■ 秦亞欣 / 中國航發(fā)研究院

2022年4月，美國加利福尼亞州海軍空戰(zhàn)中心武器部對一種由旋轉爆震發(fā)動機提供動力的新型戰(zhàn)術導彈進行了測試，這表明旋轉爆震技術已從概念向型號應用轉化。

旋轉爆震發(fā)動機試驗測試

旋轉爆震發(fā)動機（RDE）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傳播，燃燒產(chǎn)物從另一端高速排出，從而產(chǎn)生推力[1]。爆震燃燒過程接近定容燃燒且能夠?qū)崿F(xiàn)自增壓，因此具有較高的循環(huán)效率，被認為是最有可能替代等壓循環(huán)而成為下一代發(fā)動機的熱力循環(huán)方式。旋轉爆震發(fā)動機在航天領域可以在火箭和沖壓兩種模態(tài)下工作，在航空領域可以與渦輪發(fā)動機組合形成旋轉爆震渦輪發(fā)動機，具有燃燒速度快、自增壓、自維持、結構簡單和效率高等優(yōu)勢。自20世紀60年代蘇聯(lián)學者提出旋轉爆震發(fā)動機的概念以來，受到了很多國家的重視，美國、俄羅斯、歐洲、中國等國家和地區(qū)都開展了相關的關鍵技術研究與試驗驗證[2-3]。

美國： 從機理研究到工程應用已世界領先

美國自2010年開始，在空軍科學研究辦公室（AFOSR）、海軍研究辦公室（ONR）、國防預先研究計劃局（DARPA）和能源部（DOE）的資助下，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、國家能源部技術實驗室（NETL）、得克薩斯大學阿靈頓分校和辛辛那提大學等研究機構都相繼開展了旋轉爆震發(fā)動機的理論、數(shù)值以及偏工程應用的試驗研究工作，已經(jīng)開始采用旋轉爆震燃燒室替代主燃燒室的測試。

AFRL測試了將旋轉爆震燃燒室集成到T-63燃氣渦輪發(fā)動機的原理樣機，試驗發(fā)現(xiàn)旋轉爆震燃燒比傳統(tǒng)等壓燃燒降低了NOx排放，提高了燃燒熱效率，展示了旋轉爆震渦輪發(fā)動機的應用前景。

2020年年初，DARPA授予雷神技術公司100萬美元用于研究以旋轉爆震發(fā)動機為動力的巡航導彈。幾個月后，由AFRL主導的支持經(jīng)濟可承受任務的先進渦輪發(fā)動機技術（ATTAM）計劃中，首次將旋轉爆震發(fā)動機列為優(yōu)先發(fā)展方向并擁有最高優(yōu)先級。同時，AFRL授予普惠公司、GE公司各2.5億美元，授予航空噴氣-洛克達因公司2000萬美元開展旋轉爆震發(fā)動機的開發(fā)、驗證和轉化的關鍵技術研究，預計2026年完成。此外，雷神技術公司于2022年3月獲得了AFRL一份地面演示驗證項目合同，用于開發(fā)旋轉爆震發(fā)動機，項目將由雷神技術公司下屬的普惠公司、雷神導彈與防務公司和雷神技術研究中心共同執(zhí)行。這份合同將遵循普惠公司鱷魚工廠（GatorWorks）的快速開發(fā)原則，美國空軍現(xiàn)在提出的是較為緊迫的現(xiàn)實要求，客觀上也加速了普惠公司的工作進程。

美國國防部（DoD）在2021年3月發(fā)布的一份簡報稱，一型直徑約30cm的液體燃料旋轉爆震沖壓噴氣發(fā)動機在2020年成功測試，并且為另一型直徑約48cm的旋轉爆震發(fā)動機測試打下基礎。根據(jù)高性能計算現(xiàn)代化計劃（HPCMP）支持的2022財年項目清單，在過去3年里，AFRL增加了4個先進旋轉爆震發(fā)動機技術開發(fā)項目：一是可在隱身戰(zhàn)斗機彈艙內(nèi)攜帶的、速度為馬赫數(shù)（Ma）3的空地導彈，采用液體燃料旋轉爆震沖壓發(fā)動機；二是采用固體燃料增壓燃燒發(fā)動機的空空導彈；三是可替代渦輪發(fā)動機加力燃燒段的旋轉爆震發(fā)動機系統(tǒng)；四是自由噴射測試項目。

與此同時，密歇根大學、普渡大學、亞拉巴馬大學、辛辛那提大學等高校主要圍繞旋轉爆震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)爆震波傳播模態(tài)、爆震波自持傳播機理、燃燒室內(nèi)壓力對上游的影響。總的來看，美國高校和科研機構分工明確、合作充分，在旋轉爆震機理研究和工程化應用方面世界領先。

旋轉爆震發(fā)動機內(nèi)部結構示意圖

旋轉爆震燃燒數(shù)值模擬

俄羅斯： 全尺寸旋轉爆震火箭發(fā)動機成功試驗

2014年，在俄羅斯先期研究基金會支持下，由俄羅斯科學院西伯利亞分院、拉夫連季耶夫流體力學研究所和莫斯科航空學院共同組建了爆震液體火箭發(fā)動機實驗室。2016年7—9月，該實驗室在世界上首次成功對一臺全尺寸的液氧/煤油旋轉爆震火箭發(fā)動機進行了試驗，獲得了頻率約20kHz的可穩(wěn)定傳播的旋轉爆震波（大致為8000r/s的傳播速度），并產(chǎn)生穩(wěn)定推力。試驗發(fā)現(xiàn)，相對于相同推力量級的常規(guī)火箭發(fā)動機，旋轉爆震火箭發(fā)動機的推力提高了10%，比沖提高了10%～15%。結果充分驗證了將爆震燃燒應用于火箭發(fā)動機的性能優(yōu)勢。

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，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，速度為5km/s（約Ma15），就該飛行器目前的飛行速度來看，很可能是以爆震發(fā)動機為動力。

2017年俄羅斯科學院開展了旋轉爆震沖壓發(fā)動機風洞試驗，自由來流的速度為Ma4～8，采用氫燃料的旋轉爆震沖壓發(fā)動機（直徑為0.31m，長度為1.05m），最大比沖為3600m / s。

俄羅斯旋轉爆震沖壓發(fā)動機

法國：基于沖壓旋轉爆震發(fā)動機的超聲速導彈將列裝

法國一方面與俄羅斯開展國際合作，一方面自己獨立研制，將旋轉爆震發(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方法作為研究手段，證實了氫氣/氧氣，煤油/氧氣、煤油/空氣等多種燃料/氧化劑組合，在長度為100mm、內(nèi)徑為50mm的旋轉爆震發(fā)動機中可以實現(xiàn)旋轉爆震波的點火起爆和穩(wěn)定傳播，在以煤油/氧氣組合的旋轉爆震發(fā)動機上獲得了2750N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。2011年6月21日，MBDA公司公布基于旋轉爆震發(fā)動機的“英仙座”超聲速導彈系統(tǒng)概念，指出新型的沖壓旋轉爆震發(fā)動機大大提升了超聲速導彈的性能,基于沖壓旋轉爆震發(fā)動機的“英仙座”超聲速導彈預計于2030年列裝。

旋轉爆震發(fā)動機試驗臺

MBDA公司旋轉爆震沖壓發(fā)動機

波蘭： 驗證了爆震渦輪發(fā)動機的可行性

波蘭華沙工業(yè)大學對旋轉爆震火箭發(fā)動機開展了廣泛的試驗研究。在不同尺寸燃燒室、不同燃料、不同氧化劑、不同來流總壓和不同背壓條件下開展試驗，得到了長時間穩(wěn)定傳播的旋轉爆震波，在內(nèi)直徑為140mm、外直徑為150mm的甲烷/氧氣旋轉爆震火箭式發(fā)動機燃燒室內(nèi)獲得了平均250～300N的推力，并計劃研制火箭式的旋轉爆震發(fā)動機，并將其應用到歐洲小衛(wèi)星計劃的衛(wèi)星動力系統(tǒng)中。

在工程應用方面，波蘭與日本、新加坡通過國際合作開展了旋轉爆震研究，將傳統(tǒng)的渦軸發(fā)動機GTD-350的等壓燃燒室替換為旋轉爆震燃燒室，驗證了爆震渦輪發(fā)動機的可行性。

中國： 研究成果急需向工程應用轉化

中國航天科工三院31所、中國航發(fā)動力所等科研院所開展了大量爆震基礎理論及旋轉爆震發(fā)動機應用研究，北京大學、清華大學、國防科技大學、南京理工大學、西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學等高校進行了大量爆震燃燒基礎研究，并對旋轉爆震發(fā)動機的工作過程、爆震燃燒觸發(fā)、爆震波穩(wěn)定傳播等基礎技術形成了系統(tǒng)性的認識，諸多關鍵技術取得實質(zhì)性進展，包括旋轉爆震波起爆與維持、旋轉爆震波與來流的相互作用、液態(tài)碳氫燃料旋轉爆震燃燒組織等，為突破旋轉爆震渦輪發(fā)動機關鍵技術及工程化應用奠定了基礎[4]。

中國航天科工三院31所開展了火箭式旋轉爆震試驗，研究了液態(tài)碳氫燃料與空氣的旋轉爆震燃燒特性，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。在旋轉爆震沖壓發(fā)動機方面，31所開展了基于液態(tài)碳氫燃料的旋轉爆震沖壓發(fā)動機部件匹配研究，成功實現(xiàn)了旋轉爆震燃燒組織，驗證了旋轉爆震沖壓發(fā)動機原理的可行性。在旋轉爆震渦輪發(fā)動機方面，開展了基于旋轉爆震燃燒的渦輪發(fā)動機方案論證，包括主燃燒室替代方案以及加力燃燒室方案等。

北京大學開展了數(shù)值仿真和試驗研究[5]，對旋轉爆震波的三維結構進行了數(shù)值仿真，利用粒子跟蹤法對旋轉爆震發(fā)動機的熱力學性能進行了二維和三維分析，較為準確地確認了旋轉爆震發(fā)動機的性能優(yōu)勢。此外，還對無中心柱的旋轉爆震燃燒室開展了氫氧旋轉爆震試驗，實現(xiàn)了多個爆震波頭的穩(wěn)定傳播，發(fā)現(xiàn)了旋轉爆震傳播過程中的低頻振蕩現(xiàn)象。

清華大學自主設計了新型旋轉爆震沖壓發(fā)動機，已于2022年1月完成了首飛試驗。通過飛行試驗獲得了真實飛行條件下，工作環(huán)境參數(shù)變化對旋轉爆震燃燒運行特性的影響，證實了旋轉爆震燃燒技術的可行性，為這項技術走向工程化和產(chǎn)品化提供了重要的試驗數(shù)據(jù)。清華大學還開展了雙流道多環(huán)腔旋轉爆震渦輪發(fā)動機的系統(tǒng)方案，提出了有效抑制反壓回傳的隔離段方案，實現(xiàn)了渦輪機械與旋轉爆震燃燒室的兼容。

國防科技大學自主設計了多種不同類型的旋轉爆震發(fā)動機，深入分析了旋轉爆震波的穩(wěn)定性，通過兩級收縮熱射流管，采用氫氧熱射流切向噴射起爆方式，實現(xiàn)了旋轉爆震波穩(wěn)定起爆，分析了熱射流的填充過程及起爆能量對旋轉爆震波建立過程的影響。針對無中心柱的旋轉爆震燃燒室開展了試驗研究，獲得了旋轉爆震波的詳細結構及傳播模式。2017年，開展了自由射流旋轉爆震沖壓發(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2510m / s。

南京理工大學針對環(huán)形和圓盤形兩種主要燃燒室構型，開展了大量旋轉爆震燃燒試驗和數(shù)值研究工作，多種燃料均實現(xiàn)了旋轉爆震燃燒；開展了旋轉爆震燃燒室與渦輪導向器組合試驗研究，探索了主燃燒室應用旋轉爆震的可行性。

旋轉爆震發(fā)動機發(fā)展思考

旋轉爆震發(fā)動機相比傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機具有熱循環(huán)效率高、結構簡單、耗油率低等優(yōu)勢，使其在戰(zhàn)斗機、無人機、高速飛機等領域有著廣泛的應用前景，有可能成為本世紀新型動力裝置：近期可作為無人駕駛飛機、靶機、引誘飛機、靶彈的動力裝置；中期可作為高超聲速飛機動力裝置；遠期可作為戰(zhàn)略飛機、航天飛機組合動力裝置。

旋轉爆震發(fā)動機涉及的物理化學過程十分復雜，現(xiàn)階段需要充分利用高校和研究院所優(yōu)勢資源，開展高速高效噴注系統(tǒng)、穩(wěn)定起爆與爆震波傳播控制和旋轉爆震燃燒組織研究，試驗研究與理論研究同步進行，注重理論和試驗數(shù)據(jù)的積累，進一步搞清楚旋轉爆震燃燒機理。

總的來看，我國旋轉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，再加上試驗條件和測試方法的限制，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。根據(jù)飛機對高效率、高性能發(fā)動機的需求，從旋轉爆震發(fā)動機工程應用背景出發(fā)，采用產(chǎn)學研用相結合的方式，協(xié)同技術攻關，快速提升旋轉爆震燃燒技術成熟度水平，并注重技術成果轉化，以渦輪發(fā)動機為基礎，開展旋轉爆震燃燒室與渦輪發(fā)動機的匹配驗證工作，最終完成旋轉爆震發(fā)動機產(chǎn)品研制工作，實現(xiàn)航空發(fā)動機自主創(chuàng)新和跨越發(fā)展。

結束語

為了滿足動力裝置更好的經(jīng)濟性和更優(yōu)的性能需求，需要尋求新的循環(huán)或燃燒方式才能給傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機的性能帶來新的突破。旋轉爆震發(fā)動機相比于傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機具有循環(huán)率高、推力大、耗油率低、工作范圍廣、結構簡單等優(yōu)勢，是未來航空動力重要的發(fā)展方向。