哪位了解真空能发动机？

woodland

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。

　　物质观的改变和真空能发动机

　　高歌还将研究方向扩展到高能物理方面。他说，21世纪伊始，就传出了一些和20世纪科学观有着重大突变性质的观点，一个是物质观的改变，另外一个就是关于真空概念的改变。所谓物质观的改变，就是宇宙的物质构成是4.4%的显物质，95.6%的暗物质、暗能量。暗物质、暗能量是什么，怎么提取它、利用它，将成为21世纪科技具有划时代变革意义的一个标志。如果能够提取和利用暗物质、暗能量，人类的科学技术和文明就要进入一个崭新的新纪元。

　　有关真空概念，过去的课本上都说真空是什么也没有，现在真空观发生了重大变化，认为"真空是物质的凝聚态"（李政道语），真空是能量海，蕴藏着极大的能量。有人说1立方厘米真空里面含有1095克的能量，通过质能互换定理（E=MC2），可以把真空中的能量看成无穷大。

　　高歌进一步解释到，暗能量充斥于远离星系的宇宙深空之中，具有单纯磁性斥力而导致宇宙加速膨胀；在地球周围真空中则凝聚着暗物质，具有单纯吸力。暗物质粒子的尺度和电子相同，可以自由穿透显物质实体，实际上人们都"浸泡"在这样一个暗物质的海洋里，因为各个地方的密度都一样，就不易感觉到它的存在。如何才能"感觉"到它呢？就是在容器中用旋涡或者是电磁、冷核聚变等方法，把一个局部空间变成真空，即所谓的显物质真空，这样暗物质的浓度就要进一步地提高，与有显物质的外围就不一样了。暗物质有了密度梯度以后，它就会对显物质发生作用，真空对显物质的作用称为"界变"。

　　"界变"和物质的"相变"是完全不同的，和"质变"也有区别，真空就是一个界变点，物质和真空相互作用会发生能量形态和物理属性上的突变。可以说，真空的重大作用就是使物质能够发生界变，而界变能够使正熵过程变成负熵过程，正物质变成反物质。真空中的暗物质具有吸聚作用，可增强旋涡的旋转，这就是旋涡真空能动力系统的基础原理。"真空能"在国外称为"ZeroPointEnergy"。以这个理论为指导，应用在工程上，例如：磁流体真空能系统能够制造出反重力系统，而真空能技术也可与航空涡轮发动机组合起来。

　　高歌认为，以上两种观念的改变要引起人类科技的一个天翻地覆的变化，对航空发动机而言，今后一个确凿无疑的发展方向，第一步就是发展涡轮和真空能组合发动机。这是一种混合式动力系统，是一种真空能发动机的初级应用形式，但对于现有的航空发动机技术已经是高级形式了，它将是现有航空涡轮发动机的后续机种。2001年在英国伦敦召开了一次场推进会议，有个美国专家提出来，20世纪是核能世纪，21世纪是真空能世纪。还有人认为，5年之内有可能造出真空能发动机。高歌在真空能发动机方面也做了大量的研究，证明了真空能的存在和提取的可能性，也证实了在航空发动机上应用的可能性。

　　第二步就是制造纯粹的真空能发动机。真空能发动机既包括水平动力式，也包括垂直动力式。垂直动力的单极磁流体真空能发动机就是做成一个圆盘形，它具有几十吨到上百吨的提升力，可以使飞行器悬浮在空中，也能高速升降。这种发动机在今后的几十年内一定能够造出来，高歌希望能亲自参与我国真空能发动机的研制工作，并亲眼看到它实用化的到来.高歌还称,中国一旦率先研发出真空能发动机,那么美国空军的战斗力将在中国空军面前后退五十年,

　　除了真空能发动机，下一代航空航天动力系统就是反质子发动机，研究的序幕已经拉开。2003年7月，美国NASA把反质子发动机列为今后十年的三大绝密项目之一。反质子发动机制成以后，将会为航空航天飞行器提供非常强劲的动力，因为它可实现全部的质能互换。高歌说："美国人能不能成功，我不做评论，美国人走的方向和技术细节我们也不清楚。但我们也不必一天到晚跟着他们后面走，我们可以走出中国人自己的路。以中国人的智慧，完全可以自主创新做出这些东西来。

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上面是中华网发的一篇文章。看了一下北航招生目录，高教授确实在招收真空能方向的博士生，看来此说不虚。

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　　量子理论预示，真空中蕴藏着巨大的本底能量， 它在绝对零度条件下仍然存在， 称为真空零点能。对卡西米尔（Casimir）力（一种由于真空零点电磁涨落产生的作用力）的精确测量，证实了这一物理现象。
　　现代科学认为真空并不意味着一无所有，真空是由正电子和负电子旋转波包组成的系统，这种状态的动态能量可以作为工业能源、未来星际航行能源以及家庭生活等诸多领域的能源。量子真空是一个非常活跃的空间，它充满时隐时现的粒子和在零点线值上涨落的能量场。而与这种现象伴生的能量，被称为零点能，也就是说，即使在绝对零度，这种真空活性仍然保持着。早在1891年，科学家忒斯拉（Nikola Tesla）在一次演讲中就提到：几个世纪之后，也许我们可以从宇宙中的任意一点提取能量来驱动我们的机械。用今天的科学语言解释，这种能源就是真空零点能，或称空间能、自由能等。
[编辑本段]研究
　　关于零点能的设想来自量子力学的一个著名概念:海森堡测不准原理。该原理指出：不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。因此，当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动；否则，如果粒子完全停下来，那它的动量和位置就可以同时精确的测知，而这是违反测不准原理的。这种粒子在绝对零度时的振动（零点振动）所具有的能量就是零点能。狄拉克从量子场论对真空态进行了生动的描述，把真空比喻为起伏不定的能量之海。J. Wheeler估算出真空的能量密度可高达1095 g/cm^3。
　　1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔提出了一项检测这种能量存在的方案。从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。在正常情况下。真空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。接着，金属盘外的其他波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强。1996 年，物理学家首次对这种所谓的卡西米尔效应进行了测定。华盛顿大学Lamoreaux在他的学生Dev Sen协助下，对卡西米尔效应进行了精确的测量，该测量结果与卡西米尔对这一特殊板间距及几何构形所预测的力相差不超过5%。Lamoreaux在他的实验中，采用镀金石英表面作为他的金属板。另外一块板固定在一个灵敏扭摆的端部。如果该板向着另外一块板移动，则摆就会发生扭转。一台激光器可以以0.01微米的精度测量扭摆的扭转。向一组压电组件施加的一股电流使卡西米尔板移动；而另一电子反馈系统则抵消这一移动，使扭摆保持静止。零点能效应就表现为保持摆的位置所需的电流量的变化。Mohideen等人在加州理工学院作的实验中，在0.1到0.9μm的范围内，用原子力显微镜对卡西米尔力进行的测量结果，与理论值相差不到1%。
[编辑本段]应用前景
　　如果零点能可以提取，无疑将是人类所能够利用的最佳能源了。它是洁净，廉价的能源，是大自然给予人类的“免费的午餐”。宇宙中所有的物质都来源于零点电磁涨落能，我们身上的每一个物质粒子不停地与真空零点能发生能量交换，也就是，没有任何一个物理体系称得上是孤立体系的。根据物理真空的性质，我们可以从空间任何一点提取零点能，并转换成我们所需要的能量形式。原子中电子绕核转；太阳系中，行星绕太阳转，几十亿年永不停息；超导和超流现象，这些都是大自然给我们的关于能源的启示。
　　1989年3月，弗雷希曼和庞斯在美国宣布他们用钯电极在常温下电解重水，观察到了异常的热量输出和少量的中子。该现象一经公布就在全世界范围内引起了一场轩然大波。由于当时的实验用的是重水又是在常温下，人们就把这种现象称之为“冷核聚变”。
　　传统核物理理论认为，只有在非常高的温度和压强下，克服库仑势垒才能发生氘核聚变，像常温常电压下的电解过程是不可能发生核反应的。而且若认为过热是由核反应引起的，就应该观察到大量的中子和γ射线，而实验中却未观察到。加之，一些实验室也声称重复实验中未能观察到弗雷希曼和庞斯所宣布的现象。人们开始怀疑是不是实验中出现了人为的偏差，“ 冷核聚变”研究渐渐地进入低潮。
　　十几年来对真理执著追求的科技工作者没有放弃这项研究。进一步的研究发现：即使用普通的碳电极在轻水以及辉光放电等其他装置中也能观察到“冷核聚变”现象。国际权威刊物《科学》杂志于1998年6月载文称：对冷核聚变不怀疑下列事实，多数装置产生异常能量输出，有些已投入市场，有些已取得专利。美国核科学协会已于1998年将电化学低能核反应列入了年会的正式讨论内容。由于“冷核聚变”与人类的能源问题密切相关，日本、意大利、法国等资源匮乏的国家已投巨资资助“冷核聚变”类型的研究。但是，目前困扰科学家们的问题是如何解释这些异常现象。
　　由于当初的实验用的是重水和钯电极，这很容易给人以错觉，认为这种电化学异常现象就是核现象。因此大部分研究者都在寻求“冷核聚变”的核解释，但在理论上遇到了强大的阻力，进展甚微。另一方面大多数的理论解释认为“冷核聚变” 是一种体效应，没有分析电极微观结构的作用。北京航空航天大学的江兴流教授基于实验结果，以电极的尖端效应为突破口，分析了电化学异常现象。江兴流科研组在电解实验中，观察到在电极附近有高度定向的核反应，以及过热、核嬗变、滞后效应（HeatafterDeath）。经过不断的探索总结出：气体放电、真空击穿及液体中的放电（电解）现象，有着共同的物理规律：由于电解过程中电极表面尖端效应产生的聚能过程，在电极表面局部产生气泡和涡旋运动，气泡的产生和坍塌过程将发生动态卡西米尔效应而提取零点能并以热能的方式释放出来；同时涡旋运动与零点能形成挠场相干而提取零点能，一方面释放热能，另一方面形成类星体涡旋结构，在涡旋中心产生高能射线、中子和高能粒子，并伴有高度定向的核反应。可见电极表面尖端处形成远离平衡态的非线性体系，满足一定的条件就会形成自组织的正反馈涡旋，通过挠场机制提取零点能。从而可以看出“冷核聚变”中的“过热”，在考虑零点能的提取后不应再被视为过热，因为此时它并不违反能量守恒定律。而且，既然“冷核聚变”过程中主要发生的不是核反应，冷核聚变这个词就已经不再适用了，它仅仅是一个代名词。
　　江兴流教授认为关于“冷核聚变”研究应该将注意力转移到提取零点能和挠场机制上面来。零点能即物理真空能，它是不确定性原理所要求的最小能量。真空能是开放非线性系统的混沌表现，来源于四维空间的电磁流的三维表现，它可扭曲我们的三维空间，从而改变时空度规。慧勒计算零点能的密度为1095g／cm3，也就是说它是一个无比巨大的能源。由真空零点能而带来的可以直接从实验观测的物理结果是卡西米尔效应。挠场理论最初源于爱因斯坦———康顿理论，在广义相对论中，若要考虑物质自旋的作用，需引入非对称的联络，即挠率不为零的情况就会导出挠场的存在，挠场的能量来源是零点能。众所周知，基本粒子的“电荷”对应于电磁场，“质量”对应于引力场，那也应有对应于“自旋”的挠场存在。挠场有许多独特的性质：它只改变物质的自旋性质；类似于引力场的高穿透性；滞后效应；轴向加速效应。用挠场机制我们就可解释电化学异常现象中的过热、核嬗变、滞后放热等效应。
　　研究“冷核聚变”的意义已经不限于其本身，它使我们意识到一个新的巨大的能源———真空能的存在。我们可以通过高能粒子的对撞激发真空，也可以通过电化学、涡旋等过程激发真空而提取零点能。而且后面所属的过程并不十分复杂，这一点可以通过美国的许多效率大于一的专利看出。这就是说大规模提取零点能具有很大的可行性。
　　然而一项创新的实现，总是要受到来自各方面的阻力，一方面我们在这个领域的理论和实验研究还不够成熟；另一方面由于真空能这种新能源的广泛应用必然引起世界能源结构的巨大变革，对世界经济格局乃至政治格局都将产生深重影响，传统势力会从学术和经济两方面阻挠新能源研究的发展。
　　新能源———真空能的大规模利用为人类描绘了一个美好的未来：由于零点能十分巨大，加上它的利用过程高效且清洁无污染，它的大规模利用将解决目前世界所面临的能源短缺、环境污染、干旱、温室效应等生态环境问题。
　　不难看出，新能源———真空能的利用是一项具有巨大战略意义的创新工程。而我国目前在这个领域的研究才刚刚起步，社会各方面应给与足够的关注和支持，国家应不失时机地从系统工程的高度加强这方面的领导工作，以期在国家综合实力竞争中处于优势地位。

monday

前沿啊

chenful

好东西

通流

不会有人真信那东西吧？

uesoft

这应该是前沿科技。既然有那么高的能量密度，用在飞机上应该是蛮好的，美国飞机多的不得了，中国又在造大飞机，我看石油是烧不了多少年了，到时候也许可以用这个技术来驱动飞机或舰船。地面上就不用了，地面上太阳能发电便宜的多。

yy863973

学发动机，没有了油烧，以后就得想别的办法了，不过这个是真的吗？

通流

要是真的，油价还会那么贵？

uesoft

我是不太懂这个原理。是不是就是受控核聚变啊？受控核裂变已经用在核动力潜艇上了，受控核聚变用在航母上应该也可以，用在飞机上就不清楚了，关键是飞得起来波，装置重量如何？

通流

受控核聚变
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快50年了，还不能产生能量那。不是有个国际合作项目吗？太贵了，一个国家已经搞不起了。

onesupeng

我觉得这个属于概念性的东西，需要有人去搞，但是离证实存在，可用，应用都很遥远。因此我持保留态度，我不信，但也不反对人花点时间搞一搞

通流

要满足整个人类未来的能源需求，聚变是唯一希望。
那些可再生能源，只是一些花里胡哨的打扮，不会真正起作用。所以，就是再难再贵也要做。否则，怎么会有个世界性的合作项目。很多钱哪。

cxbmlt

这东西确实是存在的。我在2005年的时候才知道，后来一直在观察这方面的东西 同时自己也在做相应的动力技术研究，不过只限于动力，不知道怎么从里边提取能量。我做的提取实验有些现象但是好像输入输出能量是大致相等的不清楚怎么回事 也许我没找对方法。动力方面基本上很顺利没什么大的问题

通流

这世界怎么了？连提出暗物质的人（芝加哥大学的）都不知道那是不是真的。我们这批搞流体的倒是都知道。

高歌就是管不住他的嘴。否则的话，凭他的沙丘驻涡火焰稳定器，早就成了科学院院士了。