央媒重点推介：斜爆震发动机，珠海航展高超飞行器！究竟是什么原理？

央视终于霍霍到斜爆震发动机了，就躲在珠海航展的发动机展厅一个毫不起眼的角落，只有一块介绍的牌牌、还有一台飞发一体化的模型，却被很多朋友都忽略掉了，然而各位不知道的是，这种发动机是未来14~17马赫极高超音速飞行器的理想动力！

爆震发动机：一种能零速度启动的高超音速发动机

说起高超音速发动机，大家马上就会想到超燃冲压发动机，这种发动机忒厉害了，使用碳氢类（航空煤油类）燃料的超燃冲压发动机极速可达5~7马赫（音速倍数，1马赫为1倍音速），如果使用氢燃料则能达到10马赫以上。

10马赫就是音速的10倍，大约为3千米/秒，要是飞行器能达到这个速度，那么绕地球一周也就4小时不到，目前进展相当不错，已经临近实用程度。不过这种优秀的发动机却有一个致命的弱点，它需要其他发动机将它带到4~5倍音速后才能启动！

组合冲压发动机：结构有点复杂

冲压发动机有两类，亚燃冲压和超燃冲压，不过无论是哪种都需要其他动力将其加速到一定速度，比如亚燃冲压必须提高到0.5倍音速以上，当然最好能超过音速；而超燃冲压则必须提高到4~5倍音速才能启动。

在导弹类武器中一般都是使用火箭加速的，这个方法很直接，但要是用在大型战斗机或者空天飞机上，火箭加速似乎有些不符合经济性，因为一次性的火箭成本很高，一般会用涡喷发动机加速，然后启动超燃冲压发发动机。

这种组合发动机就是TBCC，也就是涡轮基循环组合循环发发动机，其中涡喷+双模冲压发动机（亚燃超燃一体）就是其中一种，但这种发动机属于两种发动机的组合，因此增加了结构复杂度，实现难度增加，不过非常有前景，也相当有希望成为高超音速飞行器的动力。

爆震发动机：可以零速度启动的高超音速发动机

超燃冲压发动机非常优秀却需要高速才能启动，然而爆震发动机却能以零速度启动，并且还能高超音速飞行，原因是这种发动机的结构与常见的喷气式发动机完全不一样，它是利用燃料与空气混合爆炸燃烧的方式，形成一个自吸气、喷油、点火、爆燃、排气的过程，燃烧传播速度可达1400米/秒、最高温度可达2800℃、100个大气压以上，这个比常规的涡轮发动机高很多。

这种爆震燃烧可以看成是一个定压燃烧。由于定压燃烧的热循环效率大大高于定容燃烧（喷气式发动机属于定容燃烧），可达49%左右，而定容燃烧效率仅为27%，爆震发动机相比涡扇发动机热效率更高。

并且这种发动机结构简单到极致，几乎不需要任何活动部件，可维护性极高，是不是有点神奇？就目前主流的爆震发动机而言，大致可以分为如下几类：

1、脉冲爆震；

2、旋转爆震；

3、倾斜爆震；

三种发动机都极为简单，不过由于其结构差异，三者性能上还是有非常大的差异，脉冲爆震发动机也就是PDE，它的主要结构是单管爆震燃烧室，这个燃烧室的结构比较特殊，进气口是一道狭缝的引射结构。

在空气与燃料混合后点燃发生爆炸式燃烧，这些爆炸的冲击波会向四周扩散并经过引射进气口，爆震燃烧室排出的高温燃气的引射作用下，更多的空气被吸入引射器，再次混入燃料，点火器点燃爆炸，完成一个循环。

这是单管PDE的工作过程，但推力以及推重比与频率有关，单管频率难以提高，目前一般的办法就是做成多管PDE或者共喷管的多管PDE，也有将多管PDE和涡轮发动机结合变成PDTE的涡轮爆震混合发动机。

PDE或者混合PDTE从理论与工程角度都有很强的可实现性，并且NASA和GE以及西工大等在这方面都有深入研究，类型发动机的技术可行性和性能优越性非常强，但缺点也是明显的，一次爆震得点火一次，就像汽油发动机是的火花塞一样，这个.......还是有点麻烦，另外极速也有些限制，一般不会超过5~6马赫。

PDTE

旋转爆震发动机：几乎是种完美的动力

PDE的性能其实已经相当优秀，但最大的问题是PDE的爆震频率有限，即使是多管PDE，其频率也在数百赫兹左右，再往上就很难了！然而一种环形燃烧室的旋转爆震RDE出现了，这种原理过程与PDE很相似，但它却是一个环形燃烧室。

与PDE不同的是RDE旋转爆震的环形燃烧室只需点火一次，在最初爆震的中途就会“引燃”“隔壁”的混合燃气，沿着环形燃烧室快速蔓延，形成周而复始的爆震过程，这种环形燃烧室的结构如下：

红圈处的结构和PDE是类似的，同样是一个引射结构的吸气腔室，可以根据燃油注入的顺序分成单喷口爆震或者多喷口爆震区域，爆震频率则以稳定为基准，几百赫兹是入门水平，据说几千赫兹只是一般水平，几万赫兹都是可以的，这个推重比和推力以及高速性能要比PDE好得多。

近几年来多个研究机构提出了以RDE替换现有冲压发动机和涡轮发动机燃烧室的吸气式旋转爆震发动机（Air-breathingRotating Detonation Engine）的方案，简称ARDE。由于旋转爆震发动机性能非常优秀，这方面的研究中俄罗斯、波兰以及法国和日本与美国空军实验室、普惠公司、海军研究实验室等都投入大量资金，而中国在旋转爆震这方面研究几乎与世界同步，并且略有领先。

清华空天的旋转爆震发动机测试

斜爆震发动机：14~17马赫飞行器的理想动力

除了脉冲爆震PDE和旋转爆震RDE以外，还有一种斜爆震ODE发动机，它的结构原理有些怪异，看起来有点像超燃冲压发动机，但却完全不同于超燃冲压发动机的一种结构：

飞发一体化的斜爆震发动机示意图，从上图来看似乎和各位熟悉的超燃冲压发动机没啥差别，比如和下图这样的：

但斜爆震的模式和超燃冲压是不一样的，斜激波爆震也称驻定爆震发动机，这是一类使爆震波“停”下来的发动机，按照爆震波类型可分为脉冲正爆震发动机（Pulse Normal Detonation Engine，简称PNDE）和斜爆震发动机（Oblique Detonation Engine，简称ODE）。

前者通过改变来流条件（主要是速度）实现爆震波在燃烧室内的驻定，但速度过高时正爆震波无法稳定工作，通过引入斜激波进气道或者中心锥体以形成斜爆震波并稳定下来，这就是斜爆震发动机（ODE）的概念。

燃料在飞行器下方喷入气流，经过机体表面结构与后部进气道压缩进入斜激波诱导的爆震燃，能明显缩短燃烧室长度，减轻发动机重量，并且以CJ斜爆震燃烧模式组织燃烧时熵增和总压损失都较小。ODE的性能非常优越，特别是马赫数大于8时的性能非常优秀。

超燃冲压发动机使用航空煤油时极速在7马赫左右，脉冲爆震发动机也在5~6马赫左右，氢燃料超燃冲压可以达到10~14马赫，旋转爆震也差不多，但斜爆震发动机可以达到14~17马赫以上，这个大气层内的极速性能除了火箭发动机以外没有任何发动机与之相比，未来的极高超音速飞行器的发动机非斜爆震发动机莫属！

不过斜激波爆震发动机也不是没有缺点，这种爆震发动机和超燃冲压发动机一样无法在零速度下启动，并且斜激波发动机的启动速度比超燃冲压发动机还要高一些，测试速度要求达到了6~7马赫以上，使得全球能测试斜爆震发动机气动结构的机构寥寥无几。

2021年2月份，中科院力学所高温气体动力实验室的姜宗林团队在《航空学报》上发表文章，宣布已经在M9风洞里进行氢燃料的斜爆震发动机的成功测试，实验是在标称马赫数 9 下进行的，观察到在燃烧器中的倾斜爆轰保持稳定状态长达50毫秒，燃烧室中检测到了斜向爆震驻波，氢气在先导激波后面很短的距离内燃烧殆尽。

Sodramjet 发动机模型（左）和相应的数值模拟中的氢浓度（右）在燃烧室中站立倾斜爆轰的实验照片

这是全球首次取得斜激波爆震燃烧状态，将为未来斜激波爆震发动机研究奠定了基础，姜宗林团队的成果也离不开我国高超音速风洞技术，当前世界最高水平的高超音速风洞在中国，中国M16级的风洞也将建设成功，预计将继续推动高超音速发动机的研究。

斜爆震还可以和冲压发动机结合构成超音速脉冲爆震冲压发动机，也可以结合爆震燃烧研发新的超燃冲压发动机，使得超燃冲压发动机走出一条新的稳定燃烧的路子，也将使斜爆震原理应用更为切入实际领域。

延伸阅读：PDE和RDE的火箭模式

PDE（脉冲爆震）的速度不太够，RDE（旋转爆震）速度够快，但也有些不足，不过两者还有一个火箭模式，比如将进气道封闭，在燃烧室内加入一个氧化剂注入通道，让其工作在自带氧化剂的爆震模式，尽管它的燃烧依然是爆震的等容燃烧，但它已经成为一台自带氧化剂的“爆震火箭”。上文有述，爆震燃烧的空燃比很低，效率很高，是等压燃烧的2倍以上，因此它的比冲也将远高于火箭，而且还是一种相当优秀的火箭。

假设一架空天飞机装备了一台旋转爆震发动机，起飞发动机将空天飞机推至在6~10倍音速、30~40千米高空，这个高度空气稀薄，氧气无法再维持爆震发动机燃烧，此时将关闭进气口，在燃烧室内注入氧气继续维持爆震燃烧，此时就变成了“旋转爆震火”箭，继续推进空天飞机飞向近地轨道。

一台发动机搞定全程，而且结构还非常简单，这是空天飞机的理想动力！但要是在大气层中达到极高超音速的17马赫以上的状态，那么非斜爆震发动机莫属，除了这种动力外，没有一种动力可以达到如此程度，这个速度大约是每秒5千米，飞行器已经基本处在黑障状态下，然而我国还搞定了在这种极高超音速状态下的的通信技术，前途一片光明！