歼20加力全开：中国人发明的燃烧技术，解决了困扰美国多年的难题 ...

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原标题：歼20加力全开：中国人发明的燃烧技术，解决了困扰美国多年的难题
                          当年33岁的北航博士高歌，解决了航空发动机领域一些百年困惑，从无到有创造性的发明出理论模型，连钱学森钱老都称赞为“一项长中国人志气的重要发明”。而高博士当年的研究过程，更是十分传奇。
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) S+ x7 e& H& }) M8 _+ d; U% g 歼20夜训起飞，打开加力火力全开，拉出十多米长的炽烈尾焰，场面带劲。但是可能有些人不知道，发动机技术相对弱项的中国，在这个开加力的高科技尾焰里，对世界还有个巨大贡献的发明，连钱学森钱老都称赞为“一项长中国人志气的重要发明”。
' S/ g, W' _$ S1 A2 D( i- A$ w 这就是曾获国家发明一等奖的中国“沙丘驻涡火焰稳定器”。
3 D  t( Z9 l1 _; B7 S 这个故事，还要从喷气发动机的起步说起。

【歼20发动机特写】
/ g+ E/ s* {2 j% e1 ^ 首先为什么要造喷气式发动机？喷气式发动机的最大意义，就是解决了常规螺旋桨提升到极限后，也就是桨尖达到音速时遇到的转速与推力瓶颈问题。螺旋桨的这个瓶颈，决定了螺旋桨飞机有速度极限，几乎无法突破音速。
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  v2 ^3 `7 ~7 v2 n2 g( n1 l1 u! M5 [5 ` 【民间想靠内燃机实现突破音速的RP-4飞机，时速已经推升到了850公里，但因为经费和技术，也只能止步于此】
那么什么是喷气发动机？这东西，说简单也简单，无非就是借助吸气与燃料燃烧的循环动作，产生稳定推力的设备。有些高人甚至用易拉罐和剪刀，就能制作出一个能自主循环的“窝喷发动机”。但原理越简单的东西，往往想优化提升就会非常难。易拉罐窝喷，只能产生2N的推力，早期的军用涡喷其实也没好多少，推力甚至不如内燃机，动力的提升都是无数次迭代改良的成果。

8 z8 f  V. ~& H! @ 图片是爱好者利用易拉罐制作的涡喷发动机，能实现自主循环，但其实这个DIY挺有风险。因为喷气发动机跟电风扇的最大区别，就是喷气发动机不能从零直接点火启动，叶盘需要先有一个很高的启动转速，飞机上一般用APU启动，DIY时会换成电钻等设备，实现启动与稳定燃烧后，发动机也会保持较高的转速，但手动制造的这些易拉罐设备，无论是强度还是精度都不高，高速旋转的设备很危险，不建议大家轻易尝试。
在涡喷或者涡扇动力不断提升后，却依然无法帮助飞机突破音速。因为音障是个非常讨厌的空气墙，甚至很多科学家沮丧的认为音速是无法突破的物理障碍。接近音速时堆积在飞行器周围的空气，产生了超过常识的阻力剧增，想要突破，必须有极为强大的推力，靠螺旋桨或者早期喷气发动机是很难达到的。

【常规的喷气发动机工作原理与活塞内燃机其实也有些相同，无非是省略了几个循环过程】
% ~6 r" @# b8 X5 ~ 想进一步增加推力，最简单的办法就是让发动机喷出更多更快的气体，科学家就想到在发动机后方喷出更多的燃油，让燃油大量燃烧。这就是我们常说的加力燃烧室，或者说后燃室（Afterburner）。
/ m& V5 \) i& e5 |9 i5 y- G 这个所谓的燃烧室，其实就是在发动机后方，加了个管子而已。当发动机正常工作时，后方喷出的混合气体温度高达四五百度，可以让航空煤油直接燃烧甚至是爆燃，于是在这个管子里，喷射出的气体速度更快，根据反作用力，就有效提升了发动机的推力，甚至可以达到正常推力的一倍，足以让战机满载时起飞爬升，或者是突破音障。当然代价就是超级费油，而且燃烧室温度会很高。这也导致了加力燃烧的时间一般非常有限，都是按秒计算。

【后燃室本质就是加了个管子，但想把这个管子做好优化好又非常难】
此时，我们就可以想象，开加力时，后燃室里的环境有多恶劣。一方面，后燃室里充满了前半段发动机产生的高速高温气流，一方面还要承受喷射燃油二次燃烧带来的冲击与压力变化。这就产生了一个问题，那就是在这么恶劣的情况下，后燃室的工作就很不稳定，时不时熄火，内部燃烧产生的流体运动也不规律，推力就有很大损失。
二战后期，德国人和苏联人为了解决这个问题，针对性的创造了一个部件，叫V型火焰稳定器，但受制于基础科学理论，这种稳定器的使用效果就比较玄学，只能说聊胜于无，使用时阻力大稳定性差，科学家们对如何改进，也并没有什么理论与根本性的突破。
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8 i0 q. P" C2 k  C- i; v- t 【Me262使用的喷气式发动机，当时由于理论薄弱，很多设计其实比较玄学，无论部件是否好用，都没有什么理论基础支撑或借理论进行改进的办法】
这个设备，就这么奇葩的玄学使用了40多年，直到一个中国学者参与到解决这个问题中。
这个中国学者，就是当时北航的博士研究生高歌，当时仅有33岁。其实，在高博士解决这个问题之前，很多外国人也摸到了解决的门口，但都因为没有抓住重点失之交臂。
+ q9 [8 Y* X0 P' j5 d' z 六十年代时，美国大学的教授就观察研究风雪后雪地产生的特殊丘陵，NASA在70年代也找专家研究沙丘的稳定原理，但是这些人都没找对方向，得到的结论都没什么价值。

+ i; D) T8 F' f 【高歌教授】
但高博士当年却对这个问题很感兴趣，并且在导师宁榥老先生的指导下，敏感的把方向确定在三维问题的流场分析上。但受制于当时的计算机性能和算法，想进行这些运算，是几乎无法实现的。这需要一台当时的国家级超算，连续运算近一年的时间。对这种全国都需要使用的计算设备来说，完全是不可能的任务，很多外国教授也是因为这个原因放弃了这个方向的研究，认为是当时无解的问题。
- ~) n; s) X. U" G9 m* [; v4 ~, u4 t 但高博士很痴迷解决这个问题，就不断想有无优化计算的办法，使其变成可以计算的问题。只用了2个月，沉浸在其中的高博士突然灵光一现，将几个优秀的计算方法完美的整合在一起，完成了一套可行的三维计算方法。这个算法有多厉害？利用这个算法，不需要国家超算，找个当时一般的计算机，只用2个小时就能算出之前不可能计算的问题。
于是，这个困扰了人类无数科学家40年的玄学问题，终于有了运算上的支撑。
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; N: z4 W/ W: p. n3 d' ~ 【1964年，世界第一台向量超级计算机CDC6600，安装了35万个晶体管，运算速度300万次/秒】
但是，传奇并未就此结束。
解决了计算问题，只能得到比较初步的一些条件下的理论近似值，还不能彻底阐明事物背后的理论模型。于是高博士又沉迷了，做梦时都在思考这些问题。有天做梦，他梦到有人讨论研究方向的问题，说到有些事物并不是只有一个极限，而是应该有两个，就像吃多了会撑死吃少了又会饿死，觉得这是个思考方向，迷迷糊糊的在墙上划了两条线就又睡了。
第二天起床，果然忘了做梦的内容，好在看到墙上的两条线，高博士又想起来那个思路，于是模型建立起来了，发现了涡旋有上下两个极限，确实会吃饱了撑死吃不饱饿死，旋转速度太快或太慢都会解体，只有在模型极限区间里才能稳定存在。而此前的理论都只考虑到一个极限，所以当数据超过一些范围就会不符合实际情况，这也是之前学者研究失败的原因。
5 \, c$ h: m! {( q  L$ C! `& c+ y 现在这么一说大家觉得可能很简单，但是跳出常规的思维突破其实是很难的，那层窗户纸绝大部分人都以为是铁板，别说去尝试捅破，甚至连碰都不会去碰。高教授就敢于去挑战，最终揭开了这个模型的面纱，解决了100年来困扰人类的“旋涡旋转特性”的理论问题。
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' r" l# ?' f- F' I5 C 【沙丘驻涡火焰稳定器，这个现象背后的原理，不但提升了航空发动机的性能，还用在发电、船舶等多个领域，功德无量】
8 W; Q) r  P/ G0 q1 o$ ^ 当年这些结果公布后，很多老师都不敢相信，是一个33岁的年轻人，短时间内就解决了这些百年难题。而国家也是借助这个理论，只用了4年就彻底改进了燃烧稳定器的设计，提高国产发动机的性能，填补了国际航空界长期的空白，让我国在航空发动机这个薄弱领域，有了国际领先的一项特殊技术。
$ a5 K! f; o- @ 从这些传奇背后，我们也可以看到，只要有像高教授一样的专家们在，相信任何的落后，都将是暂时的。

【涡扇10发动机内部的火焰稳定器】
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