斜爆轰燃烧具有自点火、释热快、热循环效率高和驻定等特点，将其作为主要燃烧组织形式的斜爆轰发动机具有结构简单、燃烧室短、比冲高和燃烧稳定等优势，在高超声速吸气式推进领域具有重大应用潜力。然而，自斜爆轰推进概念的提出至今已有80年，国内外仍未见到与斜爆轰发动机原型机或其试验相关的公开报道，这主要是因为斜爆轰推进中的诸多关键技术问题尚未得到有效的解决，包括燃料与空气的预混、预燃的抑制、斜爆轰波的起爆和驻定等，且发动机燃烧室内的斜爆轰波与目前普遍研究的孤立斜劈或锥诱导的斜爆轰波不同，涉及粘性、激波反射、边界层分离等复杂作用。为推动斜爆轰发动机在高超声速吸气式推进领域的应用，本文综合运用理论分析、数值模拟和风洞实验方法，系统地分析了斜爆轰发动机的理论推力性能以及斜爆轰燃烧室的其它各方面性能，揭示了斜爆轰发动机中的重要流动机理，提出了一套斜爆轰发动机设计方法，解决了斜爆轰推进中的预混、预燃抑制、起爆和驻定四大关键技术问题，并率先在国际上完成了斜爆轰发动机的风洞验证实验。取得的主要创新性研究成果如下：

1) 开发了一种计算化学平衡流激波关系的理论算法，并将其推广到化学平衡流等熵关系、混合过程和等压燃烧过程的求解中，构成了一整套发动机子流动过程的理论求解工具。进一步地，通过建立斜爆轰发动机简化模型、简化发动机流动过程和建立发动机推力性能评估方法，构建了斜爆轰发动机性能分析理论。系统地分析了斜爆轰发动机理论推力性能随来流参数、几何参数和燃料参数的变化规律，为斜爆轰发动机的设计提供参考。通过与等压燃烧冲压发动机进行对比，揭示了斜爆轰发动机在高马赫数吸气式推进中的优越性。

2) 揭示了影响斜爆轰波在燃烧室内驻定的两种机制——马赫反射机制和边界层分离机制。当斜爆轰波在进气道侧发生马赫反射时，斜爆轰波的二次反射激波作用在马赫杆后的亚声速区所引起的马赫杆前后压力不匹配现象，以及低飞行马赫数下马赫杆后的流动在到达膨胀拐点前即发生壅塞所引起的马赫杆持续增长现象，是引起不驻定的两大重要影响因素，称之为马赫反射机制。此外，斜爆轰波在壁面反射时与边界层相互作用所诱发的边界层分离及其在诸多因素作用下向上游的运动，是引起不驻定的另一重要影响因素，称之为边界层分离机制。据此，提出了相应的设计方法，即：将斜爆轰波的反射点设计在燃烧室入口的下游，以避免不驻定马赫反射的产生；同时，在燃烧室入口前设置边界层溢流结构，以控制边界层分离及其运动。研究表明，该设计方法可有效地实现斜爆轰波在燃烧室内的驻定。

3) 针对斜爆轰波由于压缩不足或来流压力过低而不能在有限的燃烧室空间内实现起爆的问题，提出了两种解决方案：一是在诱导区内采用横向射流来产生一道弱射流激波，以替代原先的自发爆燃波与主斜激波发生相互作用，从而直接起爆斜爆轰波；二是在分离区内采用横向射流以产生一道射流激波与入射斜激波发生马赫反射，借助所形成的马赫杆及其反射激波来实现爆轰燃烧。研究表明：这两种方案可在空间有限的斜爆轰燃烧室内稳定地实现爆轰燃烧，解决了斜爆轰发动机在宽速域和宽空域应用时所面临的起爆问题。针对燃料与高速来流空气的预混及预燃的抑制，提出了在进气道主流中采用平行支板交错横向射流的混合方法。研究表明：该方法能达到较好的混合效果，且能有效地降低燃料在高温边界层内的含量，从而抑制了提前燃烧的发生，最终预混气体进入燃烧室后可实现爆轰燃烧。

4) 系统地分析了斜爆轰波在燃烧室复杂流动环境中所形成的驻定波系结构、燃烧模式、推力性能和抗干扰性能等。研究表明：当斜爆轰波在燃烧室壁面发生反射并诱发边界层分离时，会形成分离激波、马赫杆及一系列反射激波等流动结构。此时，燃烧室内出现斜爆轰燃烧和正爆轰燃烧两种模式共存的现象，且正爆轰燃烧的占比会随斜爆轰波反射点向下游的移动而增大，可达73.7%。通过推力势分析发现，虽然理论上正爆轰燃烧的压缩损失较大，但燃烧室实际的推力性能并不会因正爆轰燃烧的高占比而降低太多，具有一定的鲁棒性。燃烧室内的斜爆轰波系结构会在来流扰动的作用下发生周期性振荡，共振频率约为19.19 kHz；但即使在较大的来流扰动作用下，波系结构的共振振幅仍较小，不会对其在燃烧室内的驻定产生影响，具有较强的抗干扰能力。

5) 发展了高超声速激波风洞斜爆轰发动机实验技术，包括斜爆轰发动机模型设计、燃料供应与控制、时序同步等。其中，所设计的斜爆轰发动机模型全长约2.2 m，由进气道、燃烧室、尾喷管等结构组成；采用平行支板交错横向射流来实现燃料与来流空气在进气道内的预混；采用边界层溢流槽来控制边界层分离及其运动，以实现斜爆轰波在燃烧室内的驻定。在长试验时间高超声速激波风洞中成功开展了马赫数为9的、以氢气为燃料的斜爆轰发动机实验，实现了氢气与高速来流空气在进气道内的预混，避免了提前燃烧的发生，并在燃烧室内实现了两种驻定的爆轰燃烧模态——强爆轰燃烧模态和斜爆轰燃烧模态，国际上首次通过实验验证了斜爆轰发动机技术的可行性。