脉冲爆震火箭发动机研究

脉冲爆震火箭发动机研究

范玮，严传俊，李强，丁永强，胡承启

（西北工业大学动力与能源学院，西安，710072）

摘要本文论述了脉冲爆震火箭发动机的研究现状和发展方向，介绍了西北工业大学脉冲爆

震火箭发动机（PDRE）研究组从2002年以来在863-702主题项目的资助下，对PDRE进

行探索性研究所取得的主要成果，详细阐述了课题组在采用航空煤油/氧气为推进剂的脉冲

爆震火箭发动机试验模型上攻克两相爆震起爆、稳定可控工作、PDRE加与不加尾喷管时性

能测试等关键技术方面的研究进展。

关键词：脉冲爆震火箭发动机；两相；起爆；性能实测；喷管增益。*

1、引言

脉冲爆震火箭发动机（Pulse Detonation Rocket Engine，简称PDRE）是一种利用周期性爆震波发出的冲量产生推力的非稳态新型推进系统。PDRE是脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine，简称PDE）的一种，它自带燃料和氧化剂，由控制系统、燃料和氧化剂储存系统、点火和流动控制用附属能量系统、燃料/氧化剂喷射系统、爆震触发系统及推力壁等基本部件组成[1]。每个爆震循环包括推进剂填充、点火起爆、爆震形成和传播、已燃气排出和隔离气填充隔开废气几个过程。与常规液体火箭发动机连续输出推力不同，脉冲爆震火箭发动机的推力是间歇式的。随着爆震频率的增加，推力趋于稳态。

与目前推进系统中常用的爆燃波不同，爆震波的特点是它能产生极快的火焰传播速度（Ma>4）和极高的燃气压力（1.51~5.57MPa）。火焰传播速度快意味着没有足够的时间达到压力平衡，从热力学的角度分析爆震循环更接近等容循环。显然，与以等压循环为基础的大多数推进系统相比，PDRE具有更高的热循环效率。由于爆震波能增压，对液体火箭发动机而言，可不用高压涡轮泵，从而大大降低了推进系统的重量、复杂性、成本及体积。据国外研究报道，PDRE可在0～25的宽广的飞行Mach数下工作[1，2]。

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

2003年5月，美国GE公司在2003年度的“航空百年国际论坛（中国部分）”报告资料中明确提出，下一代新型循环的航空发动机是基于PDE技术的。GE公司在PDE技术应用方面的研究方向主要有：（1）以PDE代替涡喷发动机发展纯PDE发动机；（2）以PDE 代替涡扇发动机的核心机发展先进大涵道比涡扇发动机；（3）以PDE代替核心机和加力燃烧室发展先进战斗机用小涵道比涡扇发动机；（4）以PDE吸气式加力涡轮发动机/脉

*基金项目：国家自然科学基金项目（50106012,50336030）

冲爆震火箭发动机组合式发动机代替火箭发动机；（5）以PDE代替核心机发展先进陆用先进燃气轮机。在大涵道比民用发动机方面，PDE技术的应用将使得发动机售价降低25%、维护费用降低30%、发动机重量减少25%、单位耗油率降低20%。

美国NASA把它列为三大全新概念（REVCON）项目之一加以大力发展。98年NASA 计划以三年时间投资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。

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(IVTAN)参加了美国的MURI计划。

法国FALEMPIN公司的AEROSPATIALE MATRA 导弹部正在发展推力为50-100daN的以脉冲爆震发动机为动力装置的战术导弹。

由此可见，脉冲爆震发动机是本世纪非常有发展前途的动力装置，目前已成为航空航天推进领域研究的热点。

由于脉冲爆震发动机有广阔的军事应用前景，西方对其关键技术严格保密，可借鉴的有用资料很少。为了掌握这项高新技术，必须积极开展脉冲爆震发动机研究工作，尽快研制出有我国自主知识产权的新型脉冲爆震发动机。

本研究就是在以上的背景下进行的，其目的是探索脉冲爆震火箭发动机推进原理，突破100-1600N的脉冲爆震火箭发动机的关键技术，进行脉冲爆震火箭发动机原理性试验，为未来新型航天动力系统研制提供技术基础。

考虑到燃料的实用性和安全性，课题要求采用液态燃料——航空煤油和氧气作为推进剂，而以往国外的研究多以气相爆震[3～5]为主。众所周知，两相爆震的起爆和控制要比单相爆震复杂困难很多，其中有大量涉及雾化、蒸发、脉冲起爆、精确控制等的关键技术需要解决。经过几年的研究探索，我们已掌握产生频率可控、充分发展的爆震波的起爆技术，PDRE试验模型工作稳定可靠。并以此为平台，进行了大量基础试验，为PDRE研制提供了技术储备。

2、研究中须考虑的问题

2.1 隔离气体

一般存在两种爆震失败的可能[7，8]，一种是提前点火（或称早熟），另一种是爆燃向爆震转变（Deflagration-to-Detonation Transition，简称DDT）失败（即爆燃不能转变为爆震）。这两种情况均不能产生爆震波。为了防止反应混合物的提前点火，避免连续燃烧，需要利用隔离气体将新鲜燃料-氧化剂混合物与高温燃烧产物隔离。在本研究最初的实验中[9]，没有使用隔离气体，就出现了煤油/氧气混合物提前点火的问题。在本研究的所有实验中，使用压缩氮气作为隔离气体。

2.2 爆震激发

在脉冲爆震火箭发动机中可靠可控地形成爆震是一个挑战。爆震形成有两个方法：直接激发爆震和利用爆燃火焰通过DDT过程形成爆震。直接激发形成爆震需要巨大的能量，这是不实用的。利用较低的能量通过DDT就可以形成爆震波。研究表明，只要在爆震管出口前能形成爆震，其比冲与直接激发爆震所得到的比冲相等[10]。DDT过程依赖于一些因素[8],如填充过程产生的湍流，DDT增强装置以及壁面传热等。常用的一个缩短DDT