破壞力巨大的爆震波，引起了各航空強國的極大興趣——為發展更高級的航空動力系統，美、俄、法、日等國紛紛加大對旋轉爆震發動機的研究力度。

那么，威力可觀的爆震波，是如何被應用到航空動力領域的？各國對旋轉爆震發動機的研發進入到了哪一階段？

來源：美國國家能源實驗室網站

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航空發動機，尤其是渦輪發動機，是人類近現代工業化的標志性產品。

民用航空渦輪發動機使洲際旅行成為可能，拉近了世界各地的距離，讓地球成為了地球村。軍用航空渦輪發動機讓戰斗機突破了聲障，隨后達到了馬赫數2、馬赫數3的飛行速度，使制空權成為兵家必爭領域，深刻變革了現代戰爭的形態。而且，美英等國非核動力主戰艦艇的動力系統也脫胎于航空渦輪發動機。

可以說，哪國擁有了性能先進、穩定可靠的航空渦輪發動機，就擁有了可以屹立世界民族之林的重要資本。

航空渦輪發動機的研制難度巨大，基本上只有美中俄英法等世界“五常”才擁有完整的航空渦輪發動機研發能力。這種工業產品有大量旋轉部件、氣路、油路、控制電路，并運行在高溫、高壓和高轉速環境中。

其工作過程為“布雷頓熱力循環”：首先，由壓氣機壓縮來流空氣（民用航空發動機最大增壓比達到60左右），高壓空氣隨后在燃燒室中與燃油混合，進行定壓燃燒（燃燒過程中壓力基本不變）。然后，高溫高壓燃氣膨脹，推動渦輪做功（軍用航空發動機渦輪前溫度達到1850K左右），帶動壓氣機旋轉。

由于結構非常復雜、研發難度大，航空渦輪發動機被譽為“現代工業皇冠上的明珠”，代表了當今世界工業化的最高水平，也是工業產品復雜美的代表作。目前，航空渦輪發動機技術已相對成熟，美軍甚至正在研發更加復雜更加高效的自適應變循環渦輪發動機，配裝未來的六代機。

但是，在某種程度上，越復雜越脆弱——某一個小部件出現問題可能會導致整臺發動機報廢（發動機故障是世界軍民領域空難的主要原因），而且如果想要獲得更高的熱效率，進一步提高發動機性能，就必須跳出“布雷頓循環”。

民用客機配裝的結構復雜的大涵道比渦扇發動機。（美國通用電氣公司圖片）

F-22戰斗機配裝的F-119小涵道比軍用渦扇發動機。（美國普惠公司圖片）

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自然界存在兩種形式的燃燒波：緩燃波和爆震波。

我們平時使用的燃氣灶、蠟燭、汽車發動機、甚至航空航天各類內燃動力系統全部屬于緩燃波。緩燃波的傳播速度較低，通常只有幾米至幾十米每秒，且近似認為是等壓過程，即燃燒過程壓力不變。

與之相反，爆震波在傳播過程中實現了激波和燃燒波的耦合，速度非常快，通常可達到上千米每秒，且波后壓力、密度都有很大提高，其顯著特點是能增壓、傳播速度快且接近于等容燃燒。

激波：氣體、液體和固體介質中應力（或壓強）、密度和溫度在波陣面上發生突躍變化的壓縮波，又稱沖擊波。在超聲速流動、爆炸等過程中都會出現激波。（美國國家航空航天局圖片）

爆震燃燒的破壞力極大，它越是在密閉的燃燒環境中越容易形成（因為燃燒過程中多道壓縮波可以逐漸疊加，最終形成激波）。加油站標注的92、95等汽油牌號就代表了抗爆性水平，牌號越高，越不容易形成爆震波，汽車發動機就越難發生爆缸事故。

同時，由工程熱物理等知識可知，等容燃燒的熱循環效率大大高于等壓燃燒的效率，所以如果能馴服爆震燃燒強大的破壞力，進而應用于航空動力系統中，可大幅提高航空發動機的性能。

隨著近些年人們對旋轉爆震機理、技術和工程化方面研究的愈加深入，旋轉爆震發動機（RDE）已經成為未來航空動力領域最具潛力的變革者之一。

旋轉爆震發動機使用接近于等容燃燒的爆震循環，燃燒時壓力大幅提升，能量釋放極快，產生功率大。美國空軍研究實驗室（AFRL）的科學家認為，旋轉爆震發動機相比現役渦輪發動機熱效率理論上可提高15%。

旋轉爆震發動機的典型結構如圖下所示：

典型的旋轉爆震發動機結構及其工作原理。

其通常采用一端封閉，另一端開口的環腔形燃燒室，燃料和氧化劑由在封閉端上均布的很多微型噴嘴沿軸線方向注入；

點火后形成的一個或多個爆震波，在燃燒室底部沿與燃料注入相垂直的方向連續周向旋轉傳播（而不是燃燒室旋轉），等效頻率（1秒鐘旋轉的圈數）大約為1-50kHz；

當爆震波傳至某噴嘴時，由于爆震形成的高壓大于注入壓力，該噴嘴停止工作；

爆震波傳過后，壓力降低，允許該噴嘴繼續注入燃料和氧化劑，進一步支持爆震波的旋轉傳播，這樣燃料和氧化劑的注入便可由爆震波自動控制；

高溫高壓燃燒產物形成后迅速向后膨脹，從開口端高速排出，產生推力。

旋轉爆震發動機有多種工作模態，如火箭式由飛行平臺自帶氧化劑，吸氣式的氧化劑則來自于大氣中的氧氣。由于爆震波能實現自增壓（增壓比13-55），因此旋轉爆震發動機可省去復雜的壓氣機和渦輪等旋轉部件，極大簡化了發動機結構。

就像愛因斯坦著名的公式E=mc2，越是接近終極真理的表達式就越簡潔。從這個角度來說，越簡潔越高級，旋轉爆震發動機代表著“現代工業皇冠上明珠”的簡潔程度。

除單獨使用外，按旋轉爆震發動機特點與應用需求還可分別與火箭發動機、渦扇發動機和沖壓發動機等構成組合循環發動機，全面擴展發動機的工作范圍，實現寬速域的高超聲速飛行。因此，為發展更高級的航空動力系統，旋轉爆震發動機引起了各航空強國的極大興趣。

旋轉爆震發動機結構簡潔，已不見復雜的旋轉部件。（美國航空周刊網站圖片）

旋轉爆震研究的歷史最早可追溯至1960年代，蘇聯拉夫連季耶夫流體力學研究所的科學家（Voitsckhovsky），首先在圓盤形試驗裝置上實現了預混乙炔/氧氣的旋轉爆震，但由于機理認知、試驗能力等多方面原因，直到21世紀第二個十年，人們才開始大量研究旋轉爆震動力系統。目前，美國、俄羅斯、法國、日本和中國等都正在對這種類型的發動機開展試驗研究。

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近些年，美國在旋轉爆震發動機上的投入較多。

進入21世紀，空軍研究實驗室（AFRL）、海軍研究實驗室（NRL）、航空噴氣?洛克達因（Aerojet Rocketdyne）公司、密歇根大學等研究機構都相繼開展了旋轉爆震發動機的理論、試驗以及工程應用研究。迄今，美國已經完成了旋轉爆震機理驗證、點火試驗、旋轉爆震代替航空渦輪發動機主燃燒室等多項關鍵技術驗證。

*機理和技術研究

2012年11月，美國海軍研究辦公室表示正在研究旋轉爆震發動機的復雜物理原理，并打算安裝到艦用燃氣輪機上。

2014-2015年，AFRL和空軍科學研究辦公室面向火箭式旋轉爆震發動機的噴射器設計，授予多所大學研究合同。

2017年，NRL研究了吸氣式旋轉爆震發動機進氣道和燃燒室的相互作用。美國海軍研究生院研究了吸氣式旋轉爆震發動機進氣道特性對發動機性能的影響，并進行了熱態試驗，開展了爆震區域成像、光學診斷并與NRL合作進行了計算。

2018年，AFRL和中佛羅里達大學應用了激光吸收光譜技術，分析了旋轉爆震發動機燃燒產物的組分、溫度和流速；密歇根大學研究人員在4-5月完成一系列試驗，使用了一種可進行光學觀察的旋轉爆震發動機，研究了反應物注入和爆震波之間的動態耦合，并在此基礎上得到了詳細的仿真結果。

2019年，密歇根大學的研究人員識別和量化了影響旋轉爆震發動機爆震波的寄生和共生二次燃燒區，并確認了二次波的存在。二次燃燒和二次波耦合在一起，最終改變了主爆震波的穩定性和結構。

2020年，航空噴氣?洛克達因公司在政府和內部經費支持下，研發了吸氣式旋轉爆震發動機分析工具和熱端部件，驗證在使用先進燃料時大范圍飛行條件下的可用性。阿拉巴馬大學優化了100千赫茲粒子成像速度儀，測量了旋轉爆震發動機尾噴口高度周期性的亞聲速-超聲速流場。加州大學洛杉磯分校研究了高速、兆赫茲、光學診斷方法，使用可調的中波段紅外激光器現場測量環形火箭式旋轉爆震發動機流場的壓力、溫度和組分，并可預判波速和推力。

*演示驗證

2017年2月，AFRL用旋轉爆震燃燒室替換了T63渦軸發動機的燃燒室，結果顯示該燃燒室的氮氧化物排放量低且燃燒效率高，很具應用前景。4月，AFRL進行了吸氣式旋轉爆震發動機的熱穩定運行試驗，該旋轉爆震發動機的外殼體采用了陶瓷基復合材料。

2019年6月，AFRL和創新科學解決方案公司開展了一型旋轉爆震發動機的地面演示驗證。證明了這型發動機有足夠推力驅動一架long-EZ飛機進行起飛和巡航，并且聲學測量結果表明其對地面擁有安全的噪聲等級。

LONG-EZ飛機。(英國航展公司圖片www.air-shows.org.uk)

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進入21世紀第二個10年，美軍似乎在旋轉爆震發動機實用化方面突然取得了重大突破——開始把旋轉爆震發動機與巡航導彈相結合（相比飛機，巡航導彈對發動機的流量、推力、壽命等都要求較低），國防部、各軍種授出了大量研究合同進行概念方案或工程化研究。

2020年，美國防部國防高級研究計劃局（簡稱DARPA，“神盾局”在現實中的原型機構，曾研發出互聯網、隱身戰機等劃時代產品）授予雷神公司100萬美元研究以旋轉爆震發動機為動力的巡航導彈概念。

同年3月，AFRL“經濟可承受任務先進渦輪技術”（ATTAM）倡議主管托馬斯表示（ATTAM倡議的前前任和前任分別是“綜合高性能渦輪發動機技術”（IHPTET）倡議和“通用經濟可承受的渦輪發動機”（VAATE）倡議。

IHPTET倡議主要研究出了壓比10的軍用發動機技術，孕育出了F-22A戰斗機配裝的F119發動機，而VAATE倡議的標志性技術為自適應變循環發動機技術，即將孕育出配裝美軍六代機的自適應變循環發動機），旋轉爆震發動機“絕對擁有最高優先級”，這種發動機可成為高速巡航導彈的動力或成為更大型高超聲速飛行器組合循環推進系統的一部分。

緊跟著，AFRL在ATTAM倡議的第一階段授予了3項旋轉爆震發動機的關鍵研發合同，總價值5.2億美元，其中授予通用電氣公司和普惠公司各2.5億美元，發展、驗證和轉化關鍵技術；授予航空噴氣洛克達因公司2000萬美元合同。盡管透露的合同細節不多，但這三家公司預計都將在2026年9月前完成開發和試驗。

同時，在過去3年中，AFRL還有其他幾個旋轉爆震發動機開發項目：

*隱身戰斗機彈艙內攜帶、速度高達馬赫數3、配裝液體燃料旋轉爆震沖壓發動機的空地導彈項目；

*采用固體燃料旋轉爆震發動機的空空導彈項目；

*可替代渦輪發動機加力燃燒室的旋轉爆震燃燒室項目；

*自由射流測試項目。

2022年初，普惠公司獲得了AFRL一份旋轉爆震發動機地面演示驗證項目合同，項目將與雷神導彈與防務公司、雷神技術研究中心共同執行。普惠公司新獲得的合同可能屬于前期2.5億美元合同的一部分。盡管技術細節未公開，但從側面證明美國正在大力發展配裝旋轉爆震發動機的巡航導彈技術，且進展較為順利。

巡航導彈配裝旋轉爆震發動機概念圖。（美國航空周刊網站圖片）

4 月 21 日，美國海軍空戰中心武器部測試了一種由旋轉爆震發動機提供動力的新型戰術導彈，表明這種動力系統在從概念轉化為實用方面取得了重大進展。這款新型導彈的細節是1月在AIAA 技術會議期間披露的。但這種武器保密程度很高，其他細節未知。

美國空軍和海軍對旋轉爆震發動機的投資也得到了國防部部長辦公室研究與工程部門的支持。該部門組織的“聯合增強彈藥技術”計劃對兩款吸氣式旋轉爆震發動機原型機進行了測試。

8月12日，DARPA表示即將啟動“開局”（Gambit）旋轉爆震發動機技術項目，旨在利用吸氣式旋轉爆震發動機在尺寸和燃料效率等方面的優勢，為第四代戰斗機提供遠程打擊導彈，對時敏目標進行防區外打擊。

該項目將為期42個月，DARPA表示，吸氣式旋轉爆震發動機比傳統沖壓發動機的初始啟動速度更低，且結構緊湊并更具可操作性。這種發動機燃燒室更緊湊的尺寸可以讓導彈攜帶更多的燃料，而較低的發動機啟動速度使導彈不需要那么多助推火箭推進劑。這使配裝吸氣式旋轉爆震發動機的機載武器比傳統沖壓發動機具有更大的射程，可以在防區外充分發揮作用。

DARPA計劃選擇兩家公司研究吸氣式旋轉爆震發動機動力導彈的概念和初步設計，并在18個月內測試燃燒室和進氣道。其中一家公司將被選中完成關鍵設計評審，制造驗證彈和開展試驗測試。

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*俄羅斯

2014年，俄羅斯先期研究基金會在俄羅斯動力機械科研生產聯合體基礎所建立了液體爆震發動機專業試驗室。

2016年8月，該基金會成功完成了首型新一代液體燃料旋轉爆震發動機的測試，推進劑為氧氣和煤油。試驗共進行了33次，爆震波旋轉頻率達到約20kHz，實現了連續爆震并產生穩定推力。俄羅斯科學院新西伯利亞拉夫連季耶夫流體動力學研究所以及莫斯科航空學院共同完成了上述工作。

2017年，俄羅斯科學院新西伯利亞拉夫連季耶夫流體動力學研究所設計了擁有旋轉爆震燃燒室的液氧煤油火箭發動機，并開展了長時間的運行試驗。該發動機長1.05米，直徑0.31米，在馬赫數4-8的風洞試驗環境中取得了3600秒的高比沖。

*法國

2010年，法國MBDA公司設計了小尺寸演示驗證旋轉爆震發動機，其環形燃燒室內外徑分別為80毫米和100毫米，燃燒室長90毫米，沒有冷卻系統，反應物為氫氣/甲烷，燃料和氧化劑通過570個噴嘴注入燃燒室，最大注入壓力8兆帕。

研究人員使用電爆絲點燃反應物，點火壓力10焦耳。受承熱能力影響，該旋轉爆震發動機最長工作時間為5秒，地面最大推力54.7牛。經過換算，在真空環境下其最大推力為338.5牛，比沖310秒。

該試驗完成后，MBDA公司又設計了一個更大的演示驗證旋轉爆震發動機，并使用主動冷卻裝置，環形燃燒室內外徑分別為280毫米和350毫米，并且安裝了噴管。

2018年，法國賽峰集團、歐洲導彈集團和pprime研究所共同研究了旋轉爆震發動機的爆震特性。

*日本

日本擁有大量的旋轉爆震發動機研究項目。2017年8月，名古屋和慶應義塾大學聯合團隊、日本航宇開發局和室蘭技術研究院開展了乙烯/氧氣旋轉爆震發動機試驗，在近真空環境中可以獲得330秒比沖和895牛的高推力，燃燒效率超過95%。

*中國

我國旋轉爆震發動機技術研究也取得了重要進展，西北工業大學、清華大學、北京大學等均圍繞該技術領域開展過不同程度的探索。

國內學者研究RDE火花塞點火起始過程的高速相機圖像。（趙明皓，王可，王致程，等．點火方式對空桶型旋轉爆震燃燒室起爆特性的影響［Ｊ］．航空學報，2022，43（１）：124870）

由于旋轉爆震發動機具有熱效率高、結構簡單、重量輕、單位燃油消耗率低等潛在優點，在軍民用領域應用前景廣闊。其中，根據技術發展的成熟度，旋轉爆震發動機的應用可劃分三個階段：

A.近期，可作為機載武器、無人機、靶機、誘餌機、靶彈的動力系統；

B.中期，可作為高超聲速隱身偵察機以及空間作戰平臺的變軌發動機、姿控發動機等；

C.遠期，可作為飛機、單級和多級入軌飛行器的組合動力系統。

如果以上設想變為現實，科研機構還需要進一步研究液態碳氫燃料的高效霧化與摻混、熱管理、進氣道設計、系統集成等關鍵技術。我們需要更加深刻地認識旋轉爆震的燃燒機理，并通過工程化手段把旋轉爆震發動機應用于型號實踐中，將對航空動力領域產生變革性影響。

如果我國能夠抓住機會深耕旋轉爆震領域，有機會迅速縮短與世界航空動力強國的差距，甚至有可能如在汽車行業的“新能源”彎道超車一般躋身世界航空動力的第一梯隊。