爆震冲压发动机让高超声速飞行更加自如

来源：中国航天报

什么是爆震发动机？

它为啥能在航天领域引起高度关注？

近日，据美媒报道，美国波音公司正在研制一种爆震冲压发动机，目前已经取得初步进展，研制成功后将会首先用于高超声速飞行器。

爆震发动机是未来飞行器的理想动力

极高的热循环效率

随着我国经济快速发展，汽车已经进入了千家万户，因此很多人对“爆震”这个词并不陌生。

开车加过汽油的司机都知道，汽油牌号就是表征它的抗爆震性能，加低标号的汽油还可能引起发动机爆震，即“敲缸”。发动机出现爆震后，会造成动力下降，噪音增大，排放恶化，严重时会损坏发动机。所以，对于“爆震”现象，司机会想方设法去避免。

然而，本文的主角爆震发动机却要反其道而行之，是一种通过组织爆震燃烧来实现发动机循环热效率提升的空天新型动力形式。

自然界中存在两种燃烧模式，一种是缓燃燃烧，另一种是爆震燃烧。

▪ 缓燃燃烧波的传播依赖于火焰前锋的热量和质量交换，大家熟知的烛火，燃气灶的火苗，汽车或飞机发动机燃烧室内的燃烧等都属于缓燃燃烧。这种燃烧波的传播速度较慢，通常在几米/秒到几十米/秒之间。

▪ 爆震燃烧波的传播速度要快很多，它是强激波与火焰波紧密耦合在一起的燃烧波，强激波可以猛烈地压缩未燃混气，使压力温度急剧升高，从而直接燃烧。燃烧释放的能量又能够推动强激波前进，这样相互耦合就使爆震波的传播速度超过千米/秒，远高于未燃混气的声速。

所以，未燃混气在爆震波到来之前根本来不及做出反应就被燃烧干净，这就意味着爆震燃烧是一种定容燃烧模式，有着极高的热循环效率。

既然爆震燃烧这么好，为啥内燃汽油机要防止爆震呢？这是因为内燃汽油机发生爆震多数是由于火花塞在点火前，混气在压缩时因压力温度升高而引起自燃，或火花塞点火后，火焰面还未传播到混气末端就发生了自燃。这时，燃烧室内的压力剧烈升高，但活塞还在上行，缸内压力过高阻碍了活塞运动，最终导致动力下降。

在空天推进领域，发动机的推力主要依靠燃气从喷管高速喷出后产生反推作用，燃烧室里没有内燃机里的活塞连杆等往复运动部件，所以，组织爆震燃烧提高发动机的热循环效率就成了可能。

形式、特点多种多样

爆震发动机包括脉冲爆震发动机（PDE）、连续旋转爆震发动机（RDE）和斜爆震发动机（ODE）。

PDE

PDE是一种利用脉冲爆震波产生周期性冲量的非定常推进系统。简单来说，PDE就是在一根管子内先填充可燃混气，然后关闭进口，火花塞点火组织爆震燃烧，之后高温燃气通过喷管膨胀加速产生推力。

RDE

为更进一步挖掘爆震发动机相对于传统定压燃烧发动机的潜在优势，科研人员将PDE“脉冲的”或“间歇的”爆震波连起来组成连续的爆震波燃烧，从而构成了RDE。

RDE燃烧室通常为同轴圆环腔结构，燃料/氧化剂经起爆后，在燃烧室头部形成沿圆周方向传播的爆震波。这种爆震燃烧只需要一次点火就可以稳定工作，工作范围为0~6倍声速，飞行高度为0~35公里。PDE和RDE未来的应用平台包括低成本高性能精确制导武器、宽马赫数大机动武器装备作战平台、可重复使用飞行器等。

ODE

人类对速度的追求永无止境，高超声速武器是突破敌方防空网的利器，在飞行速度大于7倍声速条件下，斜爆震冲压发动机可以发挥独特优势。

斜爆震冲压发动机是在发动机进气道的超声速气流里提前喷注燃料，在燃烧室入口使用尖劈诱导一道斜激波，从而产生激波诱导燃烧，混气在极短的时间和距离内就能燃烧完毕，随后通过喷管膨胀加速产生推力。

这种发动机具有更短的燃烧室长度，更高的热循环效率，具有在7~12倍声速或更高声速下进行工作的优势。未来的应用平台包括7倍声速以上的临近空间高超声速武器、低成本高升限吸气式空天运输系统等。

正处于工程化应用前夜

如今在空天推进领域，传统火箭发动机和航空涡轮、涡扇发动机技术已经发展得相当成熟，性能参数接近极限。随着人类探测太空的深入，对发动机的要求也越来越高，主要表现在超高空、超高速、更大推重比、燃油消耗率更低和可以空地间自由往返。

基于爆震燃烧的动力装置与传统动力装置相比，有望通过改变热力循环方式使热循环效率得到大幅提高。

近年来，美国、俄罗斯、波兰、法国等国家分别开展了多种形式的爆震发动机原理性试验验证。例如，美国在2008年1月以PDE为动力，在改造的Long-EZ飞机上进行了飞行演示试验，这是人类在有人驾驶飞行器上首次使用PDE作为动力的试验。2016年，波兰在探空火箭上进行了以旋转爆震火箭发动机为动力的飞行试验，是世界上首次以RDE为动力的飞行试验。

从研制进展来看，爆震发动机正在由过去主要进行相关机理研究向实际工程应用研究阶段迈进；由气态燃料/氧气混气向液态碳氢燃料/纯净空气混气转变；由单一爆震发动机向多种组合形式的爆震组合发动机转变。

种种迹象表明，目前爆震发动机正处于工程化应用的前夜。畅想未来，也许我们开的汽车就是旋转爆震—涡轮组合发动机带动发电机给电池充电的“增程式电动车”；在以斜爆震发动机为动力的飞机上进行10倍声速以上的洲际航行，那时，人们的出行时间将会大大缩短······

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