中國脈沖爆震發(fā)動機技術(shù)研究現(xiàn)狀及分析

張群，范瑋，徐華勝

（1.西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安710072；2.中航工業(yè)燃氣渦輪研究院，成都610500）

中國脈沖爆震發(fā)動機技術(shù)研究現(xiàn)狀及分析

張群1，范瑋1，徐華勝2

（1.西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安710072；2.中航工業(yè)燃氣渦輪研究院，成都610500）

脈沖爆震發(fā)動機是利用脈沖式爆震波產(chǎn)生推力的新概念推進系統(tǒng)，具有熱循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低和質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點，因而與其相關(guān)的科學與技術(shù)問題引起世界性關(guān)注。討論了脈沖爆震發(fā)動機的工作模式和應(yīng)用前景，簡要回顧了近年來中國脈沖爆震發(fā)動機的研究工作，包括燃料的噴射與混合、起爆、爆燃向爆震轉(zhuǎn)變機理、進氣道、增推方法、性能分析與數(shù)值模擬、多管PDE、組合循環(huán)與混合循環(huán)、結(jié)構(gòu)強度/換熱/噪聲分析等。總結(jié)了研究中所取得的理論、試驗和數(shù)值研究成果，對未來脈沖爆震發(fā)動機的技術(shù)路線和發(fā)展方向進行了展望。

脈沖爆震發(fā)動機；爆震；燃料噴射；推進系統(tǒng)

0 引言

脈沖爆震發(fā)動機（Pulse Detonation Engine，PDE）是1種利用脈沖式爆震波產(chǎn)生的高溫、高壓燃氣來產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動機，具有熱循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，可用作戰(zhàn)略飛機、無人機、導彈的動力裝置，也可用作軌道轉(zhuǎn)移發(fā)動機、行星著陸發(fā)動機以及航天器姿態(tài)控制、衛(wèi)星機動的動力裝置等，在未來空天推進領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)競相開展了有關(guān)脈沖爆震發(fā)動機的研究工作。

1994年，西北工業(yè)大學脈沖爆震發(fā)動機課題組在國家自然基金資助下率先開展了國內(nèi)對脈沖爆震發(fā)動機概念跟蹤研究。21世紀初，南京航空航天大學、空軍工程大學、南京理工大學、清華大學、北京大學、國防科技大學、北京航空航天大學等十幾家研究機構(gòu)也先后開展了脈沖爆震發(fā)動機相關(guān)技術(shù)研究，并取得了一定進展。

本文對中國脈沖爆震發(fā)動機技術(shù)研究現(xiàn)狀進行了總體性回顧與分析，旨在為后續(xù)相關(guān)研究工作提供參考。

1 PDE工作模式及其應(yīng)用

脈沖爆震推進系統(tǒng)主要分為火箭式、吸氣式、組合循環(huán)以及混合循環(huán)4種方式。

火箭式和吸氣式脈沖爆震發(fā)動機實際上是1種“純”脈沖爆震發(fā)動機,區(qū)別在于脈沖爆震火箭發(fā)動機（PDRE）需要自帶氧化劑,而吸氣式脈沖爆震發(fā)動機（APDE）是以空氣為氧化劑。PDRE和APDE有著許多潛在的應(yīng)用前景,PDRE可用作上面級發(fā)動機、軌道轉(zhuǎn)移發(fā)動機、巡航導彈動力裝置、行星著陸發(fā)動機；此外，還可用作航天器姿態(tài)控制，空間站運行，衛(wèi)星機動等的動力裝置。APDE可用于戰(zhàn)略飛機動力裝置、機載導彈或艦載導彈動力裝置、無人機動力裝置及遠程導彈的動力裝置等。

組合循環(huán)PDE是在相同的流道里安裝不同循環(huán)方式的發(fā)動機，每種循環(huán)在不同飛行速度范圍內(nèi)工作,以優(yōu)化整個系統(tǒng)性能。例如，將脈沖爆震發(fā)動機與普通火箭發(fā)動機放置在同一涵道里形成1個組合循環(huán)系統(tǒng)，可用作高速、遠程導彈動力裝置，在相同航程時，該推進系統(tǒng)的體積比普通2級液體火箭的小。脈沖爆震/沖壓/超燃沖壓發(fā)動機組合循環(huán)系統(tǒng)可用作高超聲速飛行器動力裝置，其中脈沖爆震發(fā)動機可用作低速飛行時的加速裝置，當飛行馬赫數(shù)高于3時，由沖壓發(fā)動機替代繼續(xù)工作。組合循環(huán)系統(tǒng)的1種變化形式稱為多模態(tài)，是在相同的涵道里同一發(fā)動機進行多種不同的循環(huán)的模態(tài)。多模態(tài)爆震組合循環(huán)發(fā)動機如圖1所示。

圖1 多模態(tài)爆震組合循環(huán)發(fā)動機

混合循環(huán)PDE采用脈沖爆震燃燒室（PDC）與渦輪機械相組合的方式（如圖2所示），用爆震燃燒代替定壓燃燒,可用于新一代超聲速飛行器。在混合循環(huán)模式，PDC可用來替代高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪和加力燃燒室。對于一定的氣流，經(jīng)爆震波的壓縮過程，PDC能使其壓比增大2倍。對于目前的加力裝置而言，PDC用作推力加力時將會提高性能并減少燃料消耗。

圖2 混合循環(huán)PDE概念方案

2 中國PDE技術(shù)研究

中國脈沖爆震發(fā)動機技術(shù)研究是從PDRE開始的，最初的PDRE試驗研究是以汽油為燃料、以壓縮空氣為氧化劑開展的原理性模型試驗[1]。顯然，以汽油/空氣為燃料不符合火箭推進的安全性和性能需求，因而后來發(fā)展了符合工程實際的以液態(tài)煤油/氧氣為燃料的PDRE。然而，在以汽油/空氣為燃料的原理性試驗中，進行了包括爆震基礎(chǔ)理論、燃料的噴射與混合、起爆技術(shù)等大量基礎(chǔ)性研究，從而認識、分析和總結(jié)了PDE的關(guān)鍵技術(shù)問題，奠定了PDE研發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)。

爆震起爆及與之相關(guān)的燃料噴射與混合技術(shù)是PDE發(fā)展過程中的核心技術(shù)，多年來從未停止過研究。直接起爆需要極大的火花放電能量，工程應(yīng)用中難以實現(xiàn)，因此國內(nèi)目前均采用由爆燃向爆震（Deflagration to Detonation Transition，DDT）轉(zhuǎn)變的間接起爆方式，所采用的燃料主要包括汽油/空氣、煤油/空氣和煤油/氧氣等。相對于煤油來說，汽油可爆性更強，目前已可通過50m J的弱火花點火能量成功起爆[1]；然而煤油更符合軍事應(yīng)用的安全要求和存儲條件，因此在汽油/空氣試驗研究基礎(chǔ)上，也進行了以煤油/空氣為燃料的脈沖爆震試驗，目前也實現(xiàn)了通過50 mJ的弱火花點火能量成功起爆[2]，并且探討了對煤油或空氣加溫對可爆性的影響[3]。不同研究中采用的起爆點火能量也各不相同，有關(guān)點火能量對于爆震起爆的影響規(guī)律也有專門研究[4]。然而，火花放電能量仍然相對較小，研究者也嘗試采用熱射流點火等方式來強化起爆效果[5]，但該方式明顯增加了系統(tǒng)的復雜性和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，因而在工程中的實現(xiàn)方式尚待研究。DDT過程很大程度上決定了脈沖爆震發(fā)動機的熱循環(huán)效率，如果DDT距離較短，則爆震管中等容燃燒方式的比例增大，發(fā)動機的熱循環(huán)效率提高；反之，發(fā)動機的熱循環(huán)效率降低。為了縮短DDT距離，研究者進行了大量試驗探索，其中包括采用Shchelkin螺旋、按一定間距排列的擋環(huán)或孔板結(jié)構(gòu)等（強化燃燒裝置如圖3所示）[6]。研究發(fā)現(xiàn)，這些結(jié)構(gòu)由于增大了爆震管內(nèi)流動的湍流強度，加速了化學反應(yīng)速率，因而都不同程度地縮短了DDT距離。目前，以汽油/空氣為燃料的DDT距離可縮短至1.0m左右，而以煤油/氧氣為燃料的DDT距離可縮短至0.2m以內(nèi)[7]。

圖3 強化燃燒裝置[6]

與爆震起爆及DDT過程密切相關(guān)的是燃料的噴射與混合技術(shù)，在APDE或PDRE 2種不同工作模式下，采用的燃料噴射方式也有所不同。目前PDRE采用旋流進氣，燃油噴射后與旋流氣體快速摻混；APDE則采用直流和旋流進氣2種方式，通常通過壓力霧化噴嘴進行燃油噴射，能夠在進氣道上、下游進行摻混。采用旋流是為了增大氣流湍流度和流動距離，以期達到縮短DDT距離的目的。然而在研究中發(fā)現(xiàn)，目前旋流進氣與直流進氣對于DDT過程影響的差別并不明顯。空氣霧化噴嘴也在APDE中采用，由于不依賴油壓即可形成精細的霧化顆粒，因此DDT距離顯著縮短。可靠的點火起爆、精細的燃油霧化、與氧化劑的快速摻混，以及由此帶來的DDT距離的縮短，共同促進了爆震頻率的加快，目前以汽油/空氣為燃料的原理性PDRE的最高工作頻率可達66 Hz[8]；以煤油/氧氣為燃料的PDRE最高工作頻率可達45 Hz[9]，也有研究對PDE頭部的燃油霧化參數(shù)進行了專項測試與分析。

以煤油/氧氣為燃料的PDRE無進氣道結(jié)構(gòu)，但當以汽油/空氣或煤油/空氣為燃料時，經(jīng)典的火箭式頭部就失去了其實用價值，因此需要發(fā)展APDE進氣道結(jié)構(gòu)。目前該結(jié)構(gòu)通常為帶有中心錐的環(huán)腔結(jié)構(gòu)，旨在減小進氣流阻，并增大爆震產(chǎn)物前傳的反向流阻，從而實現(xiàn)工程需要的“單向閥”功能。在有些研究中，該結(jié)構(gòu)也與旋流葉片結(jié)合使用[10]。雖然目前所發(fā)展的APDE已能穩(wěn)定工作，且最高爆震頻率達到40 Hz以上[11]，但所采用的“單向閥”進氣道結(jié)構(gòu)仍然存在較大技術(shù)問題，主要在于進氣流阻相對較大，而對于燃氣的反向封閉效果并不理想，這將顯著降低APDE的推進性能。此外，目前試驗研究中的進氣道主要針對地面臺架狀態(tài)的低氣流速度設(shè)計，而對于寬廣飛行高度和速度范圍的進氣道結(jié)構(gòu)尚未開展研究。由于APDE進氣道對于混合循環(huán)及組合循環(huán)PDE的成功研制也具有重要意義，因此，APDE進氣道及其與爆震管的耦合技術(shù)將是當前及未來亟待解決的技術(shù)問題。

增推技術(shù)一直是PDE研制過程中重點關(guān)注的問題。研究表明，在爆震管內(nèi)使用障礙物可顯著縮短DDT距離，但同時也將發(fā)動機比沖減小了超過25%。這一結(jié)果顯示了較為矛盾的設(shè)計準則：高效的起爆要求具有足夠的障礙，但過多的障礙會引起很大的壓力損失。此外，當爆震燃燒產(chǎn)物從爆震管出口直接排出時，由于高溫高壓燃氣與環(huán)境之間存在很大的壓力梯度，加之存在排氣發(fā)散問題，將會造成很大的推力損失。因此在多項研究中都發(fā)展了包括噴管、部分填充及引射器等增推結(jié)構(gòu)和方法[12-13]，也有研究采用了上述結(jié)構(gòu)的組合方式。其中所采用噴管包括收斂、擴張和拉瓦爾噴管，而部分填充相當于使用了不同長度的等截面直噴管。研究表明，收斂、拉瓦爾噴管和部分填充都不同程度地增大了發(fā)動機推力，而擴張噴管的增推效果并不明顯。然而，采用噴管和部分填充方法是通過延緩高溫高壓燃燒產(chǎn)物排放速度，從而延長其在推力壁處的作用時間而增大推力的，但這與加快發(fā)動機工作頻率相矛盾。也有研究表明，采用尺寸和位置適合的引射器結(jié)構(gòu)也能明顯增大發(fā)動機推力，但這將增大發(fā)動機的迎風面積、長度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

在PDE性能研究方面，目前初步建立了APDE和PDRE性能分析模型[14]，并分析了在不同飛行狀態(tài)下PDE性能的變化規(guī)律，研究中也考慮了進氣道和噴管的影響，發(fā)展了初步的脈沖爆震發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[15]。在數(shù)值模擬研究方面，主要采用商用FLUENT軟件或開放的DUNS程序?qū)τ谶M氣道流場、DDT過程、排氣過程以及噴管和引射器流場進行了數(shù)值模擬，也有研究對于單管和多管PDE[16]總體流場進行了數(shù)值模擬，分析并解釋了與爆震相關(guān)的復雜的波動/流動現(xiàn)象與機理，由于受到反應(yīng)機理研究方面的限制，這些數(shù)值模擬大多采用了氫/氧反應(yīng)系統(tǒng)。

多管并聯(lián)PDE具有推力平穩(wěn)、推力調(diào)節(jié)范圍寬廣、對進氣道及噴管的影響小等諸多優(yōu)點，因此具有重要的工程價值。西北工業(yè)大學發(fā)展了2種不同尺寸的以汽油/空氣為燃料的6管并聯(lián)APDE，其中單管內(nèi)徑為68 mm的APDE試驗器可以在單管6 Hz的頻率下平穩(wěn)工作20 s以上[17]，試驗器出口火焰形態(tài)如圖4所示；而單管內(nèi)徑為35mm的APDE試驗器最高工作頻率可達210 Hz[18]，多管吸氣式PDE試驗現(xiàn)場如圖5所示。南京航空航天大學設(shè)計了1種內(nèi)徑為100mm的3管氣動閥式PDE，在進氣加溫條件下,以煤油為燃料、低污染空氣為氧化劑，成功進行了總工作頻率為30 Hz的爆震試驗[19]。

圖4 6管吸氣式PDE出口火焰(內(nèi)徑為68mm)[17]

圖5 多管吸氣式PDE試驗(內(nèi)徑為35mm)[18]

目前，組合模式和混合模式PDE研究工作也已開展：提出了多模態(tài)爆震組合循環(huán)發(fā)動機概念并進行了理論分析[20]；對裝有脈沖爆震主燃燒室（PDC）的燃氣渦輪混合循環(huán)發(fā)動機進行了理論分析、數(shù)值模擬和原理性模型試驗[21]；對外涵裝有脈沖爆震加力燃燒室的混合循環(huán)渦扇發(fā)動機進行了熱力性能分析[22]；對以爆震燃燒為基礎(chǔ)的波轉(zhuǎn)子技術(shù)應(yīng)用于燃氣輪機的性能進行了初步分析[23]。

此外，針對PDE強度/換熱/噪聲問題的研究工作也已開展[11,24-25]。在PDE試驗測試技術(shù)方面，建立了爆震波壓力和爆震波速等特性參數(shù)的測量方法[26]，對PDE內(nèi)部及排氣溫度進行了試驗測量[27]；目前PDE推力測試大多采用動態(tài)力傳感器方法[28]，然而其準確性與可靠性尚未得到一致認可。

3 結(jié)束語

經(jīng)過近20年的發(fā)展，中國對于脈沖爆震發(fā)動機的技術(shù)研究已經(jīng)建立了初步的理論體系，對于各項關(guān)鍵技術(shù)開展了相關(guān)研究，并已有所突破或得到了創(chuàng)新性發(fā)展，為中國未來脈沖爆震發(fā)動機的研制奠定了初步的理論與工程基礎(chǔ)。然而，研究過程中也存在一些問題，比如在增推、起爆、燃料噴射與混合、進氣道、推力測試等重要關(guān)鍵技術(shù)方面出現(xiàn)了較多簡單的重復性研究，而并未取得實質(zhì)性技術(shù)突破，這也是造成近年來PDE研究進展緩慢的原因。就PDE的多種工作模式而言，目前的PDRE研究針對性強，系統(tǒng)集成度高，進展最快，可能在近期率先獲得工程應(yīng)用。而APDE、組合循環(huán)和混合循環(huán)發(fā)動機工作范圍寬廣，亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)問題尚多，可能還需要1個相對較長的研制周期。

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A Review on Research Status of Pulse Detonation Engine in China

ZHANG Qun1，F(xiàn)AN W ei1，XU Hua-sheng2
（1.College of Power and Energy，Northwestern Polytechnic University,Xi'an 710072, China;2.AVIC China Gas Turbine Establishment,Chengdu 610500,China）

Pulse Detonation Engine(PDE)is new-concept propulsion systems,which utilize repetitive detonations to produce thrust or power.Due to its obvious advantages in thermodynamic cycle efficiency,structure simplicity,low cost and low weight,worldwide attentions have been paid to the scientific and technical issues concerning with PDE.The workingmodes and application prospects of PDE were discussed.The study works including fuel injection and mixing,detonation initiation,mechanisms of deflagration to detonation transition,inlets of airbreathing PDE,methods of thrust augmentation,performance analysis of PDE,numerical investigation of detonation wave,multi-tube PDE,concepts of combined-cycle and hybrid-cycle PDE-based engines,analysis of structure strength,heat transfer and noise of PDE were briefly reviewed on PDE in China.The fruits of theoretical,experimental and numerical studies on PDE were obtained.The technicalway and trend of PDE were prospected in the future development.

Pulse Detonation Engine（PDE）;detonation;fuel injection;propulsion system

國家自然科學基金（51176158）、西北工業(yè)大學基礎(chǔ)研究基金（JC200912）資助

2013-03-25

張群（1976），男，博士，副教授，主要從事先進航空燃氣輪機燃燒室技術(shù)及脈沖爆震燃燒技術(shù)研究。