中國(guó)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072；2.中航工業(yè)燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

中國(guó)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072；2.中航工業(yè)燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是利用脈沖式爆震波產(chǎn)生推力的新概念推進(jìn)系統(tǒng)，具有熱循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而與其相關(guān)的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題引起世界性關(guān)注。討論了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式和應(yīng)用前景，簡(jiǎn)要回顧了近年來(lái)中國(guó)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)理、進(jìn)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(qiáng)度/換熱/噪聲分析等。總結(jié)了研究中所取得的理論、試驗(yàn)和數(shù)值研究成果，對(duì)未來(lái)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)路線和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)；爆震；燃料噴射；推進(jìn)系統(tǒng)

0 引言

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（Pulse Detonation Engine，PDE）是1種利用脈沖式爆震波產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)鈦?lái)產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)，具有熱循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可用作戰(zhàn)略飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈的動(dòng)力裝置，也可用作軌道轉(zhuǎn)移發(fā)動(dòng)機(jī)、行星著陸發(fā)動(dòng)機(jī)以及航天器姿態(tài)控制、衛(wèi)星機(jī)動(dòng)的動(dòng)力裝置等，在未來(lái)空天推進(jìn)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)競(jìng)相開展了有關(guān)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作。

1994年，西北工業(yè)大學(xué)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)課題組在國(guó)家自然基金資助下率先開展了國(guó)內(nèi)對(duì)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)概念跟蹤研究。21世紀(jì)初，南京航空航天大學(xué)、空軍工程大學(xué)、南京理工大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等十幾家研究機(jī)構(gòu)也先后開展了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)研究，并取得了一定進(jìn)展。

本文對(duì)中國(guó)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)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(jìn)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(dòng)機(jī)實(shí)際上是1種“純”脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī),區(qū)別在于脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（PDRE）需要自帶氧化劑,而吸氣式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（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(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、軌道轉(zhuǎn)移發(fā)動(dòng)機(jī)、巡航導(dǎo)彈動(dòng)力裝置、行星著陸發(fā)動(dòng)機(jī)；此外，還可用作航天器姿態(tài)控制，空間站運(yùn)行，衛(wèi)星機(jī)動(dòng)等的動(dòng)力裝置。APDE可用于戰(zhàn)略飛機(jī)動(dòng)力裝置、機(jī)載導(dǎo)彈或艦載導(dǎo)彈動(dòng)力裝置、無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置及遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的動(dòng)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(dòng)機(jī)，每種循環(huán)在不同飛行速度范圍內(nèi)工作,以優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)性能。例如，將脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)與普通火箭發(fā)動(dòng)機(jī)放置在同一涵道里形成1個(gè)組合循環(huán)系統(tǒng)，可用作高速、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈動(dòng)力裝置，在相同航程時(shí)，該推進(jìn)系統(tǒng)的體積比普通2級(jí)液體火箭的小。脈沖爆震/沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合循環(huán)系統(tǒng)可用作高超聲速飛行器動(dòng)力裝置，其中脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可用作低速飛行時(shí)的加速裝置，當(dāng)飛行馬赫數(shù)高于3時(shí)，由沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)如圖1所示。

圖1 多模態(tài)爆震組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

混合循環(huán)PDE采用脈沖爆震燃燒室（PDC）與渦輪機(jī)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(lái)替代高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪和加力燃燒室。對(duì)于一定的氣流，經(jīng)爆震波的壓縮過(guò)程，PDC能使其壓比增大2倍。對(duì)于目前的加力裝置而言，PDC用作推力加力時(shí)將會(huì)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(guó)PDE技術(shù)研究

中國(guó)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究是從PDRE開始的，最初的PDRE試驗(yàn)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(yàn)[1]。顯然，以汽油/空氣為燃料不符合火箭推進(jìn)的安全性和性能需求，因而后來(lái)發(fā)展了符合工程實(shí)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(yàn)中，進(jìn)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(rèn)識(shí)、分析和總結(jié)了PDE的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(guò)程中的核心技術(shù)，多年來(lái)從未停止過(guò)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(shí)現(xiàn)，因此國(guó)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(duì)于煤油來(lái)說(shuō)，汽油可爆性更強(qiáng)，目前已可通過(guò)50m J的弱火花點(diǎn)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(chǔ)條件，因此在汽油/空氣試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，也進(jìn)行了以煤油/空氣為燃料的脈沖爆震試驗(yàn)，目前也實(shí)現(xiàn)了通過(guò)50 mJ的弱火花點(diǎn)火能量成功起爆[2]，并且探討了對(duì)煤油或空氣加溫對(duì)可爆性的影響[3]。不同研究中采用的起爆點(diǎn)火能量也各不相同，有關(guān)點(diǎn)火能量對(duì)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(duì)較小，研究者也嘗試采用熱射流點(diǎn)火等方式來(lái)強(qiáng)化起爆效果[5]，但該方式明顯增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，因而在工程中的實(shí)現(xiàn)方式尚待研究。DDT過(guò)程很大程度上決定了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的熱循環(huán)效率提高；反之，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱循環(huán)效率降低。為了縮短DDT距離，研究者進(jìn)行了大量試驗(yàn)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(qiáng)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(dòng)的湍流強(qiáng)度，加速了化學(xué)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(qiáng)化燃燒裝置[6]

與爆震起爆及DDT過(guò)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(jìn)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(jìn)氣2種方式，通常通過(guò)壓力霧化噴嘴進(jìn)行燃油噴射，能夠在進(jìn)氣道上、下游進(jìn)行摻混。采用旋流是為了增大氣流湍流度和流動(dòng)距離，以期達(dá)到縮短DDT距離的目的。然而在研究中發(fā)現(xiàn)，目前旋流進(jìn)氣與直流進(jìn)氣對(duì)于DDT過(guò)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(xì)的霧化顆粒，因此DDT距離顯著縮短。可靠的點(diǎn)火起爆、精細(xì)的燃油霧化、與氧化劑的快速摻混，以及由此帶來(lái)的DDT距離的縮短，共同促進(jìn)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(dá)66 Hz[8]；以煤油/氧氣為燃料的PDRE最高工作頻率可達(dá)45 Hz[9]，也有研究對(duì)PDE頭部的燃油霧化參數(shù)進(jìn)行了專項(xiàng)測(cè)試與分析。

以煤油/氧氣為燃料的PDRE無(wú)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，但當(dāng)以汽油/空氣或煤油/空氣為燃料時(shí)，經(jīng)典的火箭式頭部就失去了其實(shí)用價(jià)值，因此需要發(fā)展APDE進(jìn)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(jìn)氣流阻，并增大爆震產(chǎn)物前傳的反向流阻，從而實(shí)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(dá)到40 Hz以上[11]，但所采用的“單向閥”進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)仍然存在較大技術(shù)問(wèn)題，主要在于進(jìn)氣流阻相對(duì)較大，而對(duì)于燃?xì)獾姆聪蚍忾]效果并不理想，這將顯著降低APDE的推進(jìn)性能。此外，目前試驗(yàn)研究中的進(jìn)氣道主要針對(duì)地面臺(tái)架狀態(tài)的低氣流速度設(shè)計(jì)，而對(duì)于寬廣飛行高度和速度范圍的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)尚未開展研究。由于APDE進(jìn)氣道對(duì)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(jìn)氣道及其與爆震管的耦合技術(shù)將是當(dāng)前及未來(lái)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

增推技術(shù)一直是PDE研制過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)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(shí)也將發(fā)動(dòng)機(jī)比沖減小了超過(guò)25%。這一結(jié)果顯示了較為矛盾的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：高效的起爆要求具有足夠的障礙，但過(guò)多的障礙會(huì)引起很大的壓力損失。此外，當(dāng)爆震燃燒產(chǎn)物從爆震管出口直接排出時(shí)，由于高溫高壓燃?xì)馀c環(huán)境之間存在很大的壓力梯度，加之存在排氣發(fā)散問(wèn)題，將會(huì)造成很大的推力損失。因此在多項(xiàng)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(kuò)張和拉瓦爾噴管，而部分填充相當(dāng)于使用了不同長(zhǎng)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(dòng)機(jī)推力，而擴(kuò)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(guò)延緩高溫高壓燃燒產(chǎn)物排放速度，從而延長(zhǎng)其在推力壁處的作用時(shí)間而增大推力的，但這與加快發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)推力，但這將增大發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面積、長(zhǎng)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(jìn)氣道和噴管的影響，發(fā)展了初步的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)氣道流場(chǎng)、DDT過(guò)程、排氣過(guò)程以及噴管和引射器流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，也有研究對(duì)于單管和多管PDE[16]總體流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析并解釋了與爆震相關(guān)的復(fù)雜的波動(dòng)/流動(dòng)現(xiàn)象與機(jī)理，由于受到反應(yīng)機(jī)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(duì)進(jìn)氣道及噴管的影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此具有重要的工程價(jià)值。西北工業(yè)大學(xué)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(yàn)器可以在單管6 Hz的頻率下平穩(wěn)工作20 s以上[17]，試驗(yàn)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(yàn)器最高工作頻率可達(dá)210 Hz[18]，多管吸氣式PDE試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。南京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)了1種內(nèi)徑為100mm的3管氣動(dòng)閥式PDE，在進(jìn)氣加溫條件下,以煤油為燃料、低污染空氣為氧化劑，成功進(jìn)行了總工作頻率為30 Hz的爆震試驗(yàn)[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(yàn)(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(dòng)機(jī)概念并進(jìn)行了理論分析[20]；對(duì)裝有脈沖爆震主燃燒室（PDC）的燃?xì)鉁u輪混合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬和原理性模型試驗(yàn)[21]；對(duì)外涵裝有脈沖爆震加力燃燒室的混合循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了熱力性能分析[22]；對(duì)以爆震燃燒為基礎(chǔ)的波轉(zhuǎn)子技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的性能進(jìn)行了初步分析[23]。

此外，針對(duì)PDE強(qiáng)度/換熱/噪聲問(wèn)題的研究工作也已開展[11,24-25]。在PDE試驗(yàn)測(cè)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(cè)量方法[26]，對(duì)PDE內(nèi)部及排氣溫度進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量[27]；目前PDE推力測(cè)試大多采用動(dòng)態(tài)力傳感器方法[28]，然而其準(zhǔn)確性與可靠性尚未得到一致認(rèn)可。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，中國(guó)對(duì)于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)研究已經(jīng)建立了初步的理論體系，對(duì)于各項(xiàng)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(guó)未來(lái)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研制奠定了初步的理論與工程基礎(chǔ)。然而，研究過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，比如在增推、起爆、燃料噴射與混合、進(jìn)氣道、推力測(cè)試等重要關(guān)鍵技術(shù)方面出現(xiàn)了較多簡(jiǎn)單的重復(fù)性研究，而并未取得實(shí)質(zhì)性技術(shù)突破，這也是造成近年來(lái)PDE研究進(jìn)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(duì)性強(qiáng)，系統(tǒng)集成度高，進(jìn)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(dòng)機(jī)工作范圍寬廣，亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚多，可能還需要1個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)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(guó)家自然科學(xué)基金（51176158）、西北工業(yè)大學(xué)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(jìn)航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室技術(shù)及脈沖爆震燃燒技術(shù)研究。