脉冲爆震发动机技术发展研究

脉冲爆震发动机技术发展研究 Vol.33,No.2 　 February,2008 　 火力与指挥控制 　 FireControlandCommandControl 　 第33卷　第2期2008年2月 文章编号:1002-0640(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 (空军工程大学工程学院,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,分析梳理了PDE的研究进展、发展形式、主要研究方法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21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,mainmodesandapplicationofthepulsedetonationengine(PDE)arediscussedinthispaper.BasedonthestatusquooftheexistingPDEtechnology,researchprogress,developingmodesandobstaclestoitspracticalsolutionareanalyzed.ThePDEwillbeapotentialpowerenginebecauseithasadvantagesofhighthermalefficiency,simplestructure,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[2003] 03号);军队2110工程项目 　作者简介:李海鹏(1981-　),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。 ③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 　　(总第·2· 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还存在设计及材料上的难题,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 : 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 图1　典型PDE结构示意图 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。 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0～5范围内具有高比冲,低燃油消耗率的优点。根据文献[1],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0～10,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。 图2　普·惠公司纯PDE实用 性验证试验系统 图3　混合式PDE发动机 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。 2　脉冲爆震发动机的主要形式 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 图4　组合循环脉冲爆震发动机 动机(rocket)或其他动力装置相结 原理示意图 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[12]。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。 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(M>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M2MCJ阶段。当M2=MCJ时,逆流传播的爆震波滞止,转为稳定的爆震波,M2>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。 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 　　(总第·4· 33-0150)火力与指挥控制2008年　第2期 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hybridPDE。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

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,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14μs～18μs便可观察到一次压力峰值,即压力峰值频率为0.0556MHz～0.0714MHz,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。 参考文献: [1] A.ApplicationofPulseDetonation CombustiontoTurbofanEngines[J].JournalofMawidM EngineeringforGasTurbinesandPower,2003,125(1):270-283.[2] RoyGD.PulseDetonationPropulsion:Challenges,Current Status, andFuturePerspective[J]. ProgressinCombustionandEnergyScience,2004(30):624-634.[3] LuFK,WilsonDR.SomeperspectivesonPulseDetonationPropulsion[ED].http://www-woolf.[4] uta.edu/arc/papers/1051-ISSW24.pdf. RamakanthMunipalli,VijayaShankar.PreliminaryDesignofaPulsedDetonationbasedCombined 1213.CycleEngine.ISABE:2001-[5] Ann K, HeX, Mark L. Propulsion: Pulse DetonationWaveEngineSimulation[ED].http:// www.seas.ucla.edu/combustion/projects/pulsed-[6] detonation-wave.html.2005. KailasanathK.AReviewofResearchonPulseDetonationEngines[A].Proceedingsofthe17thInternationalColloquiumontheDynamicsof[7] ExplosionsandReactiveSystems[C],1999. NASAGlennResearchCenter.PulseDetonationEngineTechnologyProject[ED].http://www.grc.2005.[8] HeiserWH,PrattDT.ThermodynamicCycleAnalysisofPulseDetonationEngines[J].AIAAJournalofPropulsionandPower,2002,18(1):68-76.[9] Kentfield JA C. Fundamentals of Idealized AirbreathingPulse-DetonationEngines[J].AIAAJournalofPropulsionandPower,2002,18(1):77-83.[10] EbrahimiHB,MerkleCL.ANumericalSimulationofthePulseDetonationEnginewithHydrogenFuels[A].35stAIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConference[C],LosAngeles,CA [11] 99-2818,AIAA,1999. HeX,KaragozianAR.NumericalSimulationofPulseDetonationEnginePhenomena[J].Journalof[12] ScientificComputing,2003,19(1-3):201-224. HinkeyJB,HendersonSE,BussingTRA.Operationof a Flight Scale Rotary-Valved, Engine Multiple-Combustor, Pulse Detonation nasa. gov/WWW/AERO/base/pdet. htm, 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(RVMPDE)[A].34thAIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConferenceandExhibit[C],AI,.