根據一篇9月24日刊登在俄羅斯《航空新聞網》的報道稱，俄羅斯留里卡設計局目前正在研製一款脈衝爆震發動機樣機，從設計、製造到試驗全過程都由該局完成，並計劃推出一個脈衝爆震發動機家族，不論是導彈還是空天飛機都可以使用脈衝爆震發動機。脈衝爆震發動機被認為是21世紀最有潛力的空天動力，推重比可達20以上，顯然足以“藐視”現有的噴氣發動機，是航空航天領域革命性動力之一。

脈衝爆震發動機背後的概念比較簡單，是目前航空航天動力系統發展的“新型動力”之一

航空航天動力主要有兩條路發展：火箭發動機和吸氣式推進系統，兩種動力的工作方式有着根本性的區別，火箭發動機通過排出高溫高速氣流推動飛行器，可以不需要空氣進行工作，通常在航天器和導彈上使用，比如超級氫氧機RS-68、高真空推重比的NK-33都是比較著名的火箭動力；而吸氣式發動機就需要利用大氣中的氧作為氧化劑，顧名思義就是將空氣“吸入”，此類發動機目前應用範圍很廣，從分類上可分為衝壓噴氣動力、活塞式發動機還有燃氣渦輪發動機等，目前使用的航空發動機基本屬於吸氣式推進系統，典型的有通用電氣的GE90、羅·羅的Trent 900、普·惠的F119等等。

吸氣式發動機的優點在於可以使用大氣中的氧，攜帶的燃料質量也會相對低一些，這就減輕了飛行器的起飛重量，也降低了造價，執行任務的時候準備時間較短，安全性也比火箭發動機高一些，在高超音速推進方面，吸氣式發動機的成熟度目前還不及火箭發動機，但發展的趨勢是顯而易見的，比如目前在研更加先進的高超音速發動機和脈衝爆震發動機，高超音速動力系統主要分為超燃動力和脈衝爆震動力，前者可突破衝壓發動機的速度限制，在6馬赫數以上時依然能保證發動機正常工作，超燃動力可在毫秒級的時間內完成燃燒，理論上速度範圍為6馬赫至25馬赫，推重比也可達到20，是大氣層內高超音速飛行的關鍵性動力，可使用在巡航導彈、空天飛機等可重複使用平台上。另一種高超音速飛行動力就是脈衝爆震發動機。

RS-68火箭動力（左）與普·惠F119發動機（右）測試

脈衝爆震發動機（PDE）是目前航空航天動力系統發展的“新型動力”之一，可在亞軌道高度工作，大約為30至50公里高度，其主要通過周期性的爆炸波產生高溫高壓的熱氣流形成推力，點燃的過程可以是間歇式的，也可以是脈衝式的，爆炸波是高溫氣體在發生膨脹時形成的激波，噴入燃料後就可以形成高溫氣體，如此反覆通過爆震波產生高溫高壓氣體形成推力的原理就是最為簡單的脈衝爆震發動機。從熱力循環的過程上看，脈衝爆震發動機主要有4個過程，進氣階段、起爆階段、爆震波定向傳導以及循環排氣過程。

脈衝爆震發動機主要的分類有四種，脈衝爆震火箭發動機、吸氣式脈衝爆震發動機、組合式脈衝爆震發動機和混合式脈衝爆震發動機。這四種亞目分類在結構上有着較大的區別，從結構上看脈衝爆震發動機較傳統的發動機更加簡單一些，沒有渦輪葉片等複雜裝置、外部結構大致可分為進氣道、爆震發生室還有尾噴管，內部結構比如爆震觸發器、噴射裝置等，由於刪除了壓氣機和轉動部件，脈衝爆震發動機比傳統的渦輪動力更輕，因此可以根據脈衝爆震發動機的外圍裝置進一步分類，由此形成了脈衝爆震火箭發動機（PDRE）和吸氣式脈衝爆震發動機，兩者最大的卻別在於是否使用空氣，吸氣式使用空氣和燃料、火箭式使用氧化劑和燃料，兩者都存在控制閥門、爆震裝置和尾噴管，但是也有一種脈衝爆震發動機是無閥門的，即無閥式PDE，我們知道閥門的作用是控制空氣進入，沒有了閥門就直接讓氣體“貫穿”發動機。如果從結構和點火方式上劃分，脈衝爆震發動機可分為單管式、多管式、混合爆震發動機等，單管式、多管式的脈衝爆震發動機目前比較常見了，比如GE公司研製的5管脈衝爆震發動機。

普渡大學有着世界知名的火箭推進系統研究實驗室

事實上，脈衝爆震火箭發動機和吸氣式脈衝爆震發動機可以歸為一個大類，即“純”脈衝爆震動力，剩下的就是混合式脈衝爆震發動機以及組合式脈衝爆震發動機。“純”脈衝爆震動力可以理解為最“簡單”的脈衝爆震形式，沒有與其他動力進行組合工作，也就是上文提到的火箭式和吸氣式，特點是結構和重量較輕，可單管式也可以為多管式，美國海軍研究的一種脈衝爆震發動機也是5管，該項目已經進入尾聲，可應用於導彈、無人機等平台；

混合式PDE是與傳統的發動機相結合，形成混合渦扇、混合渦噴甚至是混合活塞推進系統，從結構上看，就是將脈衝爆震發動機代替了壓氣機、渦輪、加力燃燒室等，以渦扇發動機為例，混合式的渦扇脈衝爆震發動機就是在外涵道位置加裝爆震結構，這樣可以產生更強勁的動力，比傳統通過加大燃燒室來增加推力的方法“聰明”地多；

組合式PDE更加先進，前景也很誘人，這種動力是將脈衝爆震發動機與超燃衝壓發動機或者火箭發動機相結合，通過整合優化後可以輕鬆突破5馬赫，即便是高馬赫數也能有極佳的性能，可以在不同飛行速度範圍進行調節，使用範圍更廣，因此組合式的脈衝爆震發動機可以作為單級入軌空天飛機的動力。

脈衝爆震發動機看似是一種新型動力，但該動力的具體研究可追溯到上個世紀40年代，由於脈衝爆震發動機的主要機理是控制周期性的爆炸波產生動力，因此對爆震波的研究可以認為是脈衝爆震發動機的前期調研，德國人霍夫曼是早期對間歇爆震進行研究的科學家之一，50、60年代是脈衝爆震發動機的入門期，對此類動力進行了可行性研究試驗，到了80年代中期，美國海軍研究生院進行試驗很大程度上推動了脈衝爆震發動機的發展，確認可以研製出推力可調的脈衝爆震發動機。90年代後期，NASA等機構提出使用脈衝爆震發動機全面替代渦輪衝壓動力的計劃，並從1998年起研究脈衝爆震火箭發動機，作為上面級的動力。2004年，JP8燃料實現在超臨界燃料噴射系統的爆震效果，推動了脈衝爆震發動機的發展，在脈衝爆震發動機的燃料方面，主要涉及氫氣和乙烯。第一架以脈衝爆震發動機的有人駕駛飛行器也在2004年進行了振動等測試，後來還使用F-15B進行脈衝爆震發動機進行測試，主要涉及發動機的進氣道、噴管以及閥門控制技術等。

六管脈衝爆震發動機

作為21世紀的航空航天主要動力之一，美國在脈衝爆震發動機方面取得了長足的進步，也是該推進系統發展最快的國家，多個機構對脈衝爆震發動機的研究進行到不同階段，比較著名的GE、洛·馬、普·惠、波音、NASA等都有PDE的項目，上個世紀末，美國將脈衝爆震發動機納入先進空間運輸計劃，並在2000年左右完成單管和多管的爆震火箭動力，美國國家航空航天局在1998年測試了小型脈衝爆震發動機。2003年，普·惠對5個爆震室的脈衝爆震推進樣機進行了測試，如果使用碳氫燃料，不論是吸氣式的還是火箭式的PDE速度上限為4-5馬赫左右，如果完全使用氫燃料，上限速度可以更高。但是GE公司則側重研製組合式的脈衝爆震發動機，通過與渦輪發動機相結合，形成短期內有望實現的超音速推進系統，而且還是商用為主。值得一提的是，美軍曾經試圖在高空無人偵察機上安裝脈衝爆震發動機，以SR-71為例，其在亞音速階段使用常規衝壓噴氣發動機，進入超音速飛行時則啟動4台並聯的脈衝爆震發動機，可將速度提升到10馬赫。

俄羅斯對脈衝爆震發動機也有相關的研究，主要為工業型的脈衝爆震反應器，通途為磁流體發電等，俄中央航空發動機研究院、俄科學院高溫所等傾向於混合式的脈衝爆震發動機，通過與超燃動力等進行混合，形成可覆蓋航空、航天的動力系統。法國在脈衝爆震發動機方面也有較深的研究穿過，航宇公司依然是這方面的領頭羊之一，主要業務方向為在導彈、無人飛行器上使用脈衝爆震發動機，法國CELERG公司在本世紀初啟動研製使用液體燃料的脈衝爆震發動機，FALEMPIN 公司主要研究使用脈衝爆震發動機的戰術導彈。總體上看，歐洲在脈衝爆震發動機上投入的國家並不多，技術實力還是集中在俄法兩國，法國的脈衝爆震推進系統多數應用於無人平台，以“純”脈衝爆震發動機為主，俄羅斯主要傾向混合式的脈衝爆震發動機，顯然後者的野心更大一些。

亞洲方面，姑且也只有中國和日本才有實力研製這種動力系統。日本第五代戰機也計劃使用脈衝爆震動力，日本的科研院所似乎對這種動力“情有獨鍾”，在2004年7月的美聯合推進會議上，就透露了日本完成“純”火箭式脈衝爆震動力的試飛，推進劑為乙烯等，爆震頻率為10Hz左右。我國的脈衝爆震動力已經進行了基礎性研究，以原理性試驗為主，主要涉及脈衝爆震機理研究、樣機的設計等，總體上看，亞洲的脈衝爆震動力方面估計是最弱的，北美最強、歐洲其次。

脈衝爆震火箭發動機點火開始與結束

脈衝爆震發動機在結構上主要分為進氣道、爆震發生室還有尾噴管，沒有其他的轉動部件，但是進氣道的設計成敗直接關繫到形成推力的大小以及推力損失是否嚴重，如果遇到多管式的脈衝爆震動力，還要考慮到干涉的問題，多管並聯的脈衝爆震動力有着較多有點，比如推力可以平穩一些，還可以調節，美國海軍研究的脈衝爆震發動機就是5管，還可以解決推力不穩定的現象。由於爆震過程與燃料混合物有關，因此爆震室與前端的接口設計顯得格外重要。

脈衝爆震發動機主要分為進氣道、爆震發生室還有尾噴管的結構

脈衝爆震發動機的基本循環過程主要分為將燃料等混合物推入爆震室內、爆震室封閉起爆、形成爆震波、定向排出爆炸波等，整個過程是為了形成周期性的爆炸波推力，從中不難看出技術難點主要集中在如何能點火啟動並維持持續性的起爆、爆震過程，如此才能源源不斷地為飛行器提供周期性爆震波動力。在起爆前，混合氣體也是一道“入門”程序，把燃料混合後進入爆震室內，點火系統開始工作，能否成功點火就決定了起爆和後續的持續性爆震能否順利舉行，因此點火系統顯然是重要的第一關，目前涉及的技術包括激光點火、電等離子點火等，而且點火系統還不能被爆震波“震”傻。點火之後在短時間內形成脈衝爆震波，這一過程還必須完全可控，重複性好，爆炸波具有較好的穩定性。進一步想象也可以得知，爆震過程發動後，在後續的爆震過程中，燃料和氧化劑也應該混合得當，局部混合燃料過高會使得爆震波傳到不穩定性增強，這對飛行器而言是個壞消息。

使用液體燃料的脈衝爆震發動機在存儲性能上更加有優勢，氣態燃料的特點是密度小、體積卻很大，基本上脈衝爆震動力使用液態燃料。液體燃料在進入爆震過程前，需要進行成分混合，適當的油氣比對爆震過程非常有利，將液體燃料變成霧狀再與氧化劑充分混合，其中涉及到的霧化過程顯然非常關鍵，由於噴霧過程相對比較複雜，因此液態燃料需要蒸發形成蒸汽後再進行燃燒，但是脈衝爆震發動機還必須儘可能縮短燃燒室，這樣可很大程度上減輕動力系統的重量，因此在燃燒前就要完成噴霧、蒸發和混合完成的動作，目前火箭式的脈衝爆震發動機主要以煤油為燃料。

混合式脈衝爆震發動機是與傳統的發動機相結合，形成混合渦扇、混合渦噴甚至是混合活塞推進系統

爆震過程的環境顯然“不容樂觀”，燃燒和震動過程都十分劇烈，關鍵部件如控制閥門、點火系統等都會在極度震動的環境下降低壽命。典型的爆震過程溫度可達到1800攝氏度以上，熱疲勞會可能在某一過程中爆發，尤其在爆震室中的惡劣環境需要先進的材料支撐。美爆炸動力學實驗室作為類似的研究，如果爆震過程中出現表面裂紋，內壁的應力作用會造成爆震裝置爆裂，畢竟在爆震室內形成的高溫高壓燃氣是直接作用在爆震室的內壁上，因此爆震室以及附屬裝置的材料使用是一大難題，尤其我國的材料領域向來是一個弱項。

美國國家航空航天局將脈衝爆震推進系統劃為三大先進概念動力行列，格倫研究中心專門從事航空航天發動機的研發工作，脈衝爆震動力已經完成試驗台“純”脈衝爆震動力，即火箭式和吸氣式脈衝爆震動力應用前景比較廣，目前該系列的推進系統可以安裝在各種平台上，比如最為典型是作為新一代的導彈動力，無人機動力，技術難度相對較小一些，畢竟沒有載人的需求，重複使用方面要求也更低，可充分發揮速度優勢。此外，脈衝爆震動力可以作為航天器的動力，比如上面級，各種軌道機動和姿控動力，空天飛行器動力等等，在安全性方面要求更高。

Rutan Long-EZ被改進為脈衝爆震動力測試飛行器

組合式的脈衝爆震動力難度相應較大，可以與傳統的火箭發動機等進行“組合”，比如前脈衝爆震動力置於涵道中，形成循環系統，其體積比達到相同射程的兩級火箭要小。循環系統不局限於火箭發動機，還可以是衝壓、超燃動力，飛行速度可以明顯提升，至少可輕鬆突破4-5馬赫。混合式的脈衝爆震發動機對目前的技術發展而言依然處於“未來狀態”，即便是超燃動力混合模式還不夠成熟，發展方向是空天動力，比如兩級入軌的空天飛機等。

目前主要還是以組合動力最具潛力，除了前面提到的與火箭發動機組合，還可以與目前非常成熟的渦輪風扇發動機組合，提高發動機的總體性能，形成脈衝爆震-渦扇發動機，其原理是利用爆震燃燒提供渦輪風扇發動機的推力，在渦扇發動機外涵道使用脈衝爆震燃燒，這樣就可以簡化或不適用加力燃燒階段。通過組合式脈衝爆震技術可以提高目前航空動力推力，火箭式的“純”脈衝爆震動力還可以在星際飛行器上使用，甚至是行星登陸過程中使用的着陸器，這方面美國國家航空航天局有着較為先進的發展理念，該型動力的發展思路先是在導彈、無人機等無人平台上使用，並逐漸應用於無人行星際空間飛行，組合式的脈衝爆震-渦扇發動機有望成為過渡階段的動力模式，進一步提高飛行器的動力，未來將發展出更高級的混合脈衝爆震推進系統。

脈衝爆震發動機是一種很有前途的先進推進系統，美歐在這方面處於絕對的領先地位，作為革命性的動力，可縮短飛行時間，這對洲際航班而言是個利好消息。在軍事方面的用途是不言而喻的，導彈、無人機、空天飛機等平台都可以使用基於脈衝爆震技術的推進系統，對單級入軌飛行器的助推系統有着積極的意義。