出品|網(wǎng)易新聞

導(dǎo)語(yǔ)：3月21日重慶推動(dòng)比動(dòng)力科技有限公司與空天飛行技術(shù)研究中心成功進(jìn)行了 1000N 煤油燃料連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試車實(shí)驗(yàn)。一說(shuō)起中國(guó)的高端制造業(yè)，無(wú)論是戰(zhàn)斗機(jī)，還是民航客機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)總是一個(gè)繞不過(guò)去的門(mén)檻，更別說(shuō)是引起各航空強(qiáng)國(guó)極大興趣的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。這是民營(yíng)企業(yè)在發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)大成就。那旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)到底是什么原理？如果爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用，會(huì)帶來(lái)什么樣的改變？

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

一說(shuō)到發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)都是屬于燃?xì)鉁u輪型，隨著近些年人們對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震機(jī)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(dòng)機(jī)（RDE）已經(jīng)成為未來(lái)航空動(dòng)力領(lǐng)域最具潛力的變革者之一。

我國(guó)旋轉(zhuǎn)爆震研究與世界同時(shí)起步，作為一種先進(jìn)前沿的空天動(dòng)力技術(shù)，涉及多個(gè)學(xué)科和復(fù)雜問(wèn)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(shì)資源開(kāi)展研究，中科院力學(xué)所、清華大學(xué)等均圍繞爆震發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展過(guò)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(dòng)比動(dòng)力科技有限公司（簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)”成功完成百米軌道滑跑試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)推力為100N，如今只過(guò)去了 6 個(gè)多月，推重比引擎公司國(guó)內(nèi)首臺(tái) 1000N 連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試車成功！

其實(shí)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(tái)多管并聯(lián)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試車。

2020年12月11日，中科院力學(xué)所高溫氣體動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的姜宗林團(tuán)隊(duì)在《航空學(xué)報(bào)》上發(fā)表文章。宣布已經(jīng)在M9風(fēng)洞里進(jìn)行氫燃料的斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的成功測(cè)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(tuán)隊(duì)研制的清航空天清航一號(hào)旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)評(píng)審會(huì)圓滿召開(kāi)，評(píng)審專家一致認(rèn)為。清航一號(hào)旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)圓滿完成預(yù)定科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹＿@是國(guó)際范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)首次飛行試驗(yàn)。

二、 相比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)的理想解決方案

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(shí)中最為常見(jiàn)的就是爆炸，其化學(xué)反應(yīng)是通過(guò)爆震波來(lái)傳播的，爆震的傳播速度達(dá)到了千米每秒的量級(jí)，而爆燃的傳播速度僅為米每秒的量級(jí)。

“爆震發(fā)動(dòng)機(jī)”是一種基于爆震燃燒的新型動(dòng)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?lái)產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)。

而連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以搭配吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以搭配火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至可以實(shí)現(xiàn)變循環(huán)工作，則被世界各國(guó)認(rèn)為是相當(dāng)具有未來(lái)潛力的發(fā)動(dòng)機(jī)。

連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的熵增更小，擁有更高的熱效率。此外，連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)來(lái)流條件的要求非常低，從而可以大大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量。

目前，連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室通常設(shè)計(jì)成環(huán)形，也有設(shè)計(jì)成圓筒形的，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)中常見(jiàn)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(jìn)入燃燒室后，就會(huì)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(huì)離開(kāi)燃燒室，因此，連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)也稱作旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（RDE），爆震波的傳播方向始終與來(lái)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(shí)，已經(jīng)反應(yīng)的區(qū)域重新開(kāi)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)上。由于連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)與現(xiàn)有的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)技術(shù)移植到連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)上，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力；

這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合，成為繼變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)之后的下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)，也稱為第七代航空發(fā)動(dòng)機(jī)，又成為自增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，極有可能成為本世紀(jì)新型動(dòng)力裝置。國(guó)防科技大學(xué)進(jìn)行過(guò)將連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)用于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試；此外，美國(guó)進(jìn)行過(guò)將連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)用于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試，均取得了一定程度上的成功。

三、連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在亞聲速客機(jī)的應(yīng)用展望

人類有一個(gè)航空航天夢(mèng)，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(shí)的速度，那時(shí)候人們剛剛起步。之后我們可以以亞聲速，飛到800千米/小時(shí)；相比于軍用飛機(jī)和航天器，亞聲速民機(jī)對(duì)于經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性更加重視。

采用連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)的性能。因?yàn)檫B續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)有著自壓縮的特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的負(fù)載，相應(yīng)地減少了壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)，進(jìn)而降低對(duì)渦輪做功能力的要求；同時(shí)，連續(xù)爆震還有更高的熱效率。一般來(lái)說(shuō)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，越簡(jiǎn)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(gè)核心機(jī)的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

四、連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)超聲速客機(jī)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(shí)。,波音787可以飛到0.8倍聲速；歷史上來(lái)看，法國(guó)和英國(guó)的Concorde客機(jī)也飛到了2倍的聲速。

假如我們用現(xiàn)在這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)飛超高聲速，即5倍以上的聲速，情況會(huì)是什么樣的呢？美國(guó)黑鳥(niǎo)噴氣/沖壓變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛行馬赫數(shù)達(dá)到3的時(shí)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(lái)哪些學(xué)科問(wèn)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(dòng)能越大。

馬赫數(shù)10時(shí)可以達(dá)到4500度，馬赫數(shù)25時(shí)可以達(dá)到11000度。這種高溫帶來(lái)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(lái)一種“熱障”，相當(dāng)于流星進(jìn)入大氣層時(shí)狀態(tài)?？粗敲利惖?，但對(duì)我們飛行器的生存是殘酷的。

若采用連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)研制變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)裝備超聲速客機(jī)或公務(wù)機(jī)的話，發(fā)動(dòng)機(jī)可以在較大涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)通過(guò)來(lái)流沖壓降速到超聲速，不再降到亞聲速。這時(shí)候沖壓以后的氣體靜溫就會(huì)低一些。然后在超聲速條件下，人們實(shí)現(xiàn)燃料和氣體的超聲速混合。在燃料室控制進(jìn)氣溫度達(dá)到自燃點(diǎn)，混合氣自己就燃燒了。我們?cè)賲f(xié)調(diào)放熱和隨后的流動(dòng)膨脹規(guī)律，再做發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)：

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是未來(lái)航空動(dòng)力重要的發(fā)展方向，隨著爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，未來(lái)10-20年計(jì)劃以5倍以上的聲速飛行，要飛8000 千米/小時(shí)。宇航技術(shù)推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展，飛行速度改變了人類的生活模式。

從更高視角來(lái)看，它可以提高人們進(jìn)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(gè)國(guó)際發(fā)展潮流。對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，它可以強(qiáng)化航空航天工業(yè)和國(guó)家安全支柱，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國(guó)家安全的保障具有重大意義。

參考資料：

[1] 王健平,張樹(shù)杰,姚松柏.連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展[J].宇航總體技術(shù),2019.

[2] 王健平,周蕊,武丹.連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2015.

[3] 王健平,石天一,王宇輝,等.連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[C].第十四屆全國(guó)激波與激波管學(xué)術(shù)會(huì)議,2013.

[4] 邵業(yè)濤,劉勐,王健平.旋轉(zhuǎn)爆震實(shí)現(xiàn)任意速度入流的連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)[C].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)，2009.

[5] 王健平,姚松柏.連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)原理與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2017.

[6] 王宇輝,何修杰.旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2017

[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(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)技術(shù)