介绍一款自制的脉动发动机

田军

随着航模运动的不断发展，常规动力的低速模型飞机已经无法满足一些爱好者对模型更高速度与性能的要求。而能适应高速飞行的航模用涡轮喷气发动机价格昂贵、结构复杂，对很多普通模型爱好者来说使用门槛很高。其实，除了涡喷发动机外，还有一种比较少见的模型发动机，它不仅结构简单，而且能提供较大的推重比，这就是航模用脉动喷气发动机。

脉动发动机在军用无人机领域早就有所应用，不仅被用于靶机，还被用于需在恶劣条件下使用的高速侦察无人机。在航空模型方面，线操纵特技模型上曾使用过脉动发动机。这种模型飞行速度非常快（可超过200km/h），但不易操纵，偶尔在一些航模表演中能见到它的身影。

我是西南石油大学的一名老师，在指导学校航模队的过程中，萌生了制作脉动发动机的想法。于是，我带领学生收集脉动发动机的相关资料和数据，经过反复试验，试制成功了一款价格低廉的脉动发动机（图1）。将其装在一架改装过的练习机上，基本性能还不错（图2）。接下来，就为大家介绍这款自制的脉动发动机。

基本结构与原理

一般的脉动发动机，其基本结构主要包括前部的喷油嘴、单向阀及后部的燃烧室（带火花塞）和尾喷管（也称共振管）。具体结构参见图3和图4。

理论上看，脉动发动机的工作原理非常简单。气流经发动机进气道，与喷油嘴中喷出的雾化燃油混合，形成燃油-空气混合汽；混合汽通过单向阀进入燃烧室，被火花塞发出的电火花点燃爆炸；与此同时，单向阀关闭，高速膨胀的高温燃气从尾喷管高速喷出，产生推力；之后，燃烧室内压力与温度下降，形成负压，单向阀再次打开，新鲜的燃油-空气混合汽被再次吸入燃烧室，开始下一个循环。如此周而复始，发动机便可持续工作（图5）。

自制脉动发动机的结构

根据脉动发动机的基本结构及其工作原理，我们设计制作了一台样机。这台发动机主要由两大部件组成：前面的阀体和后面的燃烧室及尾喷管（图6）。

其中，后面的燃烧室和尾喷管均由薄壁钢管制成，并焊接在一起（图7）。燃烧室一侧开孔，用于固定火花塞。

前面的阀体相对复杂，由外壳（含阀片安装座）、喷油嘴、薄阀片和厚阀片组成（图8）。铝合金加工的阀体外壳，前端为小口，先向后收缩、再膨胀扩大到与燃烧室内径匹配（图9）。阀片安装座位于外壳直径较大的一端，用于安装两枚阀片，其中心有螺纹孔，用于固定阀片和喷油嘴。安装座中心孔外围均布有一圈圆孔，可使燃油-空气混合汽进入燃烧室（图10）。喷油嘴由两根交叉的空心管焊接而成，长的为供油管，前端连接油管，后端有螺纹，安装时拧在安装座的螺纹孔上。供油管中间侧壁有一小孔，燃油即从此孔喷出。另一空心管是空气管，正对供油管上的小孔，起到雾化燃油的作用（图11）。薄阀片为花瓣形，厚阀片一端为平面、一端有弧度，两者中心均有通孔（图12、图13）。厚薄两枚阀片的作用主要是为保护阀片，增加其工作寿命，进而延长发动机的使用寿命。安装时，先将薄阀片贴在安装座上，再将厚阀片有弧度的一面压在薄阀片上，用螺钉拧紧。此时，薄阀片外侧花瓣会因受力向厚阀片一侧弯曲，即阀门为打开状态（图14）。当燃烧室中可燃混合汽燃烧爆炸时，所产生的高压将薄阀片向前压，使其与安装座贴合，此时阀门关闭（图15）。待燃气从尾喷管喷出，燃烧室内压力下降后，薄阀片再次回弹弯曲，阀门再次被打开。

组装测试

这台脉动发动机组装好后，再将鼓风机、高压包（电池）、供油及油量调节系统等辅助系统安装连接，即可对其进行初步测试（图16）。特别是供油系统，由于采用了电子调速结合传统机械油针进行调节，因此即使用不同的燃油，发动机仍可正常启动工作，能够适应多种燃油（只需针对不同燃油调节油气配比即可）。此外，通过调节薄阀片遮盖安装座上圆孔的比例，还可对进入燃烧室的燃油量进行控制（图17）。

在将这台脉动发动机装在一架练习机上做进一步飞行测试时，发现了两个比较突出的问题：尾喷管气流对模型尾翼操纵面有影响；发动机工作时发热较严重，机身隔热不足。针对上述问题做了如下改进：把模型尾翼改为“H”形，并将尾喷管末端改到操纵面之后（图18）；在模型与发动机距离较近的部分增加环氧树脂板做隔热处理（图19）。

小结

经过一系列测试，发现这款自行设计制作的脉动发动机还存在一些不足。如厚度仅0.2mm的薄阀片在高温下易疲劳，且热腐蚀严重；自制的喷油嘴雾化效果不够好，燃烧室积油较严重，发动机易熄火，致使燃料的选择比较困难。

不过，由于这台脉动发动机自身结构简单，因此制作成本低、维护保养容易、维修价格相对较低，具有一定的应用价值。特别是其重量轻、推重比大的优点，比较适合用在一些小型高速无人机的试验上。