爆震發(fā)動機中的爆震波傳播速度極快，其燃燒過程可近似為等容燃燒，具有很高的熱循環(huán)效率和比沖，同時具有工作范圍寬、單位燃料消耗率低、結構簡單等優(yōu)點，被看作是21世紀新型航空航天飛行器的動力裝置。

爆震發(fā)動機是一種基于熱循環(huán)效率遠高于常規(guī)等壓燃燒的超聲速爆震燃燒的發(fā)動機，爆震燃燒過程具有很高的燃燒速度和反應物轉(zhuǎn)換速率，可近似為等容燃燒過程。

在航空航天領域，目前采用爆震燃燒方式的發(fā)動機有脈沖爆震發(fā)動機（PDE）、旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機（RDE）和斜爆震發(fā)動機（ODE）。國際上曾經(jīng)興起過ODE的研究熱潮，但迄今還沒有能長時間穩(wěn)定運行的試驗案例，也沒有可靠性高的發(fā)動機樣機，本文不對斜爆震發(fā)動機進行研究。

脈沖爆震發(fā)動機

PDE是一種利用脈沖式爆震波產(chǎn)生周期性沖量的非定常推進系統(tǒng)，具有以下潛在優(yōu)點：熱循環(huán)效率高、結構簡單、質(zhì)量輕、推重比大、比沖大、單位燃料消耗率低、工作范圍寬等。它不僅可以作為獨立的推進裝置，也可以與渦噴或渦扇發(fā)動機組合，為亞聲速或超聲速飛行的飛行器提供動力，當PDE工作頻率在100Hz以上時，可近似認為工作過程是連續(xù)的，這種組合發(fā)動機的推力、耗油率和推重比都比帶加力燃燒室的渦扇發(fā)動機改善一倍。

根據(jù)側(cè)重點的不同，PDE有不同的分類方式：按爆震管數(shù)目可分為單管、多管PDE；按燃料形式可分為氣相、液相燃料PDE；按氧化劑的來源可分為自吸氣式、火箭式PDE。當前通常將其分為純PDE、組合循環(huán)PDE和混合PDE三大類。純PDE主要由爆震室、進氣道、尾噴管組成；混合PDE是由PDE與渦噴或渦扇發(fā)動機相結合，例如，在外涵道或加力段使用PDE，如圖1所示；組合循環(huán)PDE是由PDE與沖壓發(fā)動機、超燃沖壓發(fā)動機、火箭發(fā)動機等動力裝置組合而成，在不同速度范圍內(nèi)，運行不同的工作循環(huán)。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機

進入21世紀后， RDE逐漸受到更多的關注，近些年成為了爆震發(fā)動機研究的熱點之一。

RDE通常采用環(huán)形燃燒室，推進劑從燃燒室的封閉端噴入，產(chǎn)生一個或多個爆震波在燃燒室頭部旋轉(zhuǎn)傳播，燃燒產(chǎn)物從另一端高速排出，從而產(chǎn)生推力，如圖2所示。與PDE相比，理論上RDE只需要一次起爆就可以連續(xù)燃燒，避免了高頻率重復起爆的問題。RDE的工作頻率定義與PDE也有所不同，RDE的工作頻率一般表述為振蕩頻率，近似來看是1s內(nèi)經(jīng)過爆震室某一點處的波頭數(shù)量，而PDE工作頻率是爆震循環(huán)的頻率。RDE 可以在火箭基和沖壓兩種模態(tài)下工作。

發(fā)展動向與現(xiàn)狀

脈沖爆震發(fā)動機

鑒于PDE良好的性能和重要的軍事應用前景，一些有實力的國家在PDE的研究方面投入了大量的人力、物力和財力，取得了許多成果。

美國國家航空航天局（NASA）將PDE列為革命性概念加以大力發(fā)展，美國國防預先研究計劃局（DARPA）、空軍、海軍也都制訂了相應計劃支持各研究機構和公司開展PDE研究。美國海軍研究局（ONR）與眾多大學開展了PDE的多學科研究創(chuàng)新計劃（MURI）。

2003年，普惠公司與波音公司聯(lián)合研制了全尺寸、飛行進氣條件下的五管PDE驗證樣機ITR-2，如圖3和圖4所示。該樣機完成了模擬飛行馬赫數(shù)（Ma） 2.5、飛行高度12192m條件下的地面試驗，實現(xiàn)了單管工作頻率80Hz穩(wěn)定工作，產(chǎn)生推力約6700N，最小單位燃料消耗率僅為0.08kg/（N·h）。此外，普惠公司的研究還表明，采用碳氫燃料時，純PDE的最大飛行速度可達Ma4，若采用氫燃料，飛行速度還能提高。

2008年1月31日，由美國空軍研究實驗室（AFRL）領導研究的PDE在莫哈維機場進行了首次試飛驗證，由經(jīng)過改裝的代號為“Long E-Z”的小型飛機采用傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動機進行起飛與降落，飛行期間切換四管PDE工作了10s，飛行高度約為30m，產(chǎn)生高于 890N的推力，如圖5所示。這次飛行試驗對PDE工程化研究具有劃時代的意義，證明了PDE作為動力裝置的潛力。

2010年得克薩斯大學阿靈頓分校設計制造了一種大尺寸單管旋轉(zhuǎn)閥的脈沖爆震發(fā)動機，爆震管直徑為10cm，采用預蒸發(fā)的煤油做燃料，空氣做氧化劑，并進行了地面驗證試驗。初次的循環(huán)試驗獲得了大約980N的峰值推力，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?288～1530m/s，達到了亞C-J爆震波速。

日本筑波大學和名古屋大學在脈沖爆震火箭發(fā)動機（PDRE）方面做了大量系統(tǒng)性的研究工作。從最初關于PDRE填充效應的數(shù)值研究到旋轉(zhuǎn)閥式單管PDRE的工作機理分析與試驗驗證，并進行了四管旋轉(zhuǎn)閥式PDRE的發(fā)射飛行試驗，起飛質(zhì)量32.5kg，平均推力254N，比沖133s，滯空時間接近1.2s，如圖6所示。

2013年，俄羅斯留里卡設計局設計制造了一種兩級PDE樣機并進行了長達10min的試驗，如圖7所示，該發(fā)動機采用煤油空氣混合物作為燃料，結果表明，發(fā)動機的平均推力超過980N，比推力和燃油效率比常規(guī)的噴氣發(fā)動機提高了30%～50%，2017年該發(fā)動機已完成噴氣狀態(tài)和沖壓狀態(tài)的試驗。

由此看出，美國等先進國家已結合實際應用需求開展大量試驗研究和樣機試制，目前已基本完成了原理性試驗，進入了演示驗證階段，并取得了階段性成果，但推力水平仍未達到預期，距離研制基于PDE的經(jīng)濟實用飛行器還需要解決大量技術難題。除此之外，法國、加拿大、以色列、瑞典等國家也開展了PDE的相關研究。

國內(nèi)相關研究機構在PDE的研究方面緊跟國際前沿，取得了大量的成果。我國PDE技術的研究單位主要是西北工業(yè)大學、空軍工程大學、南京航空航天大學、航天科工31所、中科院力學所、南京理工大學等。西北工業(yè)大學于2002年率先完成了兩相脈沖爆震燃燒原理性試驗，而后突破了高頻工作關鍵技術，最高單管兩相爆震頻率高達140Hz，采用氣態(tài)燃料時單管最高頻率已達200Hz；進行了由渦輪增壓器和脈沖爆震燃燒室組成的混合式PDE以及六管并聯(lián)PDE研究；研究了起爆方式、進氣方式、尾噴管形式、引射器等對性能的影響，突破了諸多關鍵技術并掌握了相關設計方法和對性能的影響規(guī)律。基于多年積累，西北工業(yè)大學研制了國內(nèi)首臺PDRE地面演示驗證樣機，并成功進行了多次地面滑跑試驗，如圖8所示。

南京航空航天大學主要側(cè)重于脈沖爆震燃燒技術的工程化應用研究，研究內(nèi)容具有很強的實用性和針對性。他們在脈沖供油、供氣、點火、單級起爆、兩相爆震燃燒、縮短爆燃向爆震轉(zhuǎn)變距離等關鍵技術的研究中取得了顯著進展，并完成了帶旋轉(zhuǎn)閥的三管PDE基礎原理樣機研制；還進行了氣動閥式PDE原理樣機研究，在常溫常壓條件下以汽油為燃料、空氣為氧化劑的試驗條件下產(chǎn)生了充分發(fā)展的脈沖爆震波，獲得1300N的最大推力。此外，南京航空航天大學還在高頻、高能、多頭、可控小型點火器，自適應供油控制系統(tǒng)，高頻電磁閥供油控制系統(tǒng)等PDE附件方面也進行了研究并取得了初步成果。

中國航天科工集團第三研究院31所以彈用PDE為背景，設計了六管并聯(lián)共用進氣裝置PDE地面試驗原型機，如圖9所示，實現(xiàn)了在總頻率60Hz下的穩(wěn)定工作。試驗表明，在亞聲速半自由射流條件下，系統(tǒng)能夠以設定的頻率間歇穩(wěn)定工作，并產(chǎn)生450N的正向推力。

北京航空航天大學、南京理工大學、中科院力學所、空軍工程大學等多個科研院所也開展了脈沖爆震燃燒技術基礎研究，并取得了一定的研究成果。

總的來看，我國PDE技術的發(fā)展仍處于原理研究和樣機試制階段，技術發(fā)展水平與國外相比還存在不少的差距。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機

在DARPA和NASA的支持下，以美國空軍實驗室、海軍實驗室、普惠公司、洛克達因公司、密歇根大學、辛辛那提大學、俄亥俄州立大學、得克薩斯大學阿靈頓分校、波音公司等為代表，開展了偏工程應用的旋轉(zhuǎn)爆震數(shù)值模擬和試驗研究，已經(jīng)開始采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室替代主燃燒室的測試。各高校還圍繞著機理問題開展理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究，主要包括燃料噴注與混合、爆震波起爆、燃燒室內(nèi)爆震波模態(tài)、爆震波自持傳播機理、燃燒室內(nèi)壓力對上游的影響等。由于總體路線清晰、試驗設備先進，測量方式多樣，學校和工程單位分工明確、合作充分，美國在旋轉(zhuǎn)爆震機理研究和工程化應用方面屬世界領先。

2016年7—9月，俄羅斯先期研究基金會對液氧-煤油RDE樣機進行了33次點火試驗，實現(xiàn)連續(xù)爆震，產(chǎn)生穩(wěn)定推力。據(jù)俄羅斯衛(wèi)星網(wǎng)、俄新社等多家媒體報道，俄羅斯戰(zhàn)略導彈部隊于2016年10月25日在俄奧倫堡州成功試射了Yu-71高超聲速飛行器，該飛行器最終抵達位于俄遠東勘察加半島的庫拉靶場，實現(xiàn)了高超聲速飛行，Yu-71飛行器飛行速度為5km/s(約Ma15)，就該飛行器目前的飛行速度來講，爆震發(fā)動機是其可能的動力形式。2017年，俄羅斯科學院開展了旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機風洞試驗，自由來流的速度為Ma4～8，采用氫燃料的旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機（直徑為0.31m，長度為1.05m），最大比沖為3600s。

法國一方面與俄羅斯開展國際合作，一方面自己獨立研制，將連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機研究列入了法國國家科技研究中心的未來推進技術項目中。用高頻壓力頻譜分析的方法為手段，證實了氫氣/氧氣、甲烷/氧氣組合的旋轉(zhuǎn)爆震，并且在燃燒室外徑100mm的發(fā)動機上得到了338.5N的推力。另外，還進行了發(fā)動機推力矢量調(diào)節(jié)能力、復合材料熱防護等試驗。未來推進技術項目中，計劃重點研制氫氣/液氧組合的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機，用于多級火箭上。2011年6月21日，MBDA公司發(fā)布了基于連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的“英仙座”超聲速導彈系統(tǒng)概念，指出新型的沖壓連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機（見圖10）大大提升了超聲速導彈的性能，并將這種新型號與原有布拉莫斯導彈進行對比：在有效載荷1.96kN，巡航速度Ma3相同的情況下，新型號可將發(fā)射質(zhì)量由3000kg降為800kg，彈長由8.4m降為5m。據(jù)稱，基于沖壓連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的“英仙座”超聲速導彈預計于2030年列裝。

波蘭華沙工業(yè)大學對連續(xù)爆震火箭發(fā)動機開展了廣泛的試驗研究。在不同燃燒室尺寸、不同燃料、不同氧化劑、不同入流總壓和不同背壓條件下開展試驗，得到了長時間穩(wěn)定傳播的連續(xù)爆震，試驗的推力性能測量中，在內(nèi)直徑140mm、外直徑150mm的甲烷/氧氣連續(xù)爆震火箭式發(fā)動機燃燒室內(nèi)獲得了平均250～300N的推力，并計劃研制基于火箭式的RDE，并將其應用到歐洲小衛(wèi)星計劃的衛(wèi)星動力系統(tǒng)中。

北京大學以數(shù)值模擬為主，利用粒子跟蹤法對RDE的熱力學性能進行了二維和三維分析，爆震燃燒的平均熱效率為31%，RDE的整體熱效率為26.4%，較為準確地確認了RDE的性能優(yōu)勢。開展了氫氣/氧氣旋轉(zhuǎn)爆震試驗，實現(xiàn)了多個爆震波頭的穩(wěn)定傳播，發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震傳播過程中的低頻振蕩現(xiàn)象。

國防科技大學通過兩級收縮熱射流管，采用氫氣／氧氣熱射流切向噴射起爆方式，實現(xiàn)了氫氣／空氣組合的旋轉(zhuǎn)爆震，分析了熱射流的填充過程及起爆能量對旋轉(zhuǎn)爆震波建立過程的影響，并對在試驗過程中出現(xiàn)的雙波對撞傳播模式進行了研究，2017年開展了自由射流連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機的試驗研究，采用的燃燒室外徑為120mm、內(nèi)徑為80mm、長度為660mm，燃料比沖為2510s。

中國航天科工集團第三研究院31所開展了火箭式旋轉(zhuǎn)爆震試驗研究，采用的燃料包括氣態(tài)燃料和液態(tài)碳氫燃料，研究的內(nèi)容包括噴注參數(shù)對于連續(xù)爆震波的影響、液態(tài)燃料下爆震波自持傳播模態(tài)、爆震波穩(wěn)定性和壓力回傳，進氣段和燃燒室相互作用，起爆參數(shù)和預爆管安裝位置對于起爆的影響等問題，通過試驗研究了液態(tài)碳氫燃料與空氣的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒特性，探討了爆震波的傳播模式、爆震波的穩(wěn)定性和壓力回傳等問題。在連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機方面，該研究所開展了總體性能分析，針對一款外徑為400mm發(fā)動機，計算得到的流量為5.94kg/s，比沖為1649s。

我國旋轉(zhuǎn)爆震研究與世界同時起步，各個高校發(fā)揮其理論分析和基礎研究的優(yōu)勢，在爆震機理研究方面，開展了大量的基礎研究，部分研究領域處于世界領先地位。由于缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和目標牽引，再加上受試驗條件、測試方法的限制，參數(shù)性和指標性的研究成果較少，距離工程化應用還有一定的距離。

結束語

由于爆震發(fā)動機具有獨特的優(yōu)點，它在軍用和民用等方面有著廣闊的應用前景，可能成為21世紀新型動力裝置。近期，它可作為無人駕駛飛機、靶機、引誘飛機、靶彈動力裝置以及小運載的上面級發(fā)動機；中期，它可作為高超聲速隱身偵察機、巡航導彈動力裝置以及空間作戰(zhàn)平臺的變軌發(fā)動機、姿態(tài)控制發(fā)動機；遠期，它可以作為戰(zhàn)略飛機、航天飛機組合動力裝置。

我們應從爆震發(fā)動機工程應用背景出發(fā)，掌握工作機理，突破關鍵技術，使脈沖爆震發(fā)動機有效推力增大、旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機旋轉(zhuǎn)爆震穩(wěn)定傳播時間延長，并拓展爆震發(fā)動機進氣馬赫數(shù)，盡早完成可用于工程應用的爆震發(fā)動機的研制。