旋轉爆震發動機研制新進展

■ 秦亞欣 / 中國航發研究院

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

旋轉爆震發動機試驗測試

旋轉爆震發動機（RDE）采用環形燃燒室，推進劑從燃燒室的封閉端噴入，產生一個或多個爆震波在燃燒室頭部旋轉傳播，燃燒產物從另一端高速排出，從而產生推力[1]。爆震燃燒過程接近定容燃燒且能夠實現自增壓，因此具有較高的循環效率，被認為是最有可能替代等壓循環而成為下一代發動機的熱力循環方式。旋轉爆震發動機在航天領域可以在火箭和沖壓兩種模態下工作，在航空領域可以與渦輪發動機組合形成旋轉爆震渦輪發動機，具有燃燒速度快、自增壓、自維持、結構簡單和效率高等優勢。自20世紀60年代蘇聯學者提出旋轉爆震發動機的概念以來，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動機的理論、數值以及偏工程應用的試驗研究工作，已經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燃氣渦輪發動機的原理樣機，試驗發現旋轉爆震燃燒比傳統等壓燃燒降低了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動機為動力的巡航導彈。幾個月后，由AFRL主導的支持經濟可承受任務的先進渦輪發動機技術（ATTAM）計劃中，首次將旋轉爆震發動機列為優先發展方向并擁有最高優先級。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動機的開發、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，用于開發旋轉爆震發動機，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行。這份合同將遵循普惠公司鱷魚工廠（GatorWorks）的快速開發原則，美國空軍現在提出的是較為緊迫的現實要求，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的旋轉爆震發動機測試打下基礎。根據高性能計算現代化計劃（HPCMP）支持的2022財年項目清單，在過去3年里，AFRL增加了4個先進旋轉爆震發動機技術開發項目：一是可在隱身戰斗機彈艙內攜帶的、速度為馬赫數（Ma）3的空地導彈，采用液體燃料旋轉爆震沖壓發動機；二是采用固體燃料增壓燃燒發動機的空空導彈；三是可替代渦輪發動機加力燃燒段的旋轉爆震發動機系統；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、燃燒室內爆震波傳播模態、爆震波自持傳播機理、燃燒室內壓力對上游的影響?？偟膩砜?，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。

旋轉爆震發動機內部結構示意圖

旋轉爆震燃燒數值模擬

俄羅斯： 全尺寸旋轉爆震火箭發動機成功試驗

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動機進行了試驗，獲得了頻率約20kHz的可穩定傳播的旋轉爆震波（大致為8000r/s的傳播速度），并產生穩定推力。試驗發現，相對于相同推力量級的常規火箭發動機，旋轉爆震火箭發動機的推力提高了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動機的性能優勢。

據俄羅斯衛星網、俄新社等多家媒體報道，俄羅斯戰略導彈部隊于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，很可能是以爆震發動機為動力。

2017年俄羅斯科學院開展了旋轉爆震沖壓發動機風洞試驗，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動機

法國：基于沖壓旋轉爆震發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。2011年6月21日，MBDA公司公布基于旋轉爆震發動機的“英仙座”超聲速導彈系統概念，指出新型的沖壓旋轉爆震發動機大大提升了超聲速導彈的性能,基于沖壓旋轉爆震發動機的“英仙座”超聲速導彈預計于2030年列裝。

旋轉爆震發動機試驗臺

MBDA公司旋轉爆震沖壓發動機

波蘭： 驗證了爆震渦輪發動機的可行性

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。

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，并對旋轉爆震發動機的工作過程、爆震燃燒觸發、爆震波穩定傳播等基礎技術形成了系統性的認識，諸多關鍵技術取得實質性進展，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、液態碳氫燃料旋轉爆震燃燒組織等，為突破旋轉爆震渦輪發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、爆震波的穩定性和壓力回傳等問題。在旋轉爆震沖壓發動機方面，31所開展了基于液態碳氫燃料的旋轉爆震沖壓發動機部件匹配研究，成功實現了旋轉爆震燃燒組織，驗證了旋轉爆震沖壓發動機原理的可行性。在旋轉爆震渦輪發動機方面，開展了基于旋轉爆震燃燒的渦輪發動機方案論證，包括主燃燒室替代方案以及加力燃燒室方案等。

北京大學開展了數值仿真和試驗研究[5]，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。

清華大學自主設計了新型旋轉爆震沖壓發動機，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。

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。

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。

旋轉爆震發動機發展思考

旋轉爆震發動機相比傳統渦輪發動機具有熱循環效率高、結構簡單、耗油率低等優勢，使其在戰斗機、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；遠期可作為戰略飛機、航天飛機組合動力裝置。

旋轉爆震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，距離工程化應用還有一定的距離。根據飛機對高效率、高性能發動機的需求，從旋轉爆震發動機工程應用背景出發，采用產學研用相結合的方式，協同技術攻關，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，以渦輪發動機為基礎，開展旋轉爆震燃燒室與渦輪發動機的匹配驗證工作，最終完成旋轉爆震發動機產品研制工作，實現航空發動機自主創新和跨越發展。

結束語

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