自从现代火箭技术的创始人罗伯特·戈达德在近一个世纪前将第一枚液体燃料火箭发射升空以来，世界各地的火箭科学家一直青睐液体燃料发动机，为从 V-2 导弹到土星五号登月助推器再到猎鹰 9 号运载火箭的所有飞行器提供动力。液体火箭发动机的工作原理是将燃料和氧化剂泵入燃烧室，在那里它们混合并燃烧产生高温废气，废气从喷嘴膨胀而出，推动火箭前进。
但这一切似乎即将改变。发射台上出现了一种新型液体火箭，它绝对不像过去的火箭。它被称为旋转爆震发动机，或 RDE，而爆震正是它如此与众不同的原因。标准液体火箭发动机中的燃料根本不会爆震；相反，它会发生爆燃——这是指点火前沿以亚音速传播的技术术语，就像活塞发动机、涡轮发动机甚至蜡烛火焰一样，爆震推进科学家道格·珀金斯说道，他自 20 世纪 90 年代以来一直在美国国家航空航天局格伦研究中心工作。相比之下，当燃料在 RDE 中点燃时，它与其说是“燃烧”，不如说是“爆炸”，通过超音速冲击波的强烈压缩和加热，更彻底、几乎瞬间地被消耗掉。简单来说，他说，RDE 不是像现有动力装置那样燃烧燃料，而是爆炸燃料以产生更大的推力。因此，RDE 可以捕获更多的推进剂能量，以驱动飞行器飞得更远、更快，并携带更大的有效载荷。
普渡大学工程学教授、资深推进研究员史蒂夫·海斯特说：“功率密度——我们在一定体积内获得的能量释放量——比今天的设备高出一个数量级。这令人兴奋。”他开玩笑地说，RDE 内部发生的大约 1200 摄氏度的燃烧就像“地狱之火”，称其为“消耗推进剂的最快方式”。
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珀金斯说，从燃烧的基本热力学原理来看，理论爆震发动机的潜在优势早已为人所知，但几十年来，大多数推进专家都认为，控制发动机循环爆炸不稳定性的挑战过于艰巨，难以进行认真的技术开发。然而，今天，越来越多的航空航天工程师相信，RDE 火箭技术的曙光已经来临。
海斯特说：“自液体火箭发动机的早期以来，火箭技术一直与燃烧不稳定性作斗争。对于 RDE，我们正在拥抱这种不稳定性。让我们让它变得不稳定，但让我们尝试控制它不稳定的方式。”
在运行过程中，每个 RDE 的核心都运行着一个不安分的火焰之环，爆震驱动的冲击波以马赫数 3 到马赫数 6 的恒定速度，在环形燃烧室空腔周围共振旋转。膨胀的气体像理发店的螺旋柱一样围绕圆柱形燃烧室向外旋转，提供稳定的推力。当泵通过环形空腔底部的孔喷射推进剂时，这种赛道式的循环就开始了，点火后，爆震波可以像火箭一样冲出，直到燃料箱空空如也。令人惊讶的是，RDE 没有移动部件。它不是高速燃料喷射器，而是超音速冲击波的高压在精确设计的电路中闪烁，自动关闭和打开燃料端口，及时为紧随其后的下一个火热潮汐波提供燃料。
根据美国国家航空航天局的预测，RDE 飞行硬件——高性能、燃油效率高、结构紧凑、价格实惠的火箭发动机——很可能在 2030 年首次翱翔天空。随着时间的推移，RDE 的应用范围可能会从国防部的马赫数 5 攻击导弹和高超音速飞机，到美国国家航空航天局的第二级运载火箭、深空运输器以及月球和火星着陆器，甚至可能应用于商业航空业的超音速运输机。
难怪已经出现了重要的 RDE 发展。美国国家航空航天局燃烧设备工程师托马斯·蒂斯利说，去年，美国国家航空航天局、普渡大学和 In Space LLC 的工程师在美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心对全尺寸 RDE 火箭进行了一系列地面测试，在冷却系统的帮助下，产生了 5800 磅的推力，持续了 251 秒，蒂斯利领导着美国国家航空航天局的这项工作。作为参考，大多数 RDE 测试点火持续一到两秒。
蒂斯利说，美国国家航空航天局正在将 RDE 火箭作为行星着陆器和星际飞船的动力装置进行研究，它们的高性能和紧凑的尺寸可以提高设计效率，从而惠及其他任务领域。“对于典型的着陆器发动机，我们谈论的是一个一英尺、一英尺半长的燃烧室，”他解释说。“对于 RDE，这缩减到几英寸。”
同样在去年，世界上最大的喷气发动机制造商之一通用电气航空航天公司将超音速空气送入一个亚比例实验室装置，该装置将马赫数 2.5 级的涡扇发动机与旋转爆震使能的“双模冲压发动机”结合在一起，据信该发动机能够达到马赫数 5 的速度。RDE 将提供启动飞行中冲压发动机所需的马赫数 3 的速度，涡轮机很难达到这样的速度。通用电气航空航天公司航空航天研究高级主管约瑟夫·文西奎拉告诉FlightGlobal，该发动机是“平台无关的”，这意味着它有朝一日可以为导弹、飞机甚至飞往轨道的航天飞机提供动力。
根据美国能源部的一项计划，普渡大学和阿贡国家实验室的研究人员开发了一种氢气-空气 RDE，该 RDE 具有创新的喷嘴导向叶片，用于燃气轮机发电。他们的计划要求今年用 RDE 对罗尔斯·罗伊斯涡轮机进行改造。
去年秋天，国防高级研究计划局 (DARPA) 选择了另一家大型航空航天集团 RTX 来开发下一代导弹 Gambit，RTX 的普惠军事发动机部门正在开发为其提供动力的空呼吸 RDE 装置。“RDE 是一项颠覆性的、改变游戏规则的技术，”普惠军事发动机公司总裁吉尔·阿尔贝泰利说，她是一位资深的航空航天工程师，拥有一支 50 人的团队致力于该项目。“RDE 具有使其成为优秀导弹的属性。它显然有可能在紧凑、经济高效的封装中提供高性能、高效率、远程推进。”
然而，尽管取得了如此多的最新进展，珀金斯强调，RDE 领域仍处于实验阶段：“任何燃烧都是一个不稳定的过程”，包括不稳定性、湍流和非线性行为，因此，更深入地了解在这种极端条件下普遍存在的潜在物理和化学力至关重要。除了“使燃料混合物恰到好处”之外，当前和期望的许多创新都归结为更好地理解 RDE 燃烧器的化学动力学、流体动力学和热声学，据说 RDE 燃烧器在点火时像铃铛一样发出响声。例如，创新应该源于增强的激光诊断和光学技术，以便在更小的尺度上绘制出复杂的流场，这些流场是在亚微米厚的超音速冲击波前缘剪切穿过燃料混合物时形成的。通过实验室燃烧室中防火石英观察窗对速度、压力、密度、温度和化学物质进行如此精确的测量，可以提供验证复杂计算机模拟所需的真实世界观测结果，这些模拟有助于指导研究和开发。
名古屋大学推进研究员笠原次郎说，近年来，加速 RDE 进展的关键实验性“构建和燃烧”系列测试和重新设计的其中一项发展是，更经济实惠的超高速相机的出现，这些相机可以可视化以百分之一微秒的速度发生的事件，笠原次郎领导的团队首次在太空运行了 RDE。最近，美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心开发出更坚固的耐热金属合金，并创新性地使用了激光 3D 打印系统，这也通过使高性能测试硬件能够以比以前的方法更快、更低的成本构建，从而帮助推动了进展。
普惠公司正在基于其与空军研究实验室的先锋推进研究小组合作进行的二十年爆震发动机研究的基础上，接近于开发出可现场使用的 RDE 火箭发动机。阿尔贝泰利说，原型 RDE 发动机的最新地面测试“看起来非常好”。“结果正在验证我们的团队在五年来的理论和对所需速度、流量和压力的分析中开发的模型架构。”下一步是将发动机集成到飞行器机身中并开始地面测试。
尽管理论概念已经存在了近 90 年，但 RDE 仍处于早期阶段。美国国家航空航天局的珀金斯说：“我们真的还不知道优化的 RDE 甚至会是什么样子。我可以用十个手指数出在这个领域拥有丰富专业知识的人。”尽管如此，日益增长的兴奋正在刺激 RDE 初创公司的成立。史蒂夫·海斯特最近的普渡大学研究生之一亚历克西斯·哈伦刚刚在 NSF 小型企业孵化器计划的帮助下创立了一家 RDE 初创公司 Juno Propulsion。“我们刚刚雇用了我们的第一名员工，”她说。
与此同时，成立四年的休斯顿公司 Venus Aerospace 正在忙于测试产生 4000 磅及以上推力的 RDE 火箭，首席技术官兼联合创始人安德鲁·杜格比说。该公司 100 名员工的目标是驾驶一架由其 RDE 设计提供动力的马赫数 5 无人机，为国防承包商提供高超音速飞行测试服务。Venus 的 RDE 火箭通过将外部空气吸入燃烧室，同时在混合物中添加额外的燃料来增强其燃烧，从而产生一种增压后燃器效应，从而充分提高速度以启动冲压发动机级。
1 月份，Venus 和美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心宣布，他们已合作开发了一种冷却 RDE 火箭，该火箭采用该公司设计的喷射器，可进行四分钟的热火测试。杜格比说：“我们将用铜制造一个燃烧室设计，成本为 20,000 美元，可持续使用两秒钟。然后我们迭代、迭代、迭代。当我们找到我们喜欢的设计时，我们将使用美国国家航空航天局的耐火合金和整体冷却通道对其进行 3D 打印，并在更高的推力和更长的持续时间内对其进行测试。”
随着全球对 RDE 的兴趣起飞，美国、日本、中国、欧洲和其他地区的航空航天工程实验室组成了一个新兴的国际研发社区，尽管其中包含大量的机密成分。无论如何，在 1 月份在佛罗里达州奥兰多举行的美国航空航天学会 SciTech 论坛上，共发表了近 80 篇关于爆震推进的研究论文。谁知道呢？也许火箭技术的下一个戈达德就在那里。