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導(dǎo)語：3月21日重慶推動比動力科技有限公司（簡稱“推重比引擎”）與空天飛行技術(shù)研究中心成功進行了 1000N 煤油燃料連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機點火試車實驗。如果說這種新概念發(fā)動機對大多數(shù)人而言還很陌生，最吸引眼球的是新聞里的主角“推重比引擎”竟然是一家民營企業(yè)，一說起中國的高端制造業(yè)，無論是戰(zhàn)斗機，還是民航客機，發(fā)動機總是一個繞不過去的門檻。更別說是引起各航空強國極大興趣的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機是什么原理？如果連續(xù)爆震發(fā)動機在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用會帶來什么樣的改變？

一、 我國旋轉(zhuǎn)爆震研究與世界同時起步、研究成果正向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化

一說到發(fā)動機，人們總是用“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”目前大部分航空發(fā)動機都是屬于燃?xì)鉁u輪型，隨著近些年人們對旋轉(zhuǎn)爆震機理、技術(shù)和工程化方面研究的愈加深入，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機（RDE）已經(jīng)成為未來航空動力領(lǐng)域最具潛力的變革者之一。

我國旋轉(zhuǎn)爆震研究與世界同時起步，作為一種先進前沿的空天動力技術(shù)，涉及多個學(xué)科和復(fù)雜問題工程，具有很高的研制難度，現(xiàn)階段需要充分利用高校和研究院所優(yōu)勢資源開展研究，中科院力學(xué)所、清華大學(xué)等均圍繞爆震發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域開展過不同程度的探索，并都取得突破，研究成果正向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

去年8月。重慶推動比動力科技有限公司（簡稱“推重比引擎”）與空天飛行技術(shù)研究中心聯(lián)合研發(fā)的“H1-M連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機”成功完成百米軌道滑跑試驗，發(fā)動機的設(shè)計推力為100N，如今只過去了 6 個多月，推重比引擎公司國內(nèi)首臺 1000N 連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機點火試車成功！

其實早在2019年3月，重慶推重比在重慶大學(xué)的幫助下，就完成了首臺多管并聯(lián)脈沖爆震發(fā)動機點火試車。

2020年12月11日，中科院力學(xué)所高溫氣體動力實驗室的姜宗林團隊在《航空學(xué)報》上發(fā)表文章。宣布已經(jīng)在M9風(fēng)洞里進行氫燃料的斜爆震發(fā)動機的成功測試，斜擊波在理論上可以達(dá)到Ma16以上。

2022年5月1日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院王兵教授團隊研制的清航空天清航一號旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機飛行試驗評審會圓滿召開，評審專家一致認(rèn)為。清航一號旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機圓滿完成預(yù)定科學(xué)實驗任務(wù)達(dá)到實驗?zāi)康?。這是國際范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機首次飛行試驗。

二、 相比渦扇發(fā)動機，爆震發(fā)動機是一個理想的解決方案

燃燒的形式可以分為爆燃和爆震。前者是通常意義上的燃燒，而后者在現(xiàn)實中最為常見的就是爆炸，其化學(xué)反應(yīng)是通過爆震波來傳播的，爆震的傳播速度達(dá)到了千米每秒的量級，而爆燃的傳播速度僅為米每秒的量級。

“爆震發(fā)動機”是一種基于爆震燃燒的新型動力裝置，利用脈沖/連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)鈦懋a(chǎn)生推力的新概念發(fā)動機。

而連續(xù)爆震發(fā)動機不僅可以搭配吸氣式發(fā)動機，也可以搭配火箭發(fā)動機，甚至可以實現(xiàn)變循環(huán)工作，則被世界各國認(rèn)為是相當(dāng)具有未來潛力的發(fā)動機。

連續(xù)爆震發(fā)動機的基本原理是：將爆震波限定在燃燒室內(nèi)，而燃燒產(chǎn)物則排出做功。爆震燃燒較為接近等容燃燒，相比于采用等壓燃燒，爆震發(fā)動機的熵增更小，擁有更高的熱效率。此外，連續(xù)爆震發(fā)動機對來流條件的要求非常低，從而可以大大簡化結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量。

目前，連續(xù)爆震發(fā)動機的燃燒室通常設(shè)計成環(huán)形，也有設(shè)計成圓筒形的，與航空發(fā)動機中常見的短環(huán)形燃燒室有相似之處，如上圖所示。當(dāng)充分摻混的燃料和氧化劑進入燃燒室后，就會在爆震波的作用下燃燒。

爆震波在燃燒室內(nèi)沿圓周方向傳播，不會離開燃燒室，因此，連續(xù)爆震發(fā)動機也稱作旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機（RDE），爆震波的傳播方向始終與來流方向和排氣方向垂直，如上圖所示。圖中藍(lán)色的區(qū)域是未反應(yīng)的燃料和氧化劑，黃色部分是已燃燒產(chǎn)物。在爆震波沿周向傳播時，已經(jīng)反應(yīng)的區(qū)域重新開始加注燃料。反應(yīng)的產(chǎn)物從燃燒室的后部排出。

連續(xù)爆震發(fā)動機在一定程度上可以視作一種新型燃燒室，目前多將其應(yīng)用于火箭、沖壓和渦噴發(fā)動機上。由于連續(xù)爆震發(fā)動機與現(xiàn)有的火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)上有很大的相似之處，可以高效地將現(xiàn)有的火箭發(fā)動機技術(shù)移植到連續(xù)爆震發(fā)動機上，提高發(fā)動機的比沖和推力；

這種發(fā)動機可以與渦扇發(fā)動機結(jié)合，成為繼變循環(huán)發(fā)動機之后的下一代航空發(fā)動機，也稱為第七代航空發(fā)動機，又成為自增壓發(fā)動機，極有可能成為本世紀(jì)新型動力裝置。國防科技大學(xué)進行過將連續(xù)爆震發(fā)動機用于沖壓發(fā)動機的測試；此外，美國進行過將連續(xù)爆震發(fā)動機用于渦噴發(fā)動機的測試，均取得了一定程度上的成功。

三、連續(xù)爆震發(fā)動機在亞聲速客機的應(yīng)用展望

人類有一個航空航天夢，總是想飛得更快、更高、更遠(yuǎn)。在一百年前，有人試飛了80千米每小時的速度，那時候人們剛剛起步。之后我們可以以亞聲速，飛到800千米/小時；相比于軍用飛機和航天器，亞聲速民機對于經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性更加重視。

采用連續(xù)爆震發(fā)動機，或者在保持現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)下采用連續(xù)爆震的方式，如下圖所示，可以大幅提升發(fā)動機的性能。因為連續(xù)爆震發(fā)動機有著自壓縮的特點，發(fā)動機可以在較低的增壓比下產(chǎn)生更大的有效功，減小了壓氣機的負(fù)載，相應(yīng)地減少了壓氣機的級數(shù)，進而降低對渦輪做功能力的要求；同時，連續(xù)爆震還有更高的熱效率。一般來說，在機械設(shè)計中，越簡單的結(jié)構(gòu)可靠性越高，在采用了連續(xù)爆震燃燒室后，燃燒室乃至整個核心機的結(jié)構(gòu)可以簡化，提高了發(fā)動機的可靠性。

四、連續(xù)爆震發(fā)動機在未來超聲速客機的應(yīng)用前景

現(xiàn)在的超聲速技術(shù)可以飛到2800 千米/小時。,波音787可以飛到0.8倍聲速；歷史上來看，法國和英國的Concorde客機也飛到了2倍的聲速。

假如我們用現(xiàn)在這樣的發(fā)動機飛超高聲速，即5倍以上的聲速，情況會是什么樣的呢？美國黑鳥噴氣/沖壓變循環(huán)發(fā)動機的飛行試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛行馬赫數(shù)達(dá)到3的時候，激波錐后的燃料不再與核心氣流混合，渦輪段不再能提供推力。

高超聲速飛行帶來哪些學(xué)科問題和關(guān)鍵技術(shù)上的挑戰(zhàn)？飛行馬赫數(shù)越高，就意味著氣體總溫越高，動能越大。

馬赫數(shù)10時可以達(dá)到4500度，馬赫數(shù)25時可以達(dá)到11000度。這種高溫帶來了飛行器周邊氣體介質(zhì)特性的改變，空氣就不再是空氣了，帶來一種“熱障”，相當(dāng)于流星進入大氣層時狀態(tài)。看著是美麗的，但對我們飛行器的生存是殘酷的。

若采用連續(xù)爆震發(fā)動機為基礎(chǔ)研制變循環(huán)發(fā)動機來裝備超聲速客機或公務(wù)機的話，發(fā)動機可以在較大涵道比的渦扇發(fā)動機和沖壓發(fā)動機之間切換，分別適應(yīng)亞聲速飛行和超聲速飛行的需求。

這種發(fā)動機通過來流沖壓降速到超聲速，不再降到亞聲速。這時候沖壓以后的氣體靜溫就會低一些。然后在超聲速條件下，人們實現(xiàn)燃料和氣體的超聲速混合。在燃料室控制進氣溫度達(dá)到自燃點，混合氣自己就燃燒了。我們再協(xié)調(diào)放熱和隨后的流動膨脹規(guī)律，再做發(fā)動機一體化設(shè)計。

結(jié)語：

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機是未來航空動力重要的發(fā)展方向，隨著爆震發(fā)動機的應(yīng)用，未來10-20年計劃以5倍以上的聲速飛行，要飛8000 千米/小時。宇航技術(shù)推動了社會的發(fā)展，飛行速度改變了人類的生活模式。

從更高視角來看，它可以提高人們進入空間、探索空間、利用空間的能力，是航空航天領(lǐng)域的一個國際發(fā)展潮流。對我國來說，它可以強化航空航天工業(yè)和國家安全支柱，對于國民經(jīng)濟發(fā)展，國家安全的保障具有重大意義。

參考資料：

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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]秦亞欣，脈沖爆震發(fā)動機和旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機發(fā)展研究

[9師迎晨，]高速飛行器的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震推進技術(shù)

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