博文
旋转爆震与脉冲爆震发动机：原理、技术进展与未来
|
旋转爆震发动机与脉冲爆震发动机是基于爆震燃烧的新一代航空航天推进系统，其核心在于利用爆震波的压力增益特性实现热效率的跨越式提升。本文系统阐述了爆震燃烧的热力学基础与理论模型，深入分析了脉冲爆震发动机和旋转爆震发动机的工作原理、技术特点与发展脉络。基于全球最新研究进展，全面梳理了两种技术路线在起爆方式、燃料适应性和结构优化等关键领域的突破，重点剖析了脉冲爆震发动机的缓燃向爆震转捩难题与旋转爆震发动机的波系调控挑战。研究表明，旋转爆震发动机因单次点火、结构简洁、工作频率高等优势已成为主流发展方向，美国普惠公司于2025年完成工程化测试标志着技术正从实验室走向工程应用。本文进一步探讨了涡轮基旋转爆震、组合动力等前沿方向，指出未来研究需聚焦于燃烧室宽范围可靠起爆、爆震波模态调控、热防护与系统集成等关键技术，为高超声速推进与空天运输系统的发展提供理论支撑。
关键词：旋转爆震发动机；脉冲爆震发动机；爆震燃烧；压力增益燃烧；高超声速推进；组合动力
1 引论：爆震推进的时代意义1.1 航空动力的百年演进与效率瓶颈自1903年莱特兄弟实现人类首次动力飞行以来，航空推进技术经历了活塞发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、冲压发动机的多次革命性跨越。每一次技术跃迁的核心都在于追求更高的热效率和推重比，以支撑飞行速度和高度的不断提升。
传统航空发动机基于等压燃烧的布雷顿循环：空气经压气机压缩后进入燃烧室，与燃料混合并在近似等压条件下燃烧，高温燃气经涡轮膨胀做功后喷出产生推力。这一循环历经百年优化已接近理论极限——现代大涵道比涡扇发动机的巡航耗油率已降至0.5-0.6 lb/(lbf·h)，热效率超过50%。然而，进一步提升的空间极为有限，根本制约在于等压燃烧本身的热力学缺陷：燃烧过程没有压力增益，压气机和涡轮的存在增加了结构复杂性和重量，高温部件的材料瓶颈也难以突破。
与此同时，人类对飞行速度的追求从未停歇。从亚音速到超音速，再到高超声速（5马赫以上），传统的涡轮基和冲压推进方式面临各自的技术天花板。涡轮发动机在3马赫以上因进气道温度过高难以工作；冲压发动机在低马赫数无法启动，且燃烧室压力损失显著。如何在宽速域范围内实现高效推进，成为空天动力领域亟待破解的核心难题。
1.2 爆震燃烧：热力学理想的逼近爆震燃烧为上述困境提供了全新的解决思路。与传统的爆燃（deflagration）不同，爆震（detonation）是一种以超声速传播的燃烧波，激波与化学反应区紧密耦合，形成跨越波前的剧烈压力跃升。典型爆震波的压力比可达13-55，温度比可达8-21，燃烧产物速度可达1000-2000 m/s-2。这种自增压特性意味着：理论上，爆震发动机无需压气机即可实现压缩过程，结构大幅简化；同时，基于爆震循环的热效率显著高于等压燃烧循环。
从热力学视角审视，爆震燃烧逼近了化学能做功最大化的理想境界。法国科学家早在十九世纪末就观察到爆震现象，但受限于理论认识和工程能力，直至二十世纪后半叶，随着高超声速飞行需求的凸显和数值模拟技术的进步，爆震推进才真正进入系统研究阶段-2。近年来，旋转爆震发动机（Rotating Detonation Engine, RDE）和脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine, PDE）成为全球航空航天领域的研究热点，资助强度与工程化进程均呈迅猛发展态势-1。
1.3 从理论突破到工程化竞赛进入21世纪第三个十年，爆震发动机技术正站在从实验室走向工程应用的关键节点。2025年3月，美国普惠公司宣布完成旋转爆震发动机测试，标志着这一技术即将从试验阶段走向工程应用阶段。作为美国国防部“Gambit”项目的核心技术，旋转爆震发动机被定位为未来高超声速导弹动力系统的解决方案，将对远程精确打击武器发展产生重要影响-5-9。
中国在爆震推进领域同样取得长足进步。西北工业大学、南京航空航天大学、中国航天科工集团第31研究所等科研机构在脉冲爆震、旋转爆震、斜爆震三大技术路线上开展了系统研究-2-6。2025年，《工程热物理学报》《推进技术》等国内核心期刊密集刊发爆震发动机相关综述，反映该领域已成为我国航空动力研究的战略重点-1-7。
然而，从技术突破到工程实用仍有诸多障碍需要跨越：爆震波在有限空间内的可靠起爆与稳定传播、燃烧室在极端热载荷下的热防护、宽工况范围内的燃料喷注与掺混控制、发动机与飞行器的系统集成等，都是亟待攻克的关键难题。
1.4 本文研究框架本文旨在系统呈现旋转爆震与脉冲爆震发动机的技术全貌。第2章从热力学基础出发，阐明爆震燃烧的物理本质与理论模型；第3章聚焦脉冲爆震发动机，分析其工作原理、关键技术瓶颈与研究进展；第4章深入旋转爆震发动机，剖析其结构特点、波系结构与工程突破；第5章探讨组合动力与前沿方向；第6章展望未来发展路径。通过这一框架，本文力图回答一个核心问题：爆震发动机何以成为下一代航空航天推进的核心方向，又将走向何方？
2 原理篇：爆震燃烧的热力学基础2.1 爆燃与爆震的本质分野要理解爆震发动机，首先需要厘清两种截然不同的燃烧模式——爆燃与爆震。在日常生活中，我们熟悉的蜡烛火焰、燃气灶燃烧、汽车发动机缸内燃烧都属于爆燃。爆燃的本质是火焰前锋通过热传导和分子扩散向未燃气体传播，传播速度相对于未燃气体是亚音速的（通常仅数米每秒至数十米每秒），燃烧过程中压力基本恒定（等压燃烧），密度降低，产物膨胀。
爆震则是完全不同的图景：激波与化学反应区耦合形成爆震波，以超声速（相对于未燃气体可达1500-2000 m/s）传播。波前激波对未燃气体进行强烈的绝热压缩，使其温度、压力急剧升高，瞬间引发化学反应，释放的能量又维持激波的传播。这种自持的激波-反应区复合结构，使得爆震波后的压力可达波前的13-55倍-2。
表1对比了爆燃与爆震的主要特征：
表1 爆燃与爆震的特征对比
| 特征参数 | 爆燃 | 爆震 |
|---|---|---|
| 传播速度 | 亚音速（数m/s~数十m/s） | 超声速（1000-2000 m/s） |
| 压力比 | 接近1（等压） | 13-55 |
| 密度比 | 降低 | 升高 |
| 能量释放方式 | 热传导与扩散 | 激波压缩诱导自燃 |
| 热力学循环 | 等压燃烧（布雷顿循环） | 近似等容燃烧（爆震循环） |
| 典型应用 | 传统喷气发动机 | 爆震发动机 |
从热力学视角审视，爆震循环的优势在于其“压力增益”特性。在传统燃气轮机中，压气机消耗涡轮功对空气进行压缩，燃烧过程没有压力提升，反而因流动损失略有下降。爆震燃烧则天然具有自增压能力：燃烧产物压力高于来流，这部分压力可直接用于产生推力，理论上可取消压气机和涡轮，大幅简化结构、减轻重量。
2.2 爆震波的结构与理论模型爆震波的精细结构是理解其物理本质的关键。经典研究表明，爆震波并非简单的二维激波面，而是由入射激波、马赫杆、横波构成的三维胞格结构。在适当的实验条件下（如烟迹法记录），可以在爆震管壁面观察到规则的菱形图案——这就是爆震胞格，其尺寸反映了燃料的反应活性，是爆震特性的重要表征参数。
描述理想爆震的理论模型主要有三个：
Chapman-Jouguet（CJ）理论是最早也是最基础的爆震模型，由Chapman（1899）和Jouguet（1905）独立提出。该理论将爆震波简化为一个包含激波和化学反应的间断面，假设反应瞬间完成，产物处于化学平衡状态。通过质量、动量、能量守恒方程结合瑞利线和雨贡纽曲线，可以求解出爆震波的传播速度（CJ速度）。CJ理论的核心判据是：爆震波后的产物速度相对于波前恰好等于当地声速（CJ条件），这保证了膨胀波不会传入反应区影响爆震稳定性。CJ理论成功预测了大量实验观测到的爆震速度，误差通常在5%以内。
ZND模型由Zeldovich（1940）、von Neumann（1942）和Döring（1943）各自独立提出，是对CJ理论的重要完善。ZND模型认识到化学反应需要时间，因此将爆震波分解为前导激波、反应诱导区和化学反应区三个部分。前导激波无厚度地压缩未燃气体，使其温度压力升至von Neumann峰值；随后经过一段诱导期（对应链式反应的引发过程），化学反应开始进行并释放热量；最后在声速面处达到平衡状态。ZND模型揭示了爆震波内部的精细结构，解释了为何实际爆震波厚度可达毫米量级（而非理想间断面）。
胞格爆震理论进一步认识到，实际爆震波具有三维非定常结构。横波在爆震波面上横向传播，与主激波相互作用，形成三波点轨迹——这些轨迹在烟迹记录上呈现为菱形胞格。胞格尺寸是燃料-氧化剂混合物反应性的关键参数，与爆震波传播稳定性、DDT距离等工程问题密切相关。
2.3 爆震循环的热力学优势从热力学循环视角，爆震发动机的优势源于其接近等容燃烧的本质。传统燃气轮机遵循布雷顿循环（等压燃烧），而爆震循环更接近 Humphrey 循环（等容燃烧）或Fickett-Jacobs循环（考虑压力增益）。理论分析表明，在相同压缩比条件下，等容燃烧的热效率高于等压燃烧。对于高超声速飞行，这一优势更为显著。
数值研究证实，爆震发动机相比传统推进方式具有更高的单位推力和更低的耗油率-1。以旋转爆震发动机为例，其基于热力学循环优势实现的理论比冲显著高于常规冲压发动机-6。这种效率提升转化为实际性能优势：同样质量的燃料可产生更多推力，或同样推力需求下可减少燃料携带量，从而增加有效载荷或延长航程。
2.4 压力增益燃烧的核心概念“压力增益燃烧”（Pressure Gain Combustion）是理解爆震发动机价值的核心概念。传统燃烧过程通常伴随总压损失（如火焰稳定器、突扩段引起的流动损失），而爆震燃烧能够实现总压提升——燃烧产物的总压高于来流总压。这种“压力收益”可以直接用于产生推力，或通过喷管进一步加速。
压力增益燃烧的意义在于：它打破了传统热机中压缩与燃烧分离的范式。在爆震发动机中，燃烧过程本身就完成了对工质的压缩，压气机成为可选项而非必需品。这不仅简化了结构、减轻了重量，更重要的是消除了压气机带来的流动损失和喘振风险，使发动机在更高马赫数下仍能高效工作。
实现稳定可控的压力增益燃烧，正是爆震发动机研究的核心目标。无论是脉冲爆震的间歇式工作模式，还是旋转爆震的连续式工作模式，其本质都是利用爆震波的特性，将燃料化学能高效转化为工质的压力能和动能，最终形成推力。
3 脉冲爆震发动机：间歇式爆震推进3.1 工作原理与循环过程脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine, PDE）是最早进入系统研究的爆震推进方案，其工作原理可概括为间歇式、重复性爆震循环。典型的PDE由进气道、爆震管、燃料喷射系统、点火装置和推力喷管组成，工作过程可分为四个阶段-4-8：
第一阶段：填充。燃料与氧化剂按一定比例注入爆震管，充满燃烧室。填充过程需要精确控制燃料-空气当量比和填充程度，以确保后续爆震的可靠性。
第二阶段：点火与起爆。点火装置产生初始火焰，经过缓燃向爆震转捩（Deflagration to Detonation Transition, DDT）过程，火焰加速并最终形成爆震波。这是PDE最关键也最具挑战性的环节——需要在有限的爆震管长度内实现DDT。
第三阶段：爆震传播。爆震波以超声速向爆震管开口端传播，波后高温高压燃气迅速膨胀排出，产生推力脉冲。爆震波传播过程中，燃烧室压力显著升高，形成压力增益。
第四阶段：排气与吹扫。爆震波传出后，燃烧室内残余高温燃气需要排出，同时通常引入少量吹扫气体（如空气）以防止新注入的燃料与残余燃气过早反应导致回火。随后开始下一循环。
PDE的工作频率通常在数十赫兹到数百赫兹之间。研究显示，通过精确调节爆震频率、燃烧室构型和燃料当量比，推力性能可提升高达30%-4。对于氢-丙烷混合燃料，相比传统碳氢燃料可获得1%-10%的比冲提升-4。
3.2 缓燃向爆震转捩（DDT）的关键挑战DDT是实现PDE工程应用的核心瓶颈。直接起爆理论上可行，但所需临界能量极高——对于碳氢燃料-空气混合物，直接起爆能量通常在千焦量级，相当于数公斤TNT当量，在工程应用中几乎无法实现-8。因此，间接起爆（通过低能点火引发火焰加速，最终转捩为爆震）成为现实选择。
DDT过程的物理本质是火焰加速与激波增强的正反馈机制：初始层流火焰在障碍物或湍流作用下发生褶皱，火焰面积增大，燃烧速率提高；加速火焰压缩前方未燃气体，形成压缩波；压缩波逐渐汇聚增强为激波；激波对未燃气体的加热作用进一步加速化学反应，最终激波与反应区耦合形成爆震波。
影响DDT距离和时间的因素包括：燃料活性（反应速率）、初始压力与温度、爆震管几何结构（直径、长度、障碍物布置）、点火能量与位置等。研究表明，热射流点火通过高能射流注入增强湍流混合和能量沉积，可使碳氢燃料的DDT距离缩短30%-50%-8。
3.3 DDT增强技术研究进展为在有限空间内实现快速可靠DDT，研究者发展了多种增强技术，可分为主动式和被动式两大类。
热射流点火是一种主动式增强技术。其原理是利用预燃室产生高温高压燃气射流，射流高速喷入主燃烧室后形成强湍流场和局部热点，显著加速火焰传播。热射流点火的优势在于能量沉积集中、点火位置可控，对低活性燃料尤为有效。然而，该技术面临射流能量耗散大、流场不稳定、供气系统复杂等挑战-8。
障碍物诱导起爆是最经典的被动式增强方法。通过在爆震管内布置孔板、螺旋环、斜坡等几何结构，诱导火焰加速和激波反射。螺旋环（Shchelkin螺旋）是常见构型，可使火焰在更短距离内完成DDT-4。固体障碍物的优势在于结构简单、可靠性高，但长期应用面临压力损失大和热疲劳问题——高温燃气反复冲击可能导致障碍物变形或烧蚀-8。
流体障碍物起爆是近年来提出的新概念，通过喷射气流形成动态扰动，取代物理障碍物。流体障碍物可避免固体障碍物的热负荷问题，同时通过调节喷射参数实现对流场的主动控制。然而，其能耗较高，且射流-主流的耦合稳定性有待进一步研究-8。
激波聚焦起爆利用凹腔或环形结构汇聚激波能量，在焦点处形成高温高压区域直接触发爆震。该方法的点火效率高、可控性好，但对几何参数和入射激波条件极为敏感，结构热负荷问题突出-8。
等离子体点火是前沿研究方向，通过高能放电产生活性粒子和瞬时高温，从化学动力学层面活化燃料，特别适用于低活性燃料。但该技术面临能耗高、电极烧蚀、高压环境下放电效率下降等挑战-8-4。
3.4 多循环工作稳定性与频率提升PDE要实现实用化推力水平，必须达到足够高的工作频率（数百赫兹量级），以保证准连续的推力输出。高频率工作对燃料供应系统、阀门响应、热管理等提出严苛要求。
燃料喷射系统需要在毫秒级时间内完成精确计量和快速开关。早期PDE多采用旋转阀或电磁阀，但受限于阀门响应速度和可靠性。无阀喷注技术成为研究热点，通过利用爆震管内的压力波动实现燃料的自吸入和隔离。
多管PDE构型是提高总推力、降低推力脉动的有效途径。通过多个爆震管交替工作，可使推力输出更平滑，同时多管布置也为燃料供应和热管理提供了更大设计空间。
3.5 热管理与结构完整性PDE的工作环境极为苛刻：爆震波后瞬时温度可达2800K以上，压力可达数兆帕，且这种热载荷以高频脉冲形式反复冲击结构件。热管理成为PDE工程化的关键瓶颈。
主动冷却技术是主流解决方案，利用燃料（如碳氢燃料）作为冷却剂，流经燃烧室外壁的冷却通道吸收热量后再进入燃烧室参与反应。这种“燃料冷却-燃料加热”的再生冷却方式，既可保护结构，又能提高燃烧效率。材料科学领域的进步正在为轻质耐热合金和复合材料的研发铺平道路-10。
热疲劳问题是另一严峻挑战。高频热应力循环可能导致裂纹萌生和扩展，最终引发结构失效。发展高耐久性的热防护涂层和结构设计方法，是延长PDE寿命的必要条件。
4 旋转爆震发动机：连续式爆震推进4.1 工作原理与结构优势旋转爆震发动机（Rotating Detonation Engine, RDE）采用完全不同的技术路线：在一个环形或盘形燃烧室内，爆震波沿周向连续旋转传播，新鲜燃料与氧化剂连续注入，产物连续排出，形成准稳态推力输出。这一构型由Voitsekhovskii于20世纪60年代首次提出，但受限于诊断手段和数值模拟能力，直至21世纪才成为研究热点-3。
RDE的核心工作原理可概括为：燃料和氧化剂从燃烧室头部（通常为环形缝隙或离散喷孔）轴向或径向注入环形间隙；点火后形成沿周向传播的爆震波；爆震波后的高压产物迅速膨胀排出，同时波前新鲜混合物被激波压缩，在激波与反应区耦合条件下自持反应；波后膨胀区压力降低，新鲜混合物得以继续注入，为下一轮爆震循环提供条件。
单次点火。RDE只需在启动时点火一次，爆震波即可自持传播，无需像PDE那样在每个循环重新起爆，大幅简化了点火系统和控制逻辑。
工作频率高。RDE的等效工作频率由爆震波周向传播速度和燃烧室周长决定，典型值可达数千赫兹，远高于PDE。这意味着推力输出更为平稳，接近连续流发动机。
结构简洁紧凑。由于无需复杂的压气机、涡轮等旋转部件，RDE的结构可大幅简化。零部件减少使发动机尺寸变小、重量减轻，使导弹等飞行器可携带更多燃料和有效载荷-5。
易于集成。RDE的环腔构型便于与涡轮发动机（作为加力燃烧室）、冲压发动机（作为主燃烧室）或火箭发动机组合，形成组合动力方案。
4.2 波系结构与稳定传播条件RDE燃烧室内流场的精细结构是理解其工作机理的关键。典型RDE流场由以下几个区域构成：
爆震波区：沿周向高速传播的主爆震波，是压力增益的核心来源。爆震波高度通常为数十毫米量级（取决于燃料特性和注气条件），波后压力急剧升高。
斜激波区：爆震波后产物膨胀加速，形成斜激波或稀疏波，与爆震波相互作用。
新鲜混合物填充区：在爆震波后方，燃烧室压力降低，新鲜燃料-氧化剂得以从注气孔注入，在激波前方形成可燃混合物层，等待下一轮爆震波到来。
产物排出区：高温燃气向燃烧室出口加速排出，产生推力。
爆震波稳定传播需要满足一系列条件：新鲜混合物填充速度与爆震波传播速度的匹配、注气压力与爆震波后压力的平衡、燃烧室几何尺寸与燃料反应特性的适配等。当这些条件失衡时，可能出现爆震波熄灭、模态转变（如单波向双波转变）、低频振荡等不稳定现象。
研究表明，RDE中的爆震波具有复杂的时空结构。三维数值模拟和先进光学诊断技术揭示了爆震波面的胞格结构，以及横波、三波点等精细特征-3。对这些结构的深入认识，是优化燃烧室设计、拓宽稳定工作范围的理论基础。
4.3 燃烧室构型与燃料体系研究RDE燃烧室构型的研究呈现出多样化趋势。除经典的同轴环形构型外，研究者还探索了盘形燃烧室（radial RDE）、空腔燃烧室（hollow RDE）等新型结构-7。
环形燃烧室是最成熟的构型，由同轴内外壁面形成环形间隙。其优势在于流动组织清晰、便于与现有发动机结构集成，是当前工程研发的主流选择。
盘形燃烧室采用径向流动组织，燃料从中心向外缘或外缘向中心注入，爆震波沿周向传播。这种构型便于实现紧凑设计，但流场结构更为复杂。
空腔燃烧室取消了内壁面，形成中心空腔结构。其优势在于减轻重量、简化冷却设计，但对爆震波稳定性的影响需要进一步研究-7。
燃料体系是另一研究重点。RDE需要适应不同燃料类型以覆盖多种应用场景-3-7：
气态燃料（氢气、甲烷、乙烯等）研究最为成熟。氢气因反应活性高、胞格尺寸小，在宽工况范围内易于实现稳定爆震，是实验室研究的首选燃料。
液态燃料（煤油、汽油等）更贴近工程应用，但面临雾化、蒸发、掺混等额外挑战。液态燃料需要在极短时间内完成液滴破碎、蒸发并与空气混合，形成可燃混合物，这对喷注系统提出更高要求。
固体燃料（含能材料粉末等）适用于特殊应用，但燃料供应和燃烧组织难度更大，尚处基础研究阶段。
4.4 喷注与掺混优化燃料-氧化剂的喷注与掺混是RDE的关键环节。注气方式直接影响新鲜混合物的分布、爆震波传播特性和燃烧效率。
喷注结构主要包括环形缝隙、离散孔阵、多孔介质等类型。环形缝隙结构简单，可形成相对均匀的混合物层，但难以实现燃料和氧化剂的预混合，可能影响反应速率。离散孔阵可分别喷射燃料和氧化剂，通过射流碰撞促进掺混，但设计优化难度较大。多孔介质喷注可在较宽流量范围内保持压降稳定，但面临堵塞和热负荷问题。
喷注参数（喷注压降、孔间距、入射角度等）的优化需要平衡多个目标：足够的喷注压降以抵抗爆震波后的高压回传，确保新鲜混合物能够持续注入；良好的掺混质量以形成均匀的可燃混合物，避免因浓度不均导致的爆震失效；合理的流量分配以匹配爆震波的消耗速率，避免燃料积聚或供不应求。
4.5 点火与宽范围起爆RDE的单次点火优势是以可靠起爆为前提的。在工程应用中，RDE需要在宽工况范围（不同来流温度、压力、马赫数）内实现快速起爆和稳定工作。
起爆方式主要有预爆震管起爆、火花塞起爆、热射流起爆等。预爆震管利用小型爆震管产生强激波注入主燃烧室，在特定位置触发爆震，是最可靠的起爆方式之一，但增加了系统复杂度。火花塞起爆结构简单，但在恶劣工况下起爆可靠性不足。热射流起爆介于两者之间，通过预燃室产生高温高压射流注入主燃烧室，可在较低能量消耗下实现较宽范围的可靠起爆。
宽范围起爆的难点在于：低来流温度压力下燃料反应活性下降，起爆难度增加；高来流马赫数下燃烧室入口条件变化，影响爆震波传播稳定性。需要发展智能化的起爆策略，根据工况条件自适应调节点火能量和位置。
4.6 涡轮基旋转爆震的突破性进展涡轮基旋转爆震发动机（Turbine-Based RDE）是当前最具工程应用前景的方向之一。其基本思路是将RDE与现有涡轮发动机相结合——RDE作为加力燃烧室或主燃烧室，利用爆震燃烧的压力增益特性提升整机性能。
2025年3月，美国普惠公司宣布完成旋转爆震发动机测试，标志着这一技术即将从试验阶段走向工程应用阶段-5-9。作为美国国防部“Gambit”项目的核心技术，该发动机被视为未来高超声速导弹动力系统的解决方案。普惠的突破主要体现在三方面：热效率显著提升，为延长导弹射程提供了可能；体积与重量优化，使导弹可携带更多有效载荷；高超声速潜力，使武器更容易获得5马赫以上的飞行速度-5。
国内研究同样取得重要进展。《工程热物理学报》2025年综述指出，后续涡轮基旋转爆震发动机的研究将瞄准内/外涵加力爆震及涡轮冲压旋转爆震组合发动机三个应用方向-1。关键技术难题包括：燃烧室宽范围可靠起爆、爆震波模态调控及传播增稳、燃烧室及喷注结构优化、压力回传抑制、燃烧室高效热防护、整机系统稳定匹配等-1。
4.7 旋转爆震与脉冲爆震的对比两种爆震发动机技术路线各有特点，适用于不同应用场景。表2总结了两者的主要对比：
表2 旋转爆震与脉冲爆震发动机对比
| 特征 | 旋转爆震发动机（RDE） | 脉冲爆震发动机（PDE） |
|---|---|---|
| 工作模式 | 连续式（爆震波周向传播） | 间歇式（周期性充排） |
| 点火方式 | 单次点火 | 每个循环需起爆 |
| 工作频率 | 数千Hz量级（等效） | 数十~数百Hz |
| 推力特性 | 准稳态 | 脉冲式 |
| 结构复杂度 | 较低（无阀门系统） | 较高（需高频阀门） |
| DDT需求 | 无需DDT（直接起爆） | 需DDT（每循环） |
| 燃烧室构型 | 环形/盘形/空腔 | 管状 |
| 主要挑战 | 波系调控、热防护 | DDT距离、阀门可靠性 |
| 应用前景 | 高超声速导弹、加力燃烧室 | 靶机、无人机、导弹 |
从当前发展趋势看，RDE因结构更简洁、工作更稳定、集成更便利，已成为爆震发动机研究的主流方向-1。PDE在特定应用场景（如低成本靶机、小型导弹）仍有其价值，但技术成熟度和应用前景相对逊色。
5 应用展望：从导弹动力到空天运输5.1 高超声速导弹的核心动力高超声速武器是当前大国博弈的战略制高点，而动力系统是其核心瓶颈。现有高超声速导弹多采用火箭发动机或超燃冲压发动机——火箭发动机比冲低、航程受限；超燃冲压发动机技术难度大、稳定工作范围窄、低速性能差。
旋转爆震发动机为高超声速导弹提供了全新解决方案。其优势在于-5-9：
宽速域适应性。RDE可在较宽马赫数范围内高效工作，从亚音速到高超声速均可保持较高比冲。这使其既可作为主发动机全程工作，也可与火箭/冲压发动机组合形成多模式动力。
结构紧凑重量轻。RDE无需压气机、涡轮等复杂旋转部件，结构大幅简化，有利于减小导弹直径、增加燃料装载量。
热效率高航程远。爆震燃烧的热力学优势直接转化为射程增益。对于相同尺寸和燃料量的导弹，RDE动力可实现更远射程，或在相同射程下减小导弹尺寸。
美国“Gambit”项目正是瞄准这一应用方向。普惠公司完成RDE测试后，工程化应用步伐将加快。预计未来5-10年，采用RDE动力的高超声速导弹可能进入装备序列。
5.2 组合动力与空天飞机组合动力是实现水平起降空天飞机的关键技术路径。单一动力方式难以覆盖从零速度到轨道速度的宽广速域范围，需要将涡轮、冲压、火箭等多种动力模式有机结合。
涡轮-旋转爆震组合。RDE可作为涡轮发动机的加力燃烧室，取代传统的等压加力燃烧室。利用爆震燃烧的压力增益特性，可在不加注额外燃料的情况下提高加力推力，或同等推力下降低耗油率。
冲压-旋转爆震组合。在中高马赫数段（3-6马赫），RDE可直接作为主燃烧室，取代传统的亚燃/超燃冲压燃烧室。RDE的自增压特性可降低进气道压缩需求，提高整机性能。
火箭-旋转爆震组合。在更高马赫数或入轨段，RDE可与火箭发动机组合。RDE可作为火箭发动机的预燃室，产生高压燃气驱动涡轮泵，或直接作为主燃烧室产生推力。
中国航天科工集团第31研究所张义宁主任前瞻性提出“冲压-旋转爆震-火箭”三模式一体化组合动力构想，围绕燃烧室共用、氧化剂喷注面板一体化设计、多模态爆震燃烧组织等关键科学问题展开研究-6。
5.3 无人机与商业航空的潜在应用除高超声速导弹外，爆震发动机在无人机和商业航空领域也有广阔应用前景。
无人机对动力系统的体积、重量、成本敏感，同时对续航时间有较高要求。PDE和RDE的高热效率可转化为更长航时，而简洁结构有利于降低制造成本。研究人员设想，未来配备爆震发动机的无人机将实现更长的飞行时间、更高的飞行速度和更大的有效载荷能力-10。
商业航空对推进系统的要求更为严苛——安全性、可靠性、经济性、环保性缺一不可。爆震发动机要实现商业应用，还需解决降噪、减排、长寿命等系列问题。近期看，将RDE作为涡轮发动机的加力燃烧室或间冷回热循环的燃烧室，是较为现实的切入路径。远期看，如果材料、控制、燃烧组织等技术取得突破，RDE有望成为下一代干线客机的动力选项。
5.4 关键瓶颈与突破方向尽管前景广阔，爆震发动机从技术突破到工程实用仍有诸多障碍需要跨越-1-3-7：
燃烧室宽范围可靠起爆。在飞行包线内所有工况点（不同来流温度、压力、马赫数）实现快速可靠起爆，是工程化的基本要求。这需要发展智能化的起爆策略，结合预爆震管、热射流、等离子体等多种点火方式，根据工况条件自适应调节。
爆震波模态调控与传播增稳。RDE中爆震波可能出现单波、双波、多波等多种模态，模态转变伴随推力突变和燃烧效率下降。需要揭示模态转变的触发机制，发展主动控制手段保持爆震波稳定传播。
压力回传抑制。爆震波后的高压可能通过注气孔向上游传播，干扰燃料供应系统甚至引发进气道不起动。需要在保证燃料顺畅注入的前提下，有效抑制压力回传，实现气动隔离。
高效热防护。燃烧室承受极端热载荷——时间平均热流密度可达数MW/m2，瞬时峰值更高。需要发展再生冷却、热障涂层、耐高温材料等综合热防护方案，确保结构在寿命期内可靠工作。
整机系统稳定匹配。爆震发动机不是孤立部件，需要与进气道、喷管、燃料系统、控制系统等协同工作。在宽工况范围内保持各部件稳定匹配，是系统集成的核心难题。
6 未来展望：爆震推进的发展路径6.1 从实验室到工程化过去二十年，爆震发动机完成了从基础研究到应用基础研究的跨越。未来十年将是工程化攻关的关键时期。
2025-2030年：突破核心关键技术。在燃烧室可靠起爆、爆震波稳定传播、高效热防护等方面取得系统性突破，完成地面验证和飞行试验验证。美国普惠2025年的RDE测试正是这一阶段的标志性进展-5-9。
2030-2035年：工程样机研制。面向高超声速导弹、无人机等应用场景，开展整机系统集成和飞行演示验证，完成工程定型。
2035年以后：装备应用与商业推广。爆震发动机动力导弹列装，组合动力空天飞机技术验证，商业航空应用开始探索。
6.2 多学科融合的创新方向爆震发动机的持续突破需要多学科深度融合：
先进诊断技术。发展飞秒激光、X射线成像等新型诊断手段，实现对爆震流场的高时空分辨率测量，揭示复杂波系结构和化学反应动力学细节。
高精度数值模拟。发展考虑真实化学反应机理、湍流-激波-反应相互作用的高精度数值方法，实现对爆震燃烧全过程的高保真模拟，支撑燃烧室优化设计。
智能控制。引入机器学习、自适应控制等智能方法，根据工况变化实时调整喷注、点火等参数，保持爆震波稳定传播和整机高效工作。
新材料与新工艺。发展耐超高温、高导热、抗热震的陶瓷基复合材料，结合3D打印等先进制造工艺，实现复杂结构燃烧室的一体化成形-5。
6.3 中国爆震发动机发展的战略思考中国在爆震发动机领域已形成较为完整的研究体系。西北工业大学、南京航空航天大学、国防科技大学等高校在基础研究方面积累深厚-2-6；中国航天科工集团第31研究所、中国航发研究院等科研机构在工程化攻关方面持续推进。
未来发展的战略重点应包括：
强化基础研究。持续支持爆震燃烧基础科学问题研究，建立系统的理论体系、数值方法和实验数据库。
推动协同创新。打破高校、研究院所、企业之间的壁垒，建立产学研用协同创新机制，加速成果转化。
重视人才培养。爆震发动机涉及燃烧、流体、材料、控制、热结构等多个学科，需要培养具有系统思维的复合型人才。
加强国际合作。在自主可控前提下，积极参与国际交流合作，跟踪前沿动态，借鉴有益经验。
7 结语旋转爆震与脉冲爆震发动机是航空航天推进领域的革命性技术。它们利用爆震燃烧的压力增益特性，突破了传统等压燃烧的热力学效率瓶颈，为实现高超声速飞行和空天运输提供了全新动力方案。
从原理认知到工程探索，爆震发动机走过了百余年的历程。CJ理论和ZND模型奠定了爆震物理的基础；脉冲爆震发动机开启了工程化探索；旋转爆震发动机以其结构简洁、工作稳定的优势后来居上，成为当前研发主流。2025年美国普惠公司的测试成功，标志着技术正从实验室走向工程应用。
然而，从技术突破到工程实用仍有长路要走。燃烧室宽范围可靠起爆、爆震波模态调控、高效热防护、整机系统匹配等关键技术难题亟待攻克。面向未来，需要多学科深度融合，持续推进基础研究、关键技术攻关和工程验证。
可以预见，随着这些挑战的逐步解决，爆震发动机将从实验室走向蓝天，从导弹动力拓展到空天运输，在航空航天发展史上写下新的篇章。问题不再是“爆震发动机是否可行”，而是“如何加速工程化、何时实现应用”。在人类追求更快、更高、更远的征程中，爆震推进技术正展现出令人振奋的前景。
参考文献[1] 工程热物理学报. 涡轮基旋转爆震发动机研究进展与展望[J]. 工程热物理学报, 2025, 46(12). -1
[2] 范玮. 爆震发动机研究与展望[R]. 西北工业大学启真学堂, 2025-03-23. -2
[3] Research progress in rotating detonation propulsion technology[J]. Acta Astronautica, 2025, 236: 522-546. -3
[4] Advancements in pulse detonation engine technology: optimization strategies for next-generation aerospace applications[J]. Aerospace Systems, 2025. -4
[5] 美国测试旋转爆震发动机[N]. 中国国防报, 2025-03-18. -5-9
[6] 张义宁. 爆震发动机研究进展及思考[R]. 西北工业大学航天学院飞天学术论坛, 2025-12-09. -6
[7] 蒋鑫喆, 李宝星, 杨建明, 等. 不同燃烧室结构及燃料体系下旋转爆轰技术研究现状[J]. 推进技术, 2025, 46(3). -7
[8] Wang Z, Qin W, Wei L, et al. Advances on Deflagration to Detonation Transition Methods in Pulse Detonation Engines[J]. Energies, 2025, 18(8): 2109. -8
[9] 新华网. 美国测试旋转爆震发动机[EB/OL]. (2025-03-18). http://www.news.cn/milpro/20250318/6682fc71ba76445391e6ae03bb4e4d7b/c.html. -9
[10] 优化脉冲爆震发动机以促进航空航天发展[EB/OL]. 腾讯新闻, 2026-01-27.
https://wap.sciencenet.cn/blog-300938-1522948.html
上一篇：工业热泵：从原理到未来——碳中和时代的工业供热革命
