中国进度如何?美国高超音速发动机再获突破:RDRE旋转爆震成功试车

1月25日，NASA的官网上更新了一条并不引人注意的新闻，是一个全尺寸RDRE发动机试车视频，国内几个著名的搬运网站却对此都视而不见，但对于高超音速爱好者来说，这无疑是一个超级重磅的新闻，因为这已经是几个月内美国第二次吸气式高超音速发动机突破了！

旋转爆震发动机：到底是何方神圣？

NASA官方的新闻表示，这个发动机是在NASA马歇尔太空飞行中心的工程师和IN Space LLC一起合作开发的，测试地点位于太空中心东部的RDRE试验区，这台全尺寸发动机总共点火了十几次，测试时间将近10分钟。

NASA表示这台发动机使用了大量增材制造技术（3D设计并用3D打印技术完成）的部件，证明了其研发的材料合金GRCop-42粉末与3D工艺制造的零部件可以长时间运行、并承受爆炸产生的极端高温和高压环境，从而实现了其主要测试目标。

发动机试车时的最大推力超过17.78kN（1.8吨），平均室压达到了4.29MPa，达到了同类发动机有记录以来的最高室压。NASA表示，测试期间实现的其他里程碑包括深度节流和内部点火的成功性能，未来将能让火箭携带着更大的有效载荷抵达深空目的地，这是太空探索更具可持续性的重要组成部分。

NASA工程师称，未来将展开研制可完全重复使用的4.5吨级RDRE，这种发动机与传统的液体火箭相比更节省燃料、更高的比冲，具有压倒性优势！

旋转爆震发动机与旋转爆震火箭发动机

NASA的这种旋转爆震火箭的原理是旋转爆震发动机，而旋转爆震发动机的最基本原理就是爆震发动机，这种结构简单但让很多朋友看不懂的发动机理解起来有些困难，因为它基本打破了各位对发动机的几个理解：

• 首先这种发动机原理与以前的发动机完全不一样，反而与活塞发动机有些类似；
• 另外它和冲压发动机一样基本没有活动部件；
• 但它却没有冲压发动机那么娇气，可以在零速度下启动；

这种神奇的发动机，到底是个怎样的存在？

等容燃烧是其关键

目前高性能战斗机装备喷气式发动机原理都不复杂，但结构特别复杂，因为需要通过多级压气级一直将气流压缩至高压后再喷入燃料在燃烧室中做功排气，一部分推动高温涡轮旋转维持发动机工作，另一部分排出发动机作为推力来源。

但这种发动机有一个问题，燃烧室是“开放”的，爆燃燃烧时只能维持一定的压力，过了就是“泄压”，所以这种发动机就被称为等压燃烧，压力大致是恒定的，要维持这个压力必须源源不断输入燃料和空气。

而爆震发动机则不是这样，虽然这种发动机结构基本就是一根前后相通但有些特殊结构的管子，它的燃烧室也是开放的，但其燃烧方式却是爆轰，其原理是燃料混入空气后在爆轰室内燃烧过程是爆炸，与粉尘以及燃气爆炸的原理差不多，爆燃燃烧与爆轰燃烧的区别是前者爆轰波低于音速，而后者则是超音速甚至高超音速，一般的燃气与空气的混合物爆轰波传播速度可达1400米/秒以上。

如此高速传播的爆轰波，其压力根本就来不及扩散，所以即使在开放空间中仍然会产生爆炸效果，可以近似看作等容燃烧，并且一般燃料的爆炸浓度范围很宽，下限要远比燃烧浓度低得多，所以这种爆轰燃烧的爆震发动机非常节省燃料。

其过程与活塞发动机在气缸内的过程比较相似，活塞发动机很省油大家都知道！中学物理课会有四冲程活塞发动机原理，会有吸气、压缩、做功与排气四个过程，所以才叫四冲程活塞发动机，吸气是进气门打开，活塞下行完成的，但爆震发动机前后一根管子，如何完成吸气？

引射作用是自吸气的关键

这个原理是可能是这种类型的发动机中最难理解的，原因很简单，理解冲压发动机前后直通的管子但却能以激波压缩并将高压气体与燃料混合后送入燃烧室做工产生推力的过程已经和天书级差不多了，但至少冲压发动机有火箭的推力达到高速产生激波在背书，所以就装作明白了吧。

然而爆震发动机却搞不懂了，它在停止状态也能自吸气工作，一直从零速度到高超音速，最后还能切换成爆震火箭使用，简直就是完美无缺的发动机，这种吸气式发动机的吸气原理就是引射作用。

当高速气流经过狭缝时它并不会进入狭缝，而是会将狭缝中的气流带出，狭缝将会处在低压状态而不断吸气，爆震发动机就是通过这样的原理吸气，爆轰发生后超音速扩张爆轰波产生的瞬间高压，随后会带动排气从尾喷口排出，在经过狭缝时会带入混入了燃料的新鲜空气，再次发生爆炸，这样的循环就成了持续工作的爆震发动机。

但这种发动机有一个缺点，爆震频率提不起来，虽然很省油但总推力却不高，需要很多爆震管并联，造成的结构重量比较大，并且每次都得单独点火，这也给点火系统也带来的很大的压力，而另一种环形燃烧室的旋转爆震结构却能解决这个问题。

这种可以根据进气口分布灵活布置成多个爆轰区域，相邻的爆轰会点燃下一个爆轰区域，在环形燃烧室中周而复始形成一个循环。如果继续进气与燃料，那么这个爆轰一直会持续下去。而其吸气过程与单管爆震是类似的。

这种发动机比较有趣，在地面启动时候可以用空气作为氧化剂，推动飞行器加速、直至50~60千米的高空，再也无法从大气层中获取氧气的旋转爆震发动机可以封闭进气道后注入氧气以维持爆轰过程。

以氢氧为燃料的RDRE结构

所以它是可以实现从地面起飞直接进入太空的理想发动机，而且这种爆震燃烧的发动机节油性能要比火箭发动机的等压燃烧要高得多，简单地说就是比冲要比目前同类燃料的火箭要高出一大截，这意味着同样的燃料可以运送更多的有效载荷或者能抵达更远的深空，或者提早完成任务等等，这些优点让NASA欲罢不能。

另一个用途：高超音速飞行器与空天飞机

NASA的研究似乎是纯科学用途的，但NASA很多研究都是军民两用的，而且美国的这套科研体系比较开放且效率很高，特别是军方以DARPA为首，而科研与民用则以NASA为首的超前研究，最大的受益者就是美国军方，所以NASA的旋转爆震火箭技术很有可能首先在军用上发挥作用。

如果NASA能将旋转爆震火箭与旋转爆震发动机打通并且实用化，那么未来美军将能获得一种无与伦比的发动机，因为它结构简单、几乎免维护、地面起飞直达近地轨道，要是真有一种这样的飞行器，估计全球各国都别玩了，因为到目前为止没有任何一种飞行器可以和它相比。

所幸我国在在旋转爆震发动机上也有着很深的理解，比如早在2022年1月24日，清华航天旋转爆震发动机就装载在火箭助推的飞行器上进行了升空测试：

煤油雾化喷入燃烧室，工作系统顺利启动，燃烧室进入航空燃烧状态，发动机获得持续推动力，试验进入圆满成功。”

这表示我国也走在了爆震发动机研制的前列，当然清华航天的旋转爆震发动机属于吸气式发动机，而NASA的则是封闭进气道后的旋转爆震火箭，两者结构上有区别但原理大致相同，但各有千秋，中国目前突破的适合大气层内飞行，因为属于吸气式旋转爆震发动机，而NASA的则属于旋转爆震火箭，更适合太空飞行。

不过两者原理是相通的，吸气式可以向火箭式发展，火箭式也可以向吸气式发展，但进气道气流控制以及燃烧室内的环境可能会千差万别，因为大气中含有氮气，但纯氧却没有，不过这已经是另一个话题了。

延伸阅读：美国TBCC发动机也获得突破

2022年11月17日，美国公司Hermeus展示了Chimera（奇美拉）发动机在圣母大学涡轮机械实验室的超音速风洞中测试的视频，普通发动机测试并不能引起大家的兴趣，但这种发动机属于涡轮发动机+冲压发动机，也就是传说中的TBCC发动机，当然现在还是亚燃冲压，还不是真正的TBCC。

奇特结构的发动机：中心才是涡轮机

这种发动机结构相当切特，它的主结构是一根大管子，中间是一台GEJ85-21小型涡喷发动机，而包裹在它外部的则是一个冲压发动机的进气锥，在其后部则是一个共用的冲压发动机燃烧室，也就是小型涡喷的后燃室。

比较值得一提的是，HermeusChimera发动机在进气道中将启动一个预冷器，让进入涡喷发动机的气流冷却，以获得更高的压缩比以压榨出这台涡喷的极限性能，让其推进至3马赫后切换至冲压发动机，然后再将速度推至4倍音速。

尽管这种发动机目前的极限速度仍然是4马赫左右，还达不到高超音速的要求，但不得不说这种结构还是非常脑洞的，轴对称冲压发动机，中置涡喷发动机，不知道这种结构在超燃上是否能借鉴，大概率还是比较困难的，不过就现阶段而言，实现一种4~5马赫的飞行器也是不错的。

Hermeus是一家致力于高超音速飞行器的研制公司，目标是制造出5马赫以上的飞行器，以超过协和超音速客机数倍的速度，在90分钟横渡大西洋抵达欧洲，看着又是民用发动机？但事实上该公司已经在和与NASA以及美国军方合作，因为这种发动机的军事潜力也非常大，美国在高超音速发展上真是不遗余力，我们还需小心应对。