新概念航空发动机推进技术概述

新概念航空发动机推进技术概述

一、引述

自从1903年莱特兄弟第一次实现使用重于空气的飞行器飞天的梦想，百年以来，人类不断追求飞行器的高飞行速度，从而使飞行器推进系统得到了一次又一次的飞跃性发展。由于高超声速飞行器具有速度快、航程远、机动性好、反应迅速等特点，能够适应未来信息化战争的要求，以高超声速技术为基础的新型航空发动机推进技术必将成为二十一世纪航空领域的重要发展方向。

二十世纪50年代超声速燃烧概念和60年代高超声速飞行器概念提出以来，世界各个航天大国竞相大力发展新型航空发动机推进技术，以便在这一航空领域最前沿取得先机。80年代，美、俄、德、法、英等各国掀起了新概念发动机研究的高潮，在各领域陆续取得了重大突破。由于我国航空领域底子薄、基础差，最近几十年才开始重视相关领域的发展，而新概念发动机推进是未来航空技术发展的必然趋势，所以国家必然要大力支持这一方向的发展研究，拉近与航空先进大国的距离。

目前新概念航空发动机推进技术主要有以下三种发展方向：涡轮基组合(循环)发动机（TBCC）、脉冲爆震发动机（PDE）和超燃冲压发动机。三种发动机都有各自的优势和适用环境，代表着航空领域最前沿的推进技术。

二、脉冲爆震发动机

1、发展背景

脉冲爆震发动机（PDE）是一种利用脉冲式、周期性爆震波所产生的高温、高压燃气来产生推力的全新概念发动机，该发动机具有以下特点：热循环效率高，结构简单，可以不用传统的压气机和涡轮部件就达到对气体进行压缩的目的，单位燃油消耗率SFC低，工作范围宽，适用范围广，低污染，污染物特别是氮的氧化物少。

由于脉冲爆震发动机具有以上特点，使其成为有可能在一些领域代替涡轮喷气发动机和液体火箭发动机的一种低成本发动机，并在军事领域有着广泛的应用前景，如其可以作为无人驾驶飞机、靶机、火箭、靶弹、远程导弹、战略飞机、航天飞机等的动力装置。因此，对脉冲爆震发动机进行探索性研究，掌握其性能

分析、总体结构设计、试验，非稳态参数测量及控制等方面的关键技术，建立一定的技术储备，对于各个国家都有重要的理论、工程实践及战略意义。

2、PDE的发展和现状

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。

1940年，德国人率先对这种发动机进行了探索。从上世纪50年代起，美国、苏联等国先后展开了对间歇式脉冲爆震发动机的试验和可行性论证。因为种种原因，60年代末期中止了研究。80年代，在高超声速飞行器计划的推动下，又重新启动了脉冲爆震发动机的预研工程。

1998年，美国国家航空航天局（NASA）宣布，由其组织实施部分NASA 研究机构、加州理工学院、普林斯顿大学、宾夕法尼亚州立大学和多家大公司参与的脉冲爆震发动机模型实验工作取得成功。 2003年美国空军PDE技术中心把爆震管与涡轮组合进行混合实验，但是实验效果不理想；相比之下，2003年，普惠公司的PDE技术研究取得了巨大成功，设计了由5个爆震管组成的PDE 与一个增压的空气供给系统直接相连，该系统模拟了M2.5的进口压力和温度条件，每隔0.6ms点火一次，已经能产生2.023~2.669kN的推力。

国内西北工业大学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进行了探索性的研究。用热力学与爆震波理论，阐明了PDE 的工作原理，建立了PDE的工作循环及性能分析方法；对脉冲爆震发动机的工作过程进行了数值模拟；进行了近百次的单次爆震波试验；对不同燃料种类对脉冲爆震发动机的性能的影响进行了研究；对填充系数对脉冲爆震发动机的影响作了实验研究；成功的进行了脉冲爆震发动机的原理性试验，为今后脉冲爆震发动机的设计打下了基础。

尽管在过去十多年间，国内外对PDE进行了广泛的研究，但是其研究尚处于实验室阶段，很多关键技术还没有解决，像燃料和氧化剂的喷射和混合问题，起爆时间和起爆能量问题，测量诊断技术，高频下多循环和多管工作，结构载荷与热交换问题，动力学控制，多管控制问题等，距实际应用还有很长的路要走。

三、超燃冲压发动机

1、发展背景

高亚声速远程飞行器一般选用涡喷、涡扇发动机作为动力装置，由于受到涡轮前燃气温度的限制，难以用于飞行马赫数大于3.5的飞行器。传统的亚声速燃烧冲压发动机在飞行马赫数为3~6时性能较优，但当要求飞行器在大气层中以高超声速飞行时，由于其燃烧室进口温度过高而引起热解离，使燃烧效率和比冲急剧下降，飞行马赫数难以超过6。由于超燃冲压发动机进气道中气流滞止程度小，总压损失小，同时静温、静压都较低，这不仅使热解离程度降低而比冲提高，并且还会大大减轻机械负荷和热负荷。因此对于飞行马赫数超过6~7的高超声速远程飞行器来说，超燃冲压发动机是最佳备选方案。自二十世纪50年代以来，各国研究的重点始终放在超声速燃烧冲压发动机及其组合推进技术方面。

2、国内外技术发展状况和趋势

从20世纪50年代世界各国就开始研究超燃冲压发动机，最初的应用目标是单级入轨的飞行器、远程高速飞机和远程高超声速导弹。从90年代开始，重点转向巡航导弹用超燃冲压发动机的发展。目前，美国、法国、俄罗斯、加拿大、德国、印度、意大利等国都在发展M数4~8、射程1000km以上的巡航导弹用超燃冲压发动机。预计到2010年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹将问世。到2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速空天飞机将有可能投入使用。

目前大量超燃冲压发动机研发工作在美国海军、NASA、美国国防部高级研究项目局（DARPA），以及澳大利亚、英国、日本等地展开。国内目前这方面研究重点单位主要有哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，西北工业大学，国防科技大学等，相信不久的将来随着技术的成熟，超燃冲压发动机将会有更广阔的应用。

四、涡轮基组合(循环)发动机（TBCC）

1、发展背景

为了能成功研制高超声速飞行器，必须在高超声速推进技术上有所突破，推进系统的好坏直接影响整个飞行器的性能指标。到目前为止，对于飞行包线范围非常宽（高度0~40km或更高、飞行马赫数从亚声、跨声、超声速扩展到高超声速）的高超声速飞行器，就目前的技术条件而言，还无法使用常规的单工作循环推进系统，只能是基于不同类型发动机具有各自有效工作范围的特点，采用以涡