一、概述

上世紀40年代，爆震發動機概念就已經被提出，進行了大量的爆震燃燒理論研究。隨著航空發動機技術的不斷發展，其優勢越來越顯著，各國相繼投入大量資金開展相關基礎理論和應用技術研究。

（一）爆震發動機的原理

爆震發動機最早可以追溯至1950年代密歇根大學航空航天工程名譽教授Arthur Nicholls的爆震發動機理論，這種發動機的原理是與常規的燃燒不一樣，在爆震發動機燃燒室內發生的過程是爆炸。燃燒和爆炸都是氧化劑和燃料發生了反應，但兩種化學反應的速度卻不一樣，普通的燃燒是一個緩慢的過程，而在噴氣式發動機燃燒室內的燃燒則比較快，但燃料顆粒間傳播速度仍然低于音速。從一般意義上來看，燃燒室的尺度基本只有幾十厘米的尺度，即使小于音速也是瞬間完成的。但爆炸的爆轟波速度是超音速的，比如燃氣爆炸的爆轟波速度可以輕松超過1400米/秒，大約是音速的4倍以上，因此在爆震發動機內的“燃燒”過程過程更快。

（二）爆震發動機分類

爆震發動機主要包括脈沖爆震發動機（Pulsed Detonation Engine，簡稱PDE）、連續旋轉爆震發動機（Rotating Detonation Engine，簡稱RDE）、斜爆震發動機（Oblique Detonation Engine，簡稱ODE），以及與渦輪發動機組合而成的爆震-渦輪組合發動機。

1.脈沖爆震發動機

脈沖爆震發動機是利用脈沖爆震波產生的周期性沖量的非定常推進系統。根據是否采用大氣為氧化劑則又可分為火箭式脈沖爆震發動機和吸氣式脈沖爆震發動機。脈沖爆震發動機一般由進氣道、進氣閥、爆震室、噴管和控制系統組成。脈沖爆震發動機整個工作過程是間歇性的，當爆震頻率很高時（大于80Hz），可近似認為產生的推力是連續的。其工作過程，包括爆震室閥門打開，新鮮混氣的充填，爆震室閥門關閉，點火起爆，爆震波在爆震室內的傳播，以及排氣產生推力過程。

2.旋轉爆震發動機

旋轉爆震發動機也稱為連續爆震發動機（Continuous Detonation Engine，簡稱CDE）。旋轉爆震燃燒室通常為同軸圓環腔結構，摻混好的燃料/氧化劑經起爆后，在燃燒室頭部形成沿圓周方向旋轉傳播的爆震波。可爆混合物從頭部連續不斷地充入燃燒室，以維持爆震波持續、穩定的傳播；燃燒后的高溫、高壓產物經膨脹后沿軸向迅速經尾部噴出產生推力。旋轉爆震燃燒只需要一次點火就可以穩定工作，頻率高達數千赫茲，進排氣接近準穩態過程，旋轉爆震燃燒室結構也更加簡單。旋轉爆震可以火箭模式或沖壓模式工作。

旋轉爆震發動機結構非常適合與渦輪機組合使用，組合形式工作范圍為飛行馬赫數0-6+，飛行高度0-35km。特點是結構緊湊，工作馬赫數寬，耗油率低，推重比高。

3.斜爆震發動機

高超聲速打擊武器是突破敵方空防系統的利器，近些年來得到了各個軍事大國的普遍重視，與之配套的高超聲速動力系統更是研究的重點。超燃沖壓發動機是高超聲速技術動力系統的一種重要方案，但是超燃沖壓發動機的燃燒通常是以擴散燃燒為主的部分預混的等壓燃燒過程。這種燃燒方式需要較長燃燒室來完成燃燒，不可避免地加大了氣流內阻，增大了發動機的結構重量和熱防護難度。此外，當超燃沖壓發動機飛行馬赫數增加到一定值后（一般認為Ma>8），性能開始急劇下降。斜爆震發動機具有解決超燃沖壓發動機存在的問題的潛力。

斜爆震沖壓發動機結構主要包括進氣壓縮段、駐定爆震燃燒室和尾噴管，結構形式與超燃沖壓發動機相似。但是斜爆震發動機具有更短的燃燒室長度，更高熱循環效率，可以在Ma7~12或更高馬赫數下有效工作的突出優點。未來的應用平臺包括長航程、大機動“蛙跳”式滑翔武器平臺、Ma7以上臨近空間高超聲速精確制導武器、低成本高升限吸氣式空天運輸系統等。

（三）爆震發動機的優勢

爆震發動機特點是推重比高，結構簡單成本低，熱循環效率高，燃油消耗率低。與火箭發動機、沖壓噴氣發動機和燃氣渦輪發動機相比，無活動部件，機體積更小。

1.熱效率高

爆震發動機可以看成定壓力燃燒，而渦扇發動機都是定容燃燒。由于爆震波的傳播速度極快，達到每秒幾千米。因此，爆震發動機整個燃燒過程接近定壓燃燒。由于定壓燃燒的熱循環效率大大高于定容燃燒，達到49%，而定容燃燒效率僅為27%，因此爆震發動機相比渦扇發動機還具有熱效率更高的優勢。

2.推重比更高

一般渦扇發動機的最大推重比目前看來到20左右就是極限；而爆震發動機可以創造20以上的推重比，未來甚至會到30的級別，這與液體火箭發動機對比已經可以達到其6成的能力。

3.飛行包線更寬

研究表明，渦扇發動機最高只能支持飛行器在0-3馬赫速度區間內飛行，即便是渦輪-沖壓發動機也只能在0-5馬赫速度區間內飛行。然而爆震發動機不僅能夠零速度啟動，而且最高飛行速度可達5馬赫以上，其中斜爆轟發動機最高飛行速度甚至可以達到17馬赫。

二、國外爆震發動機研究現狀

爆震發動機作為21世紀的航空航天主要動力之一，美國、法國、俄羅斯、日本等國家正在積極實施爆震動力的研究。

（一）美國

美國在脈沖爆震發動機方面取得了不少研究成果，也是該推進系統發展最快的國家，美國多家企業和國家機構對脈沖爆震發動機進行了不同階段的研究，比如GE、洛馬、普惠、波音、NASA等都有PDE的項目。

2017年2月，美國空軍研究實驗室（AFRL）用RDE替換了T63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。2017年4月，AFRL進行了吸氣式RDE的熱穩定運行試驗，該RDE的外殼體采用了陶瓷基復合材料。

據《航空周刊》2023年1月26日報道，2022年NASA在馬歇爾空間飛行中心對其17.78kN推力級的旋轉爆震火箭發動機（RDRE）進行了十多次地面試車，有效燃燒時間累計約10分鐘。NASA表示，系列試車證實了用銅合金GRCop-42粉末+3D打印工藝制造的硬件可以在4.29MPa的平均室壓下長時間全節流運行，達到了同類發動機有記錄以來的最高室壓。此外，試車還證實了NASA設計的旋轉爆震火箭發動機可以進行內部點火和深度節流。該發動機由NASA馬歇爾空間飛行中心和IN Space LLC公司合作研發。未來計劃開發4.5t級的旋轉爆震火箭發動機，以評估作為液體燃料火箭的替代品，用于長距離的火星任務。

（二）俄羅斯

2016年，俄羅斯成功完成了采用環保液體燃料的脈沖爆震發動機測試。該試驗由俄液體脈沖爆震發動機專業實驗室、俄科學院新西伯利亞拉夫連捷夫流體動力學研究所及莫斯科航空學院等科研巨頭共同完成。俄羅斯科學家對這種新型發動機成功進行了多次試驗，測試使用的燃料為液氧和煤油。試驗中成功地產生了不同能量的爆震波，并平衡了振動和沖擊負荷。實驗研究已清楚地證實這種新型發動機技術上的可行性。現在俄方關于數據研究和模擬階段的任務已經結束，工作重心轉到點火試驗階段。

2017年，俄羅斯謝苗諾夫化學物理研究所和機械理論與應用研究所聚焦氫燃料超燃沖壓發動機研究。該發動機長1.05米，直徑0.31米，在Ma4-8的風洞試驗環境中取得了3600秒的高比沖，并觀察到了旋轉爆震和縱向震動模式。

2023年3月24 日，日前，俄羅斯發動機研制企業“羅斯泰克”在官網上宣布，該企業研制的一款新型脈沖爆震式發動機已經進入第一階段測試。這種發動機可以用于在一些特定條件下，它能提供超越傳統發動機大50%的推力水平。

（三）法國

歐洲導彈集團(MBDA)法國公司與俄羅斯拉夫連捷夫流體力學研究所合作開展爆震發動機的實驗研究。他們設計了全尺寸的模型發動機進行地面實驗驗證。MBDA公司在2011年公開了基于連續旋轉爆轟發動機的CVS-401英仙座超聲速導彈系統概念，指出“新型的沖壓連續旋轉爆轟發動機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200kg，巡航速度3馬赫數相同的情況下，新型號可將發射質量由3噸降為800千克，彈長由8.4m降為5m。基于沖壓連續旋轉爆轟發動機的英仙座超聲速導彈預期于2030年列裝。

法國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、內徑為50mm的旋轉爆震發動機中可以實現旋轉爆震波的點火起爆和穩定傳播，在以煤油/氧氣組合的旋轉爆震發動機上獲得了2750N的推力。另外，還進行了發動機推力矢量調節能力、復合材料熱防護等試驗。

（四）日本

日本擁有大量的RDE和脈沖爆震發動機（PDE）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實施了乙烯/氧氣RDE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%。

2021年 8 月 19 日，日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)成功進行世界首次旋轉爆震發動機太空點火運行試驗。我國相關科研院所和高校也在爆震發動機工程應用研究上取得了重要突破。種種跡象表明，爆震發動機工程化的腳步越來越近，相信在不遠的未來，爆震發動機將推動空天飛行器飛的更高，更快，更遠。

（五）其他國家

波蘭于2016年在探空火箭上進行了以旋轉爆震火箭發動機為動力的飛行試驗，是世界上首次以RDE為動力的飛行試驗。波蘭也是較早展開爆震-渦輪組合動力研究的國家。波蘭華沙工業大學對旋轉爆震火箭發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，得到了長時間穩定傳播的旋轉爆震波，在內直徑為140mm、外直徑為150mm的甲烷/氧氣旋轉爆震火箭式發動機燃燒室內獲得了平均250～300N的推力，并計劃研制火箭式的旋轉爆震發動機，并將其應用到歐洲小衛星計劃的衛星動力系統中。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，將傳統的渦軸發動機GTD-350的等壓燃燒室替換為旋轉爆震燃燒室，驗證了爆震渦輪發動機的可行性。

此外，韓國、新加坡和印度等國家也進行了一些研究。

三、國內爆震發動機研究現狀

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。1994 年，西北工業大學脈沖爆震發動機課題組在國家自然基金資助下率先開展了國內對脈沖爆震發動機概念跟蹤研究。21 世紀初，南京航空航天大學、空軍工程大學、南京理工大學、清華大學、北京大學、國防科技大學、航天三院31所、北京航空航天大學等十幾家研究機構也先后開展了脈沖爆震發動機相關技術研究，并取得了一定進展。

（一）西北工業大學

2002年，西北工業大學在國內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律。基于多年積累，西北工業大學研制了國內首臺PDRE地面演示驗證樣機，并成功進行了多次地面滑跑試驗。

（二）清華大學

2017年3月6日，第21屆國際航天飛機和高超聲速系統與技術大會，在廈門舉行，中科院力學所高溫氣體動力實驗室的姜宗林團隊展示了660毫米直徑的連續旋轉爆轟發動機試驗性樣機。

2020年12月11日，該團隊在《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，斜激波在理論上可以達到M16以上。

2022年1月，清華大學自主設計的新型旋轉爆震沖壓發動機已完成了首飛試驗。通過飛行試驗獲得了真實飛行條件下，工作環境參數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品化提供了重要的試驗數據。清華大學還開展了雙流道多環腔旋轉爆震渦輪發動機的系統方案，提出了有效抑制反壓回傳的隔離段方案，實現了渦輪機械與旋轉爆震燃燒室的兼容。

2023年7月，央媒記者采訪了中國JF-22風洞系統設計師姜宗林，姜宗林表示，已經成功研發出駐定斜爆震發動機，目前可以讓飛行器速度達到9馬赫，接近實用。

（三）北京大學

北京大學開展了數值仿真和試驗研究，對旋轉爆震波的三維結構進行了數值仿真，利用粒子跟蹤法對旋轉爆震發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動機的性能優勢。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，實現了多個爆震波頭的穩定傳播，發現了旋轉爆震傳播過程中的低頻振蕩現象。

（四）南京理工大學

南京理工大學針對環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值研究工作，多種燃料均實現了旋轉爆震燃燒；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。

（五）南京航空航天大學

南京航空航天大學主要側重于脈沖爆震燃燒技術的工程化應用研究，研究內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生了充分發展的脈沖爆震波，獲得1300N的最大推力。

（六）國防科技大學

國防科技大學自主設計了多種不同類型的旋轉爆震發動機，深入分析了旋轉爆震波的穩定性，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，實現了旋轉爆震波穩定起爆，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動機的試驗研究，采用的燃燒室外徑為120mm、內徑為80mm、長度為660mm，燃料比沖為2510m/s。此外，還開展了國內首次連續式預混超聲速氣流斜爆震試驗，采用高速紋影研究了高靜溫預混超聲速氣流中激波誘導燃燒和脫體爆震起爆及發展的動態過程，系統探究了不同斜劈角度、當量比條件下斜爆震波起爆過程及駐定特性，分析了斜爆震波熄滅與再起爆過程及物理機制。

（五）重慶大學與推重比公司

2019年3月，重慶推重比動力科技有限公司與重慶大學合作完成首臺多管并聯脈沖爆震發動機點火試車。2021年，共建了爆震推進與空天飛行技術研究中心，作為爆震發動機領域校企協同創新科研平臺。并在H1-M連續旋轉爆震發動機百米軌道滑跑試驗、50N姿控發動機原理樣機試車等項目上取得了成功。

2022年7月30日，推重比公司研制的H1-M連續旋轉爆震發動機成功完成百米軌道滑跑試驗，最大滑跑距離達到100米。該發動機的設計推力為100N，調節范圍為40%~150%，累計工作次數超過30次、累計工作時間約300s，試驗考核均已達標。

2023年3月21日，由重慶大學產業技術研究院爆震推進與空天飛行技術研究中心，參與研制的1000N煤油燃料連續旋轉爆震發動機成功完成首次點火試車，在椒段時間內就實現了從50N到1000N/102kgf的突破。

四、啟示與建議

爆震發動機作為一新型推動力，在諸多領域擁有廣闊的應用前景，很有必要加大研究和應用力度。

（一）強化基礎理論研究

旋轉爆震動發動機，涉及的物理化學過程十分復雜，現階段需要充分利用高校和研究院所優勢資源，開展高速高效噴注系統、穩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，注重理論和試驗數據的積累，進一步搞清楚不同爆震燃燒模式的機理和工作特性。

（二）強化工程應用轉化

我國爆震研究與世界同時起步，各個高校發揮其理論分析和基礎研究的優勢，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。由于缺乏統籌規劃和目標牽引，再加上試驗條件和測試方法的限制，參數性和指標性的研究成果較少，在工程化應用方面還有所欠缺。需采取協同技術方式，快速提升爆震燃燒技術成熟度水平。注重技術成果轉化，大力推進爆震發動機技術工程化應用，不斷牽引爆震發動機技術走向成熟。

（三）發展配套產業鏈

爆震發動機，是理想的空天飛機、無人機、高超聲速武器動力裝置。此外，還可以用作軌道轉移發動機、行星著陸發動機以及航天器姿態控制、衛星機動的動力裝置。爆震動力技術的快速發展，為拓展應用領域提供了條件。發展配套產業鏈，有利于牽全產業鏈升級換代，促進科研成果向工業產值轉化，形成產學研一體的良性環境。

來源: 科普作品