旋轉爆震發動機

旋轉爆震發動機與傳統火箭發動機相比，旋轉爆震火箭發動機具有結構緊湊、噴射壓力低和比沖高等優點，是美國空軍在進攻性作戰時面對多個進攻方向的選擇，最終選擇的方向。

基本介紹

• 中文名：旋轉爆震發動機 
• 產品類型：火箭發動機

發展歷史

由於RDE自增壓、效率高，省去或大幅簡化了傳統發動機的多級活動部件，是實現壓力增益燃燒最具前途的技術路線之一。2000年以後，美國空軍研究實驗室（AFRL）、海軍研究實驗室（NRL）、能源部國家能源技術實驗室（NETL）、以及GE、雷神公司等都開展了大量可行性探索，證明了RDE可提高發動機熱循環效率，具備套用於航空航天推進系統上的巨大潛力。同時，和RDE同步發展的脈衝爆震發動機（PDE）在經過多年驗證後，被認為在多數情況下的效率與傳統渦輪發動機區別不大。因此，RDE正式成為優先發展事項。

RDE最大優勢是可實現自增壓，從而取消或大幅簡化傳統渦輪發動機的增壓部件，使發動機在獲得同樣或更高性能的同時減輕重量、更加緊湊（提升功率密度）、成本更低。在工程套用方面主要有兩點好處：一是緊湊結構帶來的多餘空間可用於攜帶更多燃料，增加平台航、射程；二是可以使裝載RDE的彈體更小，而飛彈體積縮小可增加更多套用場景，如隱身戰機內埋彈艙發射、小型無人機發射。此外，RDE理論上可實現Ma0~6的寬馬赫數飛行，具有套用到組合循環發動機上的巨大潛力。

AFRL領導的中遠程飛彈項目示意圖，RDE緊湊集成在飛彈尾部。

基於上述優勢，美國主要國防與政府機構均開展了大量RDE開發工作，但限於大部分項目保密程度較高、信息有限，本文僅對幾個代表性項目開展跟蹤分析。

大約在2015年，美國在RDE的戰略地位、套用場景、工程套用等方面加大投入力度，全面深度開發RDE。從2014年至今，AFRL將RDE與T63渦軸發動機集成，開展一系列試驗，以驗證RDE用於渦軸發動機的前景和具體效果；2018年，美國空軍啟動了“經濟可承受任務先進渦輪技術”（ATTAM計畫）第一階段研究，授予航空噴氣·洛克達因、GE、普惠等公司契約，用於RDE開發項目；2019年，AFRL對一型RDE開展了地面測試，以證明其推力、噪聲和振動可用於飛機飛行；2020年，美國政府、軍方聯合成立了國家旋轉爆震發動機理事會，統籌RDE研究；同年，ATTAM計畫首次將RDE列為優先發展方向並提至“最高優先權”。至今，美國國防預研局（DARPA）、AFRL、NRL、NASA、能源部先後領導開展或加速發展了多個RDE項目。

工作原理

緩燃與爆震燃燒的根本不同在於，緩燃燃燒後火焰以較慢的速度擴散和輻射（波速10 m/s左右），燃燒反應在等壓條件下進行，反應物有時間向外擴散導致燃燒不充分進而降低效率；爆震燃燒後火焰傳播速度極快（波速2000 m/s左右），將向外膨脹的反應物氣體控制在接近定容的環境下燃燒，激波的壓縮作用同時加速反應物的混合和燃燒，大幅提升了熱循環效率。因此，RDE發動機的效率從根本上超出了基於緩燃燃燒的發動機。

RDE是壓力增益燃燒裝置的一種，通常採用環形爆震室，工作過程如下：

① 爆震室一端封閉，均布有多個微型噴嘴，噴嘴沿爆震室軸向連續注入反應物（燃料和氧化劑），反應物通過起爆器起爆，起爆後爆震波垂直於燃料注入方向，沿徑向旋轉傳播（爆震室並不旋轉）；

② 爆震波頭部形成高溫高壓區域，壓力遠大於噴嘴噴注壓力，抑制噴嘴供應反應物；

③ 爆震波掃過噴嘴後壓力降低，噴嘴繼續噴注反應物連續形成爆震波；

④ 爆震混合物從爆震室開口端高速甩出，推動渦輪或通過尾噴管產生持續推力。

NASA對旋轉爆震波傳播過程的數值模擬，圖中爆震波順時針旋轉傳播。

問題分析

RDE已經進入了快速發展時期，以高速飛行平台、無人機、空間推進等為套用方向的研究逐漸深化，許多關鍵問題亟待解決。

非定常流動

RDE工作時會同時出現兩個以上旋轉爆震波，波速普遍超過1500 m/s，爆震頻率數千赫茲，這一特點使爆震室下游流場具有極其複雜的非定常特性。爆震室直連噴管時，由於傳統噴管均基於定常來流設計，套用於爆震燃燒的工作性能較差，需開發適用於複雜非定常流動的鈍體噴管、塞式噴管等不同構型。爆震室與渦輪、衝壓發動機等定常推進系統連線時，定常系統會大幅降低爆震燃燒產生的高效率，需開展相關係統的重新設計、最佳化匹配等工作。此外，精準測量非定常流動，準確表征爆震燃燒產生的壓力增益也是目前的關鍵難點之一。

普渡大學Zucrow實驗室開發的RDE塞式噴管。

熱管理

雖然爆震發動機整體上的平均溫度與渦輪發動機區別不大，但由於爆震燃燒瞬間放熱極大，在RDE的爆震室內壁面，平均溫度可能高於2000℃，最高瞬時溫度（一般出現在噴嘴附近）甚至高於2500℃，疊加高壓與高波速等極端環境，發動機極易發生燒蝕。因此，需通過數值計算、試驗驗證等方法研究影響RDE傳熱的推進劑質量通量、混合方式、當量比、爆震波速等因素，確定RDE周期性熱流的頻率和幅度；開發耐高壓、高導熱、具有良好低周疲勞壽命的材料，採用先進冷卻技術，實現高效熱管理。

AFRL實驗後的RDRE內壁面，最下方噴嘴處的燒蝕尤為嚴重。

流動控制

理想的旋轉爆震波為正向旋轉、沿爆震室軸嚮往開口端傳播，但爆震室內沒有機械活動部件用於引導這一系列高溫高壓高頻波，可能導致高壓傳導到上游或將燃料再度推回噴嘴引起閃回（flashback），極大降低發動機性能。正確的流動控制是RDE穩定工作的基礎，因此，這一問題在RDE開發中占有很高優先權。

目前，具有前景的一種方法是基於特斯拉閥設計流體二極體（fluidic diodes）噴嘴，在保證燃料與氧化劑快速均勻混合的同時最佳化流動，在正向上減小雷諾數並降低阻力，在逆向上創造強湍流環境防止壓力、物質反傳，提高發動機效率。

特斯拉型流體二極體。

抑制緩燃

理想的RDE爆震室內只產生爆震波，但實際工況中，爆震波後的殘餘熱量會誘導部分燃料與氧化劑混合物，使其提前以緩燃形式燃燒，稱為寄生燃燒（parasitic deflagration）。寄生燃燒跟在爆震波後，不能加強爆震波，反而可能導致持續的混合物或熱量損失，轉變為另一種形式的緩燃，稱為共生燃燒（commensal combustion）。

這兩種緩燃甚至會將實際爆震波速降低至理想波速的40%~50%，是導致RDE熱效率損失的主要原因之一。目前，還沒有抑制此類緩燃的有效方式，仍需開展大量工作加以探索，提升RDE效率。

密西根大學在美國能源部大學渦輪系統研究（UTSR）計畫下開展的RDE可視化研究。