探析水沖壓發動機的原理性試驗技術

張玉霞　郭小帆　汪玲

摘 要：現今科技的發展，在水下船只航行方面由于對高速航行的需求逐漸加大，除了對更高功率、更大沖量的推力的要求外，還有一種針對推進系統的需求。該文將首先介紹水沖壓發動機的概念，其次介紹水沖壓發電機的工作原理及其原理性實驗，以探求水沖壓發動機的性能特征和發展前景。

關鍵詞：水沖壓發動機 原理性實驗 發動機

中圖分類號：V435 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0097-02

隨著水下的超高速武器逐漸更新換代，對水下航行的船只也提出了新的航速要求。為了更加靈活，更加安全的航行，船只需要具備更快的水下航行速度，因此，便需要更加強力的發動機。水沖壓發動機就是近年來新興的一種水下動力系統，而驗證這種動力系統的設計原理是否可行，是否能夠實際運用，就是這種動力系統研究的關鍵所在。

1 沖壓發動機的概念

水沖壓發動機是一種較為新穎的水下動力系統，旨在通過對發動系統的創新改造，研究出一種效率高、動力強的推進系統。幫助水下運行的船只提高靈活性，以避開日益更新的超高速水下武器，確保船只安全。水沖壓發動機的工作方式，首先是將外界的水引導進發動機的燃燒室內。此時，水分會和水沖發動機推進劑內攜帶的富裕金屬產生反應。其次，待反應中產生高溫，高壓燃氣，再對其進行火焰噴射，發動機便以此產生推力作為動力。因為水沖壓發動機的這種發動方法，能夠充分地利用外界的水，作為自己的氧化劑，提高了水的利用效率，使得自身發動機內攜帶的金屬推進劑比沖較之其他發動系統能夠得到較為顯著的上升，產生更強的推力。除此之外，水沖壓發動機對比傳統的常規動力系統，還具備了能量密度高、高強度長時間工作的耐度強、使用安全性高、使用價格較低等優點。

2 水沖壓發動機的工作原理

水沖壓發動機的運行原理主要集中在金屬與水之間，因此，無論是從產生的動力效率還是從生產的成本上進行考量，Al都是不錯的材料。但Al本身也存在著一定的缺陷，即在常溫狀態下Al的外層金屬會發生氧化反應，形成一層氧化膜，隔離了Al和外界的接觸，也導致Al的性能無法正常體現[1]。針對這種問題，研究表明，對Al進行改性可有效解決氧化情況，即通過降低鋁水的反應溫度，讓Al可以適用于常溫下的使用。但是，這種方式在實際應用中，又會帶來推進劑儲存上的不足，所以并不具備實用性，Al的改性仍然需要進一步的研究才能實際運用。除對Al進行改性這種方案之外，目前提高鋁水的反應環境溫度是一種較為實際的方式，能夠以較低的副作用投入到實際使用中。

3 水沖壓發動機的原理性試驗

3.1 鋁鎂推進劑燃燒噴射效率實驗

根據水沖壓發動機內工作原理的反應—— 金屬和水的反應，可以得出，反應時金屬的含量越高，其反應后產生的推動力和理論比沖就越高。所以，想要增加發動機的推動力，就要提高金屬和水反應中的金屬含量。但是，與此同時，金屬的含量確實增加了，水反應金屬燃料的富燃燃氣能力卻開始呈現持續走低的趨勢，與金屬的含量呈反比，因此導致噴射的效率持續走低。因此，若是要增加發動機的推動力，則不僅僅要考慮如何增加更多的金屬含量的問題，還要全面地考慮到發動機內金屬含量和各種金屬類別，以及金屬的其他物化特性之間的各種聯系，明確發動機內各種因素互相影響的原理，提高噴射效率[2]。故該研究中，進行了鋁鎂推進劑燃燒噴射效率的影響因素實驗。

在實驗中，得出了，在總金屬（Al+Mg/金屬添加劑）的含量為40%～50%、氧化劑的含量為20%時，固化體系30%的鋁鎂推進劑能夠做到較為穩定地長時間燃燒，不過要注意其中的Al含量不可大于50%。當實驗中加入金屬Mg時，Al的基水反應金屬燃燒的點火能夠得到顯著的提高，并且能夠適當地幫助其金屬燃料燃燒進行充分燃燒，也能較為顯著地增加噴射效率。并且，金屬Mg在實驗中的含量逐漸增加時，其燃料的噴射效率也隨之上升。實驗表明，金屬Mg的粒度維持在約200以下時，其噴射效率是呈現上升態勢，但當金屬Mg的粒度超過200并且持續增長時，其噴射效率便進入下降態勢。當藥柱的深度持續提高時，噴射效率亦開始下降。

3.2 燃氣發生器式水沖壓發動機性能試驗

根據在水沖壓發動機富燃推進劑的噴射效率方面的研究，可以大致推導出，推進劑中金屬含量和組分的各種變化形勢對于噴射效率的影響都較為顯著[3]。因為原理性研究的核心目的就旨在檢驗水沖壓發動機的工作原理是否具有實用性和可能性，所以，為了讓鋁水反應能夠保持長時間的運行，就至少需要將推進劑的噴射效率保持在一定范圍內。在保證了工作原理的可行性之后，研究需要更進一步去提升金屬含量，繼而使得發動機的效率能夠再次提升。至此，在實驗進行的初期，選擇含量處于中等的鋁鎂推進劑配方作為研究對象，是較為穩妥的體現，其中金屬含量數據應達到43%以上。

水沖壓發動機燃氣發生器和部燃室內部的溫度參數在加水前和加水后的不同變化，對于判定鋁水反應是否進行是十分重要的一種標志。在研究中，需要在試驗用發動機的兩個不同的象限上，沿著軸向的不同位置進行測量，這樣可以得出較為準確的溫度參數。同時，在對比加水后的變化反應時，也能夠做到及時對比分析，將實際情況與理論結果交叉對比，實現研究結果的最大程度利用。

在采用小型藥柱進行燃氣發生器式水沖壓發動機原理性實驗時，為保證實驗結果，在發動機工作后第四秒加水，工作時間持續到第14秒。此時，觀察可得知，發動機工作后補燃室的壓強從0.4 MPa提升至1.4 MPa，此時的水燃比保持在1.05。并且，此時的燃燒室內壓強波動影響的范圍較小，燃燒的程度也較為穩定。發動延遲短，推進劑的點火性能也較好，能夠適應水沖壓發動機原理性實驗的要求[4]。

實驗中，根據加水前后理論比沖的對比，發現發動機的燃燒效率達到了80.4%以上，其中排除了因為環向加水導致的速度方面的差異，因此結果較為可行。實驗表明，發動機的燃燒效率與空氣沖壓發動機的數值較為相近，判斷兩者應處于同一效率，因此可以得出，該發動機的效率如果對其進行燃燒形式方面的改進，則尚有進一步提升效率的可能。而通過對溫度方面的比對，得知當燃氣發生器的溫度達到1 700 K上下時，補燃室的最高溫度穩定在2 100 K上下?？傻弥渫七M劑在燃燒過程中，燃氣內包含的Al和Mg等粒子和水在二次補燃時產生了較為激烈的反應過程，其反應中產生的熱量，很好地填補了由于水在汽化過程中消耗的那一部分熱量，以此表明現今階段的燃氣發生器式水沖壓發動機的工作原理具備一定的可行性。

4 結語

一系列實驗表明現階段所設計出來的水沖壓發動機的工作原理已經具備相當的可行性，基本完成了原理性實驗。從實驗結果看，水沖壓發動機的效率高，推動力強，耐用性強，安全性高，具有不錯的發展前景，是超高速水下瑞經濟系統一種較為不錯的選擇。

參考文獻

[1] 楊向明，劉偉凱，陳林泉，等.固體燃料超燃沖壓發動機原理性試驗研究[J].固體火箭技術，2012（3）：102-104.

[2] 遲鴻偉，魏志軍，王利和，等.固體燃料超燃沖壓發動機燃燒室中火焰穩定性數值研究[J].推進技術，2015（10）：98.

[3] 胡凡，張為華，江振宇.金屬燃料/水沖壓發動機構型試驗[J].推進技術，2012（1）：34.

[4] 陶歡，魏志軍，武志文，等.固體燃料超燃沖壓發動機燃燒室流動與摻混過程研究[J].飛航導彈，2012（8）：3-8.