多模态组合爆震发动机可应用于高超声速飞行器以及空天飞机。2001年，美国HyPerComp公司的R.穆尼帕利以及得克萨斯州大学的D.R.威尔逊等人提出了多模态组合爆震发动机概念，计划用于航天飞机单级入轨推进系统。这种多模组合态爆震包含四种不同的工作模态：

模态一：从起飞以及加速到中等超声速阶段，采用加装引射器的脉冲爆震发动机模态工作。此时脉冲爆震发动机位于来流中间，发动机的排气为主气流，而被引射的空气被称为二次流。

模态二：随着飞行速度增大，爆震室进口气流速度增大，在进口气流速度仍小于爆震波前传速度时，以反向传播的脉冲正爆震波模态工作。此时燃料以脉动的方式喷射到爆震室内的超声速气流中，混合气流向下游传播，并在某特定位置被点燃，产生的爆震波同时向上游和下游传播。向下游传播的爆震波被减弱并流入喷管，向上游传播的爆震波传播至没有燃料处解耦，解耦后的压力波速度降低，逐渐开始向后传播并最终从喷管排出。

如果爆震室来流速度进一步增加并与爆震波前传速度相等时，向上游传播的爆震波变为一道驻波；如果爆震室来流速度继续增大，向上游传播的爆震波将转变为向下游传播，这时，发动机自然地转换到斜爆震波模态。因此模态二中爆震室来流速度存在一个上限，必须小于爆震波速度。

模态三：当爆震室进口气流速度大于爆震波速度时，以稳态斜爆震波发动机模态工作。爆震室进口气流速度进一步增大时，采用引入斜劈（或中心锥体）的方法，使爆震波以斜爆震波的形式驻定在斜劈上。

模态四：当飞出大气层后，以纯脉冲爆震火箭发动机模态工作。此时进气通道关闭，利用携带的氧化剂与燃料工作。

穆尼帕利等人还研究了多模态组合爆震发动机的飞行包线及其性能。这种发动机方案的飞行马赫数范围0～25，飞行高度0～100千米，可适应于空中飞行器的各种工作状况，是具有前景的动力装置。