中国脉冲爆震发动机技术研究现状及分析

2013-07-10张群范玮徐华胜

航空发动机 2013年3期

关键词：爆震进气道脉冲

张群，范玮，徐华胜

（1.西北工业大学动力与能源学院，西安710072；2.中航工业燃气涡轮研究院，成都610500）

中国脉冲爆震发动机技术研究现状及分析

张群1，范玮1，徐华胜2

（1.西北工业大学动力与能源学院，西安710072；2.中航工业燃气涡轮研究院，成都610500）

脉冲爆震发动机是利用脉冲式爆震波产生推力的新概念推进系统，具有热循环效率高、结构简单、成本低和质量轻等诸多优点，因而与其相关的科学与技术问题引起世界性关注。讨论了脉冲爆震发动机的工作模式和应用前景，简要回顾了近年来中国脉冲爆震发动机的研究工作，包括燃料的喷射与混合、起爆、爆燃向爆震转变机理、进气道、增推方法、性能分析与数值模拟、多管PDE、组合循环与混合循环、结构强度/换热/噪声分析等。总结了研究中所取得的理论、试验和数值研究成果，对未来脉冲爆震发动机的技术路线和发展方向进行了展望。

脉冲爆震发动机；爆震；燃料喷射；推进系统

0 引言

脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine，PDE）是1种利用脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气来产生推力的新概念发动机，具有热循环效率高、结构简单等优点，可用作战略飞机、无人机、导弹的动力装置，也可用作轨道转移发动机、行星着陆发动机以及航天器姿态控制、卫星机动的动力装置等，在未来空天推进领域具有广阔的应用前景，近年来国内外众多研究机构竞相开展了有关脉冲爆震发动机的研究工作。

1994年，西北工业大学脉冲爆震发动机课题组在国家自然基金资助下率先开展了国内对脉冲爆震发动机概念跟踪研究。21世纪初，南京航空航天大学、空军工程大学、南京理工大学、清华大学、北京大学、国防科技大学、北京航空航天大学等十几家研究机构也先后开展了脉冲爆震发动机相关技术研究，并取得了一定进展。

本文对中国脉冲爆震发动机技术研究现状进行了总体性回顾与分析，旨在为后续相关研究工作提供参考。

1 PDE工作模式及其应用

脉冲爆震推进系统主要分为火箭式、吸气式、组合循环以及混合循环4种方式。

火箭式和吸气式脉冲爆震发动机实际上是1种“纯”脉冲爆震发动机,区别在于脉冲爆震火箭发动机（PDRE）需要自带氧化剂,而吸气式脉冲爆震发动机（APDE）是以空气为氧化剂。PDRE和APDE有着许多潜在的应用前景,PDRE可用作上面级发动机、轨道转移发动机、巡航导弹动力装置、行星着陆发动机；此外，还可用作航天器姿态控制，空间站运行，卫星机动等的动力装置。APDE可用于战略飞机动力装置、机载导弹或舰载导弹动力装置、无人机动力装置及远程导弹的动力装置等。

组合循环PDE是在相同的流道里安装不同循环方式的发动机，每种循环在不同飞行速度范围内工作,以优化整个系统性能。例如，将脉冲爆震发动机与普通火箭发动机放置在同一涵道里形成1个组合循环系统，可用作高速、远程导弹动力装置，在相同航程时，该推进系统的体积比普通2级液体火箭的小。脉冲爆震/冲压/超燃冲压发动机组合循环系统可用作高超声速飞行器动力装置，其中脉冲爆震发动机可用作低速飞行时的加速装置，当飞行马赫数高于3时，由冲压发动机替代继续工作。组合循环系统的1种变化形式称为多模态，是在相同的涵道里同一发动机进行多种不同的循环的模态。多模态爆震组合循环发动机如图1所示。

图1 多模态爆震组合循环发动机

混合循环PDE采用脉冲爆震燃烧室（PDC）与涡轮机械相组合的方式（如图2所示），用爆震燃烧代替定压燃烧,可用于新一代超声速飞行器。在混合循环模式，PDC可用来替代高压压气机、燃烧室、高压涡轮和加力燃烧室。对于一定的气流，经爆震波的压缩过程，PDC能使其压比增大2倍。对于目前的加力装置而言，PDC用作推力加力时将会提高性能并减少燃料消耗。

图2 混合循环PDE概念方案

2 中国PDE技术研究

中国脉冲爆震发动机技术研究是从PDRE开始的，最初的PDRE试验研究是以汽油为燃料、以压缩空气为氧化剂开展的原理性模型试验[1]。显然，以汽油/空气为燃料不符合火箭推进的安全性和性能需求，因而后来发展了符合工程实际的以液态煤油/氧气为燃料的PDRE。然而，在以汽油/空气为燃料的原理性试验中，进行了包括爆震基础理论、燃料的喷射与混合、起爆技术等大量基础性研究，从而认识、分析和总结了PDE的关键技术问题，奠定了PDE研发的技术基础。

爆震起爆及与之相关的燃料喷射与混合技术是PDE发展过程中的核心技术，多年来从未停止过研究。直接起爆需要极大的火花放电能量，工程应用中难以实现，因此国内目前均采用由爆燃向爆震（Deflagration to Detonation Transition，DDT）转变的间接起爆方式，所采用的燃料主要包括汽油/空气、煤油/空气和煤油/氧气等。相对于煤油来说，汽油可爆性更强，目前已可通过50m J的弱火花点火能量成功起爆[1]；然而煤油更符合军事应用的安全要求和存储条件，因此在汽油/空气试验研究基础上，也进行了以煤油/空气为燃料的脉冲爆震试验，目前也实现了通过50 mJ的弱火花点火能量成功起爆[2]，并且探讨了对煤油或空气加温对可爆性的影响[3]。不同研究中采用的起爆点火能量也各不相同，有关点火能量对于爆震起爆的影响规律也有专门研究[4]。然而，火花放电能量仍然相对较小，研究者也尝试采用热射流点火等方式来强化起爆效果[5]，但该方式明显增加了系统的复杂性和结构质量，因而在工程中的实现方式尚待研究。DDT过程很大程度上决定了脉冲爆震发动机的热循环效率，如果DDT距离较短，则爆震管中等容燃烧方式的比例增大，发动机的热循环效率提高；反之，发动机的热循环效率降低。为了缩短DDT距离，研究者进行了大量试验探索，其中包括采用Shchelkin螺旋、按一定间距排列的挡环或孔板结构等（强化燃烧装置如图3所示）[6]。研究发现，这些结构由于增大了爆震管内流动的湍流强度，加速了化学反应速率，因而都不同程度地缩短了DDT距离。目前，以汽油/空气为燃料的DDT距离可缩短至1.0m左右，而以煤油/氧气为燃料的DDT距离可缩短至0.2m以内[7]。

图3 强化燃烧装置[6]

与爆震起爆及DDT过程密切相关的是燃料的喷射与混合技术，在APDE或PDRE 2种不同工作模式下，采用的燃料喷射方式也有所不同。目前PDRE采用旋流进气，燃油喷射后与旋流气体快速掺混；APDE则采用直流和旋流进气2种方式，通常通过压力雾化喷嘴进行燃油喷射，能够在进气道上、下游进行掺混。采用旋流是为了增大气流湍流度和流动距离，以期达到缩短DDT距离的目的。然而在研究中发现，目前旋流进气与直流进气对于DDT过程影响的差别并不明显。空气雾化喷嘴也在APDE中采用，由于不依赖油压即可形成精细的雾化颗粒，因此DDT距离显著缩短。可靠的点火起爆、精细的燃油雾化、与氧化剂的快速掺混，以及由此带来的DDT距离的缩短，共同促进了爆震频率的加快，目前以汽油/空气为燃料的原理性PDRE的最高工作频率可达66 Hz[8]；以煤油/氧气为燃料的PDRE最高工作频率可达45 Hz[9]，也有研究对PDE头部的燃油雾化参数进行了专项测试与分析。

以煤油/氧气为燃料的PDRE无进气道结构，但当以汽油/空气或煤油/空气为燃料时，经典的火箭式头部就失去了其实用价值，因此需要发展APDE进气道结构。目前该结构通常为带有中心锥的环腔结构，旨在减小进气流阻，并增大爆震产物前传的反向流阻，从而实现工程需要的“单向阀”功能。在有些研究中，该结构也与旋流叶片结合使用[10]。虽然目前所发展的APDE已能稳定工作，且最高爆震频率达到40 Hz以上[11]，但所采用的“单向阀”进气道结构仍然存在较大技术问题，主要在于进气流阻相对较大，而对于燃气的反向封闭效果并不理想，这将显著降低APDE的推进性能。此外，目前试验研究中的进气道主要针对地面台架状态的低气流速度设计，而对于宽广飞行高度和速度范围的进气道结构尚未开展研究。由于APDE进气道对于混合循环及组合循环PDE的成功研制也具有重要意义，因此，APDE进气道及其与爆震管的耦合技术将是当前及未来亟待解决的技术问题。

增推技术一直是PDE研制过程中重点关注的问题。研究表明，在爆震管内使用障碍物可显著缩短DDT距离，但同时也将发动机比冲减小了超过25%。这一结果显示了较为矛盾的设计准则：高效的起爆要求具有足够的障碍，但过多的障碍会引起很大的压力损失。此外，当爆震燃烧产物从爆震管出口直接排出时，由于高温高压燃气与环境之间存在很大的压力梯度，加之存在排气发散问题，将会造成很大的推力损失。因此在多项研究中都发展了包括喷管、部分填充及引射器等增推结构和方法[12-13]，也有研究采用了上述结构的组合方式。其中所采用喷管包括收敛、扩张和拉瓦尔喷管，而部分填充相当于使用了不同长度的等截面直喷管。研究表明，收敛、拉瓦尔喷管和部分填充都不同程度地增大了发动机推力，而扩张喷管的增推效果并不明显。然而，采用喷管和部分填充方法是通过延缓高温高压燃烧产物排放速度，从而延长其在推力壁处的作用时间而增大推力的，但这与加快发动机工作频率相矛盾。也有研究表明，采用尺寸和位置适合的引射器结构也能明显增大发动机推力，但这将增大发动机的迎风面积、长度和结构质量。

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]，并分析了在不同飞行状态下PDE性能的变化规律，研究中也考虑了进气道和喷管的影响，发展了初步的脉冲爆震发动机结构设计方法[15]。在数值模拟研究方面，主要采用商用FLUENT软件或开放的DUNS程序对于进气道流场、DDT过程、排气过程以及喷管和引射器流场进行了数值模拟，也有研究对于单管和多管PDE[16]总体流场进行了数值模拟，分析并解释了与爆震相关的复杂的波动/流动现象与机理，由于受到反应机理研究方面的限制，这些数值模拟大多采用了氢/氧反应系统。

多管并联PDE具有推力平稳、推力调节范围宽广、对进气道及喷管的影响小等诸多优点，因此具有重要的工程价值。西北工业大学发展了2种不同尺寸的以汽油/空气为燃料的6管并联APDE，其中单管内径为68 mm的APDE试验器可以在单管6 Hz的频率下平稳工作20 s以上[17]，试验器出口火焰形态如图4所示；而单管内径为35mm的APDE试验器最高工作频率可达210 Hz[18]，多管吸气式PDE试验现场如图5所示。南京航空航天大学设计了1种内径为100mm的3管气动阀式PDE，在进气加温条件下,以煤油为燃料、低污染空气为氧化剂，成功进行了总工作频率为30 Hz的爆震试验[19]。

图4 6管吸气式PDE出口火焰(内径为68mm)[17]

图5 多管吸气式PDE试验(内径为35mm)[18]

目前，组合模式和混合模式PDE研究工作也已开展：提出了多模态爆震组合循环发动机概念并进行了理论分析[20]；对装有脉冲爆震主燃烧室（PDC）的燃气涡轮混合循环发动机进行了理论分析、数值模拟和原理性模型试验[21]；对外涵装有脉冲爆震加力燃烧室的混合循环涡扇发动机进行了热力性能分析[22]；对以爆震燃烧为基础的波转子技术应用于燃气轮机的性能进行了初步分析[23]。

此外，针对PDE强度/换热/噪声问题的研究工作也已开展[11,24-25]。在PDE试验测试技术方面，建立了爆震波压力和爆震波速等特性参数的测量方法[26]，对PDE内部及排气温度进行了试验测量[27]；目前PDE推力测试大多采用动态力传感器方法[28]，然而其准确性与可靠性尚未得到一致认可。

3 结束语

经过近20年的发展，中国对于脉冲爆震发动机的技术研究已经建立了初步的理论体系，对于各项关键技术开展了相关研究，并已有所突破或得到了创新性发展，为中国未来脉冲爆震发动机的研制奠定了初步的理论与工程基础。然而，研究过程中也存在一些问题，比如在增推、起爆、燃料喷射与混合、进气道、推力测试等重要关键技术方面出现了较多简单的重复性研究，而并未取得实质性技术突破，这也是造成近年来PDE研究进展缓慢的原因。就PDE的多种工作模式而言，目前的PDRE研究针对性强，系统集成度高，进展最快，可能在近期率先获得工程应用。而APDE、组合循环和混合循环发动机工作范围宽广，亟待突破的关键技术问题尚多，可能还需要1个相对较长的研制周期。

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A Review on Research Status of Pulse Detonation Engine in China

ZHANG Qun1，FAN 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