■ 秦亞欣 / 中國航發(fā)研究院

2022年4月，美國加利福尼亞州海軍空戰(zhàn)中心武器部對一種由旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)提供動力的新型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈進(jìn)行了測試，這表明旋轉(zhuǎn)爆震技術(shù)已從概念向型號應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測試

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)（RDE）采用環(huán)形燃燒室，推進(jìn)劑從燃燒室的封閉端噴入，產(chǎn)生一個或多個爆震波在燃燒室頭部旋轉(zhuǎn)傳播，燃燒產(chǎn)物從另一端高速排出，從而產(chǎn)生推力[1]。爆震燃燒過程接近定容燃燒且能夠?qū)崿F(xiàn)自增壓，因此具有較高的循環(huán)效率，被認(rèn)為是最有可能替代等壓循環(huán)而成為下一代發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)方式。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)在航天領(lǐng)域可以在火箭和沖壓兩種模態(tài)下工作，在航空領(lǐng)域可以與渦輪發(fā)動機(jī)組合形成旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動機(jī)，具有燃燒速度快、自增壓、自維持、結(jié)構(gòu)簡單和效率高等優(yōu)勢。自20世紀(jì)60年代蘇聯(lián)學(xué)者提出旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)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(qū)都開展了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證[2-3]。

美國： 從機(jī)理研究到工程應(yīng)用已世界領(lǐng)先

美國自2010年開始，在空軍科學(xué)研究辦公室（AFOSR）、海軍研究辦公室（ONR）、國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）和能源部（DOE）的資助下，空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）、海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）、航空噴氣-洛克達(dá)因（Aerojet Rocketdyne）公司、國家能源部技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（NETL）、得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校和辛辛那提大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)都相繼開展了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)的理論、數(shù)值以及偏工程應(yīng)用的試驗(yàn)研究工作，已經(jīng)開始采用旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室替代主燃燒室的測試。

AFRL測試了將旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室集成到T-63燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的原理樣機(jī)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒比傳統(tǒng)等壓燃燒降低了NOx排放，提高了燃燒熱效率，展示了旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動機(jī)的應(yīng)用前景。

2020年年初，DARPA授予雷神技術(shù)公司100萬美元用于研究以旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)為動力的巡航導(dǎo)彈。幾個月后，由AFRL主導(dǎo)的支持經(jīng)濟(jì)可承受任務(wù)的先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)（ATTAM）計(jì)劃中，首次將旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)列為優(yōu)先發(fā)展方向并擁有最高優(yōu)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(dá)因公司2000萬美元開展旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)的開發(fā)、驗(yàn)證和轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)研究，預(yù)計(jì)2026年完成。此外，雷神技術(shù)公司于2022年3月獲得了AFRL一份地面演示驗(yàn)證項(xiàng)目合同，用于開發(fā)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)，項(xiàng)目將由雷神技術(shù)公司下屬的普惠公司、雷神導(dǎo)彈與防務(wù)公司和雷神技術(shù)研究中心共同執(zhí)行。這份合同將遵循普惠公司鱷魚工廠（GatorWorks）的快速開發(fā)原則，美國空軍現(xiàn)在提出的是較為緊迫的現(xiàn)實(shí)要求，客觀上也加速了普惠公司的工作進(jìn)程。

美國國防部（DoD）在2021年3月發(fā)布的一份簡報(bào)稱，一型直徑約30cm的液體燃料旋轉(zhuǎn)爆震沖壓噴氣發(fā)動機(jī)在2020年成功測試，并且為另一型直徑約48cm的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)測試打下基礎(chǔ)。根據(jù)高性能計(jì)算現(xiàn)代化計(jì)劃（HPCMP）支持的2022財(cái)年項(xiàng)目清單，在過去3年里，AFRL增加了4個先進(jìn)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目：一是可在隱身戰(zhàn)斗機(jī)彈艙內(nèi)攜帶的、速度為馬赫數(shù)（Ma）3的空地導(dǎo)彈，采用液體燃料旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)；二是采用固體燃料增壓燃燒發(fā)動機(jī)的空空導(dǎo)彈；三是可替代渦輪發(fā)動機(jī)加力燃燒段的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)系統(tǒng)；四是自由噴射測試項(xiàng)目。

與此同時，密歇根大學(xué)、普渡大學(xué)、亞拉巴馬大學(xué)、辛辛那提大學(xué)等高校主要圍繞旋轉(zhuǎn)爆震機(jī)理問題開展理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，主要包括燃料噴注與混合、爆震波起爆、燃燒室內(nèi)爆震波傳播模態(tài)、爆震波自持傳播機(jī)理、燃燒室內(nèi)壓力對上游的影響?？偟膩砜?，美國高校和科研機(jī)構(gòu)分工明確、合作充分，在旋轉(zhuǎn)爆震機(jī)理研究和工程化應(yīng)用方面世界領(lǐng)先。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)爆震燃燒數(shù)值模擬

俄羅斯： 全尺寸旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機(jī)成功試驗(yàn)

2014年，在俄羅斯先期研究基金會支持下，由俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院、拉夫連季耶夫流體力學(xué)研究所和莫斯科航空學(xué)院共同組建了爆震液體火箭發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室。2016年7—9月，該實(shí)驗(yàn)室在世界上首次成功對一臺全尺寸的液氧/煤油旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得了頻率約20kHz的可穩(wěn)定傳播的旋轉(zhuǎn)爆震波（大致為8000r/s的傳播速度），并產(chǎn)生穩(wěn)定推力。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相對于相同推力量級的常規(guī)火箭發(fā)動機(jī)，旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機(jī)的推力提高了10%，比沖提高了10%～15%。結(jié)果充分驗(yàn)證了將爆震燃燒應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)的性能優(yōu)勢。

據(jù)俄羅斯衛(wèi)星網(wǎng)、俄新社等多家媒體報(bào)道，俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈部隊(duì)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(dá)位于俄遠(yuǎn)東勘察加半島的庫拉靶場，實(shí)現(xiàn)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(fā)動機(jī)為動力。

2017年俄羅斯科學(xué)院開展了旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)，自由來流的速度為Ma4～8，采用氫燃料的旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)（直徑為0.31m，長度為1.05m），最大比沖為3600m / s。

俄羅斯旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)

法國：基于沖壓旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)的超聲速導(dǎo)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(dú)立研制，將旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(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。用高頻壓力頻譜分析方法作為研究手段，證實(shí)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(nèi)徑為50mm的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)中可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆震波的點(diǎn)火起爆和穩(wěn)定傳播，在以煤油/氧氣組合的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)上獲得了2750N的推力。另外，還進(jìn)行了發(fā)動機(jī)推力矢量調(diào)節(jié)能力、復(fù)合材料熱防護(hù)等試驗(yàn)。2011年6月21日，MBDA公司公布基于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)的“英仙座”超聲速導(dǎo)彈系統(tǒng)概念，指出新型的沖壓旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)大大提升了超聲速導(dǎo)彈的性能,基于沖壓旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)的“英仙座”超聲速導(dǎo)彈預(yù)計(jì)于2030年列裝。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺

MBDA公司旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)

波蘭： 驗(yàn)證了爆震渦輪發(fā)動機(jī)的可行性

波蘭華沙工業(yè)大學(xué)對旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機(jī)開展了廣泛的試驗(yàn)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(yàn)，得到了長時間穩(wěn)定傳播的旋轉(zhuǎn)爆震波，在內(nèi)直徑為140mm、外直徑為150mm的甲烷/氧氣旋轉(zhuǎn)爆震火箭式發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)獲得了平均250～300N的推力，并計(jì)劃研制火箭式的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)，并將其應(yīng)用到歐洲小衛(wèi)星計(jì)劃的衛(wèi)星動力系統(tǒng)中。

在工程應(yīng)用方面，波蘭與日本、新加坡通過國際合作開展了旋轉(zhuǎn)爆震研究，將傳統(tǒng)的渦軸發(fā)動機(jī)GTD-350的等壓燃燒室替換為旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室，驗(yàn)證了爆震渦輪發(fā)動機(jī)的可行性。

中國： 研究成果急需向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化

中國航天科工三院31所、中國航發(fā)動力所等科研院所開展了大量爆震基礎(chǔ)理論及旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)應(yīng)用研究，北京大學(xué)、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、南京理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校進(jìn)行了大量爆震燃燒基礎(chǔ)研究，并對旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)的工作過程、爆震燃燒觸發(fā)、爆震波穩(wěn)定傳播等基礎(chǔ)技術(shù)形成了系統(tǒng)性的認(rèn)識，諸多關(guān)鍵技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，包括旋轉(zhuǎn)爆震波起爆與維持、旋轉(zhuǎn)爆震波與來流的相互作用、液態(tài)碳?xì)淙剂闲D(zhuǎn)爆震燃燒組織等，為突破旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[4]。

中國航天科工三院31所開展了火箭式旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)，研究了液態(tài)碳?xì)淙剂吓c空氣的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒特性，探討了爆震波的傳播模式、爆震波的穩(wěn)定性和壓力回傳等問題。在旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)方面，31所開展了基于液態(tài)碳?xì)淙剂系男D(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)部件匹配研究，成功實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒組織，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)原理的可行性。在旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動機(jī)方面，開展了基于旋轉(zhuǎn)爆震燃燒的渦輪發(fā)動機(jī)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(xué)開展了數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究[5]，對旋轉(zhuǎn)爆震波的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真，利用粒子跟蹤法對旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)性能進(jìn)行了二維和三維分析，較為準(zhǔn)確地確認(rèn)了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)的性能優(yōu)勢。此外，還對無中心柱的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室開展了氫氧旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多個爆震波頭的穩(wěn)定傳播，發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震傳播過程中的低頻振蕩現(xiàn)象。

清華大學(xué)自主設(shè)計(jì)了新型旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)，已于2022年1月完成了首飛試驗(yàn)。通過飛行試驗(yàn)獲得了真實(shí)飛行條件下，工作環(huán)境參數(shù)變化對旋轉(zhuǎn)爆震燃燒運(yùn)行特性的影響，證實(shí)了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒技術(shù)的可行性，為這項(xiàng)技術(shù)走向工程化和產(chǎn)品化提供了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。清華大學(xué)還開展了雙流道多環(huán)腔旋轉(zhuǎn)爆震渦輪發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)方案，提出了有效抑制反壓回傳的隔離段方案，實(shí)現(xiàn)了渦輪機(jī)械與旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的兼容。

國防科技大學(xué)自主設(shè)計(jì)了多種不同類型的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)，深入分析了旋轉(zhuǎn)爆震波的穩(wěn)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(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震波穩(wěn)定起爆，分析了熱射流的填充過程及起爆能量對旋轉(zhuǎn)爆震波建立過程的影響。針對無中心柱的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室開展了試驗(yàn)研究，獲得了旋轉(zhuǎn)爆震波的詳細(xì)結(jié)構(gòu)及傳播模式。2017年，開展了自由射流旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)研究，采用的燃燒室外徑為120mm、內(nèi)徑為80mm、長度為660mm，燃料比沖為2510m / s。

南京理工大學(xué)針對環(huán)形和圓盤形兩種主要燃燒室構(gòu)型，開展了大量旋轉(zhuǎn)爆震燃燒試驗(yàn)和數(shù)值研究工作，多種燃料均實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒；開展了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室與渦輪導(dǎo)向器組合試驗(yàn)研究，探索了主燃燒室應(yīng)用旋轉(zhuǎn)爆震的可行性。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)發(fā)展思考

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)相比傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機(jī)具有熱循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、耗油率低等優(yōu)勢，使其在戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)、高速飛機(jī)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，有可能成為本世紀(jì)新型動力裝置：近期可作為無人駕駛飛機(jī)、靶機(jī)、引誘飛機(jī)、靶彈的動力裝置；中期可作為高超聲速飛機(jī)動力裝置；遠(yuǎn)期可作為戰(zhàn)略飛機(jī)、航天飛機(jī)組合動力裝置。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)涉及的物理化學(xué)過程十分復(fù)雜，現(xiàn)階段需要充分利用高校和研究院所優(yōu)勢資源，開展高速高效噴注系統(tǒng)、穩(wěn)定起爆與爆震波傳播控制和旋轉(zhuǎn)爆震燃燒組織研究，試驗(yàn)研究與理論研究同步進(jìn)行，注重理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，進(jìn)一步搞清楚旋轉(zhuǎn)爆震燃燒機(jī)理。

總的來看，我國旋轉(zhuǎn)爆震研究與世界同時起步，各個高校發(fā)揮其理論分析和基礎(chǔ)研究的優(yōu)勢，在爆震機(jī)理研究方面開展了大量的基礎(chǔ)研究，部分研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。由于缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和目標(biāo)牽引，再加上試驗(yàn)條件和測試方法的限制，參數(shù)性和指標(biāo)性的研究成果較少，距離工程化應(yīng)用還有一定的距離。根據(jù)飛機(jī)對高效率、高性能發(fā)動機(jī)的需求，從旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)工程應(yīng)用背景出發(fā)，采用產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的方式，協(xié)同技術(shù)攻關(guān)，快速提升旋轉(zhuǎn)爆震燃燒技術(shù)成熟度水平，并注重技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，以渦輪發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，開展旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室與渦輪發(fā)動機(jī)的匹配驗(yàn)證工作，最終完成旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制工作，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)自主創(chuàng)新和跨越發(fā)展。

結(jié)束語

為了滿足動力裝置更好的經(jīng)濟(jì)性和更優(yōu)的性能需求，需要尋求新的循環(huán)或燃燒方式才能給傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機(jī)的性能帶來新的突破。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)相比于傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機(jī)具有循環(huán)率高、推力大、耗油率低、工作范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，是未來航空動力重要的發(fā)展方向。