爆震发动机——高超声速飞行器的新“心脏”

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飞行器的发展总是伴随着动力系统的进步。从最早的活塞式发动机，到有助于战机突破音障、实现超声速飞行的涡喷发动机，再到能够让飞行器以高超声速飞行的冲压发动机，一代代动力系统的进步推动着飞行器飞得更快、更远、更高。近年来，与爆震发动机研发有关的新闻越来越多地进入人们视野。推进爆震发动机实用化，成为各国竞相角逐的新高地。

发动机产生动力的过程是将化学能转化为热能，再进一步转化为动能产生推力的过程，因此发动机热循环效率与其推力息息相关。与普通的燃烧过程相比，爆燃过程燃烧波传播速度更快，热循环效率也就更高，目前大部分固定翼飞行器使用的发动机都采用爆燃方式来获得推力。和爆燃相比，爆震（也被称作爆轰）作为另外一种燃烧方式，可以产生爆震波。爆震波能使燃烧波以每秒几千米的超声速传播，更快地 “波及”未燃烧推进剂，产生极高的燃气压力及温度，从而拥有更高的热效率和更快的能量释放速率。

爆震波的产生方式主要有两种，一种方式是将爆燃过程的燃烧波进行加速，在速度达到一定程度时转变为爆震波，采用此种方式所需的点火能量较少；另一种方式是采用较大的点火能量，避开燃烧波加速过程，直接催发爆震波。

采用爆震燃烧方式优点多，但在实践中爆震波如同一匹未被驯服的千里马，不容易控制。为此，科学家们采用了多种方式来“驯服”爆震波，并在此基础上开始探索、试研脉冲爆震发动机、斜爆震发动机和连续旋转爆震发动机。

脉冲爆震发动机由进气道、爆震室、尾喷管、点火器等组成，每个工作循环包括进气、喷油、点火、爆震及排气。根据脉冲爆震发动机工作循环的特点，可以将其基本工作循环过程粗略地分为以下几个阶段：推进剂填充爆震室；点火起爆；爆震波向敞口端传播，并排出爆震室，爆震室中充满高温高压燃气排出形成推力；充入隔离气体吹除剩余燃气，接着重新补充推进剂，开始新循环。总的来讲，脉冲爆震是在一根管子中起爆混合气体来产生爆震波，并将产物——高温高压气体排出管子形成推力的过程。其缺点是每次都需要对混合气体进行起爆，循环频率较低，工作不能够连续。

斜爆震发动机，其名称中的“斜”来自该发动机燃烧室内部有特殊的斜坡结构，该结构能在高超声速气流中产生斜激波。斜激波对来流混合气体的压缩作用，使后者温度迅速达到自燃温度，从而实现高速燃料与空气混合物的爆震燃烧。这种爆震发动机需要来流达到6-16马赫时才能工作，因此无法实现零速度启动，而脉冲爆震发动机和连续旋转爆震发动机启动的速域更宽，甚至可以零速度启动。

连续旋转爆震发动机的燃烧室是由两个同轴空心圆柱体套在一起，两者之间的缝隙形成一个环形通道，燃料和助燃剂在环形通道中进行起爆形成爆震波，爆震波则沿着环状缝隙前行。此时，爆震波的传播方向并不是沿着发动机的轴向，而是在环形燃烧室的周向也存在一定分速度，这就使得爆震波旋转起来。当然，为保证高温高压气体从开口处排出时尽量与推力方向一致，很多设计会在下游安装导向器或者喷管来对末端的排气速度和方向加以“统一”。

在连续旋转爆震发动机中，爆震波一旦形成就能不断点燃前面的新鲜混合气，实现爆震波在环形通道中不停旋转传播，实现连续进气和排气。与脉冲爆震发动机相比，连续旋转爆震发动机只需要起爆一次，就可以使爆震不断进行下去，形成稳定推力，且振动和噪声较低。

自20世纪50年代苏联拉夫连季耶夫流体力学研究所发现连续旋转爆震现象时起，美国、俄罗斯、日本等国对旋转爆震发动机的研究一直在继续。

尽管相关试验与验证工作有一定进步，但爆震发动机离实用化还有一段路要走。当前，只是实现了对爆震波的稳定组织与控制，要想让爆震发动机真正“登机”，成为高超声速飞行器的新“心脏”，还要解决发动机燃烧室构型、喷注结构及排气结构优化等一系列设计问题。此外，发动机的热防护、与飞行条件匹配控制等诸多应用问题也亟待解决。（■胥世达 王思博 赵泽平）