成功案例丨瑞士ARIS Perseus团队依托奇石乐测量技术，实现旋转爆震火箭发动机概念验证

在不到一年的时间内，瑞士机械工程专业的学生团队成功研制并点火测试了一台旋转爆震火箭发动机(RDRE)。奇石乐瞬态动力学测量技术精准捕捉到该发动机特有的爆震波信号，助力ARIS Perseus项目攻克重重难关，取得重大突破。目前，团队已启动下一阶段的研发规划。

Thomas Ebnöther, Noah Giger, Simi Wespi以及Perseus项目全体成员，共同完成了这段充满挑战的研发之路。这支由苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)与东瑞士应用科技大学(OST)学生组成的团队，怀揣着打造一款革命性火箭发动机的理想而开启征程。项目初期，他们便遭遇沉重打击：2024年春季，其重点项目立项申请因“技术过于复杂、存在安全风险且成本高昂” 被驳回。但团队并未轻言放弃，最终成功说服瑞士学术航天计划(ARIS)将该项目纳入专项课题。

▲ARIS Perseus项目成员Thomas Ebnöther, Noah Giger和Simi Wespi（从左至右），在旋转爆震火箭发动机移动测试拖车前合影。

ARIS 为德语缩写，全称为“瑞士学术航天计划”，由苏黎世联邦理工学院于2017年发起，目前已汇聚400余名学生，致力于火箭制造、机器人技术及卫星技术等前沿领域的攻关项目。团队研发成果涵盖可用于海洋与气候研究的无人水下航行器，甚至还有用于外星探测的设备。自2021年10月起，奇石乐以主要赞助商身份加入ARIS计划，为团队提供专业测量技术支持，助力ARIS HELVETIA火箭创下瑞士火箭飞行高度纪录等多项成就。

未来火箭发动机的研发之路

ARIS Perseus项目得名于希腊神话中以坚韧著称的英雄Perseus。作为专项课题，该项目启动之初便面临诸多不利条件：项目成果不计入学分（不授予欧洲ECTS学分），启动资金仅1000瑞士法郎，且研发周期极为紧张。Perseus项目创始人兼项目经理Simi Wespi回忆道：“液体火箭发动机(LRE)移动测试拖车是开展试验的核心设备，配备必需的技术装置。但2024年12月的档期早已被ARIS另一项目预定。”

面对这一困境，项目团队决定借鉴一篇美国科学家的论文成果——该论文正是Thomas Ebnöther为完成学士学位论文深入研究的文献。Wespi表示：“这一技术路径让整个项目的研发逻辑变得清晰，也让项目规划具备可操作性。”团队设定的核心目标是：在资源极度有限的情况下，研制一台旋转爆震火箭发动机，并完成点火测试，直至发动机进入稳定运行状态。Wespi自豪地表示：“幸运的是，我们很快找到了所需的赞助商。同时，我们逐步赢得ARIS内部的认可，通过不懈努力争取到正式项目资质。”

测量技术决定成败：即便是坚固耐用的奇石乐601CAA型压力传感器，在ARIS Perseus团队的旋转爆震火箭发动机测试中，也曾数次逼近性能极限。

高灵敏度兼具高稳定性

奇石乐601C系列压电式(PE)压力传感器可精准捕捉动态压力脉动，即便遭遇热冲击，性能依旧稳定可靠。其核心优势如下：

• 响应时间短，固有频率高

• 测量范围为1.5至250bar（22至3,626 psi）

• 工作温度范围：-196至350°C（-321至662°F）

• 传感器膜片经特殊优化，可耐受严苛的温度冲击

奇石乐该系列压力传感器拥有两种输出类型，分别为电荷输出型(PE)和内置放大电路型(IEPE)。

奇石乐测量技术——支撑概念验证的核心要素

不过，距离目标的达成，仍有漫长的路要走。旋转爆震火箭发动机被视作极具前景的技术方案，有望大幅提升发动机效率。但爆震波以超音速传播的特性，使其燃烧过程的控制难度极大。ARIS Perseus发动机团队成员Sebastian Nobs指出：“这一现象早在20世纪60 年代‘土星五号’火箭的研制过程中便被发现。当时，研发人员的目标是通过结构设计抑制超音速爆震波，且这一目标最终得以实现。而在后续研究中，有人提出全新思路——让爆震波在环形腔室内循环传播，从而利用其产生的高压来提升发动机性能。”

▲创新火箭发动机结构示意图：图中展示了ARIS Perseus团队研发的旋转爆震火箭发动机，包括环形燃烧室及燃料喷注口。

团队以理论设计为基础，打造出这台火箭发动机。其核心结构为一个环形燃烧室，配备燃料与氧化剂喷注口。点火过程通过燃烧室顶部的预爆震装置实现，Wespi解释道：“发动机点火后，约0.6秒即可进入动态稳定运行状态。因此，我们将点火时长设定为1秒，以便完整测量并记录爆震波数据，从而完成概念验证。”ARIS Perseus团队采用奇石乐601CAA型压力传感器进行爆震波测量。该传感器固有频率高达215 kHz，能够以20 kHz的采样频率，精准捕捉燃烧室内的高动态过程。在数据采集环节，还需搭配一款瞬态记录仪，用于实现高频信号的采集与记录。本次测试选用的是由Elsys与奇石乐联合研发的2529A型瞬态记录仪，该设备可以500 kHz频率采集电荷、电压及IEPE的信号。

掌控瞬态动力学，实现超快速测量

奇石乐与Elsys联合研发的2529A型瞬态记录仪，用于采集旋转爆震火箭发动机燃烧过程产生的高频脉动压力信号，可助力超快速测量场景。其核心特性如下：

• 优越的带宽和采样率

• 可灵活切换电荷、电压及IEPE信号模式

• 支持可扩展应用，含数据采集(DAQ)功能

• 兼容奇石乐专用软件，同时适配LabVIEW、C++、C#及Python编程环境

下方图表通过奇石乐测量技术呈现了旋转爆震火箭发动机在爆燃（压力曲线无规律）与爆震（压力曲线规律稳定）两种状态下的压力变化特征。安装在燃烧室 90°夹角位置的两支奇石乐压力传感器，成功捕捉到发动机点火0.6秒后稳定的爆震波形——这标志着该项目验证圆满成功。ARIS Perseus项目数据采集与控制系统(DACS)负责人Nicolas Bartzsch表示：“奇石乐的测量设备运行稳定可靠，配套技术文档详尽完备。在我们遇到疑问或难题时，还能获得专业团队的一对一支持，这对项目推进帮助极大。项目过程中，我们面临的一大挑战是传感器的热防护：为避免火焰前锋对传感器造成的热冲击，我们采用隔圈与硅脂对压力传感器进行防护处理。”

▲爆燃与爆震对比图：基于奇石乐测量技术生成的压力变化曲线，清晰呈现两种燃烧模式的差异，为ARIS Perseus团队旋转爆震火箭发动机提供了关键的概念验证依据。

使用下一阶段目标：延长发动机点火时长，迈向实用化火箭发动机研制

这只是团队需要克服的挑战之一。随着项目推进，团队规模已从最初的3人扩大至11人。项目使用的移动测试拖车原本为液体燃料发动机设计，而ARIS Perseus旋转爆震火箭发动机采用的是气态氧甲烷推进剂，因此必须对测试设备进行改装。此外，安全方案的制定是项目成功的重中之重：只有通过周密的规划、明确的职责划分，以及严格遵守各项规范（包括燃气流速限制、安全距离标准等），才能保障试验的顺利开展。Wespi强调：“如果没有充足的人力投入，以及详实的方案与技术支撑，项目寸步难行。最终，我们不仅获准在杜本多夫军用机场的苏黎世联邦理工学院机库开展测试，还获得了苏黎世创新园公共试验区的测试许可。”

项目的成功，证明了这群学生（部分成员甚至全职投入项目研发）的坚持与付出是值得的。目前，其后续项目“Perseus”已获苏黎世联邦理工学院批准，新的研发团队也已组建完成。下一阶段，团队计划将推进剂更换为液态燃料，实现发动机8秒点火时长的目标，并确保推力达到至少1kN。Wespi补充道：“这需要为发动机增设水冷系统，并加装压力与温度传感器。奇石乐测量技术给了我们非常好的使用体验，我们也十分乐意继续选用这一可靠的技术方案。”这款创新火箭发动机的实际应用已近在眼前。在ARIS另一项潜在项目 “Andromeda”中，学生团队计划研制一台由旋转爆震火箭发动机驱动的火箭，目标飞行高度3千米——这将为该学生团队再添一项耀眼的世界纪录。