馮子軒，王愛峰，姚軒宇，韓旭東，鞏二磊

(1.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，北京100097；2.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京，101304)

1 引言

燃燒通常分為爆燃和爆震兩種模式。與爆燃相比，爆震具有釋放速率快、自增壓、熱循環(huán)效率高、熵增小等優(yōu)點(diǎn)。近年來以爆震作為燃燒方式的發(fā)動(dòng)機(jī)受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，研究人員對爆震發(fā)動(dòng)機(jī)開展了理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，爆震發(fā)動(dòng)機(jī)有望突破傳統(tǒng)以緩燃作為主要燃燒方式的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過程中遇到的瓶頸。本文回顧了爆震發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷程，梳理了爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研制需解決的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)討論了爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)技術(shù)方案。

2 爆震發(fā)動(dòng)機(jī)類型

采用爆震燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)主要有：脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)、連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)、斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子等。

2.1 脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)[1](圖1)需要連續(xù)點(diǎn)火起爆，利用周期性爆震波產(chǎn)生推力。脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作階段包括充氣、點(diǎn)火、做功和排氣階段。

2.2 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)[2](圖2)只需一次點(diǎn)火起爆，爆震波在環(huán)形燃燒室內(nèi)自循環(huán)連續(xù)傳播持續(xù)產(chǎn)生推力。

2.3 斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)[3](圖3)無需額外點(diǎn)火起爆，燃料在進(jìn)氣道頭部噴注并與超聲速氣流摻混，利用超高速氣流在機(jī)體上形成的斜激波預(yù)壓縮和加熱誘導(dǎo)產(chǎn)生駐定爆震波，可燃混合物在燃燒室內(nèi)以駐定斜爆震的方式充分燃燒后膨脹產(chǎn)生推力。

2.4 內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子

內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子[4](圖4)是采用連續(xù)工作熱射流作為點(diǎn)火源，一系列沿周向均勻分布的波轉(zhuǎn)子通道繞中心軸旋轉(zhuǎn)，波轉(zhuǎn)子通道旋轉(zhuǎn)經(jīng)過進(jìn)氣端口、點(diǎn)火端口和排氣端口時(shí)依次經(jīng)歷混氣填充、點(diǎn)火及爆震燃燒、排氣等過程，高溫高壓燃?xì)饨?jīng)排氣端口排出，推動(dòng)渦輪產(chǎn)生軸功率。

3 國內(nèi)外研究進(jìn)展

3.1 脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

美國、俄羅斯、日本等國已針對脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用需求開展了大量的試驗(yàn)研究和樣機(jī)試制，取得了階段性成果[5-7]。美國空軍于2008年首次以PDE為動(dòng)力，在改進(jìn)型Long-EZ飛機(jī)上進(jìn)行了成功的飛行演示試驗(yàn)。俄羅斯留里卡試驗(yàn)設(shè)計(jì)局于2017年研制出兩級燃燒脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)并已完成試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率比傳統(tǒng)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提高了1.5倍。日本筑波大學(xué)于2007年研制的一臺(tái)脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已在導(dǎo)軌上成功試車。

國內(nèi)高校、科研院所等在增推、起爆、燃料噴射與混合、多管并聯(lián)等重要關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究。西北工業(yè)大學(xué)發(fā)展了兩種不同尺寸的汽油/空氣為燃料的6管并聯(lián)吸氣式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(APDE)；南京航空航天大學(xué)分別設(shè)計(jì)了兩種內(nèi)徑為100 mm的3管和61 mm的6管的氣動(dòng)閥式脈沖爆震試驗(yàn)樣機(jī)，單管頻率30 Hz，多管最高頻率可達(dá)90 Hz；中國科學(xué)院力學(xué)所設(shè)計(jì)了單管PDE，采用汽油與氧氣預(yù)混，成功進(jìn)行了單管工作頻率為50 Hz的爆震點(diǎn)火試驗(yàn)；南京理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一臺(tái)內(nèi)徑30 mm、總長900 mm的火箭式氣液兩相小型脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，以汽油為燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)能在10～40 Hz頻率下多循環(huán)穩(wěn)定工作；航天科工三院31所以彈用PDE為背景，設(shè)計(jì)了6管共用進(jìn)氣裝置PDE地面試驗(yàn)原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了在總頻率60 Hz下的穩(wěn)定工作，并產(chǎn)生450 N的正向推力。

3.2 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

美國、俄羅斯、法國、波蘭等國對旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)開展了大量的旋轉(zhuǎn)爆震數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[8-13]。美國從2010年到2015年已經(jīng)開展了旋轉(zhuǎn)爆震原理驗(yàn)證、等離子點(diǎn)火試驗(yàn)、液態(tài)燃料點(diǎn)火試驗(yàn)和采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室替代主燃燒室的測試。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了將旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室集成到T63燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的原理樣機(jī)，用于降低NOx排放；美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室正在研究利用旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)降低燃?xì)廨啓C(jī)燃料消耗的可能性。俄羅斯科學(xué)院于2017年開展了自由來流馬赫數(shù)為4～8的氫燃料旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)，最大比沖達(dá)3600 s。法國將連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究列入了法國國家科技研究中心的未來推進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目中。波蘭與日本、新加坡通過國際合作開展了旋轉(zhuǎn)爆震研究[8]，將傳統(tǒng)的等壓燃燒室替換為連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室，通過試驗(yàn)初步驗(yàn)證了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震應(yīng)用于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性。

國內(nèi)在旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)方面的工程技術(shù)研究與國外幾乎同時(shí)起步，各高校、科研院所在爆震機(jī)理方面開展了大量的基礎(chǔ)研究。北京大學(xué)在國內(nèi)首先開展了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，提出了無內(nèi)柱設(shè)計(jì)，較好地規(guī)避了內(nèi)柱燒蝕問題；國防科技大學(xué)于2017年開展了自由射流旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究，采用的燃燒室外徑120 mm、內(nèi)徑80 mm、長度660 mm，燃料比沖為2510 s。南京理工大學(xué)利用富氧空氣和汽油在環(huán)形進(jìn)氣燃燒室中開展試驗(yàn)研究，進(jìn)行了燃燒室內(nèi)雙波碰撞模態(tài)的推力測試。航天科工三院31所開展了火箭式旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)研究，采用的燃料包括氣態(tài)燃料和液態(tài)碳?xì)淙剂希槍σ豢钔鈴綖?00 mm的發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)算得到的流量為 5.94 kg/s，比沖為1649 s。

3.3 斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

國外對斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究要追溯到20世紀(jì)50年代，美國密西根大學(xué)的Dunlap等[14]首次把穩(wěn)定的爆震燃燒方式應(yīng)用于吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。60年代之后，建立了初步的斜爆震波的駐定邊界模型[15]。80年代后開展了大量的斜爆震波流場結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)以證實(shí)斜爆震復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)[16]，同時(shí)總體性能和設(shè)計(jì)方法也得到相應(yīng)的發(fā)展。

國內(nèi)對斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究始于20世紀(jì)90年代。航天科工三院31所在2011年提出了帶有磁流體能量旁路的駐定爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，開展了馬赫數(shù)8～12飛發(fā)一體化全流場數(shù)值仿真。國防科技大學(xué)開展了馬赫數(shù)3的斜坡誘導(dǎo)斜爆震波的試驗(yàn)研究，提出了一種超聲速爆震發(fā)動(dòng)機(jī)及其推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專利。中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院建立了斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)了飛行馬赫數(shù)8、飛行高度30 km的斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)模型。中國科學(xué)院力學(xué)研究所開展了斜爆震波結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)值仿真研究，針對斜爆震波陣面上出現(xiàn)的突變和平滑兩種結(jié)構(gòu)，首次提出了判定準(zhǔn)則。

3.4 內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

美國、英國等在內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)方面開展了相關(guān)的論證、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證研究。GE公司于1956～1959年設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子驗(yàn)證機(jī)[17]；90年代，NASA[18]選擇CV501-KB5S發(fā)動(dòng)機(jī)為基準(zhǔn)機(jī)(圖5)，開展內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子作為未來燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的相關(guān)技術(shù)研究。羅·羅公司、普渡大學(xué)等于2000年組成聯(lián)合團(tuán)隊(duì)[19-20]開展內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子燃燒過程及燃燒性能研究(圖6)，2009年進(jìn)行了初步燃燒試驗(yàn)。試驗(yàn)以乙烯為燃料，空氣為氧化劑，波轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2100 r/min，成功實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子的增壓燃燒。

國內(nèi)關(guān)于內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子研究起步較晚，主要開展了內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方法、工作機(jī)制、燃燒過程等的探索性研究。南京航空航天大學(xué)建立了內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子試驗(yàn)系統(tǒng)，采用乙烯為燃料，空氣為氧化劑，成功實(shí)現(xiàn)了增壓燃燒。試驗(yàn)過程中，利用動(dòng)態(tài)壓力傳感器采集波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)燃燒波、膨脹波等復(fù)雜波系的發(fā)展過程，同時(shí)利用高速攝影技術(shù)拍攝了波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ミ^程。

4 主要問題

4.1 脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

(1)進(jìn)氣系統(tǒng)

爆震燃燒室的進(jìn)氣系統(tǒng)直接影響到PDE的工作和起爆系統(tǒng)的性能，爆震燃燒室重新填注混合均勻的反應(yīng)物所需的時(shí)間將直接決定推進(jìn)系統(tǒng)的最大工作頻率。脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣口吸入空氣，混合燃料，此時(shí)與一般的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)最大的不同是存在吸氣閥門。在產(chǎn)生爆震波、噴出高溫高壓氣體期間，從進(jìn)氣口流入的空氣不能流入爆震管，由閥門暫時(shí)堵住，在高溫高壓燃?xì)馀懦龊?，再由閥門進(jìn)氣與燃料混合。所以在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究中，進(jìn)氣閥門的開發(fā)很重要。

(2)起爆與控制

爆震起爆裝置是最重要的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。一方面，脈沖爆震需要高頻點(diǎn)火；另一方面，直接起爆爆震所要求的臨界能量非常高，且與飛行狀態(tài)有關(guān)。因此，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用間接起爆，以較低的點(diǎn)火能量，通過由爆燃向爆震轉(zhuǎn)變(DDT)的過程實(shí)現(xiàn)起爆。對于活性較低的混合物，DDT的距離較長。PDE的工作頻率必須達(dá)到高頻才能投入到實(shí)際應(yīng)用中，必須解決DDT強(qiáng)化、爆震波起爆以及非受限環(huán)境傳播和過渡等技術(shù)問題。

(3)燃料選擇和供給

為發(fā)展實(shí)用型脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，考慮到燃料的安全儲(chǔ)備條件，典型的航空燃料(如JP-10)及碳?xì)浠衔锶剂鲜悄壳暗闹饕x擇。但是由于爆震起爆對于燃料與氧化劑混合情況敏感，液體燃料對臨界能量要求高，所以液體燃料供給通常采用以下兩種形式。即在冷卻燃燒室壁面的同時(shí)，液體燃料被蒸發(fā)并以燃?xì)獾男问絿娚溥M(jìn)燃燒室，或液體燃料以均勻的噴霧進(jìn)入燃燒室。相應(yīng)的燃料供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)還有待發(fā)展。

(4) 多管并聯(lián)及輔助系統(tǒng)[7]

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)投入實(shí)際應(yīng)用中，需要多個(gè)爆震室并聯(lián)產(chǎn)生強(qiáng)大的推力。多個(gè)爆震室使用共同的進(jìn)氣道和噴管，而爆震過程對來流條件敏感，因此進(jìn)氣道設(shè)計(jì)存在巨大的困難，需要研究進(jìn)氣道與多管爆震室高效一體化的方法。實(shí)際應(yīng)用中，還需要完善燃料存儲(chǔ)與增壓、噴注和起爆、閥門控制和燃燒控制等系統(tǒng)，形成一體化綜合設(shè)計(jì)方案。

4.2 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

(1)進(jìn)氣道和隔離段設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：一是發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得其隔離段通常為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且內(nèi)外壁間寬度較小，激波與邊界層相互作用更加劇烈，流場關(guān)系更加復(fù)雜；二是隔離段出口的反壓分布表現(xiàn)出空間不均勻性，爆震波掃過的區(qū)域壓力高，其他環(huán)面區(qū)域則保持相對較低的恢復(fù)區(qū)壓力，且每一位置的壓力還隨時(shí)間變化。爆震波穩(wěn)定傳播時(shí)，通過運(yùn)動(dòng)的螺旋激波對上游來流產(chǎn)生作用，且燃燒室背壓越大，運(yùn)動(dòng)激波影響區(qū)域越大，對上游的影響越劇烈。綜合其獨(dú)特的構(gòu)型以及更加惡劣的反壓環(huán)境，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段可能會(huì)展現(xiàn)出不同于常規(guī)隔離段的新的流動(dòng)特性，有必要對其開展相關(guān)研究。

(2) 液體燃料霧化和氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆震[9]

沖壓式工作模態(tài)和火箭式工作模態(tài)下旋轉(zhuǎn)爆震本質(zhì)均是爆震波的持續(xù)傳播，其工作原理相同、過程類似，但火箭式工作模態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)利用攜帶的氧化劑與燃料混合，沖壓式工作模態(tài)吸入大氣中的空氣，影響可燃混合氣的形成，進(jìn)而影響旋轉(zhuǎn)爆震的自持傳播過程。因此，需對液體燃料霧化和氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆震展開研究。

(3) 穩(wěn)定可靠的起爆方法[21]

火箭式工作模態(tài)下旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)大都以氧氣作氧化劑，以提高混合氣的活性。當(dāng)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作在沖壓式工作模態(tài)時(shí)，只能以空氣作氧化劑。相對于純氧，以空氣作氧化劑時(shí)，爆震發(fā)動(dòng)機(jī)初始時(shí)直接起爆的難度較大，有必要對以空氣作氧化劑的沖壓式工作模態(tài)下的旋轉(zhuǎn)爆震的起爆特性進(jìn)行研究。沖壓式旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在超聲速飛行過程可能需要重新點(diǎn)火，因此需研究超聲速來流中爆震的起爆問題。

(4)超聲速來流中旋轉(zhuǎn)爆震波的自持傳播

爆震波的傳播過程本身是非穩(wěn)定的，其速度會(huì)出現(xiàn)周期性的波動(dòng)[21-22]。此外，由于燃料和氧化劑摻混以及超聲速來流不均勻，也可能導(dǎo)致爆震波不穩(wěn)定傳播，如傳播過程中波頭數(shù)目、傳播方向發(fā)生變化，爆震波熄滅和再起爆。同時(shí)，真實(shí)燃燒室構(gòu)型復(fù)雜多變，在復(fù)雜燃燒室型面條件下，旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播特性和模態(tài)均有待研究。

(5)爆震波與渦輪和壓氣機(jī)的匹配

在旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，爆震燃燒室位于壓氣機(jī)和渦輪之間，爆震波在燃燒室周期性傳播，流場在時(shí)間和空間上并不均勻，而壓氣機(jī)和渦輪只有在穩(wěn)態(tài)流場中才能獲得最佳效率。爆震波產(chǎn)生的高壓阻礙了壓氣機(jī)進(jìn)氣，使壓氣機(jī)葉片承受較大的應(yīng)力，可能導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振。爆震波誘導(dǎo)的斜激波可能直接沖擊渦輪葉片，后方斜激波經(jīng)過渦輪葉片，一方面高溫燃?xì)庠谌~盆區(qū)滯止產(chǎn)生高壓區(qū)，葉片需周期性承受較大應(yīng)力；另一方面會(huì)產(chǎn)生向上游傳播的反射激波，可能影響爆震室的進(jìn)氣。燃燒室出口，部分區(qū)域是超聲速，部分區(qū)域是亞聲速，這給渦輪最優(yōu)設(shè)計(jì)增加了難度。因此，需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)爆震流場特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)爆震波與壓氣機(jī)和渦輪的匹配。

4.3 斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

(1)斜爆震駐定模型的建立

斜爆震能起爆并駐定是采用其作為高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)極大優(yōu)勢。但通常情況下，并不是每種飛行狀態(tài)都能使斜爆震成功起爆并駐定，因此斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中最大的難點(diǎn)是斜爆震的駐定問題。

(2)斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)及燃料噴射混合耦合設(shè)計(jì)技術(shù)

斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料從進(jìn)氣道一級壓縮板流入，與來流空氣混合后進(jìn)入燃燒室。超高速條件下燃料與空氣的混合極其困難，且混合不均將造成駐定斜爆震無法形成而使發(fā)動(dòng)機(jī)失去動(dòng)力，這與常規(guī)的高超聲速進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法截然不同。因此，需要探索涉及多組分非平衡流的超高速進(jìn)氣系統(tǒng)及燃料噴射混合耦合設(shè)計(jì)技術(shù)。

(3)斜爆震燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)

斜爆震燃燒室中存在著斜激波、斜爆震波、橫向激波等波系，使得不同飛行馬赫數(shù)條件下斜爆震波不能對噴管進(jìn)口處進(jìn)行封口，這會(huì)造成噴管進(jìn)口下壁面附近產(chǎn)生低速高溫區(qū)，從而影響斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。需要對斜爆震燃燒的機(jī)理進(jìn)行深入研究，并采用相關(guān)的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)。

(4)斜爆震駐定條件及燃燒機(jī)理驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)

斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)駐定模型的建立及燃燒機(jī)理需要試驗(yàn)驗(yàn)證。目前只有零星的試驗(yàn)技術(shù)支撐斜爆震駐定條件及燃燒機(jī)理的研究，主要原因是形成駐定斜爆震的氣流條件相對苛刻，速度達(dá)不到就不可能形成駐定的斜爆震波；斜爆震波傳播速度非?？?，很難捕捉。

(5)斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的原理驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)

斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的原理驗(yàn)證在世界范圍內(nèi)還沒有開展過。主要是發(fā)動(dòng)機(jī)各部件設(shè)計(jì)的技術(shù)成熟度較低，尤其是駐定模型的研究還沒有突破；高超聲速風(fēng)洞提供的試驗(yàn)氣流的品質(zhì)和持續(xù)時(shí)間不能保證，使得整機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)發(fā)展停滯不前。

4.4 內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

(1)內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子方案設(shè)計(jì)技術(shù)

內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子工作過程中涉及到工作時(shí)序問題，預(yù)壓縮波、射流沖擊波、燃燒波、膨脹波等波系，其運(yùn)動(dòng)機(jī)理及作用機(jī)制十分復(fù)雜。準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)雜波系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及時(shí)序是內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子氣動(dòng)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是技術(shù)難點(diǎn)，有必要開展深入研究。

(2)內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子點(diǎn)火技術(shù)

內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子通常具有幾十個(gè)通道，且轉(zhuǎn)速很高，每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)需對每個(gè)波轉(zhuǎn)子通道進(jìn)行一次點(diǎn)火，因此需要極高的點(diǎn)火頻率。另外波轉(zhuǎn)子通道通常比爆震管短，要在有限長度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)爆震燃燒或大幅度縮短DDT的距離，需要強(qiáng)大的點(diǎn)火能量。這兩方面因素對內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子的點(diǎn)火提出了很大挑戰(zhàn)。

(3)內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子泄漏密封技術(shù)

內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子工作過程存在轉(zhuǎn)子和定子之間的運(yùn)動(dòng)，二者之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)泄漏間隙。而內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子又屬于增壓燃燒范疇，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存在較大壓差，更加突出了泄漏問題的影響。內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子內(nèi)的泄漏有兩個(gè)維度，一是沿周向泄漏，導(dǎo)致高壓通道內(nèi)的燃?xì)庀虻蛪和ǖ佬孤?，?yán)重時(shí)影響低壓通道的正常工作；二是沿徑向泄漏，嚴(yán)重影響內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子的總體性能。因此需要開發(fā)相關(guān)的泄漏評估方法，探索泄漏密封技術(shù)。

(4)內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子燃燒機(jī)制及燃燒組織技術(shù)

內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子燃燒機(jī)理十分復(fù)雜，燃燒組織困難，主要是因?yàn)槠渖婕暗囊蛩囟?。首先需要與之匹配的燃料填充技術(shù)。由于多個(gè)波轉(zhuǎn)子通道共用一個(gè)穩(wěn)態(tài)的進(jìn)氣端口，燃料填充及摻混在進(jìn)氣端口內(nèi)完成，混氣填充的最終目標(biāo)是形成既能高效穩(wěn)定燃燒又能避免回火和熱自燃的燃料分布，這本身就是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。其次，波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)火焰?zhèn)鞑C(jī)制復(fù)雜，而且是在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的大離心力場下進(jìn)行，要掌握其燃燒機(jī)制十分困難。第三，泄漏的存在、點(diǎn)火條件的變化、非定常波的運(yùn)動(dòng)、湍流自身的不穩(wěn)定性等因素，都會(huì)對內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子的燃燒過程產(chǎn)生許多不可忽略且難以預(yù)測的影響。綜上所述，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子燃燒機(jī)制和燃燒組織技術(shù)是需要重點(diǎn)研究的核心問題，也是亟待解決的技術(shù)難題。

(5)內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子試驗(yàn)方法和手段

內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子作為一種新概念燃燒技術(shù)，其所需研究的問題和試驗(yàn)手段均具有一定特殊性。特別是其燃燒過程在高速旋轉(zhuǎn)的波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)完成，傳統(tǒng)研究方法和試驗(yàn)手段明顯不能滿足需求。需要系統(tǒng)探索相應(yīng)的試驗(yàn)方法和手段，一方面通過新方法、新技術(shù)推動(dòng)內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子技術(shù)的研究進(jìn)展，同時(shí)形成試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，促進(jìn)相應(yīng)的數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展。

(6)內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子多通道/多循環(huán)之間的協(xié)調(diào)工作技術(shù)

與多管脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)類似，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子也存在協(xié)調(diào)工作的問題。主要表現(xiàn)在兩方面：一是針對同一個(gè)波轉(zhuǎn)子通道，不同循環(huán)之間存在明顯差異，這不利于推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出推力；二是由于多個(gè)波轉(zhuǎn)子通道共用一套進(jìn)排氣系統(tǒng)，加上通道之間泄漏的存在，在同一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)不同波轉(zhuǎn)子通道之間存在相互影響，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致部分通道不能正常工作。因此，需重點(diǎn)研究導(dǎo)致內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子不能協(xié)調(diào)工作的因素及其作用機(jī)制，進(jìn)而探索相應(yīng)的解決手段。

5 爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景

按照爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及工程應(yīng)用需求，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)分為火箭式、沖壓式和混合式三類?；鸺矫}沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)/連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可作為導(dǎo)彈及一級入軌運(yùn)載器、航天器和衛(wèi)星等的動(dòng)力裝置。沖壓式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)/連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可作為航空飛行器、導(dǎo)彈和無人機(jī)動(dòng)力。混合式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)/連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是將脈沖爆震/連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合組成的混合式推進(jìn)系統(tǒng)，由于其爆震燃燒具有自增壓的能力，它將代替渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室或加力燃燒室。另外，其自增壓效應(yīng)可減少壓氣機(jī)和渦輪級數(shù)，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。此類發(fā)動(dòng)機(jī)也可作為艦艇的動(dòng)力。

斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)只有沖壓式一種類型，完全依賴于來流產(chǎn)生的斜激波的強(qiáng)度?？蓱?yīng)用于飛行速度高于當(dāng)?shù)谻J爆震波速的超高速飛行器(7～15馬赫)；將斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行組合，可以實(shí)現(xiàn)更寬工作速域和空域的飛行。

基于爆震燃燒模式的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子，由于多通道順序工作，進(jìn)排氣端口內(nèi)氣流近似處于穩(wěn)態(tài)，在充分發(fā)揮爆震燃燒熱循環(huán)效率高的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，克服了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)阻力損失大、非定常輸出推力等缺點(diǎn)，已被認(rèn)為是滿足美國國防預(yù)研局“安靜超聲速空中平臺(tái)”（QSP）、用于降低超聲速巡航飛行油耗的有效途徑之一，滿足軍民用遠(yuǎn)程超聲速飛機(jī)的需求。

6 結(jié)束語

縱觀爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)程發(fā)現(xiàn)，國外在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)及旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究方面制定了多個(gè)戰(zhàn)略計(jì)劃，開展了一系列的試驗(yàn)研究和樣機(jī)試制，基本完成了原理性試驗(yàn)進(jìn)入演示驗(yàn)證階段，已經(jīng)取得了階段性成果；斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)仍處在原理探索階段，技術(shù)成熟度較低。

國內(nèi)在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)及旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究方面開展了大量的基礎(chǔ)研究，但受試驗(yàn)條件、測試方法的限制，工程化應(yīng)用步伐較為緩慢；斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)也處在原理探索階段，幾乎與國外研究水平持平。