新概念脉冲爆震发动机研究的最新进展

新概念脉冲爆震发动机研究的最新进展

范玮,严传俊,黄希桥,张群,郑龙席

(西北工业大学发动机系,西安　710072)

摘　要:论述了新概念脉冲爆震发动机的工作原理、热力循环方式、优点及应用范围,对国外脉冲爆震发动机的最新研究进展和存在的问题进行了综述,介绍了作者在脉冲爆震发动机探索性研究方面的主要成果:修正了比冲计算公式;发展了一种新的低能量(50mJ)单级起爆系统;采用爆震性较差的液体燃料C8H16/空气混合物,在国际上,首次成功地进行了两相脉冲爆震发动机原理性试验,所测量的爆震波压力比非常接近充分发展的C-J爆震,说明已获得了充分发展的两相脉冲爆震波;实验研究了脉冲爆震发动机的直径和爆震频率对其性能的影响;突破了将脉冲爆震发动机长度缩短到1m,爆震频率提高到36Hz的关键技术。

关键词:脉冲;爆震波;发动机;性能;模型试验

R ecent Advances in N e w-Concept Pulse

Detonation Engine R esearch

Fan Wei,Yan Chuanjun,Huang Xiqiao,Zhang Qun,Zheng Longxi (Department of Aeroengine,Northwestern Polytechnical University,Xi’an　710072,China)

Abstract:In this paper,the principle of a new-concept pulse detonation engine(PDE),its thermodynamic cycle,its advantages over conventional engines and its potential applications are broadly described;the research developments abroad are briefly reviewed and existing problems are analyzed.Moreover,the recent advances in explorative study on PDE by authors are presented:the formula for specific impulse is updated and a low-energy,single-stage initiation system is devel2 oped.Most importantly,the principle demonstration experiments of a two-phase PDE are success2 fully implemented,using poor detonable liquid C8H16/Air mixture.The obtained pressure ratio is very close to that of theoretical fully-developed C-J detonation which reveals that the fully-de2 veloped two-phase detonation wave is achieved in this study.In addition,the effects of the PDE geometry and detonation frequency on its performance are investigated experimentally.The study is focused on key technologies of shortening PDE length and increasing detonation frequency,resulting in a stable operation with36Hz-frequency and less than1m length of PDE,which has made a stride toward practical PDE.

K ey w ords:pulse;detonation wave;engine;performance;model test

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)是一种利用周期性爆震波发出的冲量来产生推力的非稳态推进装置。爆震波可以近似地认为由超声速激波和与其紧密耦合的薄火焰或反应区组成。由于爆震波能产生极高的燃气压力(大于15至55个大气压)、燃气温度(大于2800K)

收稿日期:20021208

基金项目:国家自然科学基金项目(59776001,50106012),航空科学基金(00C53019)和国家863计划(2002AA722102)。作者简介:范玮(1966—),女,教授,博士,主要从事燃烧学、新概念脉冲爆震发动机的应用基础研究。

和极快的传播速度(马赫数大于4),它对推进系统有很大的吸引力。通过提高爆震频率能使脉冲推力接近准稳态推力。快的能量转换速率或高的燃烧速率使燃烧产物没有足够时间膨胀。因此,爆震过程在热力学上比普通的以爆燃为基础的推进系统的等压燃烧更接近等容循环。接近等容的燃烧过程之所以有较高的热力学效率,归因于工质的熵增低。由于爆震波能产生高的压比,可以消除对笨重昂贵的高压供给系统的需要,从而,降低推进系统的质量、复杂性、成本及封装体积。使用自由来流或机载氧化剂,能分别以吸气式发动机或火箭发动机PDRE(Pulse Detonation Rocket Engine)方式工作。此外,脉冲爆震发动机还可在宽广的飞行马赫数下工作。

由于脉冲爆震发动机具有上述独特的优点,所以,它在军用和民用等方面有广阔的应用前景,可能成为本世纪新型动力装置。在军用方面:

(1)近期它可作为无人驾驶飞机、靶机、引诱飞机、靶弹动力装置,小运载的上面级发动机。

(2)中期它可作为高超声速隐身侦察机、巡航导弹动力装置,空间作战平台的变轨发动机、姿控发动机。

(3)远期它可以作为战略飞机、航天飞机组合动力装置。

目前,在美国、法国、加拿大、俄国、中国及其他国家正在积极实施脉冲爆震发动机的研究计划。

美国NASA把它列为三大全新概念(REVCON)项目之一,加以大力发展。美国海军研究办公室于1999年5月,起动了为期5年的有关脉冲爆震发动机的核心研究计划和大学多学科研究创新计划MURI。Roy[1]介绍了该计划所取得的研究成果。Eidelman等人对80年代脉冲爆震发动机先期性的研究工作做了综述[2]。Bussing等人[3]对脉冲爆震发动机的基本理论、设计概念及90年代初期的相关研究工作做了讨论。Kailasanath[4]介绍了脉冲爆震发动机研究的最新进展。

PDE已装在F-15B研究型飞机上做冷流试验,试验的重要部件有进气道、空气吸气阀、喷管等。1998年,NASA计划以3a时间投资1亿美元研制适合于上面级和助推级的脉冲爆震火箭发动机技术,计划于2005年进行PDRE缩比试验,2009年研制出全尺寸PDRE。

最近,Munipalli1R等人[5]提出了在全速度范围内使用单一流路的PDE进行航天飞机单级入轨(SSTO)的4种模式:采用带有引射器增推的PDRE起飞,并加速到一定的超声速马赫数;当燃烧室中的马赫数小于C-J马赫数时,采用脉冲正爆震波模式;当燃烧室中的马赫数高于C -J马赫数时,采用脉冲斜爆震波模式;当航天飞机飞出大气层后,采用纯脉冲爆震火箭发动机模式。这是一种不同于现有的以超声速燃烧为基础的组合循环方案。

俄罗斯中央航空发动机研究院(CIAM)打算把脉冲爆震发动机用作航空航天组合动力装置和脉冲引射器。莫斯科大学(LMSU)和俄罗斯科学院高温研究所(IV TAN)参加了MURI计划。

法国FAL EMPIN公司的AEROSPA TIAL E MA TRA导弹部正在发展推力为490～980N的以脉冲爆震发动机为动力装置的战术导弹。

尽管在过去十多年间,对PDE进行了广泛的研究,但是,大部分有关PDE的研究涉及气体燃料,有关采用液体碳氢燃料PDE的研究发表很少。Brophy等人[6]曾报告过使用液体碳氢燃料J P10和氧气、J P10和空气的实验结果:用J P10和氧气成功地得到了充分发展的爆震波,发动机频率达5Hz,但采用J P10和空气未能成功。由于用液体燃料很难在较短的爆震室长度内起爆,使得PDE尚未在体积有限的实际推进系统中得到应用。

西北工业大学PDE研究小组从1994年以来,在国家自然科学基金的资助下,对PDE进行了探索性研究。其实验和理论的研究工作包括以下关键问题:PDE热力学循环分析;两相爆震的起爆;两相混合物的喷射与混合;单脉冲爆震和多脉冲爆震试验;含DD T现象的PDE工作过程的数值模拟[7～22]。

在采用液体燃料C8H16和空气混合物的PDE 模型中,攻克了液体燃料在较短的爆震室长度内起爆难的问题,成功地获得了充分发展的C-J 爆震,发展了新的单级起爆方法,从而,使低能量(50mJ)成功起爆成为可能。本文主要介绍了作者在两相脉冲爆震发动机探索性试验研究方面所取得的进展。

1　脉冲爆震发动机工作过程和

热力循环分析

图1表示PDE整个工作循环,它由以下基