作者：周洋 张子阳 周旭阳
据美国《航空周刊》网站2024年3月7日报道，波浪发动机公司（Wave Engine）成功试飞一架由新型无阀脉冲喷气发动机（也称为波发动机，wave engine）提供动力的无人机。脉冲喷气发动机的简单结构和低成本一直吸引着军方的关注，尤其是在现代战争中无人机的广泛应用下。此次波浪发动机公司新型无阀脉冲喷气发动机在无人机上的试验成功，会掀起何种波浪？
图 1 由新型无阀脉冲喷气发动机提供动力的无人机
波浪之起，源来久矣。
北美波浪发动机公司（简称波浪发动机公司）于二十世纪一十年代上半叶，由美国发动机制造领域领先企业的前员工在巴尔的摩（马里兰州）创立。从一开始，公司的目标就是开发适合各种飞机使用的具有不同特性的脉冲吸气式发动机。
2016年，波浪发动机公司开始对其自行设计的第一台脉冲喷气发动机（PuVRD）进行台架测试。该项目的第一个实验成果得到了美国国防工程与研究署的资金支持。2019 年，该公司从美国国防部高级研究计划局（DARPA） 获得了 2.85 万美元的资金支持。后来，该公司又收到了不同规模的其他资金支持。
2017年，一台可能由五角大楼支持研发的发动机在飞行测试中进行实验。在该实验中，一台串行非机动滑翔机被用作该脉冲喷气发动机的空中平台。测试结果显示，该发动机显著提高了该滑翔机的飞行性能和飞行时间。此外，此类测试还显示了无人机动力研究在空气动力学方面作优化的潜力。
2021 年 6 月，美国空军军械管理局授予波浪发动机公司开发“多功能空射平台”（VALP） 的订单，该合同价值为100万美元且并没有指定其执行时间。据报道，该项目的目标是制造一种带有脉冲喷气发动机的小型无人机，能够携带小型有效载荷。特别的是，该无人机可能被用作虚假目标来欺骗敌人防空系统。在授予VALP合同时，波浪发动机公司已设计形成了该无人机的整体外观，甚至发布了其应用的艺术演示。
图 2 艺术家视角中的VALP无人机
同时，波浪发动机公司表示：“我们很自豪能够获得美国空军授予的这一极具竞争力的合同订单，用以推出这种新发动机技术并助推未来航空格局发展。”波浪发动机公司首席执行官 Daanish Maqbool 表示：“飞机的未来将更小、更强大、更经济。长期以来，航空工业一直因小型飞机缺乏高性能发动机而受阻，我们来这里是为了突破这一障碍。”
波浪之兴，巧于设计。
据科航空发动机产学联合体（CSAT Alliance for Aero-Engine Industry and Academy）于2024年3月14日发表专业文章显示，该新型脉冲喷气发动机为恒压燃烧系统（非脉冲爆震），由一个U形管组成，包括后置进气道（U形管较短一端）、燃烧室和排气口，没有活动部件。其工作过程为：燃烧室中的燃料和空气混合气体被点燃，同时向U形管两端排出燃烧废气产生推力；气体的快速膨胀导致燃烧室中产生部分真空，重新吸入新鲜空气；再次与燃料混合并点燃以重复循环。该发动机外形简单，净推力主要由后置进气道产生。不过，该发动机没有空气冲压效应。
图 3 发动机型号J1
该脉冲喷气发动机是脉冲喷气技术的一种新形势，最典型的是二战期间德国的V-1导弹。但V-1发动机采用了前置进气道并配有可开启和关闭的阀门，而此次试飞的发动机无阀门。没有活动部件也意味着发动机需要很少或不需要维护，将提升系统可靠性，并具备低成本特点。波浪发动机公司表示，该发动机可实现高速，并将推进系统的成本和复杂性以指数级降低，满足低成本和快速生产等一系列重要需求。
据悉，此次试飞使用的J-1波发动机推力约为23公斤（50磅），无人机重量约为45公斤（100磅）。该公司已经为更重的飞行器开发了一系列推力最高为113公斤（250磅）的发动机，并已经在有人驾驶的滑翔机上测试了发动机在空中重新启动的能力。此外，测试还证明了该发动机可使用各种燃料，包括87辛烷值汽油、Jet-A/JP-8和E85（一种基于乙醇的可持续航空燃料）。
该发动机最大的特点是简单，也就意味着具有低成本、易生产、可大量投放等特点。并且此类特点与无人机所需要的发动机特性高度吻合，且因该发动机技术研究仍处于开始阶段，因此该发动机在性能优化、成本优化方面可提升空间较大，面向未来特定无人作战战场具有难以预测的潜力。该发动机、该发动机公司以至该研究赛道产生的军事价值值得深思。
波浪之成，优势涌现。
脉冲喷气发动机在军事方面最早大规模运用于德国V-1导弹，其强大的推力和便宜的价格获得了各国军方导弹发展部门的一致青睐。但是由于其动力特点，不适用于高空场景，更不适合于载人飞行器，所以在长时间的有人空中平台操控的背景下，其发展被搁置。然而，近年来，无人机操控技术的迅猛发展已经使得无人技术可以完整、可靠地运用于固定翼飞机。在理论上，无人机可以承载脉冲喷气发动机所附带的强烈震动等弱点，所以成本低廉且可堪一用的脉冲喷气发动机在此时就又成为了无人飞机的引擎候选。
虽然脉冲发动机的长条形结构可能不太适用于现有的、搭载传统内燃机或电动机的固定翼无人机，但在本项目内，即将用于搭载新型的脉冲喷气发动机的无人机Scitor-D运用全新设计，一改传统的机身——发动机布局，通过保持装置将脉冲发动机置于机身上方。尾翼设计上按照H形方案完成，并不会存在发动机和机身互相干扰的情况。可靠性在其多次测试飞行中已得到验证。
PUVRD发动机项目以喷气式原理和高燃料消耗换取相较于内燃机、电动发动机的高速度；设计简单，没有繁杂细节，这使得其用于无人机时相较于能够提供相同的强劲动力的其他发动机维护更加简单。其次，该技术的应用在整体上降低了低空高速无人机的制造成本。在确定各项技术参数可靠的情况下，Wave Engine公司的新款用于固定翼无人机的脉冲喷气发动机将在美军方无人作战平台改革整体项目中的具体需求项目上展现其强大吸引力。