航空发动机 | 旋转爆震发动机引领增压燃烧技术发展

当前，增压燃烧主要依靠脉冲爆震发动机、旋转爆震发动机与斜爆震发动机实现，其中，旋转爆震发动机（RDE）仍然是今年增压燃烧技术的发展重点。世界各国政府、企业和学术机构开展大量研究，提升技术成熟度，将增压燃烧向实际应用快速推进。

旋转爆震发动机结构示意图

01 增压燃烧VS等压燃烧

当前，绝大多数航空航天推进系统均基于缓燃波，传播速度较低，近似为等压过程；爆震波的传播速度是缓燃波的一百倍以上，且波后压力、密度都有很大提高，接近于热循环效率更高的等容过程。因此，采用爆震燃烧（增压燃烧）可极大提升推进系统性能。增压燃烧可大幅降低传统发动机的重量与体积并提升燃料效率，在发电和推进领域具有很大应用潜力。

02 发电领域进展：主要聚焦于系统集成测试与减排效益研究

5月，美国能源部授予GE公司创新中心（GE Research）700万美元合同，设计、开发并演示一种低损耗氢燃料RDE，用于适配GE公司7FA燃气轮机。4月至7月，美国能源部国家能源技术实验室（NETL）对一型氢氧燃料RDE开展燃烧试验，证明其氮氧化物排放显著低于现有燃气轮机，在清洁高效发电领域拥有巨大潜力。

03推进领域进展：液体燃料旋转爆震火箭发动机的研究正在增加

7月，美空军研究实验室（AFRL）完成了一项基础研究，探究了由于爆震波移动导致的液滴（100微米级）二次破碎特性，得到两点结论：初步揭示了爆震波与液体燃料的相互作用加速了燃料雾化

为爆震室的设计计算提供了有价值的数据。2021年12月，美国普渡大学Zucrow实验室展示了一型使用RP-1/液氧燃料的RDRE

使用低温液体推进剂工作的旋转爆震火箭发动机（RDRE）是该类发动机走向工程化的一个重要里程碑。日本宇航研究开发机构（JAXA）在2021年7月使用纯气态燃料（气态甲烷/氧气）对RDRE成功进行了飞行验证。今年，该机构联合日本名古屋大学、室兰工业大学、庆应义塾大学，共同开发了一型液态乙醇/一氧化二氮RDRE，该发动机将于2024年由S-520探空火箭发射升空并进行首次飞行演示。

6月至8月，美NASA马歇尔太空飞行中心与美IN Space公司合作，连续对两个具有再生冷却结构的RDRE进行了地面测试，实现发动机连续启动17次，累计运行时间600秒，其中包括超过110秒的多次点火与15秒全推力测试（超过17.8千牛）。此次测试验证了旋转爆震模式下的燃料流量控制、无预起爆器条件下的成功起爆、新型铜/铬/铌合金增材制造部件长时间运行等关键技术。

NASA于6月至8月进行的RDRE地面测试

04 基础研究进展：基础试验和计算方法标准化研究不断推进

过去两年间，AFRL在AIAA推进领域研讨会上领导了15个由学术界、工业界和国家实验室组成的工作组，对RDRE的实验测试和相关计算程序进行标准化研究，并将不同工作组的研究结果进行一致性比较。截至今年7月，15个工作组均完成了各自研究，结果数据的比较工作正在进行中。

2021年12月至2022年1月，阿贡国家实验室研究人员利用自适应网格分别对爆震与缓燃开展高保真大涡模拟，模拟结果在定性与定量层面均符合数据库中的既往实验数据。进一步热力学分析表明，爆震或缓燃燃烧所获得的推力与总释放热分布密切相关。研究人员计划在2023年举办的AIAA科技论坛上对该研究进行讨论，详细介绍计算结果与实验数据的相同和差异之处，并分析可能的成因。

（中国航空工业发展研究中心 李蕴）

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