喷气发动机家族中的“小蜜蜂”

马文杰

航空发动机家族中的涡轮喷气和涡轮风扇发动机已为大家所熟知。在这个大家族中，还有一个名声不响，但颇有“个性”的脉动式喷气发动机，也称为脉冲喷气发动机。笔者之所以给它取个“小蜜蜂”的绰号，原因有两点：一是它的工作原理是基于脉动燃烧，脉动燃烧过程常伴有“嗡嗡”声，如同蜜蜂飞行的声音，当然比蜜蜂飞行的声音要大几个数量级，只是相似而已。二是其在航空发动机家族中的知名度虽不及其他成员，但它结构紧凑、组成简单因而突出一个相对的“小”字。

谈到脉动式喷气发动机，就不能不提到它最有名的应用实例，那就是二战期间赫赫有名的德国V-1导弹。它装有一台阿尔戈斯As 109-014脉动式喷气发动机，单台发动机推力约300千克，最高飞行速度约650千米／小时。英国伦敦曾经遭受2400多枚V-I导弹的轰炸。V-1导弹是世界上最早投入使用的巡航导弹，它于1944年6月12日首次投入实战使用，可以说v-1导弹是目前世界上所有巡航导弹的前身。V-1导弹所配备的脉动式喷气发动机工作时发出嗡鸣声，因而它还有一个绰号——“嗡嗡弹”。

工作原理和机制

通过著名的V-I导弹，我们初步认识了喷气发动机家族中一个不起眼的成员——脉动式喷气发动机。那么脉动式喷气发动机如何得名，它的工作原理和机制究竟怎样，它又有什么特别之处?

脉动式喷气发动机(pulse jet engme)的名称是来源于它工作所遵循的脉动燃烧过程。脉动燃烧过程实际上是介于缓燃燃烧和爆燃燃烧之间的一种燃烧方式。它的产生是需要创造一定的条件的。给大家举一个脉动燃烧的经典例子来说明，那就是“会唱歌的火焰”。早在1777年，研究者就发现，将气体火焰置于圆柱形、竖立的管道中时，火焰会引起管子的自激振荡，后来的研究显示，声振与燃烧存在耦合作用，而且要实现脉动燃烧，必须具备一定的声学结构。这里不详细介绍这几种燃烧过程的物理化学机制，只给大家简单介绍一下它们各自在实际中的应用对象。目前涡轮喷气发动机、冲压发动机及火箭发动机基于的燃烧过程都属于缓燃模式，脉冲爆震发动机(PDE)是基于爆震燃烧模式，脉动式喷气发动机是基于脉动燃烧模式。

那么实际中的脉动式喷气发动机是通过什么样的结构实现脉动燃烧过程的呢?

示意图中展示了脉动式喷气发动机的基本结构和工作过程，它主要由扩压器、单向进气阀、燃油喷嘴、点火器、燃烧室及尾喷管所组成。有一点需要特别说明，V-I导弹用脉动发动机的单向进气阀是一种由弹簧支撑的簧片式阀门，通常情况下，阀门在弹簧的作用下处于关闭的状态。扩压器通道是一个变截面通道，它主要对来流空气进行减速增压，为参与燃烧过程进行准备。

当发动机与空气有相对运动时，在冲压作用下，扩压器中的空气具备了一定的压力，压力值超过了燃烧室压力与弹簧支撑力后，在压差作用下，空气进入燃烧室，与此同时，在燃烧室中喷入燃油，随即启动点火器点燃油气混气。油气混气点燃后，燃烧室的压力迅速升高，燃烧产生的高温燃气由尾喷管高速排出，产生推力。高温燃气的高速排出使得燃烧室内形成一定的负压，单向阀门前的压力又超过了燃烧室压力，阀门开启，新鲜空气再次进入燃烧室，同时喷入燃油，燃烧室内的负压又将喷管中的一部分高温燃气抽回到燃烧室，利用这部分高温燃气点燃新进入的油气混气，一个新的工作循环便开始了。以上就是脉动式喷气发动机的典型工作过程。目前总的来看，脉动喷气发动机在每秒钟大约可以完成50至200个这样的工作循环。

我们知道，对于一种飞行器动力装置，它所能高效工作的速度范围是人们非常关心的重要参数之一，那么脉动喷气发动机它的速度极限能达到多少呢?由于前面所述的工作过程特点，它只能在低亚声速的范围内飞行，速度极限大约为640至800千米／小时。可以考虑这样一种情况，当飞行速度更高时，扩压器后的；中压压力会进一步提高，这样在达到一定的值时，会使得燃烧室整个工作循环内的压力均低于扩压器后的值，单向阀门无法关闭，工作循环会中断，这就是其速度范围受限的原因。

那么脉动式喷气发动机具有怎样的优缺点呢?笔者认为其优点突出，但缺点也很明显。优势是由于这种发动机基于脉动燃烧过程，而气体的脉动会大大加强燃烧室内混气中的质量、动量和能量交换，因此脉动燃烧装置的燃烧效率很高。而且结构简单、紧凑，重量轻，造价低廉。缺点是脉动燃烧本身就是较大的噪声来源，需要根据情况对动力系统进行一定的降噪处理。还有非常重要的一点是，弹簧支撑的单向阀门，在发动机工作过程中开关极为频繁，非常容易疲劳损坏，因此其可靠性受到限制。

此外，关于脉动式喷气发动机有几个特点，笔者要特别叙述一下，首先，虽然脉动式喷气发动机可以实现原地启动，但由于发动机静止时，发动机扩压器后并未建立起相对较高的冲压压力，大多数的脉动喷气发动机并不具有足够的静推力来实现起飞。以V-1导弹为例，其实际运用的起飞方式可以有飞机投射起飞、地面弹射起飞以及火箭助推起飞。第二，根据上述的工作特点及工作模式，设计性能优良的脉动喷气发动机需要抓住两个关键因素，那就是单向进气阀门的设计以及整个发动机声学系统的合理设计。

发展的历程

除了用于著名的V-1导弹以外，脉动式喷气发动机还曾经被安装于直升机旋翼端部，作为“动力旋翼”的推动装置。

早在上世纪50年代，美国国家航空咨询委员会(NACA)，也就是NASA的前身，它属下的兰利中心曾经进行过这样的研究，将脉动式喷气发动机安装于直升机旋翼末端来直接驱动旋翼转子，当时对这种用于直升机的动力旋翼方案的兴趣着眼点，主要是因为机构简单，并在短程运输时可以获得较高的有效载荷与总重比。

在此，笔者有一点需要提及，这种将冲压发动机置于旋翼末端的想法并不是美国人的首创。早在二战末期，德国福克沃尔夫公司就已经提出了Triebflugel垂直起降机的设计方案。它就在每片旋翼的末端都安装有一台冲压式喷气发动机，从而成为一种独特的“动力机翼”。

在对喷气旋翼的研究成果的基础上，出现了具体的实际应用机型…美国Marquardt公司的M一14轻型直升机。以研制压燃冲压发动机著称的美国Marqualzlt公司，1948年曾经生产过一种以两台脉动式喷气发动机为动力的直升机M－14。M－14将两台直径()2米的脉动式喷气发动机安装于旋翼末端，用于驱动直升机的旋翼，从而为飞机提供升力。这种直升机基本上是一种简单的钢架结构，主要作为Mmquardt公司脉动喷气发动机的测试平台来使用。它总重544千克，巡航速度104千米／小时，M－14是美国第一种采用脉动喷气发动机驱动，并已成功试飞的直升机。此外，微小型的脉动喷气发动机，被用作一些模型飞机的动力装置。

本文最后要为大家特别介绍一台精美的微型脉动喷气发动

机，那就是美国亚利桑那州的Mike Early于1996年制作的S17微型脉动喷气发动机。这台发动机长仅为74厘米，推力范围是0.25至3千克。它不同于普通航模用的微型脉动喷气发动机，SJ7精确地模拟了v1导弹阿尔戈斯脉动喷气发动机的工作过程，是一件难得的精品之作。SJ7的进气道部分由全铝铸造而成，燎烧室和尾喷管由不锈钢板制成，其制作的精细程度令人钦佩。

应用前景

由以上示例，大家可能觉得脉动燃烧装置的应用范围较窄，当然，就目前航空领域来看，脉动喷气发动机的应用范围远远不及涡轮喷气和涡轮风扇发动机，这是不可辩驳的事实。但实际上，脉动燃烧装置在地面民用领域的应用还是很广泛的，比如燃气涡轮、锅炉采暖、烘干设备、吹灰设备、打井装置等等。大家可能会问，对于航空发动机家族中这只不起眼的“小蜜蜂”，它未来的路又将如何呢?

笔者认为，随着脉动燃烧理论的不断完善以及工业技术的不断进步，脉动式喷气发动机未来之路将继续延伸下去。虽然前景乐观，但继续延伸脉动式喷气发动机的发展道路还需要付出相当的努力，首先，需要对脉动燃烧机制有进一步的认识，以更好的控制脉动燃烧过程，扬长避短。第二，在新材料、新工艺及相关创新技术基础上实现进气阀和发动机整体的高可靠性设计。此外，脉动式喷气发动机所基于的脉动燃烧过程本身就是一个很大的噪声来源，因此，先进的降噪技术对其发展也是非常关键的一环。

对于脉动式喷气发动机的发展应用，早在大约二十年前，就有学者提出一种用于空天飞行器的三模态热管式喷气发动机的设想，简而言之，就是在飞行器不同的飞行阶段，在动力装置的同一燃烧室中，依次实现脉动式、冲压式及火箭模式的转换。在这种设想中，很有特色的一方面就是在低空低速阶段，采用脉动式喷气发动机替代复杂的涡轮喷气和涡轮风扇发动机。

在此，笔者也有一个不成熟的想法，与大家共同讨论，我们知道著名的SR-71“黑鸟”的动力装置J58是一种由涡轮喷气发动机和；中压发动机组成的组合式发动机，或许我们可以将脉动式喷气发动机与冲压发动机组合使用(但不一定共用一个燃烧室)，将其分别在低速段和高速段使用。由于这两种发动机都具有结构简单紧凑，无旋转部件的优点，以此为动力的飞行器也许能够在未来航空器家族中占得一席之地。

责任编辑：伟翼