脉冲爆震发动机综述

脉冲爆震发动机综述

引言

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine简称PDE)是利用脉冲爆震波产生的高温高压燃气来产生推力的一种新概念发动机，是一种非定常推进系统。它具有结构简单，热效率高等诸多优点。燃料以剧烈的爆震方式燃烧，爆震波以超音速传播，可以产生极高的温度和压力。必须指出：PDE的概念与众所周知的脉动发动机，如二战时使用的德国V-1“嗡嗡炸弹”不同，脉动发动机是非定常发动机，但它使用了缓燃模式。脉冲爆震发动机有着广泛的应用前景，在航空方面，其高比冲的特点可以用于载人飞机的动力装置，实现高速洲际航行。在航天方面，其高比冲和体积小的特点可以用于单级入轨航天飞机的初始段推进装置。其低成本的特点可以用于军事上的靶机、引诱飞机、假目标和靶弹的动力装置以及高速导弹突防辅助动力。近年来也有人研究其在民用领域的应用，如用来发电等，一旦技术成熟，必将对航空航天产生革命性的影响。在最近的十年内，脉冲爆震发动机日益得到各国的广泛关注，国内最早开始此方面研究的是西北工业大学。尽管脉冲爆震发动机具有诸多优点和很大的发展潜力，也进行了不少研究，然而由于诸多技术难题，尚未得到正式生产。

1 工作循环过程及潜在优点

1．1工作循环过程

脉冲爆震发动机的循环过程可以分为以下几个阶段：

①燃料\氧化剂填充爆震室。

②点火起爆。

③爆震波向敞口端传播。

④爆震波到达出口，膨胀波反射进来，爆震产物从爆震室排出。

⑤恢复初始状态。

以上几个过程循环进行，当爆震达到一定频率后就可以为飞行器提供近似连续的推进动力。

具体过程解释如下：循环从填充压力P1的反应物开始，然后关闭阀门，用位于封闭端附近的点火源直接起爆或通过缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)起爆。爆震波以2000m/s左右的爆震波速向开口断传去。在爆震波后是从封闭端发出的Taylor膨胀波扇，以满足封闭端速度为零的条件。Taylor膨胀波波尾以当地声速C3（约1000m/s）向开口端传去。在封闭端与Taylor膨胀波波尾之间是均匀区。Taylor膨胀波将爆震波C-J的压力P2降低到均匀区中相对较低的水平P3。这个压力通常称为平台压力，它仍然比环境压力P0大得多，因此在封闭端产生推力。

当爆震波传出爆震室出口时，由于该处压力远大于环境压力，因此产生一组膨胀波反向传进爆震室，进一步降低爆震室的压力，使得排气过程得以开始。膨胀波到达封闭端反射为另一组膨胀波向下游开口端传去。非定常排气过程是由在开口端和封闭端交替产生的一系列压缩波和膨胀波组成的。当爆震室的压力降低到环境压力水平时，排气过程结束。当排气过程结束时，阀门打开，让新鲜反应物填充如爆震室。阀门打开时应控制新的反应物不排出爆震室，避免浪费。这就要求下一个循环的爆震波在爆震室的某个地方，通常在出口能赶上反应物。再填充过程完成后，阀门关闭，开始下一个循环。

在更实际的循环中，是封闭端的压力减低到某一水平，而不是环境压力，填充过程开始，从而避免排气后期在封闭端产生很低的压力，造成负推力。此外，靠近封闭端的燃烧产物温度仍很高，当新鲜反应物与其接触时立即燃烧，也就是过早点火。这种过早点火很可能是发动机停止工作。因此，需要一种隔离过程，即在填充新鲜反应物前，填充少量惰性气体或冷空气以防止过早点火。

图2 多管PDE应用设想

1．2潜在优点

相对于其他推进系统，脉冲爆震发动机的最大优点是结构比较简单，而且可以成比例地放大或缩小。诸多优点中尤为突出的是结构简单和循环热效率高。结构简单，可使发动机尺寸小，重量轻，维护简单；循环热效率高可以在较宽的速度范围内展现出高性能。

1．2．1 结构简单

尽管PDE还存在设计及材料上的难题，但其工作原理决定了其机械结构上的简单性。由于爆震波可以显著提高爆震室内混气的压力和温度，因此填充过程就不需要有很高的压力，也就省去了传统发动机用来增压的部件(如压气机)。在起飞时也不需要助推器。几乎全部的过程都融合在爆震室内进行，使得其结构上的简化极为显著，零部件数量也大大减少。这对于提高发动机的推重比，提高可靠性，减少维护工作量都大有裨益。典型的脉冲爆震发动机示意图如图3所示：

图3 典型PDE结构示意图

1．2．2 热效率高

脉冲爆震发动机的燃烧过程近似为等容燃烧过程，比传统发动机的Brayton循环有更高的热效率，因此在理想状态下，在马赫数0～5范围内具有高比冲，低燃油消耗率的优点。根据Mawid M A的研究，脉冲爆震发动机与涡扇发动机组合后的性能远远优于加力涡扇发动机。

除了高推力性能外，脉冲爆震发动机还显示出很好的经济性，爆震燃烧的快速反应方式，使得整个燃烧过程近似等容燃烧，燃料效率得到提高，爆震的高温也使得未完全燃烧的燃料大大减少，这些因素都有利于提高经济性。

此外，脉冲爆震发动机的工作范围宽，可在M数0～10，飞行高度0km～50km飞行，推力可调范围大致为5～500000N；适用范围广，可以按自吸气的方式或携带氧化剂的火箭发动机方式工作，也可以与冲压发动机或涡扇发动机结合组成组合循环发动机或混合发动机。由于采用间歇式循环，壁温不高，发动机热防护相对降低。由于无高速旋转部件，加工相对简单，投资不大，相对容易实现。

2 脉冲爆震发动机的主要形式

根据侧重点不同，脉冲爆震发动机有不同的分类方式。例如按照爆震管的数目可分为单管\多管脉冲爆震发动机，按照燃料形式可分为气相\液相燃料爆震发动机，按照氧化剂的来源可分为自吸气式\火箭式脉冲爆震发动机。当前通常将其分为纯PDE(pure PDE)、组合循环PDE(combined PDE)，混合PDE(hybrid PDE)三大类。纯PDE主要由爆震管、进气道、尾喷管组成；组合循环PDE是由PDE与冲压发动机、超燃冲压发动机、火箭发动机等动力装置组合而成，在不同的速度范围内，运行不同的工作循环；混合PDE是由PDE与涡喷或涡扇发动机相结合，如在外涵道或加力段使用PDE。

2．1纯脉冲爆震发动机

脉冲爆震发动机(pure PDE)，由于其重量轻，容易制造，成本低以及在马赫数M=1左右的高性能特点，主要应用于军事领域。将成为导弹、无人机及其他小型动力的理想选择。在高马赫数阶段性能会有所下降，加之其噪音等方面的缺点，因而不被大尺寸动力看好。美国普·惠公司研制的一种纯脉冲爆震发动机已接近实用性验证阶段，其目标是针对未来超声速导弹发动机的PDE研究。该PDE由五个爆震管组成，目前正在美国海军航空武器中心进行最后阶段的试验。试验中，该PDE与一个增压空气供给系统相连，该系统模拟了M=2.5的进口压力和温度状态。目前试验的目的是初步运行PDE并验证其性能，

2．2混合式脉冲爆震发动机

将脉冲爆震发动机与涡扇发动机相结合组成混合式脉冲爆震发动机(hybrid PDE)，不但可以增大推力从而提高马赫数，而且可以有效地降低耗油率。在传统的涡扇发动机外涵道加装爆震发动机，每个爆震管依次循环进气、进油进行爆震产生推力。这种组合方式可以产生更高的推力，并降低耗油率。目前军用发动机普遍采用加力燃烧室来增大推力，这是以牺牲经济性为代价的，采用混合式脉冲爆震发动机在增加同样推力的情况下却有着更高的经济性。也可将其用于民用发动机，以提高航行速度，降低运营成本，减少尾气中氧化氮含量。NASA计划利用这项技术，在2022年前实现洲际航行的时间大大缩短。

2．3组合循环式脉冲爆震发动机

组合循环式脉冲爆震发动机(combined cycle PDE)应用于航空领域有着更为喜人的前景。将脉冲爆震发动机与冲压发动机(ramjet)、超燃冲压发动机(scramjet)、火箭发动机(rocket)