脉冲爆震火箭发动机的原理性试验

脉冲爆震火箭发动机的原理性试验Ξ

李　强,张　群,范　玮,严传俊

(西北工业大学动力与能源学院,陕西西安710072)

摘　要:阐述了脉冲爆震火箭发动机(PDRE)性能特点、结构和工作过程。采用航空煤油为燃料,氧气和压缩空气为氧化剂,分别进行了两相脉冲爆震火箭发动机原理性试验,所测得的爆震波压力接近充分发展的理想爆震波压力,说明采用煤油作为脉冲爆震火箭发动机的燃料是可行的。

关键词:脉动式喷气发动机;燃料性能;爆震波试验+

中图分类号:V231122 文献标识码:A 文章编号:100124055(2004)0520450204

An experimental study for pulse detonation rocket engine

LI Qiang,ZH ANG Qun,FAN Wei,Y AN Chuan2jun

(School of P ower and Energy,N orthwestern P olytechnic Univ.,X i’an710072,China)

Abstract:　The performance characteristics,structure and w orking cycle of pulse detonation rocket engine(PDRE)were intro2 duced firstly.Then using kerosene as fuel,oxygen and compressed air as oxidizers,proof2of2principle experiments of PDRE were suc2 cess fully conducted.The results show that the measured detonation wave pressures are close to theoretical values.It als o indicate that using kerosene as the fuel of PDRE is feasible.

K ey w ords:　Pulse jet engine;Fuel performance;Detonation experiments+

1　引　言

脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生高温、高压燃气发出的冲量来产生推力的新型推进系统,若发动机自带氧化剂,以火箭模式工作则称为脉冲爆震火箭发动机(Pulse Detonation R ocket Engine),简称PDRE[1]。

与目前常规推进系统中的爆燃波不同,PDRE中的爆震波由激波后面紧跟一道燃烧波组成[2],是以高超声速传播的。由于爆震波的传播速度很快,其燃烧过程可近似认为是等容过程,因而与以等压燃烧方式工作的常规火箭发动机相比,具有循环热效率高(在压比为6时,比等压循环高30%～50%)、燃料消耗率低的特点;由于爆震波能自增压[1],故PDRE最主要的优点就是能将推进剂增压到极高的压力,而不需要常规火箭发动机中既笨重又昂贵的高压涡轮泵。在典型的火箭发动机中,复杂的高压涡轮泵将燃料和氧化剂以高达130个大气压的压力压入发动机燃烧室,而PDRE的喷射压力仅为它的十分之一。因此,可以降低推进系统的重量、复杂性、成本及体积。同时, PDRE推力可从零连续调节到最大值。由于PDRE的上述优点,它已成为国内外航空航天界动力研究的热点[1～6]。

PDRE一般由推进剂供给系统、燃料氧化剂支管、精密流量控制阀、爆震激发和控制系统、爆震室、热保护系统和喷管组成,图1所示的是多管PDRE结构示意图[1]。

2004年10月第25卷　第5期

推　进　技　术

JOURNA L OF PROPU LSI ON TECH NO LOGY

Oct12004

Vol125　No15

Ξ收稿日期:2003209225;修订日期:2004203215。

基金项目:国家自然科学基金(50106012,50336030);教育部优秀青年教师资助计划和西北工业大学毕业设计重点扶持项目的资助。

作者简介:李　强(1981—),男,硕士生,研究领域为燃烧学。E2mail:liqstudy@vip1sina1com

Fig.1　Pulse detonation rocket engine component overview[1]

PDRE工作循环由以下7个过程构成:(1)阀门打开,燃料2氧化剂混合物填充爆震室;(2)阀门关闭,封闭爆震室前端;(3)在爆震室封闭端点火;(4)爆燃波转变为爆震波并向开口端传播;(5)爆震波从开口端传出,膨胀波在开口端产生;(6)膨胀波向封闭端传播,排出爆震产物;(7)爆震室内压力降到填充水平,准备重新填充。

2　煤油Π氧气爆震燃烧试验研究

因为煤油作为常温推进剂,使用方便、安全性好、无毒,价格便宜,而且煤油Π氧气组合密度比冲高,因此在研制先进的PDRE时,首选煤油作燃料。本研究针对PDRE的需要,以煤油为燃料,氧气为氧化剂,在脉冲爆震火箭发动机模型试验装置上进行了爆震燃烧实验研究,并考察了稀释剂对PDRE 性能的影响。

本研究分别采用氧气和压缩空气作为氧化剂,进行了脉冲爆震波试验。试验装置如图2所示。它是由氧化剂供给系统、挤压式煤油供给系统、爆震管、爆震起爆及频率控制系统、压力测试系统等组成。爆震管内径30mm,长度314m,传感器距推力壁215m,混合室长30cm,在其出口用火花塞点火,采用直射式喷嘴,煤油供给压力为014MPa。利用压电晶体压力传感器来测量沿爆震室各轴向位置的爆震波的压力。

(1)煤油Π氧气的爆震波试验结果和分析

采用煤油Π氧气为推进剂,进行了爆震波试验,测量了不同当量比下的爆震波后压力。当量比为018和113时的压力波形分别如图3(a),(b)所示。并且

,

Fig.2　Schem atic of the experimental arrangement

12Fuel supply;22Oxidizer supply;32Fuel flowmeter;

42Oxidizer flowmeter;52M ixing chamber;62Detonation chamber;

72S park plug;82Initiation frequency controller;

92Data acquisition and processing system;102Pressure

transducers;112Thrust wall

在各当量比下,将实验测得的爆震波后压力与采用商业软件CE A计算的理论值进行了对比,比较图示于图4中。

由图3和4可见,采用煤油Π氧气混合物作为推进剂,能产生充分发展的爆震波,在各当量比下,实验值和理论值较为符合。高的增压比在富油一侧达到,这与性能分析结果一致。

通过煤油Π氧气的爆震试验,说明采用煤油作PDRE的燃料是可行的。同时,试验表明煤油Π氧气的可爆性强,极易早熟,产生连续燃烧。故应在每次爆震间隙加隔离气体,即在再次填充氧气Π燃料之前填充一定量的惰性隔离气体,以防止高温的爆震产物提前引燃新鲜混气。

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第25卷　第5期脉冲爆震火箭发动机的原理性试验