美突破吸气高超音速技术:DMRJ双模冲压,10马赫速度!中国进度如何?

GE航空航天公司在12月14日展示了一种看起来似乎是不可能的发动机，其将涡轮基、亚燃冲压与超燃冲压以及旋转爆震都整合到一起的组合发动机DMRJ，最高飞行速度可达5马赫以上。如果这种发动机技术为真并且成熟化应用的话，美国将再次引领高超音速发动机技术！

双模冲压发动机DMRJ，到底是怎么实现的？

12月14日，通用电气（GE）航空航天公司在位于尼斯卡尤娜的研究中心公开综合高超音速项目的最新进展，世界上第一次能在超音速气流中进行旋转爆震燃烧（RDC）的高超音速双模冲压发动机（DMRJ）进行了试验台试验。

这种发动机一旦成功应用，将有助于实现高超音速下的远程飞行，这一里程碑式的突破将让GE航空航天公司能够在高超音速领域取得多方面优势，同时也将有助于GE在高超音速领域的DMRJ发动机在2024年的第二季度将成为一家独立公司。

GE航空航天和防务系统的总裁兼首席执行官Amy Gowder表示：“随着航空航天行业将目光投向高超音速技术的未来，GE航空航天凭借卓越的能力、经验和规模处于全球领先地位，能够成为推动客户新发展的领军者。”。“DMRJ与RDC成功演示是GE航空航天在10多年努力的成果，包括战略收购Innoveering，该公司带来了高超音速推进和冲压发动机方面的领先技术和经验。”

GE航空航天表示，典型的吸气式DMRJ发动机只有在飞行器达到大于3马赫时才能开始运行，这种结合了RDC的发动机使得能够以更低的马赫数飞行，而最高速度则能达到5马赫以上，并且还能让发动机可以更长时间的运行，特别是GE去年对Innoveering的收购在双模发动机方面帮助很大，与GE在十年RDC发动机技术研究以及高超音速空气动力学的研究，使得这一技术获得了突破。

GE航空航天公司Edison Works业务与技术开发副总裁兼总经理Mark Rettig表示，团队将RDC和DMRJ的结合只用了12个月的时间就完成了演示，团队将在2024年开始大规模测试完善这一技术。

双模燃烧超燃冲压发动机，到底是怎么实现的？

据GE航空航天给出的资料，这种双模高超音速发动机总共用到了旋转爆震燃烧技术、亚燃冲压和超燃冲压技术，另据X上的军事专家解读还用上了涡轮机，这是一种相当复杂的技术，但也可能非常简单，因为RDC和冲压发动机结构非常简单，但如何将两者结合在一起却有相当难度。

何为RDC？

RDC是Rotating Detonation Combustion的简写，其意思是旋转爆震燃烧，以这种技术制造的发动机就是RDE，也就是Rotary Detonation Engine：旋转爆震发动机，各位熟悉的是RDE而非RDC，这只是同一种技术的不同形态。

爆震燃烧是一种效率极高的燃烧，这种可以近似被看成是等容燃烧的方式与活塞发动机的燃烧方式类似，省油高效是其特点，而旋转爆震则是将PDE爆震燃烧频率无法提高从而导致推重比不高的毛病给解决了，这种使用环形爆震燃烧室的发动机爆震频率提高十倍以上，也让爆震发动机从实验转向实用的重要方向之一。

爆震发动机还有一个特点，不像冲压发动机需要有一个初始速度，爆震发动机可以零速度启动，通过进气道的结构转换实现零速度到高超音速的速度范围，是一种宽速域的发动机，但其从亚音速到超音速状态转换仍然存在比较大的问题。

何为冲压发动机？

冲压发动机是利用激波压缩气流并混入燃料在燃烧室中连续燃烧产生推力的一种发动机，最不容易理解的就是这种发动机是如何利用激波压缩气流的，因为从实际状态来看，这种发动机就是一根前后直通的管子。

但在高速下就不是一根直通的管子了，通过进气道的超音速气流会在唇口产生激波，并在进气道内反射形成一道道“反射激波”，通过管子“中央”进入的气流会在这些激波（是高压气流形成的压缩波）中被一次次压缩，最终抵达燃烧室时成为高温高压气流，此时混入燃料燃烧向尾喷口排出就形成了正推力。

冲压发动机有几个毛病，必须要超音速下才能工作，并且最好超过2马赫左右效率才能比较高，因此无法零速度启动；另一个是从燃烧室内的气流从亚音速（亚燃）转到超音速（超燃）（飞行器从超音速转到高超音速）时工作状态会非常不稳定，甚至可能会熄火，因此冲压发动机门槛不高，但零速度无法启动，亚燃/超燃模态转换难度很大。

何为涡轮基发动机？

所谓的涡轮基发动机就是涡喷或者涡扇发动机，在发动机前方有一级级风扇，这些风扇将气流吸入发动机并经过“层层压缩”，最后送入燃烧室混入燃料点燃。这些所谓的风扇被称为涡轮，由于存在涡轮主动吸气，因此涡轮发动机可以零速度启动，但也由于存在涡轮，这种发动机很难超过3马赫。

DMRJ：究竟是怎么组合在一起的？

这三种发动机工作模式是可以组合的，比如爆震发动机在启动到加速时速度很慢，此时可以用涡轮基压缩来提高进气效率，改善低速加速慢的问题；

• 涡轮基和冲压发动机也可以组合，比如用涡喷加速到2马赫后启动亚燃冲压发动机；
• 亚燃冲压也可以和超燃冲压发动机组合，完成从超音速到高超音速的转换；
• 涡轮基+冲压+超燃冲压发动机，完成从零速度到高超音速的转换；

但是四种模式结合在一起，这个是不是太复杂了？也不一定，ScienceDirect上的一篇论文中给出了DMRJ的几种结构：

这是一种将两种或者三种模态发动机整合到一起并共用进气道和尾喷管的一种发动机，上图中的发动机的模式为分为三个通道：低速涡轮通道、引射冲压通道和双模态冲压通道。这种发动机的工作模式：

• 1、低压涡轮启动，完成从零速度到2马赫超音速的过程，
• 2、启动亚燃冲压发动机，向3-4马赫逼近；
• 3、在4~5马赫转换时启动引射超燃冲压发动机；
• 4、5马赫后启动超燃超燃冲压发动机；
• 5、模态转换时用DMRJ流路启动避免工作不稳定

三个通道但有四种工作模态，因为冲压通道可以同时工作在亚燃/超燃工作模态；三个通道的发动机的进气道有一个活门，可以在不同的速度下将气流引导至对应工作的通道，不过这种发动机仍然是一种涡轮基超燃冲压发动机，也就是TBCC的一个变种。

那么GE的使用了爆震发动机的DMRJ又是怎样的结构呢？并且还能把涡轮加入到这种发动机中？可能的结构或者是这样的：

• 1、涡轮增压的旋转爆震发动机；
• 2、亚燃/超燃冲压发动机；
• 3、双模态流路的DMRJ；

涡轮增压RDE的优势上文已经说明了，可以零速度启动快速过度到超音速状态，之后亚燃冲压工作，再然后超燃冲压工作，爆震到亚燃转换以及亚燃到超燃转换期间工作不稳定由DMRJ来完成衔接。笔者认为，GE的RDC+DMRJ的这种工作状态可能性是最大的。

究竟是5马赫还是10马赫？

据GE航空航天给出的数据，这种旋转爆震燃烧的高超音速双模冲压发动机最高工作速度可以超过5马赫，不过X上有一位@DrChrisCombs的大佬认为这种发动机可以在10马赫条件下工作，笔者认为使用碳氢燃料的超燃冲压发动机想要到10马赫不太可能，除非将燃料改成氢燃料。

不过氢燃料虽然能让超燃超燃冲压发动机速度提高不少，但这种燃料太难存放并且密度很低，导致各国在研究军用飞行器时绝不会考虑氢燃料，未来只有在民用领域才会考虑氢燃料的超然冲压发动机（各国在测试时用氢燃料的比例还是很高的）。

中国的高超音速发动机进度如何？

GE的RDC结合DMRJ的发动机一出，网上有很多网友都在哀嚎，美国的高超音速技术又遥遥领先了，不过笔者却并不这样认为，因为我国在这方面的研究并不弱，比如清华大学在2022年的《清华大学学报》上就发表过一篇标题为《内转式TBCC组合动力进气道设计方法研究进展》就详细说明了一种进气道切换的TBCC发动机研究进展：

这篇论文中主要涉及进气道切换技术，没有涉及具体的发动机技术，不过这却是我国在研的TRRE发动机的铺垫，这种发动机比DMRJ发动机要更简单，如下图，不知道各位是否能看明白这种结构：

发动机的工作模态在图中已经有说明，这就是一种共用进气道和尾喷管的涡喷发动机+亚燃/超燃冲压发动机，在中间内置一个火箭发动机防止4~5马赫时亚燃超燃模态转换不稳定。这种发动机优势很明显，切换比较顺利。

但缺点也存在，火箭工作在引射模式，比冲比常规火箭高得多，但要低于涡轮发动机，也低于涡轮+爆震发动机，简单说就是油耗比较高点。不过切换也就在4~5马赫一段，并不需要经常切换，因此这个缺点可以接受。

当然如果能实现爆震发动机那显然更好，不过GE的发动机使用这种模式切换的模态实在有点复杂，爆震发动机比较理想的状态使用涡轮增压进气道和超音速/高超音速共用进气道两种，低速模式下“涡轮增压”，高速模式下激波增压，只是旋转爆震的引射进气能否工作在如此宽的速域下是个问题。

我国在超燃冲压以及旋转爆震发动机上有着很深的研究，目前公开的资料是旋转爆震进度很快，另外在斜爆震发动机上研究也有突破，这种发动机最高工作速度可达14~17马赫，直接让大部分发动机推进的飞行器望其项背。