[分享]基于爆震燃烧的新概念发动机

AaronSpark

　　Development of Pulsed Detonation Engine Technology

　　胡晓煜

　　脉冲爆震发动机(PDE)是21世纪最有前途的革命性航空航天动力之一。它基于爆震燃烧的新概念，具有结构简单、尺寸小、适用范围广、成本低等优点，推重比可达20。PDE既可用作导弹、靶机、诱饵机和无人机的动力，也可用作桨尖喷气旋翼机的动力，未来还有可能用作军民用飞机甚至太空飞行器的推进装置。目前，以美国为首的不少国家都投入经费和制定计划开展PDE的研究

　　基本结构、特点和应用

　　PDE是一种基于爆震燃烧的新概念发动机，它包括吸气式脉冲爆震发动机和脉冲爆震火箭发动机(PDRE)两类，它们的基本工作原理相同，区别是吸气式PDE从空气中获得氧化剂，而PDRE自带氧化剂。

　　吸气式PDE主要由进气道、爆震室、尾喷管、爆震激发器、燃料供给和喷射系统及控制系统组成。

　　PDE的基本工作循环包括四个步骤：第一，爆震燃烧室充满可爆混合物，第二，在燃烧室的开口或闭口端激发爆震波;第三，爆震波在燃烧室内传播，并在开口端排出;第四，燃烧产物通过一个清空过程从燃烧室中排出。

　　与传统的航空推进系统相比，PDE具有结构简单(无涡轮等旋转部件)、尺寸小(不大于2米)、适用范围广、成本低和可在零速度下使用等优点。预计PDE的推重比可达20，M数范围0～10(吸气式PDE为0～3或5)，飞行高度范围0～50千米，推力范围0.005～490千牛，耗油率小于1.02千克/10牛·小时。

　　此外，PDE可采用现有材料和现有工艺生产。PDE的成本比超音速涡轮发动机的低75%。

　　更可贵的是PDE是目前惟一一种能以双模式工作的发动机，它可以吸气式和火箭式两种模式工作。例如在M

　　0～3和更高的范围内以吸气式模式工作，然后以脉冲爆震火箭模式工作。

　　PDE可用作导弹、靶机、诱饵机、无人机的动力，也可用作桨尖喷气旋翼机的动力，未来还可能用作军民用飞机甚至太空飞行器的推进装置。

　　预计PDE很可能是超音速亚轨道飞行器成本最低的动力方案。人们普遍认为PDE是21世纪最有前途的革命性航空航天动力之一。从目前的发展看，PDE将首先在下一代超音速巡航导弹上获得应用。

　　目前，国外已研制出结构上能满足航空航天推进要求的高频(大于60赫兹)脉冲爆震燃烧室，用于飞行尺寸导弹的PDE也已制造出来，并在实验室进行了验证。

　　美国计划在2003年在"黑鸟"飞机上进行PDE的飞行试验，2005年对PDRE进行飞行试验，预计2009年将发展出可供使用的PDRE。

　　PDE的发展历史和现状

　　人类对爆震燃烧的研究可追溯到20世纪40年代，到80年代中期，PDE进入了实质性发展阶段，90年代，PDE进入了全面发展时期。目前，美国政府机构、军方、私营公司和大学的20多家单位参与了PDE的研究。加拿大、法国、以色列、日本、俄罗斯、瑞典也纷纷投入经费和制定计划开展PDE的研究。

　　美国海军1999～2001财年共投入1269万美元，研究使用一般液体燃料的、能从亚音速到M5工作的低成本、结构简单的战术导弹用PDE推进系统。1999年5月，海军研究办公室启动一项为期5年的PDE核心研究计划和多学科大学研究倡议，主要解决7个方面的问题：爆震的基础研究;喷射、掺混和起爆的研究;进口-燃烧室-喷管性能;多循环工作;诊断和传感器;动力学和控制;计算模拟和循环分析。参与该计划的有6所大学，每年约获得260万美元的研究经费。

　　美国空军从1998～1999财年共投入156万美元研究用于下一代侦察/攻击飞行器(有人和无人)及吸气式推进器的PDE技术。主要研究在涡扇发动机的外涵采用脉冲爆震燃烧，以去掉发动机的加力燃烧室。

　　理论计算表明，这种发动机的性能明显高于带加力的涡扇发动机，当发动机外涵以100赫兹的频率工作时，发动机的推力、耗油率和单位推力都比带加力燃烧室的改善一倍。

　　与此同时，美国空军也在研究脉冲爆震加力燃烧室(PDA)的概念，并已获得成功。美国空军即将批准在战斗机用涡扇发动机上采用PDA的研究项目。空军的PDA包括一个通过齿轮箱连接到发动机低压轴或高压轴上的旋转阀。目前的试验是研究不同喷管扩张角和不同喷管出口与喉道面积比对发动机性能的影响，今后还将进行钟形喷管和特种造型喷管的试验。

　　美国国防部预研局(DARPA)的PDE研究目标是用于尺寸非常小的武器和军用平台，如小型飞行器和无人战斗机的质量轻、成本低、寿命短的小型PDE推进系统。

　　所发展的PDE系统以JP-8为燃料，直径1.27厘米～15.24厘米，推力0.000088～0.089千牛，并由GE公司领导的研究小组负责实施。目前正在进行燃烧机理、飞行动力学、热力及机械应力环境、材料和制造技术方面的研究。

　　NASA的PDE研究涉及在所有航空推进领域应用脉冲爆震燃烧技术。NASA先后开始实施了PDE飞行计划、脉冲爆震发动机技术(PEDT)计划和脉冲爆震火箭发动机(PDRE)计划。

　　PDE飞行研究计划的目的是开发可用于高M数导弹或先进高速飞机的PDE、了解PDE在实际飞行条件下的性能、提高PDE系统用于M数的技术准备等级。该计划总投资960万美元。原计划2002年在F-15B研究飞机上进行飞行试验，但最近这一计划已经取消。

　　PDET计划也称革新航空飞行器推进(RPAV)计划，目标是满足全球民用航空运输的要求、革新技术进步，以使飞机污染在10年内减少2/3，在25年内减少4/5。另外，使旅行成本在10年内减少25%，在25年内减少50%。发展的重点是混合PDE系统。

　　NASA的PDET计划发展目标是，在今后的2～12年内，研究在普通燃气涡轮发动机的加力燃烧室采用脉冲爆震燃烧的发动机概念，在12年后，在燃气涡轮发动机的主燃烧室采用脉冲爆震燃烧的发动机概念。参与该计划的有7家机构，GE公司总负责。

　　目前，基于PDE的混合循环和组合循环推进系统的概念设计已经结束，近期将确定可满足NASA航空航天飞行目标的混合循环PDE和组合循环PDE推进系统的可行性，接下来验证理论效率和开发系统部件。

　　2002年6月，GE公司已经在运行一台PDE，并产生了推力，2003年将确定PDE验证机的结构，2003～2004年开始设计工作和早期的部件试验，2005～2006年运行全尺寸的验证机。GE公司在研制M0～4范围工作的吸气式PDE的同时，也在研究不同类型的PDE装置，如在涡扇发动机中用PDE取代核心机和在军用加力涡扇发动机上采用基于PDE的加力燃烧室，后者被认为是PDE的最早用途之一，预计可节省30%～50%的燃油。

　　目前，NASA的PDRE也取得了很大进展，由Adroit、NASA、空军参与的这一计划的目的是发展可用于入轨飞行器、星际飞行器和登月飞行器用低成本、轻重量的推进系统。一个小尺寸的PDRE已设计完成，从2000年4月开始进行部件试验。目前已完成了概念验证试验，高频反复爆震获得成功，同时达到了真空起动能力。预计2005年将研制出试验用发动机，2009年研制出全尺寸可飞行的发动机。

　　俄罗斯在PDE基础研究领域进行了大量研究，1998年9月，在俄罗斯举办了爆震试验与计算国际讨论会，就起爆、爆震波结构和传播、爆震现象应用以及先进燃料的爆震性等问题进行了讨论，会上俄专家发表了大量文章。

　　2000年，法国和加拿大也分别开始了用于低成本的导弹、无人机或无人战斗机的液体燃料PDE的研究。法国计划用几年时间开始全尺寸的PDE试验，预计研制这种PDE的费用不超过800万～1000万欧元。

　　PDE的技术难点

　　尽管PDE的概念在实验室已得到了验证，但还有以下技术问题需要解决：

　　(1)

　　爆震的起爆、控制和保持。快速并可*地起爆是使PDE获得实用的最重要问题之一，因为高的工作频率和反复的点火次数是PDE正常工作的基本要求。利用爆燃向爆震转变(DDT)过程是近期PDE研究的最佳方案。过去人们对起爆和爆燃向爆震转变的研究多是在静止气体中进行的，并且大部分研究采用很长的激波管，与实际PDE长度不超过2米的条件不符。由于这些数据是在浓度均匀、无温度梯度的混合物中单次爆震的结果，与多次爆震的情况几乎完全不同。另外，实际PDE的工作频率很高，混气流速很快，低频下的结果很难作为高频下的设计依据。因此，要发展PDE，还必须进行大量试验，解决起爆难题。包括起爆能量、DDT方法、DDT的强化、爆震从受限环境向非受限环境的过渡等。

　　(2)液体燃料与氧化剂的雾化、喷射、掺混。对于燃用液体燃料的PDE来说，燃料的喷射、掺混和点火相当困难。具有快速反应、高质量流率和有高度可控性的喷射系统对满足PDE的高频运行十分重要。喷射系统必须满足成本、重量、体积和功率等方面的要求。因此，应研究与气体和液体燃料喷射、掺混有关的物理、化学和热力特性。

　　(3)PDE辅助系统的设计。实际应用的PDE应包括几个爆震室，它们与共同的进气道和喷管相连，而且实际应用PDE系统还包括增压燃油储存和供应系统、燃油/空气喷射系统和起爆系统以及推进剂喷射系统。

　　作用于PDE爆震室末端的封闭壁(推力壁)上的爆震压力使化学能转化为动能。PDE需要起爆和流动控制的辅助动力系统，并且还可能包括用于特殊用途的动力提取系统。此外，PDE还需要设计快速动作、具有飞行重量的推进阀与燃料阀和控制系统部件，以及先进的燃烧控制系统、有效的进口与喷管、考虑系统特殊零件综合设计方案。

　　(4)进口/爆震室接口的设计。由于爆震过程对化学计量、粒子液滴尺寸、当地混合度等非常敏感，因此最佳的进口/爆震室接口设计存在巨大的困难，因此需要研究PDE与混合压缩超音速进气口间高效一体化的方法。

　　(5)高性能喷管的设计。

　　(6)多个爆震管的动力耦合。由于推力不稳定，实际应用的PDE需要采用高频(大于80赫兹)的多管结构，而多管爆震燃烧室间存在动力耦合的问题。

　　(7)冷却问题。爆震波后热燃气的速度极高，引起管壁热量的增加，因此必须采取高效的冷却措施。

　　(8)爆震现象的精确理论分析方法和试验技术。用真实化学模型和分子混合模型进行先进的数值模拟和多部件的爆震模拟，对深入了解爆震燃烧的机理非常重要。PDE的试验技术与传统发动机的不同，如需要采用激光测速技术对气流进行测量等。

　　(9)混合PDE的设计。可利用涵道空气、涡轮机械，可能需要主动噪声抑制。