作者：周洋 張子陽 周旭陽
據美國《航空周刊》網站2024年3月7日報道，波浪發動機公司（Wave Engine）成功試飛一架由新型無閥脈沖噴氣發動機（也稱為波發動機，wave engine）提供動力的無人機。脈沖噴氣發動機的簡單結構和低成本一直吸引着軍方的關注，尤其是在現代戰争中無人機的廣泛應用下。此次波浪發動機公司新型無閥脈沖噴氣發動機在無人機上的試驗成功，會掀起何種波浪？
圖 1 由新型無閥脈沖噴氣發動機提供動力的無人機
波浪之起，源來久矣。
北美波浪發動機公司（簡稱波浪發動機公司）于二十世紀一十年代上半葉，由美國發動機制造領域領先企業的前員工在巴爾的摩（馬裡蘭州）創立。從一開始，公司的目标就是開發适合各種飛機使用的具有不同特性的脈沖吸氣式發動機。
2016年，波浪發動機公司開始對其自行設計的第一台脈沖噴氣發動機（PuVRD）進行台架測試。該項目的第一個實驗成果得到了美國國防工程與研究署的資金支援。2019 年，該公司從美國國防部進階研究計劃局（DARPA） 獲得了 2.85 萬美元的資金支援。後來，該公司又收到了不同規模的其他資金支援。
2017年，一台可能由五角大樓支援研發的發動機在飛行測試中進行實驗。在該實驗中，一台串行非機動滑翔機被用作該脈沖噴氣發動機的空中平台。測試結果顯示，該發動機顯著提高了該滑翔機的飛行性能和飛行時間。此外，此類測試還顯示了無人機動力研究在空氣動力學方面作優化的潛力。
2021 年 6 月，美國空軍軍械管理局授予波浪發動機公司開發“多功能空射平台”（VALP） 的訂單，該合同價值為100萬美元且并沒有指定其執行時間。據報道，該項目的目标是制造一種帶有脈沖噴氣發動機的小型無人機，能夠攜帶小型有效載荷。特别的是，該無人機可能被用作虛假目标來欺騙敵人防空系統。在授予VALP合同時，波浪發動機公司已設計形成了該無人機的整體外觀，甚至釋出了其應用的藝術示範。
圖 2 藝術家視角中的VALP無人機
同時，波浪發動機公司表示：“我們很自豪能夠獲得美國空軍授予的這一極具競争力的合同訂單，用以推出這種新發動機技術并助推未來航空格局發展。”波浪發動機公司首席執行官 Daanish Maqbool 表示：“飛機的未來将更小、更強大、更經濟。長期以來，航空工業一直因小型飛機缺乏高性能發動機而受阻，我們來這裡是為了突破這一障礙。”
波浪之興，巧于設計。
據科航空發動機産學聯合體（CSAT Alliance for Aero-Engine Industry and Academy）于2024年3月14日發表專業文章顯示，該新型脈沖噴氣發動機為恒壓燃燒系統（非脈沖爆震），由一個U形管組成，包括後置進氣道（U形管較短一端）、燃燒室和排氣口，沒有活動部件。其工作過程為：燃燒室中的燃料和空氣混合氣體被點燃，同時向U形管兩端排出燃燒廢氣産生推力；氣體的快速膨脹導緻燃燒室中産生部分真空，重新吸入新鮮空氣；再次與燃料混合并點燃以重複循環。該發動機外形簡單，淨推力主要由後置進氣道産生。不過，該發動機沒有空氣沖壓效應。
圖 3 發動機型号J1
該脈沖噴氣發動機是脈沖噴氣技術的一種新形勢，最典型的是二戰期間德國的V-1飛彈。但V-1發動機采用了前置進氣道并配有可開啟和關閉的閥門，而此次試飛的發動機無閥門。沒有活動部件也意味着發動機需要很少或不需要維護，将提升系統可靠性，并具備低成本特點。波浪發動機公司表示，該發動機可實作高速，并将推進系統的成本和複雜性以指數級降低，滿足低成本和快速生産等一系列重要需求。
據悉，此次試飛使用的J-1波發動機推力約為23公斤（50磅），無人機重量約為45公斤（100磅）。該公司已經為更重的飛行器開發了一系列推力最高為113公斤（250磅）的發動機，并已經在有人駕駛的滑翔機上測試了發動機在空中重新啟動的能力。此外，測試還證明了該發動機可使用各種燃料，包括87辛烷值汽油、Jet-A/JP-8和E85（一種基于乙醇的可持續航空燃料）。
該發動機最大的特點是簡單，也就意味着具有低成本、易生産、可大量投放等特點。并且此類特點與無人機所需要的發動機特性高度吻合，且因該發動機技術研究仍處于開始階段，是以該發動機在性能優化、成本優化方面可提升空間較大，面向未來特定無人作戰戰場具有難以預測的潛力。該發動機、該發動機公司以至該研究賽道産生的軍事價值值得深思。
波浪之成，優勢湧現。
脈沖噴氣發動機在軍事方面最早大規模運用于德國V-1飛彈，其強大的推力和便宜的價格獲得了各國軍方飛彈發展部門的一緻青睐。但是由于其動力特點，不适用于高空場景，更不适合于載人飛行器，是以在長時間的有人空中平台操控的背景下，其發展被擱置。然而，近年來，無人機操控技術的迅猛發展已經使得無人技術可以完整、可靠地運用于固定翼飛機。在理論上，無人機可以承載脈沖噴氣發動機所附帶的強烈震動等弱點，是以成本低廉且可堪一用的脈沖噴氣發動機在此時就又成為了無人飛機的引擎候選。
雖然脈沖發動機的長條形結構可能不太适用于現有的、搭載傳統内燃機或電動機的固定翼無人機，但在本項目内，即将用于搭載新型的脈沖噴氣發動機的無人機Scitor-D運用全新設計，一改傳統的機身——發動機布局，通過保持裝置将脈沖發動機置于機身上方。尾翼設計上按照H形方案完成，并不會存在發動機和機身互相幹擾的情況。可靠性在其多次測試飛行中已得到驗證。
PUVRD發動機項目以噴氣式原理和高燃料消耗換取相較于内燃機、電動發動機的高速度；設計簡單，沒有繁雜細節，這使得其用于無人機時相較于能夠提供相同的強勁動力的其他發動機維護更加簡單。其次，該技術的應用在整體上降低了低空高速無人機的制造成本。在确定各項技術參數可靠的情況下，Wave Engine公司的新款用于固定翼無人機的脈沖噴氣發動機将在美軍方無人作戰平台改革整體項目中的具體需求項目上展現其強大吸引力。