2006年5月18日 星期四

密閉容器爆炸後的負壓現象與無閥脈衝式噴射引擎

Jack為了設計一個無閥脈衝式噴射引擎 (Valveless Pulse-Jet),做了一個簡單的實驗,來驗證一個有開口的密閉容器,在爆炸噴出熱空氣後,會產生一個負壓的現象,將外界新鮮的空氣再吸回密閉容器,以填充容器於爆炸後所遺留的的低密度的空間。

用一個洗髮精空瓶,將噴漆灌進去,先準備好一張浸濕的統一發票 (當然是沒對到中獎號碼的),置於空瓶開口前方,發票後面又放了一片鐵片,避免發票被爆炸衝擊波吹走;然後,捲一張衛生紙成為長條型,點燃後,去引燃洗髮精空瓶內的噴漆,噴漆點燃噴出火舌後,會將前方的統一發票吸回來,塞住了瓶口,而此時空瓶因為吸不到足夠的空氣,呈現出內凹的現象,足以證明密閉容器爆炸後的負壓現象。

昨晚我們讀了半篇介紹無閥脈衝式噴射引擎的一篇論文,為了克服傳統脈衝式噴射引擎 (Schmidt type Pulse-Jet) 的諸多問題,包含:噪音、耐用性、壽命、效率-質能轉換率 (Energy-Mass Transfer Ratio) 等根本的問題,有一些研究人員提出一種革命性的設計,去除了脈衝式噴射引擎最關鍵的零件-閥門,利用油氣混合爆炸後所產生的負壓現象,自動從進氣口吸入足量的新鮮空氣,以進行下一回合的爆炸產生推力的循環。

有趣的是,幾乎所有無閥脈衝式噴射引擎的設計,它的進氣管(Intake Tube)直徑小而短,而排氣管(Exhaust Tube)直徑大而長。Jack提出來的問題是,位於底部的燃燒室 (Combustion Chamber) 爆炸後,急速膨脹的熱空氣應該會同時從進氣管與排氣管排出,但是爆炸後所產生的負壓現象,是否也會從進氣管與排氣管同時吸入空氣,這樣可能會中斷持續性的爆炸循環,造成效率不佳的問題。

半夜他躺在床上反覆思考這個問題睡不著,就來找人討論。一個管子細而短,另一個管子粗而長,爆炸後空氣分子會怎麼運動呢?

或許可以用巴斯卡的壓力原理來說明這個現象。細的管子面積小而壓力大,所以流速快;粗的管子面積大而壓力小,所以流速較慢。爆炸後,燃燒室內急速膨脹的熱空氣會同時從進氣管與排氣管噴出,進氣管噴出的氣流速度會比排氣管噴出的速度快很多。當燃燒室的熱空氣往外噴出產生負壓現象時,排氣管的熱空氣還未完全排出,但此時進氣管已經沒有任何殘留的熱空氣了,因此,燃燒室的負壓現象會從進氣管吸入新鮮的空氣,補充燃燒室爆炸後所遺留的空間。如此,即可持續進行爆炸循環。

他若有所悟的說,了解了這個原理,可以好好的睡一覺,明天早上起來就可以設計自己的無閥式脈衝噴射引擎了。

Jack、Henry兩人經過密集的設計過程,多方參考德國人 Paul Schmidt 所設計的 V-1 Argus Pulse-Jet engine,Peter Laymann 改良的 Pulse-Jet、與美國人設計的 Pulse-Jet,各自完成了一具相當精巧的脈衝式噴射引擎的3D模型的設計。但是他們也很擔心材料的耐用性、加工的方法、與引擎的效率等問題。會不會好不容易做出來後,無法啟動、啟動後馬上就被高溫融化了、閥門幾分鐘就撞壞了、或是推力不佳等等問題。於是就找了幾篇探討無閥脈衝式噴射引擎的論文,我負責口譯,Jack和Henry則邊思索、邊提問、討論,不懂的地方就看圖說故事一起討論。

這又是一個豐富的夜晚。 S 20060518

2006年5月15日 星期一

自行設計脈衝式噴射引擎 (The Design of a Pulse-Jet Engine) Jack


脈衝式噴射引擎的起源

脈衝式噴射引擎起源於二次世界大戰,Paul Schmidt 所發明,第一次使用脈衝式噴射引擎的時間是1944年6月,德國用V-1脈衝式噴射引擎的飛彈轟炸英國。


圖一、V-1 脈衝式噴射引擎的飛彈,Photo by Michael Benolkin

脈衝式噴射引擎的構造

脈衝式噴射引擎的三大構造:有一根排氣管、一個單向閥、一個燃料噴霧器。









圖2、V-1 脈衝式噴射引擎的構造圖

脈衝式噴射引擎的原理

脈衝式噴射引擎與其他噴射引擎有很大的差別,不同之處乃其使用間歇燃燒產生推力。間歇燃燒主要是靠油霧在脈衝式噴射引擎的進氣口進行混合,然後單向閥會開啟讓油霧進入排氣管的燃燒室點火爆炸,爆炸時單向閥會關閉,使得空氣向後壓縮排出,然後會以以上方式進行燃燒。啟動引擎時,要先用高壓空氣吹開單向活門,然後開啟燃料閥,讓燃料進入燃燒室,在開啟火星塞這時引擎就會被啟動。

自製脈衝式噴射引擎

我設計脈衝式噴射引擎(見圖三、圖四)的目的,在我想了解脈衝式噴射引擎的結構及原理,還有想把飛機飆到時速五百公里以上。眾多噴射引擎之中此引擎算是結構及原理較簡單的,還有這是我最了解的噴射引擎。這脈衝式噴射引擎的部分設計是參考德國於1957年12月發表的PL-35脈衝式噴射引擎,還有蘇聯BRAUNER脈衝式噴射引擎來做改良。

我設計的脈衝式噴射引擎分為四大部分,第一部分是單向閥、第二部分是燃料噴霧器、第三部分是進氣系統、第四部分是排氣系統。


圖三、自製脈衝式噴射引擎


最先設計的部分是進氣系統,原因是因為它是引擎的中心。進氣系統的用途是讓空氣和燃料混合,然後經由單向閥進入引擎排氣系統。這進氣系統是採用十孔式花瓣狀活門孔設計,總進氣面積是502.654816平方公厘。

























圖四、自製脈衝式噴射引擎爆炸圖

第三設計部分是燃料噴霧器,這燃料噴霧器是用讓燃油衝至燃料噴霧器底部,然後再回衝,產生霧狀燃料。

第四設計部分是排氣管,這排氣管主要是為了讓油氣在前端的燃燒室進行燃燒,燃燒過後的廢氣會在漸縮的排氣管中到達超音速,然後從漸闊端排出。

參考資料:
1. PL-35脈衝式噴射引擎設計文件
2. BRAUNER脈衝式噴射引擎設計圖

設計期間,感謝各位長輩提供寶貴的經驗與建議。
1. 林克明先生
2. 鄭崢任先生
3. 廖修毅先生
4. 黃宗賢先生

作者:Jack(九年級)

飛上青天 Henry

我對飛行的感覺,在不同的天氣飛行,有不一樣的感覺,駕駛不一樣的機型也有不同的體驗,還有著不一樣的飛行方式。在一個不熟悉的場地,當然也有不一樣的感受!

各種天氣,例如:晴天、雨天,強風、無風…等。晴天可以自由自在的飛行,但若遇到雨天,大老遠跑到機場,又怎能不飛呢?只好穿著雨衣,遙控器罩著防水套。其實,雨天飛行對飛機來講差不多,只是多了一點水;但若強風,就需要有一定的飛行技巧;沒風,也不一定好飛。

各型各樣的飛機,都有著不同的體驗。像特技機、競速機、滑翔機還有練習機。練習機很穩又很慢,不像競速機飛的又快又靈敏;特技機雖然不算很快但它可以做出很多複雜的特技動作,像落葉飄…等;滑翔機飛的很慢但可以靠熱氣流爬的很高飛的很久,還會飛到遙控器沒電;競速機飛起來快又靈敏,得要非常集中精神,要不然,一個不注意飛機就不見了。

從平地到山上,從室內到機場,不管什麼樣的飛機,都有它適合的場地。機場、懸崖、室內,都有著合適的飛機。機場,只要會飛,大部分的飛機都能飛,都適合;室內的飛行都要看技術,因為空間通常不會很大,所以適合飛小型3D特技機或直昇機。山上的懸崖,只要有上升氣流就適合熱氣流滑翔機;如果,這裡飛特技機的話,可能就要下山撿飛機了。

我從一開始飛遙控飛機直到現在,已經有兩年五個月了,在製作和飛行都進步了不少。我在玩遙控飛機的時間裡,也學到了很多知識與常識,不管是馬達還是引擎或者是機械和電子,都對它有了進一步的了解。我也希望,我可以做出最頂尖的引擎或馬達、飛機和直昇機,當然,要做出這些尖端的科技,需要更努力。 作者:Henry(七年級)