，航天机构和私人航空航天公司能更多地探索太空。而在发射成本方面，最大的一项支出就是推进剂。简单地说，打破地球引力需要大量的火箭燃料！

为了解决这个问题，华盛顿大学的研究人员最近开发了一个数学模型，描述了一种新的发射机制：旋转爆震发动机（RDE）的工作原理。这种轻量化的设计提供了更高的燃油效率和更少的复杂构造。然而，它也伴随着一个相当大的代价，那就是太难以预测而不能马上投入使用。

在传统的火箭发动机中，推进剂在点火室中燃烧，然后通过喷嘴从后面引出来产生推力。在RDE中，工作方式变得不同了。

研究人员解释说：“旋转爆震发动机对如何燃烧推进剂采取了不同的方法。它是由同心圆构成的。推进剂在气缸之间的间隙中流动，点火后，迅速释放的热量形成冲击波，这是一种强烈的气体脉冲，其压力和温度明显高于传统发动机。”

这使得RDE与传统发动机不同，后者需要大量的机械来指导和控制燃烧反应，以便将其转化为加速度。但在RDE中，点火产生的冲击波自然产生推力，不需要额外的发动机部件。

然而，正如研究人员所指出的，旋转爆震发动机领域仍处于初级阶段，工程师们仍不确定他们的能力。因此，研究人员决定测试这个概念，其中包括重铸现有的数据和观察模式形成。首先，他们开发了一个实验性的RDE（如下所示），使他们能够控制不同的参数（如气缸间隙的大小）。

然后他们用高速摄像机记录燃烧过程(每次仅需0.5秒)。摄像机以每秒24万帧的速度记录下每一次点火，让研究小组能够以慢动作观察反应的展开。研究人员发现发动机运作良好。

“这个燃烧过程实际上是一个爆炸，但在这个初始启动阶段之后，我们看到许多稳定的燃烧脉冲形成，继续消耗可用的推进剂。这就会产生高压和高温，从而推动发动机后部的废气高速排出，从而产生推力。”研究人员解释道。

接下来，研究人员开发了一个数学模型来模拟他们在实验中观察到的情况。这种模型是同类模型中的第一个，允许团队第一次确定RDE是否稳定。虽然这个模型还没有准备好供其他工程师使用，但它可以让其他研究团队评估特定的RDE的性能。

如前所述，发动机设计确实有一个缺点，那就是它的不可预测性。一方面，燃烧驱动冲击的过程自然导致燃烧室对冲击的压缩，产生推力。另一种，一旦开始，爆炸是暴力的和不受控制的，这是完全不能接受的。

这项研究是成功的，因为它测试了这种引擎设计并定量地测量了它的性能。这是良好的第一步，有助于为实际开发和实现RDE铺平道路。虽然现在下结论还为时过早，但这项研究的影响可能是深远的，从而使火箭发动机更容易生产，成本更低。现在所需要的是确保引擎设计本身是安全可靠的。