脉冲爆震发动机技术发展研究

V01．33．No．2 February。2008 火力与指挥控镧 FireControlandCommandControl 第33卷第2期 2008年Z月 文章编号：1002一0640(2008)02—0001—04 脉冲爆震发动机技术发展研究。 李海鹏，何立明，张建邦 (空军大学工程学院，陕西西安 710038) 摘要：阐述了脉冲爆震发动机(PDE)的工作循环过程、工作特点、主要形式及其应用前景。结合目前脉冲爆震发动机技 术的发展现状，梳理了PDE的研究进展、发展形式、主要研究以及当前阻碍其实际应用的关键技术障碍与对策。同时 指出，脉冲爆震发动机具有热效率高、结构简单、高经济性、宽应用范围等优点，被认为是2l世纪最有发展潜力的技术。但是在 实际应用之前，缩短DDT距离并产生连续可靠的爆震过程，以及研制经济的耐高温高强度材料仍是两大难题。 关键词：脉冲爆震发动机，纯PDE，组合循环PDE，混合PDE，DDT 中图分类号：V231．2+2 文献标识码：A StudyonPulseDetonationEngineTechnology LIHai-peng，HELi—ming，ZHANGJian—bang (TheEngineeringInstitute，AirForceEngineeringUniversity，Xi’an710038，China) Abstract：Thecycleprocessofoperation，operatingcharacteristics，mainmodesandapplicationofthe pulsedetonationengine(PDE)arediscussedinthispaper．BasedonthestatusquooftheexistingPDE technology，researchprogress，developingmodesandobstaclestoitspracticalsolutionareanalyzed．The PDEwillbea potentialpowerenginebecauseithasadvantagesofhighthermalefficiency，simple structure，higheconomy，extensiveapplicationdomain． Keywords：pulsedetonationengine，purePDE，combinedPDE，hybridPDE，DDT 引 言 脉冲爆震发动机(PulseDetonationEngine简 称PDE)是利用间歇式爆震波产生的高温高压燃气 来产生推力的一种新概念发动机，具有结构简单，热 效率高等优点。燃料以剧烈的爆震方式燃烧，爆震波 以超音速传播，可以产生极高的温度和压力。脉冲爆 震发动机有着广泛的应用前景，在航空方面，其高比 冲的特点可以用于载人飞机的动力装置，实现高速 洲际航行。在航天方面，其高比冲和体积小的特点可 以用于单级入轨航天飞机的初始段推进装置。其低 成本的特点可以用于军事上的靶机、引诱飞机、假目 标和靶弹的动力装置以及高速导弹突防辅助动力。 收稿日期：2006-08—20修回日期：2006—10—20 *基金项目：中国博士后科学基金资助项目(中博基E20033 03号)；军队2110工程项目 作者简介：李海鹏(1981一)，男，山东招远人，硕士，主要 研究方向为航空宇航推进理论研究。 近年来也有人研究其在民用领域的应用，如用来发 电等，一旦技术成熟，必将对航空航天产生革命性的 影响。在最近的十年内，脉冲爆震发动机日益得到各 国的广泛关注，国内最早开始此方面研究的是西北 工业大学。尽管脉冲爆震发动机具有诸多优点和很 大的发展潜力，也进行了不少研究，然而由于诸多技 术难题，尚未得到正式生产。到目前为止，国内已有 多家单位相继开展了脉冲爆震发动机关键技术的研 究。 1 工作循环过程及特点 1．1工作循环过程 脉冲爆震发动机的循环过程可以分为以下几个 阶段： ①燃料／氧化剂填充爆震室。 ②点火起爆。 ⑨爆震波向敞口端传播。 ④爆震波到达出口，膨胀波反射进来，爆震产物 万方数据 ·2· (总第33--0148) 火力与指挥控制 2008年第2期 从爆震室排出。 ⑤恢复初始状态。 以上几个过程循环进行，当爆震达到一定频率 后就可以为飞行器提供近似连续的推进动力。 1．2工作特点 脉冲爆震发动机较传统发动机有诸多优点，其 中尤为突出的是结构简单和循环热效率高。结构简 单，可使发动机尺寸小，重量轻，维护简单；循环热效 率高可以在较宽的速度范围内展现出高性能。 1．2．1结构简单 尽管PDE还存在及材料上的难题，但其工 作原理决定了其机械结构上的简单性。由于爆震波 可以显著提高爆震室内混气的压力和温度，因此填 充过程就不需要有很高的压力，也就省去了传统发 动机用来增压的部件(如压气机)。几乎全部的过程 都融合在爆震室内进行，使得其结构上的简化极为 显著，零部件数量也大大减少。这对于提高发动机的 推重比，提高可靠性，减少维护工作量都大有裨益。 典型的脉冲爆震发动机示意图如图1所示： 图1典型PDE结构不意图 1．2．2热效率高 脉冲爆震发动机的燃烧过程近似为等容燃烧过 程，比传统发动机的Brayton循环有更高的热效率， 因此在理想状态下，在马赫数o～5范围内具有高比 冲，低燃油消耗率的优点。根据文献E13，脉冲爆震发 动机与涡扇发动机组合后的性能远远优于加力涡扇 发动机。 除了高推力性能外，脉冲爆震发动机还显示出 很好的经济性，爆震燃烧的快速反应方式，使得整个 燃烧过程近似等容燃烧，燃料效率得到提高，爆震的 高温也使得未完全燃烧的燃料大大减少，这些因素 都有利于提高经济性。 此外，脉冲爆震发动机的工作范围宽，可在M 数0～i0，飞行高度0km～50km飞行，推力可调；适 用范围广，可以按自吸气的方式或携带氧化剂的火 箭发动机方式工作，也可以与冲压发动机或涡扇发 动机结合组成组合循环发动机或混合发动机。 2 脉冲爆震发动机的主要形式 根据侧重点不同，脉冲爆震发动机有不同的分 类方式。例如按照爆震管的数目可分为单管／多管脉 冲爆震发动机，按照燃料形式可分为气相／液相燃料 爆震发动机，按照氧化剂的来源可分为自吸气式／火 箭式脉冲爆震发动机。当前通常将其分为纯PDE (purePDE)、组合循环PDE(combinedPDE)，混合 PDE(hybridPDE)三大类。纯PDE主要由爆震管、 进气道、尾喷管组成；组合循环PDE是由PDE与冲 压发动机、超燃冲压发动机、火箭发动机等动力装置 组合而成，在不同的速度范围内，运行不同的工作循 环；混合PDE是由PDE与涡喷或涡扇发动机相结 合，如在外涵道或加力段使用PDE。 2．1纯脉冲爆震发动机 纯脉冲爆震发动机(purePDE)，由于其重量 轻，容易制造，成本低以及在马赫数M=1左右的高 性能特点，主要应用于军事领域。将成为导弹、无人 机及其他小型动力的理想选择。在高马赫数阶段性 能会有所下降，加之其噪音等方面的缺点，其不被大 尺寸动力看好。美国普·惠公司研制的一种纯脉冲 爆震发动机已接近实用性验证阶段，其目标是针对 未来超声速导弹发动机的PDE研究。该PDE由五 个爆震管组成，目前正在美国海军航空武器中心进 行最后阶段的试验。试验中，该PDE与一个增压空 气供给系统相连，该系统模拟了M_--2．5的进口压 力和温度状态。目前试验的目的是初步运行PDE并 验证其性能，见图2。 图2 酱·惠公司纯PDE实图3 混合式PDE发动机 用性验证试验系统 示意图 2．2混合式脉冲爆震发动机 将脉冲爆震发动机与涡扇发动机相结合组成混 合式脉冲爆震发动机(hybridPDE)，不但可以增大 推力从而提高马赫数，而且可以有效地降低耗油率。 在传统的涡扇发动机外涵道加装爆震发动机，每个 爆震管依次循环进气、进油进行爆震产生推力，见图 3。这种组合方式可以产生更高的推力，并降低耗油 率。目前军用发动机普遍采用加力燃烧室来增大推 力，这是以牺牲经济性为代价的，采用混合式脉冲爆 震发动机在增加同样推力的情况下却有着更高的经 济性。也可将其用于民用发动机，以提高航行速度， 降低运营成本，减少尾气中氧化氮含量。NASA计 划利用这项技术，在2022年前实现洲际航行的时间 大大缩短。 万方数据 ’李海鹏，等：脉冲爆震发动机技术发展研究 (总第33--0149)·3· 2．3组合循环式脉冲爆震发动机 组合循环式脉 冲爆震发动机 (combinedcycle PDE)应用于航空 领域有着更为喜人 的前景。将脉冲爆 震发动机与冲压发 动机(ramjet)、超燃 冲压发动机 (scramjet)、火箭发 动机(rocket)或其图4等合循环脉冲爆震发动机 他动力装置相结 原理示意图 合，在不同的飞行马赫数采用不同的循环，以优化整 个系统的整体性能，可以实现高效率、高速飞行 (肘>5)。目前超燃冲压发动机尚处于研究阶段，将 其与PDE组合尚不是近期目标，尽管其很适合用于 高空、高速飞行器。目前提出的一种基于组合循环方 案原理如图4所示，有四种工作模式。 ①带扩张隐射器增推的脉冲爆震火箭发动机 (PulseDetonationRocket，PDR)模式。此模式工作 于起飞到跨音速阶段，由PDR喷出的气流增加了爆 震管内气流的动量，因此在低速阶段可以比传统的 火箭发动机提供更大的推力和比冲。 ②脉冲法向爆震波发动机模式。此模式工作于 爆震燃烧室内气流马赫数M。<地阶段，燃料间歇 注入爆震室超音速来流中，形成逆流传播的法向脉 冲爆震波。 ③稳态斜向爆震波发动机模式。此模式工作于 爆震燃烧室内气流马赫数舰Mcj阶段。当％= Mcj时，逆流传播的爆震波滞止，转为稳定的爆震 波，％Mcj后法向爆震波转为斜向爆震波，在合适 的楔面角度下，滞止并稳定下来。 ‘④脉冲爆震纯火箭发动机模式。此模式工作于 高空条件。 通过上面四种模式的组合工作，可使推力平滑 过渡，以满足在不同的飞行条件下为飞行器提供足 够高的推力需要。 3 主要研究方法 对脉冲爆震发动机的研究方法主要有理论分析 法、数值模拟方法和试验方法。 3．1理论分析 理论分析方法作为一种传统的方法，在脉冲爆 震发动机的发展中起着重要的作用。最初人们用 Humphrey循环为模型分析脉冲爆震发动机的理想 循环。基于Heiser和Pratt等人对PDE的深入研 究，现在普遍认为Humphrey循环不是PDE的理想 模型，而用冲击波、瑞利流和Chapman—Jouguet边 界条件的组合来描述爆震燃烧过程[8．9]。关于爆震发 动机的理想循环仍需进一步提炼优化。对PDE部件 的分析主要包括非定常进气、燃料加注和掺混、爆震 室强度和可靠性以及尾喷管与爆震室交界面等几方 面。对于交界面的初步考虑是保证爆震室出口气流 沿喷管壁面流动。 3．2数值模拟 数值模拟的方法可以在试验研究比较困难的领 域给出数据，如将进气道、尾喷管与爆震室相结合， 考察点火位置对性能的影响等。因此也被广泛应用 于PDE研究，但由于爆震的物理过程仍未得到深入 细致的认识，数值模拟算法仍需要不断地改进。CFD 模拟通常是靠一高温区域(或足够的能量积累)来激 发爆震，下游的压力边界条件对模拟有着重要的影 响。通过数值模拟发现在开口端点火燃烧效率稍 高[10。，喷管对PDE性能改善也有显著作用[3]。随着 对PDE循环的深入认识，由对爆震的基本CFD研 究向提供更多部件信息，更强调实际应用的PDE模 拟的转变是今后脉冲爆震发动机数值模拟的方 向[11|。 3．3试验研究 试验方法对于正确、深入地认识脉冲爆震发动 机的工作过程，解决脉冲爆震发动机研制过程中的 关键技术等有着其他研究方法所不可替代的地位。 关于脉冲爆震发动机最早的试验可以追溯到1940 年Hoffmann对间歇爆震的研究。之后对PDE的试 验研究逐渐增多，包括概念模型以及飞行尺寸的脉 冲爆震发动机[1纠。目前已知最先进的当属 Pratt&Whitney公司的飞行尺寸purePDE使用性 验证，如图2所示。 4 目前面临的技术障碍 目前将脉冲爆震发动机应用于实际尚有许多技 术问题亟待解决，其中最大的两个障碍是确保产生 连续的爆震波和研制能够可靠地承受高爆震压力和 热应力的新工程材料。 4．1 爆燃向爆震的转换(DDT) 脉冲爆震发动机与传统发动机的最显著区别是 燃料的燃烧方式为爆震而非爆燃，因此爆燃向爆震 的可靠转换(DDT)是展现PDE各种优点的必要条 件。目前控制DDT的方式主要有机械式和气动式 万方数据 ·4· (总第33--0150) 火力与指挥控制 2008年第2期 两种。P＆W公司从1993年开始研制PDE，采取的 就是机械式旋转阀。他们的近期目标是2005年前研 制出用于导弹的purePDE原型。利用旋转阀控制 向爆震管内加注空气和燃料的混合物，通过火花点 火激发DDT。在火花能量足够大的情况下，此种方 式可以直接起爆产生爆震波。GE公司则采用气动 阀方式，他们的近期目标是2005年前研制出hybrid PDE。气动阀方式利用环境气压与爆震管内压力的 不同完成燃料和氧化剂的加注过程。这种方式明显 地呈现出进气和排气两个阶段，进气过程加注燃料， 爆震后为排气过程。此外为了缩短DDT距离，可以 采用一些强化爆震的措施，如采用Shchelkin螺旋、 金属环、孔板、中心体等，其中Shchelkin螺旋效果 显著。虽然紊流有利于燃料掺混及缩短DDT距离， 但同时也增加了损失，这也是不容忽视的问题。 4．2恶劣的工作条件对材料的要求 脉冲爆震发动机工作环境非常恶劣，温度范围 227℃～1727℃，压力范围0atm～20atm，此外为了 产生更高的近似连续的推力，还需要有足够高的工 作频率(每秒钟循环上百次)，据报道在有的试验中 每隔149s～18Fs便可观察到一次压力峰值，即压力 峰值频率为0．0556MHz0．0714MHz，这都给爆 震室材料强度提出了很高的要求[2]。在没有研制出 既经济又能够承受如此高温高压的材料之前，脉冲 爆震发动机仍只能局限于理论，而无法应用于实际。 5 结 论 脉冲爆震发动机按照应用方式的区别可以分为 三大类：纯PDE(purePDE)、组合循环PDE (combinedPDE)、混合PDE(hybridPDE)，三大类 又有显著的共同点，即燃料＼空气混合物以爆震的方 式燃烧。这种剧烈的反应过程产生高温高压气体，循 环频率达到一定程度后，便可以提供足够高的近似 连续的推力。脉冲爆震发动机与传统发动机相比结 构简单，循环热效率高，不仅可以产生更高的推力而 且具有很高的经济性。PDE的这些优点使其在直到 中等马赫数飞行范围内具有很大的潜力，与超燃冲 压发动机等其他动力装置组合可以在更高的飞行马 赫数范围展示出良好的整体性能。另外其高比冲、低 成本的特点还可以用于单级入轨航天飞机的初始段 推进装置。一旦其技术成熟，必将给航空航天动力装 置以及军事领域带来革命性的影响。但是在实际应 用之前，缩短DDT距离并产生连续可靠的爆震过 程，以及研制可靠经济的耐高温高强度材料仍是两 大难题。 参考文献： E13MawidMA．ApplicationofPulseDetonation CombustiontoTurbofanEngines[J]．Journalof EngineeringforGasTurbinesandPower，2003，125 (1)：270—283． E2]RoyGD．PulseDetonationPropulsion：Challenges， CurrentStatus，andFuturePerspective[J]． ProgressinCombustionandEnergyScience，2004 (30)：624—634． [33LuFK，WilsonDR．SomeperspectivesonPulse DetonationPropulsionlED]．http：／／www—woolf． uta．edu／arc／papers／1051一ISSW24．pdf． [4]RamakanthMunipalli，VijayaShankar．Preliminary DesignofaPulsedDetonationbasedCombined CycleEngine．ISABE：2001—1213． [5]AnnK，HeX，MarkL．Propulsion：Pulse DetonationWaveEnginesimulation[ED]．http：／／ 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