虽然旋转爆震发动机仍需要花费大量精力进一步研究,但无疑,此类发动机是一项着眼未来的重要突破性技术。
近期,美国海军空战中心武器部对一款保密中的新型导弹进行测试,这款导弹最大的特点是采用旋转爆震发动机(RED)提供动力,这似乎表明这种推进系统在从概念转化为实用方面取得了重大进展。有关这款新型导弹的细节是在1月份的AIAA技术会议期间出现的,当然,这种武器仍在高度保密当中,其他细节很少被披露。
此类机密实用型号项目的出现表示美国国防领域早已进行RDE技术的开发活动,寻求比现有高超声速巡航导弹更小、成本更低的远程武器。
RDE集成在导弹上的设想图,可以为中远程导弹提供高效推进。
受到多国重视的RDE
旋转爆震发动机(RDE)的研究最早起源于20世纪60年代,最早由苏联学者提出。由于该类发动机其只需一次起爆,避免了脉冲爆震发动机(PDE)的很多固有难题,受到了很多国家的重视。
RDE在机械结构上很简单,而且其热力学效率可能会有跃迁式的变化,因为燃烧室中进行的是定容燃烧,而不是像传统喷气发动机进行定压燃烧。此外,旋转爆震发动机的燃烧过程可以采用超声速爆轰形式进行,也不是传统喷气发动机中的亚声速燃烧。
RDE发动机可实现增压燃烧,而不是传统发动机在燃烧过程中会产生压力损失,这也是该技术的主要优势,理论上可提供高达15%的效率提升。在这方面,RDE也可能比诸如PDE在内的大部分其他形式压力增益燃烧更有效。
在RDE中,爆震波围绕两个同轴圆柱体间隙中的环形空间传播,空气燃料混合后被喷射出去,并被前一轮的燃烧所点燃,如果设计得当,原本不稳定的燃烧和点火过程将可自发维持下去。
在RDE和PDE之间,过去十年的研究越来越多地指出RDE更适合近期发展成实用推进系统。与PDE相比,RDE只需很少的移动部件和更简单的操作即可有效地进行循环燃烧,而PDE需要在每次脉冲后对爆震室进行吹扫和重新喷射燃料混合空气。
早在2011年,欧洲MBDA公司就将RDE作为其未来超声速巡航导弹“英仙座”的动力装置之一。2021年,日本航空航天探索局(JAXA)及其合作机构在离地面约165千米处进行了探空火箭飞行试验,火箭除主发动机外,还包括一台RDE和多台脉冲爆震发动机(PDE),每台发动机均产生了数秒正推力,并可在甲烷/氧气环境下正常工作。
JAXA进行的RDE测试,图左侧光环即为前文提到的RDE环形爆震室,正在点火工作。
俄罗斯在2016年开展了使用液氧/煤油燃料的RDE样机点火试验,试验共进行了33次,爆震波旋转频率达到约20000赫兹,实现了连续爆震并产生稳定推力。2017年,俄罗斯科学院开展了使用氢燃料的RDE样机风洞试验,试验最大比冲达到了3600秒。
美国近些年在RDE上的投入相对更多,且分工清晰、明确。在军方、政府等相关部门的支持下,密歇根大学、普渡大学、阿拉巴马大学、辛辛那提大学等高校主要围绕旋转爆震机理问题开展理论、数值模拟和试验研究;普惠公司、航空洛克达因公司、GE航空等企业主要围绕工程实际开展研究。目前为止,美国已经完成了旋转爆震机理验证、点火试验、RDE代替涡扇发动机燃烧室、探索RDE减少污染物排放等多项关键技术验证。
AFRL对RDE复杂燃烧动力学进行研究,以支持演示验证机的开发。
美国军方密集授出RDE研发合同
在过去三年中,美国空军实验室(AFRL)增加了四个RDE开发项目:一款可在隐身战斗机弹舱内携带的、速度高达3倍声速的空地导弹,采用液体燃料旋转爆震冲压发动机;一款采用固体燃料增压燃烧发动机的空空导弹;一种可替代涡轮发动机加力燃烧段的RDE系统;以及自由喷射测试项目。
而据美国国部在2021年3月发布的一份简报,一款直径约30厘米的液体燃料RDE冲压式喷气发动机在2020年成功测试,并且为另一款直径约48厘米的RDE发动机测试打下基础。
2020年早些时候,DARPA授予雷神公司100万美元用于研究以RDE为动力的巡航导弹概念。几个月后,AFRL主导的“经济可承受任务先进涡轮技术”(ATTAM)首次将RDE列为优先发展方向并称其“拥有最高优先级”。
同时,AFRL授予普惠公司、GE航空各2.5亿美元,授予航空洛克达因公司0.2亿美元用于RDE的开发和试验,三家公司的预计完成时间都为2026年。此外,普惠公司已于近期获得了AFRL一份地面演示验证项目合同,用于开发RDE,项目将与雷神导弹与防务公司、雷神技术研究中心共同执行。普惠的这份合同将遵循其“鳄鱼工厂”(GatorWorks)的快速开发原则,而美国空军现在提出的是较为紧迫的现实要求,客观上也加速了普惠公司的工作步伐。
旋转爆震发动机现在正在一款新型导弹上进行测试。
通过与雷神公司导弹防御部门的合作,普惠表示可以因此在系统层面上对技术进行审视,不仅仅是“让发动机可以自行工作”,而是需要考虑组装完整的推进系统,最终使导弹飞起来。这是与之前的科研工作差异巨大的方面。
虽然仍未透露RDE发动机的潜在尺寸或应用细节,但普惠表示,新型动力装置旨在以更高的马赫速度飞行,将使未来飞行器的设计和应用成为可能,并将成为普惠高速发动机产品组合的一部分。
虽然普惠公司新获得的合同技术细节未公开,但也从侧面证明美国正在大力发展理论基础已经较为成熟的RDE巡航导弹,且项目进展较为顺利。此前的研究也表明,定压燃烧对于速度高达3倍声速的冲压发动机系统的效率是有益的,而这一概念也适用于涡轮发动机和火箭发动机。相比与之前十分复杂的J58组合循环发动机,普惠发现RDE发动机将更简单,也可以用于未来可用于5倍声速飞行的Metacomet发动机。