民企自研爆震发动机，高超音速民用还远吗？

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导语：3月21日重庆推动比动力科技有限公司与空天飞行技术研究中心成功进行了 1000N 煤油燃料连续旋转爆震发动机点火试车实验。一说起中国的高端制造业，无论是战斗机，还是民航客机，发动机总是一个绕不过去的门槛，更别说是引起各航空强国极大兴趣的旋转爆震发动机。这是民营企业在发动机制造领域的一项大成就。那旋转爆震发动机到底是什么原理？如果爆震发动机在民用航空领域的应用，会带来什么样的改变？

1000N 连续旋转爆震发动机，图源“西部重庆科学城”公众号

一、 我国旋转爆震研究与世界同时起步、研究成果正向工程应用转化

一说到发动机，人们总是用“现代工业皇冠上的明珠”目前大部分航空发动机都是属于燃气涡轮型，随着近些年人们对旋转爆震机理、技术和工程化方面研究的愈加深入，旋转爆震发动机（RDE）已经成为未来航空动力领域最具潜力的变革者之一。

我国旋转爆震研究与世界同时起步，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，现阶段需要充分利用高校和研究院所优势资源开展研究，中科院力学所、清华大学等均围绕爆震发动机技术领域开展过不同程度的探索，并都取得突破，研究成果正向工程应用转化。

去年8月。重庆推动比动力科技有限公司（简称“推重比引擎”）与空天飞行技术研究中心联合研发的“H1-M连续旋转爆震发动机”成功完成百米轨道滑跑试验，发动机的设计推力为100N，如今只过去了 6 个多月，推重比引擎公司国内首台 1000N 连续旋转爆震发动机点火试车成功！

推重比H1连续旋转爆震发动机试车

其实早在2019年3月，重庆推重比在重庆大学的帮助下，就完成了首台多管并联脉冲爆震发动机点火试车。

2020年12月11日，中科院力学所高温气体动力实验室的姜宗林团队在《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，斜击波在理论上可以达到Ma16以上。

2022年5月1日，清华大学航天航空学院王兵教授团队研制的清航空天清航一号旋转爆震冲压发动机飞行试验评审会圆满召开，评审专家一致认为。清航一号旋转爆震冲压发动机圆满完成预定科学实验任务达到实验目的。这是国际范围内旋转爆震冲压发动机首次飞行试验。

清华大学旋转爆震发动机试验台

二、 相比涡扇发动机，爆震发动机是一个的理想解决方案

燃烧的形式可以分为爆燃和爆震。前者是通常意义上的燃烧，而后者在现实中最为常见的就是爆炸，其化学反应是通过爆震波来传播的，爆震的传播速度达到了千米每秒的量级，而爆燃的传播速度仅为米每秒的量级。

“爆震发动机”是一种基于爆震燃烧的新型动力装置，利用脉冲/连续旋转爆震波产生的高温、高压燃气来产生推力的新概念发动机。

而连续爆震发动机不仅可以搭配吸气式发动机，也可以搭配火箭发动机，甚至可以实现变循环工作，则被世界各国认为是相当具有未来潜力的发动机。

旋转爆震发动机示意图

连续爆震发动机的基本原理是：将爆震波限定在燃烧室内，而燃烧产物则排出做功。爆震燃烧较为接近等容燃烧，相比于采用等压燃烧，爆震发动机的熵增更小，拥有更高的热效率。此外，连续爆震发动机对来流条件的要求非常低，从而可以大大简化结构，减轻质量。

连续爆震发动机的剖面图

目前，连续爆震发动机的燃烧室通常设计成环形，也有设计成圆筒形的，与航空发动机中常见的短环形燃烧室有相似之处，如上图所示。当充分掺混的燃料和氧化剂进入燃烧室后，就会在爆震波的作用下燃烧。

爆震波在燃烧室内的传播

爆震波在燃烧室内沿圆周方向传播，不会离开燃烧室，因此，连续爆震发动机也称作旋转爆震发动机（RDE），爆震波的传播方向始终与来流方向和排气方向垂直，如上图所示。图中蓝色的区域是未反应的燃料和氧化剂，黄色部分是已燃烧产物。在爆震波沿周向传播时，已经反应的区域重新开始加注燃料。反应的产物从燃烧室的后部排出。

连续爆震发动机在一定程度上可以视作一种新型燃烧室，目前多将其应用于火箭、冲压和涡喷发动机上。由于连续爆震发动机与现有的火箭发动机结构上有很大的相似之处，可以高效地将现有的火箭发动机技术移植到连续爆震发动机上，提高发动机的比冲和推力；

旋转爆震发动机结构剖面图

这种发动机可以与涡扇发动机结合，成为继变循环发动机之后的下一代航空发动机，也称为第七代航空发动机，又成为自增压发动机，极有可能成为本世纪新型动力装置。国防科技大学进行过将连续爆震发动机用于冲压发动机的测试；此外，美国进行过将连续爆震发动机用于涡喷发动机的测试，均取得了一定程度上的成功。

三、连续爆震发动机在亚声速客机的应用展望

人类有一个航空航天梦，总是想飞得更快、更高、更远。在一百年前，有人试飞了80千米每小时的速度，那时候人们刚刚起步。之后我们可以以亚声速，飞到800千米/小时；相比于军用飞机和航天器，亚声速民机对于经济性、安全性和环保性更加重视。

采用连续爆震发动机，或者在保持现有的结构下采用连续爆震的方式，如下图所示，可以大幅提升发动机的性能。因为连续爆震发动机有着自压缩的特点，发动机可以在较低的增压比下产生更大的有效功，减小了压气机的负载，相应地减少了压气机的级数，进而降低对涡轮做功能力的要求；同时，连续爆震还有更高的热效率。一般来说，在机械设计中，越简单的结构可靠性越高，在采用了连续爆震燃烧室后，燃烧室乃至整个核心机的结构可以简化，提高了发动机的可靠性。

连续旋转爆震发动机的应用

四、连续爆震发动机在未来超声速客机的应用前景

现在的超声速技术可以飞到2800 千米/小时。,波音787可以飞到0.8倍声速；历史上来看，法国和英国的Concorde客机也飞到了2倍的声速。

假如我们用现在这样的发动机飞超高声速，即5倍以上的声速，情况会是什么样的呢？美国黑鸟喷气/冲压变循环发动机的飞行试验发现，当飞行马赫数达到3的时候，激波锥后的燃料不再与核心气流混合，涡轮段不再能提供推力。

变循环发动机示意图

高超声速飞行带来哪些学科问题和关键技术上的挑战？飞行马赫数越高，就意味着气体总温越高，动能越大。

马赫数10时可以达到4500度，马赫数25时可以达到11000度。这种高温带来了飞行器周边气体介质特性的改变，空气就不再是空气了，带来一种“热障”，相当于流星进入大气层时状态。看着是美丽的，但对我们飞行器的生存是残酷的。

若采用连续爆震发动机为基础研制变循环发动机来装备超声速客机或公务机的话，发动机可以在较大涵道比的涡扇发动机和冲压发动机之间切换，分别适应亚声速飞行和超声速飞行的需求。

这种发动机通过来流冲压降速到超声速，不再降到亚声速。这时候冲压以后的气体静温就会低一些。然后在超声速条件下，人们实现燃料和气体的超声速混合。在燃料室控制进气温度达到自燃点，混合气自己就燃烧了。我们再协调放热和随后的流动膨胀规律，再做发动机一体化设计。

结语：

旋转爆震发动机是未来航空动力重要的发展方向，随着爆震发动机的应用，未来10-20年计划以5倍以上的声速飞行，要飞8000 千米/小时。宇航技术推动了社会的发展，飞行速度改变了人类的生活模式。

从更高视角来看，它可以提高人们进入空间、探索空间、利用空间的能力，是航空航天领域的一个国际发展潮流。对我国来说，它可以强化航空航天工业和国家安全支柱，对于国民经济发展，国家安全的保障具有重大意义。

参考资料：

[1] 王健平,张树杰,姚松柏.连续爆震发动机的研究进展[J].宇航总体技术,2019.

[2] 王健平,周蕊,武丹.连续旋转爆震发动机的研究进展[J].实验流体力学,2015.

[3] 王健平,石天一,王宇辉,等.连续爆震发动机的实验研究[C].第十四届全国激波与激波管学术会议,2013.

[4] 邵业涛,刘勐,王健平.旋转爆震实现任意速度入流的连续爆震发动机[C].中国力学学会学术大会，2009.

[5] 王健平,姚松柏.连续爆震发动机原理与技术[M].北京:科学出版社，2017.

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[7] Norris G. Aerion closed in onsupersonic AS2 program launch. Aviation Week Network[EB/OL]. (2018-7-3)[2021-9-2].https://aviationweek.com/business-aviation/aerion-closes-supersonic-as2-program-launch.

[8]秦亚欣，脉冲爆震发动机和旋转爆震发动机发展研究

[9师迎晨，]高速飞行器的连续旋转爆震推进技术