爆震领域技术研究现状及启示建议

一、概述

上世纪40年代，爆震发动机概念就已经被提出，进行了大量的爆震燃烧理论研究。随着航空发动机技术的不断发展，其优势越来越显著，各国相继投入大量资金开展相关基础理论和应用技术研究。

（一）爆震发动机的原理

爆震发动机最早可以追溯至1950年代密歇根大学航空航天工程名誉教授Arthur Nicholls的爆震发动机理论，这种发动机的原理是与常规的燃烧不一样，在爆震发动机燃烧室内发生的过程是爆炸。燃烧和爆炸都是氧化剂和燃料发生了反应，但两种化学反应的速度却不一样，普通的燃烧是一个缓慢的过程，而在喷气式发动机燃烧室内的燃烧则比较快，但燃料颗粒间传播速度仍然低于音速。从一般意义上来看，燃烧室的尺度基本只有几十厘米的尺度，即使小于音速也是瞬间完成的。但爆炸的爆轰波速度是超音速的，比如燃气爆炸的爆轰波速度可以轻松超过1400米/秒，大约是音速的4倍以上，因此在爆震发动机内的“燃烧”过程过程更快。

（二）爆震发动机分类

爆震发动机主要包括脉冲爆震发动机（Pulsed Detonation Engine，简称PDE）、连续旋转爆震发动机（Rotating Detonation Engine，简称RDE）、斜爆震发动机（Oblique Detonation Engine，简称ODE），以及与涡轮发动机组合而成的爆震-涡轮组合发动机。

1.脉冲爆震发动机

脉冲爆震发动机是利用脉冲爆震波产生的周期性冲量的非定常推进系统。根据是否采用大气为氧化剂则又可分为火箭式脉冲爆震发动机和吸气式脉冲爆震发动机。脉冲爆震发动机一般由进气道、进气阀、爆震室、喷管和控制系统组成。脉冲爆震发动机整个工作过程是间歇性的，当爆震频率很高时（大于80Hz），可近似认为产生的推力是连续的。其工作过程，包括爆震室阀门打开，新鲜混气的充填，爆震室阀门关闭，点火起爆，爆震波在爆震室内的传播，以及排气产生推力过程。

2.旋转爆震发动机

旋转爆震发动机也称为连续爆震发动机（Continuous Detonation Engine，简称CDE）。旋转爆震燃烧室通常为同轴圆环腔结构，掺混好的燃料/氧化剂经起爆后，在燃烧室头部形成沿圆周方向旋转传播的爆震波。可爆混合物从头部连续不断地充入燃烧室，以维持爆震波持续、稳定的传播；燃烧后的高温、高压产物经膨胀后沿轴向迅速经尾部喷出产生推力。旋转爆震燃烧只需要一次点火就可以稳定工作，频率高达数千赫兹，进排气接近准稳态过程，旋转爆震燃烧室结构也更加简单。旋转爆震可以火箭模式或冲压模式工作。

旋转爆震发动机结构非常适合与涡轮机组合使用，组合形式工作范围为飞行马赫数0-6+，飞行高度0-35km。特点是结构紧凑，工作马赫数宽，耗油率低，推重比高。

3.斜爆震发动机

高超声速打击武器是突破敌方空防系统的利器，近些年来得到了各个军事大国的普遍重视，与之配套的高超声速动力系统更是研究的重点。超燃冲压发动机是高超声速技术动力系统的一种重要方案，但是超燃冲压发动机的燃烧通常是以扩散燃烧为主的部分预混的等压燃烧过程。这种燃烧方式需要较长燃烧室来完成燃烧，不可避免地加大了气流内阻，增大了发动机的结构重量和热防护难度。此外，当超燃冲压发动机飞行马赫数增加到一定值后（一般认为Ma>8），性能开始急剧下降。斜爆震发动机具有解决超燃冲压发动机存在的问题的潜力。

斜爆震冲压发动机结构主要包括进气压缩段、驻定爆震燃烧室和尾喷管，结构形式与超燃冲压发动机相似。但是斜爆震发动机具有更短的燃烧室长度，更高热循环效率，可以在Ma7~12或更高马赫数下有效工作的突出优点。未来的应用平台包括长航程、大机动“蛙跳”式滑翔武器平台、Ma7以上临近空间高超声速精确制导武器、低成本高升限吸气式空天运输系统等。

（三）爆震发动机的优势

爆震发动机特点是推重比高，结构简单成本低，热循环效率高，燃油消耗率低。与火箭发动机、冲压喷气发动机和燃气涡轮发动机相比，无活动部件，机体积更小。

1.热效率高

爆震发动机可以看成定压力燃烧，而涡扇发动机都是定容燃烧。由于爆震波的传播速度极快，达到每秒几千米。因此，爆震发动机整个燃烧过程接近定压燃烧。由于定压燃烧的热循环效率大大高于定容燃烧，达到49%，而定容燃烧效率仅为27%，因此爆震发动机相比涡扇发动机还具有热效率更高的优势。

2.推重比更高

一般涡扇发动机的最大推重比目前看来到20左右就是极限；而爆震发动机可以创造20以上的推重比，未来甚至会到30的级别，这与液体火箭发动机对比已经可以达到其6成的能力。

3.飞行包线更宽

研究表明，涡扇发动机最高只能支持飞行器在0-3马赫速度区间内飞行，即便是涡轮-冲压发动机也只能在0-5马赫速度区间内飞行。然而爆震发动机不仅能够零速度启动，而且最高飞行速度可达5马赫以上，其中斜爆轰发动机最高飞行速度甚至可以达到17马赫。

二、国外爆震发动机研究现状

爆震发动机作为21世纪的航空航天主要动力之一，美国、法国、俄罗斯、日本等国家正在积极实施爆震动力的研究。

（一）美国

美国在脉冲爆震发动机方面取得了不少研究成果，也是该推进系统发展最快的国家，美国多家企业和国家机构对脉冲爆震发动机进行了不同阶段的研究，比如GE、洛马、普惠、波音、NASA等都有PDE的项目。

2017年2月，美国空军研究实验室（AFRL）用RDE替换了T63发动机的燃烧室，结果显示该燃烧室的氮氧化物排放量低且燃烧效率高，很具应用前景。2017年4月，AFRL进行了吸气式RDE的热稳定运行试验，该RDE的外壳体采用了陶瓷基复合材料。

据《航空周刊》2023年1月26日报道，2022年NASA在马歇尔空间飞行中心对其17.78kN推力级的旋转爆震火箭发动机（RDRE）进行了十多次地面试车，有效燃烧时间累计约10分钟。NASA表示，系列试车证实了用铜合金GRCop-42粉末+3D打印工艺制造的硬件可以在4.29MPa的平均室压下长时间全节流运行，达到了同类发动机有记录以来的最高室压。此外，试车还证实了NASA设计的旋转爆震火箭发动机可以进行内部点火和深度节流。该发动机由NASA马歇尔空间飞行中心和IN Space LLC公司合作研发。未来计划开发4.5t级的旋转爆震火箭发动机，以评估作为液体燃料火箭的替代品，用于长距离的火星任务。

（二）俄罗斯

2016年，俄罗斯成功完成了采用环保液体燃料的脉冲爆震发动机测试。该试验由俄液体脉冲爆震发动机专业实验室、俄科学院新西伯利亚拉夫连捷夫流体动力学研究所及莫斯科航空学院等科研巨头共同完成。俄罗斯科学家对这种新型发动机成功进行了多次试验，测试使用的燃料为液氧和煤油。试验中成功地产生了不同能量的爆震波，并平衡了振动和冲击负荷。实验研究已清楚地证实这种新型发动机技术上的可行性。现在俄方关于数据研究和模拟阶段的任务已经结束，工作重心转到点火试验阶段。

2017年，俄罗斯谢苗诺夫化学物理研究所和机械理论与应用研究所聚焦氢燃料超燃冲压发动机研究。该发动机长1.05米，直径0.31米，在Ma4-8的风洞试验环境中取得了3600秒的高比冲，并观察到了旋转爆震和纵向震动模式。

2023年3月24 日，日前，俄罗斯发动机研制企业“罗斯泰克”在官网上宣布，该企业研制的一款新型脉冲爆震式发动机已经进入第一阶段测试。这种发动机可以用于在一些特定条件下，它能提供超越传统发动机大50%的推力水平。

（三）法国

欧洲导弹集团(MBDA)法国公司与俄罗斯拉夫连捷夫流体力学研究所合作开展爆震发动机的实验研究。他们设计了全尺寸的模型发动机进行地面实验验证。MBDA公司在2011年公开了基于连续旋转爆轰发动机的CVS-401英仙座超声速导弹系统概念，指出“新型的冲压连续旋转爆轰发动机大大提升了超声速导弹的性能”，并将这种新型号与原有布拉莫斯导弹进行对比。在有效载荷200kg，巡航速度3马赫数相同的情况下，新型号可将发射质量由3吨降为800千克，弹长由8.4m降为5m。基于冲压连续旋转爆轰发动机的英仙座超声速导弹预期于2030年列装。

法国用高频压力频谱分析方法作为研究手段，证实了氢气/氧气，煤油/氧气、煤油/空气等多种燃料/氧化剂组合，在长度为100mm、内径为50mm的旋转爆震发动机中可以实现旋转爆震波的点火起爆和稳定传播，在以煤油/氧气组合的旋转爆震发动机上获得了2750N的推力。另外，还进行了发动机推力矢量调节能力、复合材料热防护等试验。

（四）日本

日本拥有大量的RDE和脉冲爆震发动机（PDE）研究项目。2017年8月，名古屋和庆应义塾大学联合团队、日本航宇开发局和室兰技术研究院实施了乙烯/氧气RDE试验，在近真空环境中可以获得330秒比冲和895牛的高推力，燃烧效率超过95%。

2021年 8 月 19 日，日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)成功进行世界首次旋转爆震发动机太空点火运行试验。我国相关科研院所和高校也在爆震发动机工程应用研究上取得了重要突破。种种迹象表明，爆震发动机工程化的脚步越来越近，相信在不远的未来，爆震发动机将推动空天飞行器飞的更高，更快，更远。

（五）其他国家

波兰于2016年在探空火箭上进行了以旋转爆震火箭发动机为动力的飞行试验，是世界上首次以RDE为动力的飞行试验。波兰也是较早展开爆震-涡轮组合动力研究的国家。波兰华沙工业大学对旋转爆震火箭发动机开展了广泛的试验研究。在不同尺寸燃烧室、不同燃料、不同氧化剂、不同来流总压和不同背压条件下开展试验，得到了长时间稳定传播的旋转爆震波，在内直径为140mm、外直径为150mm的甲烷/氧气旋转爆震火箭式发动机燃烧室内获得了平均250～300N的推力，并计划研制火箭式的旋转爆震发动机，并将其应用到欧洲小卫星计划的卫星动力系统中。在工程应用方面，波兰与日本、新加坡通过国际合作开展了旋转爆震研究，将传统的涡轴发动机GTD-350的等压燃烧室替换为旋转爆震燃烧室，验证了爆震涡轮发动机的可行性。

此外，韩国、新加坡和印度等国家也进行了一些研究。

三、国内爆震发动机研究现状

作为一种先进前沿的空天动力技术，涉及多个学科和复杂问题工程，具有很高的研制难度。1994 年，西北工业大学脉冲爆震发动机课题组在国家自然基金资助下率先开展了国内对脉冲爆震发动机概念跟踪研究。21 世纪初，南京航空航天大学、空军工程大学、南京理工大学、清华大学、北京大学、国防科技大学、航天三院31所、北京航空航天大学等十几家研究机构也先后开展了脉冲爆震发动机相关技术研究，并取得了一定进展。

（一）西北工业大学

2002年，西北工业大学在国内率先完成了两相脉冲爆震燃烧原理性试验，而后突破了高频工作关键技术，最高单管两相爆震频率高达140Hz，采用气态燃料时单管最高频率已达200Hz；进行了由涡轮增压器和脉冲爆震燃烧室组成的混合式PDE以及六管并联PDE研究；研究了起爆方式、进气方式、尾喷管形式、引射器等对性能的影响，突破了诸多关键技术并掌握了相关设计方法和对性能的影响规律。基于多年积累，西北工业大学研制了国内首台PDRE地面演示验证样机，并成功进行了多次地面滑跑试验。

（二）清华大学

2017年3月6日，第21届国际航天飞机和高超声速系统与技术大会，在厦门举行，中科院力学所高温气体动力实验室的姜宗林团队展示了660毫米直径的连续旋转爆轰发动机试验性样机。

2020年12月11日，该团队在《航空学报》上发表文章，宣布已经在M9风洞里进行氢燃料的斜爆震发动机的成功测试，斜激波在理论上可以达到M16以上。

2022年1月，清华大学自主设计的新型旋转爆震冲压发动机已完成了首飞试验。通过飞行试验获得了真实飞行条件下，工作环境参数变化对旋转爆震燃烧运行特性的影响，证实了旋转爆震燃烧技术的可行性，为这项技术走向工程化和产品化提供了重要的试验数据。清华大学还开展了双流道多环腔旋转爆震涡轮发动机的系统方案，提出了有效抑制反压回传的隔离段方案，实现了涡轮机械与旋转爆震燃烧室的兼容。

2023年7月，央媒记者采访了中国JF-22风洞系统设计师姜宗林，姜宗林表示，已经成功研发出驻定斜爆震发动机，目前可以让飞行器速度达到9马赫，接近实用。

（三）北京大学

北京大学开展了数值仿真和试验研究，对旋转爆震波的三维结构进行了数值仿真，利用粒子跟踪法对旋转爆震发动机的热力学性能进行了二维和三维分析，较为准确地确认了旋转爆震发动机的性能优势。此外，还对无中心柱的旋转爆震燃烧室开展了氢氧旋转爆震试验，实现了多个爆震波头的稳定传播，发现了旋转爆震传播过程中的低频振荡现象。

（四）南京理工大学

南京理工大学针对环形和圆盘形两种主要燃烧室构型，开展了大量旋转爆震燃烧试验和数值研究工作，多种燃料均实现了旋转爆震燃烧；开展了旋转爆震燃烧室与涡轮导向器组合试验研究，探索了主燃烧室应用旋转爆震的可行性。

（五）南京航空航天大学

南京航空航天大学主要侧重于脉冲爆震燃烧技术的工程化应用研究，研究内容具有很强的实用性和针对性。他们在脉冲供油、供气、点火、单级起爆、两相爆震燃烧、缩短爆燃向爆震转变距离等关键技术的研究中取得了显著进展，并完成了带旋转阀的三管PDE基础原理样机研制；还进行了气动阀式PDE原理样机研究，在常温常压条件下以汽油为燃料、空气为氧化剂的试验条件下产生了充分发展的脉冲爆震波，获得1300N的最大推力。

（六）国防科技大学

国防科技大学自主设计了多种不同类型的旋转爆震发动机，深入分析了旋转爆震波的稳定性，通过两级收缩热射流管，采用氢氧热射流切向喷射起爆方式，实现了旋转爆震波稳定起爆，分析了热射流的填充过程及起爆能量对旋转爆震波建立过程的影响。针对无中心柱的旋转爆震燃烧室开展了试验研究，获得了旋转爆震波的详细结构及传播模式。2017年，开展了自由射流旋转爆震冲压发动机的试验研究，采用的燃烧室外径为120mm、内径为80mm、长度为660mm，燃料比冲为2510m/s。此外，还开展了国内首次连续式预混超声速气流斜爆震试验，采用高速纹影研究了高静温预混超声速气流中激波诱导燃烧和脱体爆震起爆及发展的动态过程，系统探究了不同斜劈角度、当量比条件下斜爆震波起爆过程及驻定特性，分析了斜爆震波熄灭与再起爆过程及物理机制。

（五）重庆大学与推重比公司

2019年3月，重庆推重比动力科技有限公司与重庆大学合作完成首台多管并联脉冲爆震发动机点火试车。2021年，共建了爆震推进与空天飞行技术研究中心，作为爆震发动机领域校企协同创新科研平台。并在H1-M连续旋转爆震发动机百米轨道滑跑试验、50N姿控发动机原理样机试车等项目上取得了成功。

2022年7月30日，推重比公司研制的H1-M连续旋转爆震发动机成功完成百米轨道滑跑试验，最大滑跑距离达到100米。该发动机的设计推力为100N，调节范围为40%~150%，累计工作次数超过30次、累计工作时间约300s，试验考核均已达标。

2023年3月21日，由重庆大学产业技术研究院爆震推进与空天飞行技术研究中心，参与研制的1000N煤油燃料连续旋转爆震发动机成功完成首次点火试车，在椒段时间内就实现了从50N到1000N/102kgf的突破。

四、启示与建议

爆震发动机作为一新型推动力，在诸多领域拥有广阔的应用前景，很有必要加大研究和应用力度。

（一）强化基础理论研究

旋转爆震动发动机，涉及的物理化学过程十分复杂，现阶段需要充分利用高校和研究院所优势资源，开展高速高效喷注系统、稳定起爆与爆震波传播控制和旋转爆震燃烧组织研究，试验研究与理论研究同步进行，注重理论和试验数据的积累，进一步搞清楚不同爆震燃烧模式的机理和工作特性。

（二）强化工程应用转化

我国爆震研究与世界同时起步，各个高校发挥其理论分析和基础研究的优势，在爆震机理研究方面开展了大量的基础研究，部分研究领域处于世界领先地位。由于缺乏统筹规划和目标牵引，再加上试验条件和测试方法的限制，参数性和指标性的研究成果较少，在工程化应用方面还有所欠缺。需采取协同技术方式，快速提升爆震燃烧技术成熟度水平。注重技术成果转化，大力推进爆震发动机技术工程化应用，不断牵引爆震发动机技术走向成熟。

（三）发展配套产业链

爆震发动机，是理想的空天飞机、无人机、高超声速武器动力装置。此外，还可以用作轨道转移发动机、行星着陆发动机以及航天器姿态控制、卫星机动的动力装置。爆震动力技术的快速发展，为拓展应用领域提供了条件。发展配套产业链，有利于牵全产业链升级换代，促进科研成果向工业产值转化，形成产学研一体的良性环境。