正像世人最近被提醒的那样，天气系统具有令人敬畏的力最。一次强大飓风释放的能量可超过人类全年所耗费的能量，即使是一场中等强度的龙卷风，其能量也相当于一座大型电站的发电量。如果人类能够利用这种能源而不是任其摆布，那该有多好。在一家大型石油公司任职的加拿大工程师Louis Michaud认为自己已想出办法来达到这一目的，就是通过制造可控制和利用的人造旋风。他把自己的发明称为“大气涡流发动机”。

简介

我国对大气旋风发动机的研究(传统航空发动机技术需要新的突破 脉冲爆震发动机和旋转冲压发动机)

龙卷风原理在航空发动机上的应用

简介

众所周知，龙卷风具有很大的破坏性，通常被认为是一种灾难。但是，一位加拿大工程师却认为，人类有朝一日将能够利用龙卷风的能量为所有城市提供电力。这位加拿大工程师名叫路易斯-米查德，他研制了一种名为“大气旋风发动机”。“大气旋风发动机”位于一个200米宽、100米高的空间内。米查德认为，只要将暖湿空气吸入他的“大气旋风发动机”中，他就能够制造出一个人造龙卷风。龙卷风的旋转带动“大气旋风发动机”入口处的风力涡轮机从而产生电量，这些电量可以满足一个小型城镇的用电需求。在目前普通的热力发电厂中，有超过一半的热量被浪费。米查德提出，可以充分利用这些浪费的热量为他的龙卷风发电机服务。不过，米查德也承认，龙卷风发电机或许会对周边地区造成一定的影响，不过他坚持认为龙卷风发电是一种安全的替代能源利用方式

我国对大气旋风发动机的研究

高歌现任北京航空航天大学能源动力学院动力工程及工程热物理学科一级责任教授，航空发动机气动热力国防重点实验室副主任，长期从事动力工程、工程热物理及流体力学领域的教学与科研工作，并在基础科研和多学科的应用技术领域取得了一系列国际领先水平的创新性科研成果。他在1984年发明的"沙丘驻涡火焰稳定器"，获国家发明一等奖，钱学森同志称之为"一项长中国人志气的重要发明"。该成果广泛应用于我国多种军用航空发动机中，取得了数以亿元计的经济效益，至今仍保有先进水平。本刊记者于今年10月采访了高歌教授，了解到了他近期从事的一些前沿科研工作的最新进展，尤其是他对龙卷风的研究及其工程应用价值，让人耳目一新。

高歌教授在采访中提到，传统的航空发动机技术虽然还在不停地改进提高之中，但受到原理和材料工艺上的限制，已经逐渐逼近了性能发展的极限。目前虽然涌现出一些新型航空发动机技术，但仍然没有走出依靠压力膨胀过程来实现热功转换的思路。他强调，人们应该另辟蹊径，寻找其他可用的工作原理。为此，他研究了自然界龙卷风的形成与强化机制，发明了一项称为"余热增推"的技术，直接利用龙卷旋涡实现热功转换并提取能量，用以提高航空发动机的推力和工作效率，这是具有独创性的重大科研成果，是人们未曾涉足过的一片新天地

传统航空发动机技术需要新的突破

高歌首先提到，航空发动机经历了两个大的历史阶段，第一阶段就是在1950年以前，主要是活塞发动机的使用。第二阶段在二次世界大战以后，涡轮发动机迅猛发展，一直占据着霸主地位，它有很多的变种，如涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机等，但其核心技术都是压气机－涡轮组合，即燃气轮机。

很早就有人提出，涡轮发动机过了巅峰期以后有没有后续机种。为什么会提出这个问题呢？因为人类所发明的热机到目前为止，绝大多数都是依靠压力膨胀过程来实现热功转换的，活塞发动机、涡轮发动机都是如此。而要提高涡轮发动机的性能主要有两条途径，一个是提高压比，另一个是提高涡轮前温度，这是它的工作原理决定的。但提高压比、提高涡轮前温度是有一定限制的，设想压比达到40左右，压气机的转速会很大；同时压比提高，叶片的强度也成问题。所以无论从压比还是从温度来说，涡轮发动机基本上快要接近其性能极限了。

当然，所有发动机在其发展的历程中，性能都有从低到高的发展过程。但如果原理上不出现重大变化的话，就不会有本质的改变。如涡轮发动机压气机本身的效率，四十年前是81%～82%，而今天，最好的压气机的效率是86%～87%。可以看出，大约每十年只提高1%多一点。人们不得不考虑未来航空发动机的出路问题。

脉冲爆震发动机和旋转冲压发动机

航空涡轮发动机目前出现了很多新的机种，如脉冲爆震发动机、冲压发动机等，这是主要的几个研究方向，也是试图找到大幅提高航空发动机性能的技术尝试。但这些发动机还处于摸索阶段，高歌一一对其技术难点和缺陷进行了分析。

高歌提到，脉冲爆震发动机噪声巨大，工作频率跟不上去。工作频率就是指爆震燃烧频率，要100赫兹左右才能够产生足够的比冲，如果到不了这个频率，比冲不够，与涡轮机相比就没有竞争力。设想在一个空腔里面，排气、进气一秒钟来回一百多次，而且还没有一个活塞把气体推出去，只靠自己的膨胀过程来填充、爆炸，再填充、再爆炸，这本身是非常困难的。

冲压发动机不能解决零速启动、低速情况下的低效率等问题。高歌向记者介绍到，最近国内外都在进行旋转冲压发动机的研究，旋转冲压发动机就是想克服直流式冲压发动机不能零速起飞的缺点。旋转冲压发动机内部有一个转子，启动时首先用电力驱动，或是由其它起动机让转子高速旋转，气流进入转子后再发生冲波，产生高压，利用转子本身的旋转制造一个超声速或者跨声速的入流，在旋转场里提高马赫数，最后达到冲压的效果。美国一台一百千瓦级的旋转冲压发动机已经试运转成功了。

但旋转冲压发动机运用到航空发动机上有很大的难度，首先要解决发动机直径问题，飞机不可能安装直径太大的发动机。另外，转子旋转以后燃烧系统如何配置，高超声速气流进来如何变成没有旋转，研制出来以后能不能在效率、尺寸、推重比等方面和现有的涡轮发动机竞争，这都有待未来发展才能得出定论。本来冲压发动机就是一个空筒子，现在有一个转子在发动机里面旋转，解决了低速启动的问题，但飞到高速以后，气流冲进来遇到了转子这样一个大障碍物，如何解决，还面临一系列的问题。高歌认为旋转冲压发动机的前途将取决于一系列关键技术能否得到妥善解决。

脉冲爆震发动机、冲压发动机等这些新技术，依然没有摆脱传统的热机工作原理，只是改进而已，真正的突破还要在其他方向上寻找。

龙卷风原理在航空发动机上的应用

高歌谈到，航空发动机最近显示了一些很有前途的研究方向，就是有没有可能不利用压力膨胀过程来实现热功转换，而以往所有热机都是压力膨胀实现热功转换的。他把研究方向瞄向了自然界的龙卷风。龙卷风不是利用压力过程而是利用旋涡，依靠龙卷风式的特殊旋涡的旋转把热能变成机械能。高歌带领的研究人员已经在这方面做了大量试验和应用研究。

高歌指出，龙卷风的旋转能量来源对于研究大气流体力学的人来说，他们肯定可以明白无误地说，这是龙卷风外围的热气流的热能提供的旋转能量，但有一些教条的人会说，"热力学上没有这一说法，热能变成机械能必须要有压力膨胀过程！"实际上龙卷风在旋转过程中遵守着流体力学的一个定理，称为克罗科（Crocco）定理。这个定理通俗地讲，就是在一个旋涡的外围，如果外边热里边冷，就产生了一个沿半径方向内指的焓梯度，或是温度梯度，这个焓梯度越大，旋风的旋转强度就越大。如果在龙卷风外围有热量加入的话，龙卷风就会得以强化。

高歌利用龙卷风的原理开发了一项"余热增推"技术，在不改变核心机的前提下可以轻而易举地获取发动机推力的增加，增推效果相当可观。这项原理和技术是高歌首创的，并且在航空发动机上得到了验证，有重大的实用价值。通过"余热增推"技术，可以直接利用龙卷旋涡将热能转换为旋转动能，进而提高发动机的推力和推重比、降低单位推力的耗油率。龙卷风组合燃烧技术也可极大地改善燃烧性能，使燃烧效率从85%提高到97.5%，阻力、贫富油、稳定性等性能指标也达到国际领先水平。可以断言，龙卷风原理开辟了热机发展一个值得探索的新方向。

克罗科定理在20世纪初就有了，是一个纯粹的理论工具，人们没有找到其工程技术运用的途径。高歌首先在试验中发现龙卷风能够把热能变成机械能，然后想到了能利用它来增加发动机推力，最后才找到了克罗科定理。并不是克罗科定理指导其开发出有关技术，而是高歌做出来以后为了找理论解释才想到了克罗科定理。

高歌强调，中国人应增强自信心，我们有能力在科技领域自主创新。"沙丘驻涡"技术为我国的航空发动机技术做出了贡献，而这项"余热增推"技术比"沙丘驻涡"的价值要大得多。