“爆轟衝壓發動機”的威力何在？_風聞

12月3日，沈逸老師在微博轉發的“爆轟衝壓發動機”的新聞，突然火了。其實這個事兒吧之前在翻論文的時候就看到過，但是每次都被C-J爆震速度啊，斜爆轟啊，爆轟循環啊……這些需要相當的數理和空氣動力學知識才能真正搞明白意思的技術詞彙搞暈了。

最近先是《兵工科技》發了新聞，然後南華早報黃小姐（南華早報黃小姐已經是軍事新聞界的一個梗了，這位實在是太喜歡發各種不明覺厲又解釋不明白的新聞了……）一傢伙把這個消息懟到了英文世界，這下這個ODRAMJET（斜板式爆轟衝壓發動機）的名詞一下子就成了大家關注的重點，黃小姐的“妙筆生花"更是説的好像一夜之間超然衝壓技術過時了，當初搞這玩意都幹嘛……

當然這個就是咱們搞傳播，搞新聞，又對於自己所報道的專業懶得去認真瞭解的人常見的錯誤了。

“其貌不揚”的高科技，爆轟衝壓發動機實驗組件

他這個話呢，就好像説渦輪風扇式發動機出來了，渦輪噴氣這種技術就沒有前途了，就是垃圾一樣……其實要是沒有渦輪噴氣，上哪兒一步到位搞出渦輪風扇呢？渦輪噴氣發動機造不明白，怎麼可能造出渦輪風扇呢？

那這裏列車長首先還是，並不能完全理解我今天説的很多技術名詞，但是通過相關論文中的結論和描述，我來“強行”理解一下，在專家眼裏難免就和在真正的理論物理專家看那些沒有公式的理論物理的科普一樣，很可能是充滿錯誤漏洞百出。

但是，大概的“意思”能到，關於這東西的運用範圍和前景，也算是一種知識吧……反正咱們看新聞也不是為了造出爆轟衝壓發動機是不是？

那麼首先這裏就要先説一下爆轟發動機的概念。

根據這次爆轟衝壓發動機項目主要科學家，中科院力學研究所高温氣體動力學開放研究實驗室博士生導師，研究院姜宗林幾年前發表在《科技前沿與學術評論》雜誌上的文章，他是這樣解釋的：“關於爆轟現象的研究起始於一百多年前人們對煤礦爆炸起因的探索，而化學工業中頻繁發生的爆炸事故更加引起了人們對爆轟研究的重視。當時，人們最不理解的是為什麼可燃氣的燃燒竟能產生如此巨大的破壞力。為什麼伴隨爆轟的衝擊波競能以五、六倍的聲速在可燃氣中傳播，且不隨傳播距離而衰減 ?上世紀初，C—J爆轟理論 的提出揭開了爆轟現象的抻密面紗。C—J理論假設無限大的化學反應速率，把爆轟波簡化為一道激渡並帶有瞬時的能量添加。應用傳統的 Ranking—Hugoniot理論分析，c—J理論指出爆轟是一個自相似過程，可用於預測爆轟波前後的空氣動力學參數。”……“……普遍認為爆轟波是一種帶有激渡／旋渦相互作用的激波誘導的超聲速湍流燃燒現象。爆轟的化學反應機理和波相互作用機制一直是個重 要的研究方向。”

每個字都認識吧？意思你理解了嗎？……

反正我小朋友是有了很多的小問號……

這還只是一個開始，下面……

……

看懂的朋友……你們肯定都比我懂

那麼我以我的“強行理解”，給各位沒看懂的朋友説一下。

大致而言，這個意思就是，科學家們在研究爆轟現象的時候發現，爆轟的過程實際上是一種特殊的燃燒，其熱效率要比普通的燃燒或者爆燃（內燃機裏面的那個就是爆燃現象）高得多。而根據上世紀初到40年代提出的理論，人們逐漸發現了爆轟的本質，並提出可以利用讓爆轟從一個瞬間的過程變成一個可以持續的過程——一個極度拉長的爆炸過程。

當然了，要利用這個“持續的爆炸”過程，並不容易。

脈衝爆轟發動機原理圖

從上世紀40年代，德國科學家最早提出了“脈衝爆轟發動機”的概念，其實你可以把這種發動機想象成一個汽車的氣缸，空氣進入其中，和燃料混合爆炸，區別不過是這個“氣缸”裏沒有活塞，爆炸產生的高温氣體直接向後面噴出產生推力，就可以推動飛行器前進。納粹德國時期他們還真的就首次進行了相關的實驗。

當然這個其實並不是我們上面提到的“持續的爆炸”的概念，它其實應該説是對爆轟能量的最粗淺的利用。

當然，這種發動機至今也沒有真正投入實用，因為這個爆炸的能量如果太高，就會把發動機炸爛，而發動機能夠承受的爆炸能量，遠不足以產生人們期望中的推進效果……

不過隨着人們對爆震原理的研究深入，脈衝爆震發動機也可以在一些形式的組合式動力系統中發揮作用，比如脈衝爆震混合渦扇發動機，就是在渦扇發動機的外涵道里面佈置一圈的爆震管，雖然產生的推力小了點，但是可以帶來提高發動機整體的推力，降低油耗，減少為其中氮氧化物排放等等好處。

當然目前這種發動機也還停留在理論概念階段。

回過來説“主流”的發展方向，60年代開始，“可持續爆炸”的理論研究逐漸完善起來，新的爆震發動機原理也開始被提出來了。

這就是連續爆震發動機概念（CDWRE），這種發動機利用的是爆震燃燒的另一種形式，“螺旋爆震”，它的原理實際上就是在發動機燃燒室裏面產生一個螺旋形的爆轟衝擊波。

咱們之前介紹中科院力學所研製新原理發動機的時候就提到過他們可能在新原理發動機上運用了“超音速燃燒室”，就是氣流進入燃燒室的時候是超音速的，而超音速就有激波，很可能就涉及到運用螺旋爆震的概念。（當然具體究竟是不是就是CDWRE，列車長是不太清楚的）

不過連續波爆震發動機其實還是主要用來作為提高傳統的渦輪發動機效率的一個技術，用於推進高超聲速飛行器的還不是它。

真正把爆震原理推進到接近實際運用的，就是爆轟衝壓發動機的概念了。（DRAMJET）

它的原理和近年來大家經常聽到的超燃衝壓發動機相當接近（SCRAMJET），這種發動機也是沒有運動部件，在使用其他手段將飛行器加速到啓動速度後，進入進氣口的空氣在進氣道內形成多個激波，最終進入擴散段燃燒室與燃料反應產生推力。它的最大優點就是沒有運動部件，而且能在5-8馬赫的速度區間提供可靠的動力。

不過，根據國內2018年的相關論文指出，超燃衝壓發動機的技術難度還是很高的，雖然2004年X-43A在7馬赫速度下（使用氫燃料超燃衝壓發動機）的測試中測到了加速度，但超燃衝壓發動機真正在超燃模式下工作的時間只有11秒。但不論如何這證明超燃衝壓發動機概念確實可行。

此後進行的9.8馬赫的飛行中，X-43A的超燃衝壓發動機沒有產生正推力，沒有加速度。

此後空軍的X-51A的測試，計劃速度是6.1馬赫，但實際上測試速度為5.1馬赫，飛行速度6分鐘。但是至今關於它的燃燒室內究竟是否實現超聲速燃燒，還沒有明確定論。

超聲速燃燒是目前空氣動力理論界的主要難題之一，這也意味着超燃衝壓發動機的研製試驗過程實際上是一邊進行理論上的摸索一邊進行實用化的探索，可以説是非常難。

例如，燃燒不穩定問題，至今對於超燃衝壓發動機的燃燒不穩定，“機理尚不清楚，沒有明確定論，也沒有從理論上給出解釋”而不穩定的燃燒就會導致推力的不穩定，在實驗中就會導致推力急劇下降。這一問題也很難得到解決，同樣，其機理尚不清楚。

當然，關於這些問題，我國進行了大量的研究和實驗，對其進行改進。

此前已經有報道提到國內的RBCC（火箭基衝壓）等動力試驗都取得了成功，這表明我國的超燃衝壓發動機在大量實驗基礎的前提下已經走到了世界前沿。

RBCC發動機

而在超燃衝壓發動機工作過程中，很容易形成爆轟波，因為C-J爆轟是最高效的燃燒形式，所以這種發動機理論上比常規的超燃衝壓發動機更加理想。

和常規超燃衝壓發動機相比，它的優勢主要是兩點，燃燒室可以設計的很短，而且燃燒熱效率高，就可以大大減輕發動機的熱負荷和冷卻需求，從而大大減輕了結構重量。

這種發動機之中，最接近於實用化的，也就是這次我國取得成果的這種“斜震爆發動機”（ODWE）也叫作“斜爆轟推進激波系統”，這個“斜”的意思，不是因為它是由一系列斜板構成，而是因為它所利用的激波，是一個斜的形狀——相比之下，傳統超燃衝壓發動機的激波是近乎於垂直的。

斜爆震衝壓發動機的燃燒，或者説爆轟過程是出現在激波的後面，某種程度上説甚至可以説是在“發動機外面”，高温高壓氣體從尾噴口排出產生推進力。

根據姜宗林教授的論文，“ODWE研究的關鍵問題是空氣\燃料的迅速混合和爆轟過程的確立。已有研究表明：在許多情況下激波誘導燃燒並不一定過渡到爆轟。”

這也就是這種發動機研究中主要的難題了。（其實還有很多別的難題，比如如何起爆，發動機使用的耐高温材料，當然還有激波位置和形狀如何控制……等等等等都是問題，論文這裏説的應該是相比於此前我國在超燃衝壓發動機研製中已經解決的問題，研製爆轟發動機研製要面臨的新問題……）

同樣在這篇論文裏，姜教授寫了這麼一句話“ODWE的研究有着廣泛的軍事應用背景，是一個很敏感的研究課題”……這話大致意思就是“更多的不能告訴你們，呵呵”。

從這裏也可以看出，“南華早報黃小姐”報道里表達的“超燃衝壓難度太高搞不定，所以我們乾脆用震爆解決問題了”的這種感覺，其實是不正確的，因為震爆衝壓是比超燃衝壓技術難度更高的東西，沒有搞明白超燃衝壓的技術，是不可能搞出震爆衝壓的……震爆衝壓的結構簡單，重量輕等方面的優勢是在運用層面，而不是研製難度層面的好處。

在其他一些論文裏提到，震爆衝壓發動機和超燃衝壓發動機相比，除了效率更高，重量更輕，結構更簡單，還有其他的好處。

比如，它可以完美在火箭發動機和衝壓發動機之間轉換，作為組合動力中的一個部分，更加合適。其次是它的工作速度的上限要大大超過超燃衝壓發動機。超燃衝壓發動機一般認為速度上限是8馬赫，而震爆衝壓可以達到15-16馬赫的速度。

如果作為空天飛機的發動機，震爆衝壓發動機能夠以吸氣式發動機的狀態工作更久再轉為火箭發動機工作模式，這就可以節約大量的氧化劑（因為直接用空氣裏的氧氣），從而可以降低飛行器總體的重量。

而如果作為全程在大氣層內工作的飛行器的動力，那麼它的各方面性能，燃油經濟性（或者説同等尺寸下的飛行距離），最大飛行速度等都會超燃衝壓發動機取得很大的優勢。

可以這麼説，震爆衝壓發動機其實是“完美狀態的超燃衝壓發動機”，在這一領域取得重大突破，再次證實我們在這一領域的領先地位又進一步得到加強了。

按照幾年前國內的論文認為，日本、美國、歐洲一些國家的斜震爆發動機可能會在“未來幾年內”開始進行試飛——當然了這個事兒吧，看來咱們又料敵從寬了……（順便從這些國家也在積極研究的這個事情也可以感受到姜宗林教授論文裏這個“這是個很敏感的研究課題”的含義）

震爆衝壓發動機如果能夠投入實用，理論上首先可以用於導彈和無人機，以類似現有戰術導彈的尺寸，實現中遠程導彈甚至洲際的射程，這都是説超燃衝壓發動機時候的老生常談了，而同時它的飛行速度還能從之前的8馬赫，提高到15馬赫甚至更高，也就是速度翻倍，從發射到命中的時間減半。

雖然是日本的想象，但是這個圖的大概意思也是差不多的，當然有了爆震發動機的話，整個下面的動力系統要比圖中更短更小——呵，也算是你們YY，我來實現了吧……

這意味着高超聲速巡航導彈和彈道導彈之間的差別更小了（洲際彈道導彈的速度會在25馬赫左右），攔截難度更高了……

之前在瞭解國內的高超聲速武器系統發展的時候，經常聽到的一個感慨就是，“你們這是衝着對手下一代的攔截技術去的啊”——沒錯，當年咱們搞鷹擊-12、東風-100、東風-21D這些導彈的時候，還是衝着美國海軍當時現役的攔截系統的包線，然後我們突防階段的飛行性能包線，就在對手攔截包線外面一點點。到了東風-17的時候，對手的攔截系統已經沒辦法，開始要研製下一代攔截系統了，而我們對於他們可能研製的下一代攔截系統也多少有點估計，所以在東風-17上就已經考慮了讓他的下一代攔截系統也難以攔截。

而到了使用震爆衝壓嘛……（相關論文裏面提到項目參與方還有航天科工集團某院，航天科工麼大家都懂的，主業是送人上西天），我們瞄準的已經是對手的下兩代攔截技術了……

呵呵