2026年5月，南極熊獲悉，來自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH ）一個學(xué)生團隊研制出了一種旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機（RDRE），并在瑞士杜本多夫機場的夜間測試中記錄到了穩(wěn)定的爆震波。 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機在一個環(huán)形燃燒室中燃燒推進劑，產(chǎn)生持續(xù)的超音速波爆震。由于部件更少，這種發(fā)動機可以實現(xiàn)高度優(yōu)化，體積更小、重量更輕、效率更高。

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）、美國國家航空航天局（NASA）和美國空軍研究實驗室（AFRL）一直在致力于RDRE發(fā)動機的研發(fā)，RTX和Astrobotic公司也參與了相關(guān)研究。全球只有大約十幾個國家開發(fā)和測試過此類發(fā)動機，而且此前沒有其他學(xué)生團隊展示過穩(wěn)定的液態(tài)燃料 RDRE 運行。因此，這群學(xué)生的成果堪稱前沿之作。RDRE發(fā)動機通常使用3D打印部件來減輕重量、優(yōu)化性能并提高工作效率。而將3D打印技術(shù)真正應(yīng)用于RDRE發(fā)動機，有望催生新一代性能卓越的太空推進系統(tǒng)。

△拖車上的發(fā)動機和測試臺都是在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機庫里建造的。圖片由丹尼爾·溫克勒/蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院提供。

為什么爆震優(yōu)于燃燒

這款“手搓”發(fā)動機燃燒丙烷和液氧，核心部件是采用金屬增材制造技術(shù)制造的噴射器。RDRE技術(shù)與傳統(tǒng)火箭發(fā)動機的不同之處在于，燃料并非穩(wěn)定燃燒，而是發(fā)生爆轟，產(chǎn)生超音速波，該超音速波以高達每秒20,000轉(zhuǎn)的速度圍繞環(huán)形燃燒室持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這種爆轟循環(huán)產(chǎn)生的壓力和溫度遠高于穩(wěn)態(tài)燃燒，從而能夠更充分地提取燃料中的能量。

與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，理論上的效率提升估計為 10% 到 20%，考慮到燃料占火箭總發(fā)射重量的 80% 到 90%，這是一個相當可觀的提升幅度。

Pegasus噴射器必須在不到一毫秒的時間內(nèi)混合并輸送丙烷和液氧。稍有誤差，爆炸波就可能反向傳播到供氣管路中。學(xué)生團隊通過反復(fù)草圖繪制、團隊評審、計算和原型制作來解決這一問題，最終才開始打印金屬部件。

學(xué)生團隊的強大創(chuàng)新力

這些學(xué)生是19人組成的“飛馬”團隊的成員，參與了蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的阿里斯（Aris）太空與火箭項目，目標是制造一種比現(xiàn)有方案功率高出10%的雙液反應(yīng)堆火箭發(fā)動機（RDRE）。開發(fā)團隊在杜本多夫機場進行了測試，成員均為大學(xué)二、三年級的學(xué)生，這令人矚目。難點在于如何設(shè)計合適的噴射器、氧化劑和結(jié)構(gòu)，以正確點燃反應(yīng)，同時避免被反應(yīng)產(chǎn)生的壓力和高溫破壞——這些因素會產(chǎn)生每秒2萬次的爆炸波。

21歲的機械工程專業(yè)三年級學(xué)生馬蒂亞·羅斯利（Mattia R??sli）負責設(shè)計了發(fā)動機的噴射器。他說：“火箭讓我著迷，因為它們飛行的原理很簡單，就是通過向后加速燃料。在開始之前就認為自己能完全理解這個課題是錯誤的。經(jīng)過兩年的學(xué)習(xí)，你不需要天賦異稟就能研發(fā)出火箭發(fā)動機。只要一步一步來，互相幫助就行了。”這對任何將來想嘗試類似項目的人來說都是個令人鼓舞的消息。

△馬蒂亞·羅斯利研發(fā)了噴射裝置，它是火箭發(fā)動機的核心部件。圖片由丹尼爾·溫克勒/蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院提供。

他們與團隊一起制作了噴射器的LPBF原型。往屆學(xué)生擔任導(dǎo)師，為他們提供了幫助。他們花了幾個月的時間研究安全概念、設(shè)計的其他部分以及進行測試。試射后，他們成功實現(xiàn)了三次持續(xù)的爆震波，看到這樣一支年輕的團隊從事全新的前沿研究令人深受鼓舞。

Pegasus噴射器的研發(fā)部分得益于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的“聚焦項目”（Focus Projects）課程，課程采用兩個學(xué)期的模式，由五到十名學(xué)生組成的團隊設(shè)計并生產(chǎn)出一個可運行的產(chǎn)品；部分研發(fā)則得益于贊助和實物工業(yè)支持。此外，研發(fā)團隊還受益于一家位于杜本多夫ETH機庫內(nèi)的商業(yè)研發(fā)初創(chuàng)企業(yè)的地理位置優(yōu)勢，這家初創(chuàng)企業(yè)的工程師們提供了非正式的指導(dǎo)，以及之前ARIS項目成員傳承下來的寶貴經(jīng)驗。

△蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院瑞士學(xué)術(shù)空間計劃。圖片來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

通常來講，發(fā)動機制造一類的工作成本很高。大量的3D打印、原型制作、搭建時間和設(shè)計工作加起來可不是小數(shù)目。很少有大學(xué)能夠資助這樣的項目。但有很多財力雄厚的大型大學(xué)有能力承擔，卻從未開展過如此令人興奮的項目。這個項目展現(xiàn)出極強的實用性，需要眾多有限元分析（FEA）、增材制造設(shè)計（DfAM）和3D打印方面的實踐經(jīng)驗進行支撐。想象一下，僅僅是嘗試讓打印好的零件運轉(zhuǎn)起來，就能理解機器的運行原理，這種經(jīng)驗對于日后從事真正的火箭研發(fā)工作至關(guān)重要。因此，這些學(xué)生進入就業(yè)市場時將擁有強大的競爭力。

當然，增材制造發(fā)動機工程是一項團隊合作，并非一群人各自為政、按部就班地進行。研究團隊成員需要緊密協(xié)作，不斷評估信息并進行信息交流。系統(tǒng)、仿真、推進和制造團隊實際上已經(jīng)整合在一起，協(xié)同運作。在復(fù)雜的航天和火箭領(lǐng)域，團隊合作能力、理解不同領(lǐng)域等能力至關(guān)重要。這是一種技能，需要從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)。隨著增材制造和電子技術(shù)成本的降低，或許更多大學(xué)可以開展更多實踐性工作？或許他們應(yīng)該這樣做，讓學(xué)生有機會以團隊形式進行更多實踐，學(xué)習(xí)如何共同構(gòu)建。