民企自研爆震發動機，高超音速民用還遠嗎？

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導語：3月21日重慶推動比動力科技有限公司與空天飛行技術研究中心成功進行了 1000N 煤油燃料連續旋轉爆震發動機點火試車實驗。一說起中國的高端制造業，無論是戰斗機，還是民航客機，發動機總是一個繞不過去的門檻，更別說是引起各航空強國極大興趣的旋轉爆震發動機。這是民營企業在發動機制造領域的一項大成就。那旋轉爆震發動機到底是什么原理？如果爆震發動機在民用航空領域的應用，會帶來什么樣的改變？

1000N 連續旋轉爆震發動機，圖源“西部重慶科學城”公眾號

一、 我國旋轉爆震研究與世界同時起步、研究成果正向工程應用轉化

一說到發動機，人們總是用“現代工業皇冠上的明珠”目前大部分航空發動機都是屬于燃氣渦輪型，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。

我國旋轉爆震研究與世界同時起步，作為一種先進前沿的空天動力技術，涉及多個學科和復雜問題工程，具有很高的研制難度，現階段需要充分利用高校和研究院所優勢資源開展研究，中科院力學所、清華大學等均圍繞爆震發動機技術領域開展過不同程度的探索，并都取得突破，研究成果正向工程應用轉化。

去年8月。重慶推動比動力科技有限公司（簡稱“推重比引擎”）與空天飛行技術研究中心聯合研發的“H1-M連續旋轉爆震發動機”成功完成百米軌道滑跑試驗，發動機的設計推力為100N，如今只過去了 6 個多月，推重比引擎公司國內首臺 1000N 連續旋轉爆震發動機點火試車成功！

推重比H1連續旋轉爆震發動機試車

其實早在2019年3月，重慶推重比在重慶大學的幫助下，就完成了首臺多管并聯脈沖爆震發動機點火試車。

2020年12月11日，中科院力學所高溫氣體動力實驗室的姜宗林團隊在《航空學報》上發表文章。宣布已經在M9風洞里進行氫燃料的斜爆震發動機的成功測試，斜擊波在理論上可以達到Ma16以上。

2022年5月1日，清華大學航天航空學院王兵教授團隊研制的清航空天清航一號旋轉爆震沖壓發動機飛行試驗評審會圓滿召開，評審專家一致認為。清航一號旋轉爆震沖壓發動機圓滿完成預定科學實驗任務達到實驗目的。這是國際范圍內旋轉爆震沖壓發動機首次飛行試驗。

清華大學旋轉爆震發動機試驗臺

二、 相比渦扇發動機，爆震發動機是一個的理想解決方案

燃燒的形式可以分為爆燃和爆震。前者是通常意義上的燃燒，而后者在現實中最為常見的就是爆炸，其化學反應是通過爆震波來傳播的，爆震的傳播速度達到了千米每秒的量級，而爆燃的傳播速度僅為米每秒的量級。

“爆震發動機”是一種基于爆震燃燒的新型動力裝置，利用脈沖/連續旋轉爆震波產生的高溫、高壓燃氣來產生推力的新概念發動機。

而連續爆震發動機不僅可以搭配吸氣式發動機，也可以搭配火箭發動機，甚至可以實現變循環工作，則被世界各國認為是相當具有未來潛力的發動機。

旋轉爆震發動機示意圖

連續爆震發動機的基本原理是：將爆震波限定在燃燒室內，而燃燒產物則排出做功。爆震燃燒較為接近等容燃燒，相比于采用等壓燃燒，爆震發動機的熵增更小，擁有更高的熱效率。此外，連續爆震發動機對來流條件的要求非常低，從而可以大大簡化結構，減輕質量。

連續爆震發動機的剖面圖

目前，連續爆震發動機的燃燒室通常設計成環形，也有設計成圓筒形的，與航空發動機中常見的短環形燃燒室有相似之處，如上圖所示。當充分摻混的燃料和氧化劑進入燃燒室后，就會在爆震波的作用下燃燒。

爆震波在燃燒室內的傳播

爆震波在燃燒室內沿圓周方向傳播，不會離開燃燒室，因此，連續爆震發動機也稱作旋轉爆震發動機（RDE），爆震波的傳播方向始終與來流方向和排氣方向垂直，如上圖所示。圖中藍色的區域是未反應的燃料和氧化劑，黃色部分是已燃燒產物。在爆震波沿周向傳播時，已經反應的區域重新開始加注燃料。反應的產物從燃燒室的后部排出。

連續爆震發動機在一定程度上可以視作一種新型燃燒室，目前多將其應用于火箭、沖壓和渦噴發動機上。由于連續爆震發動機與現有的火箭發動機結構上有很大的相似之處，可以高效地將現有的火箭發動機技術移植到連續爆震發動機上，提高發動機的比沖和推力；

旋轉爆震發動機結構剖面圖

這種發動機可以與渦扇發動機結合，成為繼變循環發動機之后的下一代航空發動機，也稱為第七代航空發動機，又成為自增壓發動機，極有可能成為本世紀新型動力裝置。國防科技大學進行過將連續爆震發動機用于沖壓發動機的測試；此外，美國進行過將連續爆震發動機用于渦噴發動機的測試，均取得了一定程度上的成功。

三、連續爆震發動機在亞聲速客機的應用展望

人類有一個航空航天夢，總是想飛得更快、更高、更遠。在一百年前，有人試飛了80千米每小時的速度，那時候人們剛剛起步。之后我們可以以亞聲速，飛到800千米/小時；相比于軍用飛機和航天器，亞聲速民機對于經濟性、安全性和環保性更加重視。

采用連續爆震發動機，或者在保持現有的結構下采用連續爆震的方式，如下圖所示，可以大幅提升發動機的性能。因為連續爆震發動機有著自壓縮的特點，發動機可以在較低的增壓比下產生更大的有效功，減小了壓氣機的負載，相應地減少了壓氣機的級數，進而降低對渦輪做功能力的要求；同時，連續爆震還有更高的熱效率。一般來說，在機械設計中，越簡單的結構可靠性越高，在采用了連續爆震燃燒室后，燃燒室乃至整個核心機的結構可以簡化，提高了發動機的可靠性。

連續旋轉爆震發動機的應用

四、連續爆震發動機在未來超聲速客機的應用前景

現在的超聲速技術可以飛到2800 千米/小時。,波音787可以飛到0.8倍聲速；歷史上來看，法國和英國的Concorde客機也飛到了2倍的聲速。

假如我們用現在這樣的發動機飛超高聲速，即5倍以上的聲速，情況會是什么樣的呢？美國黑鳥噴氣/沖壓變循環發動機的飛行試驗發現，當飛行馬赫數達到3的時候，激波錐后的燃料不再與核心氣流混合，渦輪段不再能提供推力。

變循環發動機示意圖

高超聲速飛行帶來哪些學科問題和關鍵技術上的挑戰？飛行馬赫數越高，就意味著氣體總溫越高，動能越大。

馬赫數10時可以達到4500度，馬赫數25時可以達到11000度。這種高溫帶來了飛行器周邊氣體介質特性的改變，空氣就不再是空氣了，帶來一種“熱障”，相當于流星進入大氣層時狀態。看著是美麗的，但對我們飛行器的生存是殘酷的。

若采用連續爆震發動機為基礎研制變循環發動機來裝備超聲速客機或公務機的話，發動機可以在較大涵道比的渦扇發動機和沖壓發動機之間切換，分別適應亞聲速飛行和超聲速飛行的需求。

這種發動機通過來流沖壓降速到超聲速，不再降到亞聲速。這時候沖壓以后的氣體靜溫就會低一些。然后在超聲速條件下，人們實現燃料和氣體的超聲速混合。在燃料室控制進氣溫度達到自燃點，混合氣自己就燃燒了。我們再協調放熱和隨后的流動膨脹規律，再做發動機一體化設計。

結語：

旋轉爆震發動機是未來航空動力重要的發展方向，隨著爆震發動機的應用，未來10-20年計劃以5倍以上的聲速飛行，要飛8000 千米/小時。宇航技術推動了社會的發展，飛行速度改變了人類的生活模式。

從更高視角來看，它可以提高人們進入空間、探索空間、利用空間的能力，是航空航天領域的一個國際發展潮流。對我國來說，它可以強化航空航天工業和國家安全支柱，對于國民經濟發展，國家安全的保障具有重大意義。

參考資料：

[1] 王健平,張樹杰,姚松柏.連續爆震發動機的研究進展[J].宇航總體技術,2019.

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[8]秦亞欣，脈沖爆震發動機和旋轉爆震發動機發展研究

[9師迎晨，]高速飛行器的連續旋轉爆震推進技術