探析水冲压发动机的原理性试验技术

张玉霞　郭小帆　汪玲

摘 要：现今科技的发展，在水下船只航行方面由于对高速航行的需求逐渐加大，除了对更高功率、更大冲量的推力的要求外，还有一种针对推进系统的需求。该文将首先介绍水冲压发动机的概念，其次介绍水冲压发电机的工作原理及其原理性实验，以探求水冲压发动机的性能特征和发展前景。

关键词：水冲压发动机 原理性实验 发动机

中图分类号：V435 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0097-02

随着水下的超高速武器逐渐更新换代，对水下航行的船只也提出了新的航速要求。为了更加灵活，更加安全的航行，船只需要具备更快的水下航行速度，因此，便需要更加强力的发动机。水冲压发动机就是近年来新兴的一种水下动力系统，而验证这种动力系统的设计原理是否可行，是否能够实际运用，就是这种动力系统研究的关键所在。

1 冲压发动机的概念

水冲压发动机是一种较为新颖的水下动力系统，旨在通过对发动系统的创新改造，研究出一种效率高、动力强的推进系统。帮助水下运行的船只提高灵活性，以避开日益更新的超高速水下武器，确保船只安全。水冲压发动机的工作方式，首先是将外界的水引导进发动机的燃烧室内。此时，水分会和水冲发动机推进剂内携带的富裕金属产生反应。其次，待反应中产生高温，高压燃气，再对其进行火焰喷射，发动机便以此产生推力作为动力。因为水冲压发动机的这种发动方法，能够充分地利用外界的水，作为自己的氧化剂，提高了水的利用效率，使得自身发动机内携带的金属推进剂比冲较之其他发动系统能够得到较为显著的上升，产生更强的推力。除此之外，水冲压发动机对比传统的常规动力系统，还具备了能量密度高、高强度长时间工作的耐度强、使用安全性高、使用价格较低等优点。

2 水冲压发动机的工作原理

水冲压发动机的运行原理主要集中在金属与水之间，因此，无论是从产生的动力效率还是从生产的成本上进行考量，Al都是不错的材料。但Al本身也存在着一定的缺陷，即在常温状态下Al的外层金属会发生氧化反应，形成一层氧化膜，隔离了Al和外界的接触，也导致Al的性能无法正常体现[1]。针对这种问题，研究表明，对Al进行改性可有效解决氧化情况，即通过降低铝水的反应温度，让Al可以适用于常温下的使用。但是，这种方式在实际应用中，又会带来推进剂储存上的不足，所以并不具备实用性，Al的改性仍然需要进一步的研究才能实际运用。除对Al进行改性这种方案之外，目前提高铝水的反应环境温度是一种较为实际的方式，能够以较低的副作用投入到实际使用中。

3 水冲压发动机的原理性试验

3.1 铝镁推进剂燃烧喷射效率实验

根据水冲压发动机内工作原理的反应—— 金属和水的反应，可以得出，反应时金属的含量越高，其反应后产生的推动力和理论比冲就越高。所以，想要增加发动机的推动力，就要提高金属和水反应中的金属含量。但是，与此同时，金属的含量确实增加了，水反应金属燃料的富燃燃气能力却开始呈现持续走低的趋势，与金属的含量呈反比，因此导致喷射的效率持续走低。因此，若是要增加发动机的推动力，则不仅仅要考虑如何增加更多的金属含量的问题，还要全面地考虑到发动机内金属含量和各种金属类别，以及金属的其他物化特性之间的各种联系，明确发动机内各种因素互相影响的原理，提高喷射效率[2]。故该研究中，进行了铝镁推进剂燃烧喷射效率的影响因素实验。

在实验中，得出了，在总金属（Al+Mg/金属添加剂）的含量为40%～50%、氧化剂的含量为20%时，固化体系30%的铝镁推进剂能够做到较为稳定地长时间燃烧，不过要注意其中的Al含量不可大于50%。当实验中加入金属Mg时，Al的基水反应金属燃烧的点火能够得到显著的提高，并且能够适当地帮助其金属燃料燃烧进行充分燃烧，也能较为显著地增加喷射效率。并且，金属Mg在实验中的含量逐渐增加时，其燃料的喷射效率也随之上升。实验表明，金属Mg的粒度维持在约200以下时，其喷射效率是呈现上升态势，但当金属Mg的粒度超过200并且持续增长时，其喷射效率便进入下降态势。当药柱的深度持续提高时，喷射效率亦开始下降。

3.2 燃气发生器式水冲压发动机性能试验

根据在水冲压发动机富燃推进剂的喷射效率方面的研究，可以大致推导出，推进剂中金属含量和组分的各种变化形势对于喷射效率的影响都较为显著[3]。因为原理性研究的核心目的就旨在检验水冲压发动机的工作原理是否具有实用性和可能性，所以，为了让铝水反应能够保持长时间的运行，就至少需要将推进剂的喷射效率保持在一定范围内。在保证了工作原理的可行性之后，研究需要更进一步去提升金属含量，继而使得发动机的效率能够再次提升。至此，在实验进行的初期，选择含量处于中等的铝镁推进剂配方作为研究对象，是较为稳妥的体现，其中金属含量数据应达到43%以上。

水冲压发动机燃气发生器和部燃室内部的温度参数在加水前和加水后的不同变化，对于判定铝水反应是否进行是十分重要的一种标志。在研究中，需要在试验用发动机的两个不同的象限上，沿着轴向的不同位置进行测量，这样可以得出较为准确的温度参数。同时，在对比加水后的变化反应时，也能够做到及时对比分析，将实际情况与理论结果交叉对比，实现研究结果的最大程度利用。

在采用小型药柱进行燃气发生器式水冲压发动机原理性实验时，为保证实验结果，在发动机工作后第四秒加水，工作时间持续到第14秒。此时，观察可得知，发动机工作后补燃室的压强从0.4 MPa提升至1.4 MPa，此时的水燃比保持在1.05。并且，此时的燃烧室内压强波动影响的范围较小，燃烧的程度也较为稳定。发动延迟短，推进剂的点火性能也较好，能够适应水冲压发动机原理性实验的要求[4]。

实验中，根据加水前后理论比冲的对比，发现发动机的燃烧效率达到了80.4%以上，其中排除了因为环向加水导致的速度方面的差异，因此结果较为可行。实验表明，发动机的燃烧效率与空气冲压发动机的数值较为相近，判断两者应处于同一效率，因此可以得出，该发动机的效率如果对其进行燃烧形式方面的改进，则尚有进一步提升效率的可能。而通过对温度方面的比对，得知当燃气发生器的温度达到1 700 K上下时，补燃室的最高温度稳定在2 100 K上下。可得知其推进剂在燃烧过程中，燃气内包含的Al和Mg等粒子和水在二次补燃时产生了较为激烈的反应过程，其反应中产生的热量，很好地填补了由于水在汽化过程中消耗的那一部分热量，以此表明现今阶段的燃气发生器式水冲压发动机的工作原理具备一定的可行性。

4 结语

一系列实验表明现阶段所设计出来的水冲压发动机的工作原理已经具备相当的可行性，基本完成了原理性实验。从实验结果看，水冲压发动机的效率高，推动力强，耐用性强，安全性高，具有不错的发展前景，是超高速水下瑞经济系统一种较为不错的选择。

参考文献

[1] 杨向明，刘伟凯，陈林泉，等.固体燃料超燃冲压发动机原理性试验研究[J].固体火箭技术，2012（3）：102-104.

[2] 迟鸿伟，魏志军，王利和，等.固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中火焰稳定性数值研究[J].推进技术，2015（10）：98.

[3] 胡凡，张为华，江振宇.金属燃料/水冲压发动机构型试验[J].推进技术，2012（1）：34.

[4] 陶欢，魏志军，武志文，等.固体燃料超燃冲压发动机燃烧室流动与掺混过程研究[J].飞航导弹，2012（8）：3-8.