“爆轰冲压发动机”的威力何在？

12月3日，沈逸老师在微博转发的“爆轰冲压发动机”的新闻，突然火了。其实这个事儿吧之前在翻论文的时候就看到过，但是每次都被C-J爆震速度啊，斜爆轰啊，爆轰循环啊……这些需要相当的数理和空气动力学知识才能真正搞明白意思的技术词汇搞晕了。

最近先是《兵工科技》发了新闻，然后南华早报黄小姐（南华早报黄小姐已经是军事新闻界的一个梗了，这位实在是太喜欢发各种不明觉厉又解释不明白的新闻了……）一家伙把这个消息怼到了英文世界，这下这个ODRAMJET（斜板式爆轰冲压发动机）的名词一下子就成了大家关注的重点，黄小姐的“妙笔生花"更是说的好像一夜之间超然冲压技术过时了，当初搞这玩意都干嘛……

当然这个就是咱们搞传播，搞新闻，又对于自己所报道的专业懒得去认真了解的人常见的错误了。

“其貌不扬”的高科技，爆轰冲压发动机实验组件

他这个话呢，就好像说涡轮风扇式发动机出来了，涡轮喷气这种技术就没有前途了，就是垃圾一样……其实要是没有涡轮喷气，上哪儿一步到位搞出涡轮风扇呢？涡轮喷气发动机造不明白，怎么可能造出涡轮风扇呢？

那这里列车长首先还是，并不能完全理解我今天说的很多技术名词，但是通过相关论文中的结论和描述，我来“强行”理解一下，在专家眼里难免就和在真正的理论物理专家看那些没有公式的理论物理的科普一样，很可能是充满错误漏洞百出。

但是，大概的“意思”能到，关于这东西的运用范围和前景，也算是一种知识吧……反正咱们看新闻也不是为了造出爆轰冲压发动机是不是？

那么首先这里就要先说一下爆轰发动机的概念。

根据这次爆轰冲压发动机项目主要科学家，中科院力学研究所高温气体动力学开放研究实验室博士生导师，研究院姜宗林几年前发表在《科技前沿与学术评论》杂志上的文章，他是这样解释的：“关于爆轰现象的研究起始于一百多年前人们对煤矿爆炸起因的探索，而化学工业中频繁发生的爆炸事故更加引起了人们对爆轰研究的重视。当时，人们最不理解的是为什么可燃气的燃烧竟能产生如此巨大的破坏力。为什么伴随爆轰的冲击波竞能以五、六倍的声速在可燃气中传播，且不随传播距离而衰减 ?上世纪初，C—J爆轰理论 的提出揭开了爆轰现象的抻密面纱。C—J理论假设无限大的化学反应速率，把爆轰波简化为一道激渡并带有瞬时的能量添加。应用传统的 Ranking—Hugoniot理论分析，c—J理论指出爆轰是一个自相似过程，可用于预测爆轰波前后的空气动力学参数。”……“……普遍认为爆轰波是一种带有激渡／旋涡相互作用的激波诱导的超声速湍流燃烧现象。爆轰的化学反应机理和波相互作用机制一直是个重 要的研究方向。”

每个字都认识吧？意思你理解了吗？……

反正我小朋友是有了很多的小问号……

这还只是一个开始，下面……

……

看懂的朋友……你们肯定都比我懂

那么我以我的“强行理解”，给各位没看懂的朋友说一下。

大致而言，这个意思就是，科学家们在研究爆轰现象的时候发现，爆轰的过程实际上是一种特殊的燃烧，其热效率要比普通的燃烧或者爆燃（内燃机里面的那个就是爆燃现象）高得多。而根据上世纪初到40年代提出的理论，人们逐渐发现了爆轰的本质，并提出可以利用让爆轰从一个瞬间的过程变成一个可以持续的过程——一个极度拉长的爆炸过程。

当然了，要利用这个“持续的爆炸”过程，并不容易。

脉冲爆轰发动机原理图

从上世纪40年代，德国科学家最早提出了“脉冲爆轰发动机”的概念，其实你可以把这种发动机想象成一个汽车的气缸，空气进入其中，和燃料混合爆炸，区别不过是这个“气缸”里没有活塞，爆炸产生的高温气体直接向后面喷出产生推力，就可以推动飞行器前进。纳粹德国时期他们还真的就首次进行了相关的实验。

当然这个其实并不是我们上面提到的“持续的爆炸”的概念，它其实应该说是对爆轰能量的最粗浅的利用。

当然，这种发动机至今也没有真正投入实用，因为这个爆炸的能量如果太高，就会把发动机炸烂，而发动机能够承受的爆炸能量，远不足以产生人们期望中的推进效果……

不过随着人们对爆震原理的研究深入，脉冲爆震发动机也可以在一些形式的组合式动力系统中发挥作用，比如脉冲爆震混合涡扇发动机，就是在涡扇发动机的外涵道里面布置一圈的爆震管，虽然产生的推力小了点，但是可以带来提高发动机整体的推力，降低油耗，减少为其中氮氧化物排放等等好处。

当然目前这种发动机也还停留在理论概念阶段。

回过来说“主流”的发展方向，60年代开始，“可持续爆炸”的理论研究逐渐完善起来，新的爆震发动机原理也开始被提出来了。

这就是连续爆震发动机概念（CDWRE），这种发动机利用的是爆震燃烧的另一种形式，“螺旋爆震”，它的原理实际上就是在发动机燃烧室里面产生一个螺旋形的爆轰冲击波。

咱们之前介绍中科院力学所研制新原理发动机的时候就提到过他们可能在新原理发动机上运用了“超音速燃烧室”，就是气流进入燃烧室的时候是超音速的，而超音速就有激波，很可能就涉及到运用螺旋爆震的概念。（当然具体究竟是不是就是CDWRE，列车长是不太清楚的）

不过连续波爆震发动机其实还是主要用来作为提高传统的涡轮发动机效率的一个技术，用于推进高超声速飞行器的还不是它。

真正把爆震原理推进到接近实际运用的，就是爆轰冲压发动机的概念了。（DRAMJET）

它的原理和近年来大家经常听到的超燃冲压发动机相当接近（SCRAMJET），这种发动机也是没有运动部件，在使用其他手段将飞行器加速到启动速度后，进入进气口的空气在进气道内形成多个激波，最终进入扩散段燃烧室与燃料反应产生推力。它的最大优点就是没有运动部件，而且能在5-8马赫的速度区间提供可靠的动力。

不过，根据国内2018年的相关论文指出，超燃冲压发动机的技术难度还是很高的，虽然2004年X-43A在7马赫速度下（使用氢燃料超燃冲压发动机）的测试中测到了加速度，但超燃冲压发动机真正在超燃模式下工作的时间只有11秒。但不论如何这证明超燃冲压发动机概念确实可行。

此后进行的9.8马赫的飞行中，X-43A的超燃冲压发动机没有产生正推力，没有加速度。

此后空军的X-51A的测试，计划速度是6.1马赫，但实际上测试速度为5.1马赫，飞行速度6分钟。但是至今关于它的燃烧室内究竟是否实现超声速燃烧，还没有明确定论。

超声速燃烧是目前空气动力理论界的主要难题之一，这也意味着超燃冲压发动机的研制试验过程实际上是一边进行理论上的摸索一边进行实用化的探索，可以说是非常难。

例如，燃烧不稳定问题，至今对于超燃冲压发动机的燃烧不稳定，“机理尚不清楚，没有明确定论，也没有从理论上给出解释”而不稳定的燃烧就会导致推力的不稳定，在实验中就会导致推力急剧下降。这一问题也很难得到解决，同样，其机理尚不清楚。

当然，关于这些问题，我国进行了大量的研究和实验，对其进行改进。

此前已经有报道提到国内的RBCC（火箭基冲压）等动力试验都取得了成功，这表明我国的超燃冲压发动机在大量实验基础的前提下已经走到了世界前沿。

RBCC发动机

而在超燃冲压发动机工作过程中，很容易形成爆轰波，因为C-J爆轰是最高效的燃烧形式，所以这种发动机理论上比常规的超燃冲压发动机更加理想。

和常规超燃冲压发动机相比，它的优势主要是两点，燃烧室可以设计的很短，而且燃烧热效率高，就可以大大减轻发动机的热负荷和冷却需求，从而大大减轻了结构重量。

这种发动机之中，最接近于实用化的，也就是这次我国取得成果的这种“斜震爆发动机”（ODWE）也叫作“斜爆轰推进激波系统”，这个“斜”的意思，不是因为它是由一系列斜板构成，而是因为它所利用的激波，是一个斜的形状——相比之下，传统超燃冲压发动机的激波是近乎于垂直的。

斜爆震冲压发动机的燃烧，或者说爆轰过程是出现在激波的后面，某种程度上说甚至可以说是在“发动机外面”，高温高压气体从尾喷口排出产生推进力。

根据姜宗林教授的论文，“ODWE研究的关键问题是空气\燃料的迅速混合和爆轰过程的确立。已有研究表明：在许多情况下激波诱导燃烧并不一定过渡到爆轰。”

这也就是这种发动机研究中主要的难题了。（其实还有很多别的难题，比如如何起爆，发动机使用的耐高温材料，当然还有激波位置和形状如何控制……等等等等都是问题，论文这里说的应该是相比于此前我国在超燃冲压发动机研制中已经解决的问题，研制爆轰发动机研制要面临的新问题……）

同样在这篇论文里，姜教授写了这么一句话“ODWE的研究有着广泛的军事应用背景，是一个很敏感的研究课题”……这话大致意思就是“更多的不能告诉你们，呵呵”。

从这里也可以看出，“南华早报黄小姐”报道里表达的“超燃冲压难度太高搞不定，所以我们干脆用震爆解决问题了”的这种感觉，其实是不正确的，因为震爆冲压是比超燃冲压技术难度更高的东西，没有搞明白超燃冲压的技术，是不可能搞出震爆冲压的……震爆冲压的结构简单，重量轻等方面的优势是在运用层面，而不是研制难度层面的好处。

在其他一些论文里提到，震爆冲压发动机和超燃冲压发动机相比，除了效率更高，重量更轻，结构更简单，还有其他的好处。

比如，它可以完美在火箭发动机和冲压发动机之间转换，作为组合动力中的一个部分，更加合适。其次是它的工作速度的上限要大大超过超燃冲压发动机。超燃冲压发动机一般认为速度上限是8马赫，而震爆冲压可以达到15-16马赫的速度。

如果作为空天飞机的发动机，震爆冲压发动机能够以吸气式发动机的状态工作更久再转为火箭发动机工作模式，这就可以节约大量的氧化剂（因为直接用空气里的氧气），从而可以降低飞行器总体的重量。

而如果作为全程在大气层内工作的飞行器的动力，那么它的各方面性能，燃油经济性（或者说同等尺寸下的飞行距离），最大飞行速度等都会超燃冲压发动机取得很大的优势。

可以这么说，震爆冲压发动机其实是“完美状态的超燃冲压发动机”，在这一领域取得重大突破，再次证实我们在这一领域的领先地位又进一步得到加强了。

按照几年前国内的论文认为，日本、美国、欧洲一些国家的斜震爆发动机可能会在“未来几年内”开始进行试飞——当然了这个事儿吧，看来咱们又料敌从宽了……（顺便从这些国家也在积极研究的这个事情也可以感受到姜宗林教授论文里这个“这是个很敏感的研究课题”的含义）

震爆冲压发动机如果能够投入实用，理论上首先可以用于导弹和无人机，以类似现有战术导弹的尺寸，实现中远程导弹甚至洲际的射程，这都是说超燃冲压发动机时候的老生常谈了，而同时它的飞行速度还能从之前的8马赫，提高到15马赫甚至更高，也就是速度翻倍，从发射到命中的时间减半。

虽然是日本的想象，但是这个图的大概意思也是差不多的，当然有了爆震发动机的话，整个下面的动力系统要比图中更短更小——呵，也算是你们YY，我来实现了吧……

这意味着高超声速巡航导弹和弹道导弹之间的差别更小了（洲际弹道导弹的速度会在25马赫左右），拦截难度更高了……

之前在了解国内的高超声速武器系统发展的时候，经常听到的一个感慨就是，“你们这是冲着对手下一代的拦截技术去的啊”——没错，当年咱们搞鹰击-12、东风-100、东风-21D这些导弹的时候，还是冲着美国海军当时现役的拦截系统的包线，然后我们突防阶段的飞行性能包线，就在对手拦截包线外面一点点。到了东风-17的时候，对手的拦截系统已经没办法，开始要研制下一代拦截系统了，而我们对于他们可能研制的下一代拦截系统也多少有点估计，所以在东风-17上就已经考虑了让他的下一代拦截系统也难以拦截。

而到了使用震爆冲压嘛……（相关论文里面提到项目参与方还有航天科工集团某院，航天科工么大家都懂的，主业是送人上西天），我们瞄准的已经是对手的下两代拦截技术了……

呵呵