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)
或其它动力装置相结合，在不同的飞行马赫数采用不同的循环，以优化整个系统的整体性能，可以实现高效率、高速飞行(M>5)。

目前超燃冲压发动机尚处于研究阶段，将其与PDE组合尚不是近期目标，尽管其很适合用于高空、高速飞行器。

目前提出的一种基于组合循环方案原理如图4所示，有四种工作模式。

图4 组合循环脉冲爆震发动机方案原理示意图
①带扩张隐射器增推的脉冲爆震火箭发动机(Pulse Detonation Rocket，PDR)模式。

此模式工作于起飞到跨音速阶段，由PDR喷出的气流增加了爆震管内气流的动量，因此在低速阶段可以比传统的火箭发动机提供更大的推力和比冲。

②脉冲法向爆震波发动机模式。

此模式工作于爆震燃烧室内气流马赫数M2<Mcj阶段，燃料间歇注入爆震室超音速来流中，形成逆流传播的法向脉冲爆震波。

③稳态斜向爆震波发动机模式。

此模式工作于爆震燃烧室内气流马赫数舰M2>Mcj阶段。

M2=Mcj时，逆流传播的爆震波滞止，转为稳定的爆震波，Mcj后法向爆震波转为斜向爆震波，在合的楔面角度下，滞止并稳定下来。

④脉冲爆震纯火箭发动机模式。

此模式工作于高空条件。

通过上面四种模式的组合工作，可使推力平滑过渡，以满足在不同的飞行条件下为飞行器提供足够高的推力需要。

3 主要研究方法
对脉冲爆震发动机的研究方法主要有理论分析法、数值模拟方法和试验方法。

各方法都有阶段性的进展。

3．1理论分析
理论分析方法作为一种传统的方法，在脉冲爆震发动机的发展中起着重要的作用。

最初人们用Humphrey循环为模型分析脉冲爆震发动机的理想循环。

基于Heiser和Pratt等人对PDE的深入研究，现在普遍认为Humphrey循环不是PDE的理想模型，而用冲击波、瑞利流和Chapman—Jouguet边界条件的组合来描述爆震燃烧过程。

关于爆震发动机的理想循环仍需进一步提炼优化。

对PDE部件的分析主要包括非定常进气、燃料加注和掺混、爆震室强度和可靠性以及尾喷管与爆震室交界面等几方面。

对于交界面的初步考虑是保证爆震室出口气流沿喷管壁面流动。

3．2数值模拟
发动机数值模拟的方法可以在试验研究比较困难的领域给出数据，如将进气道、尾喷管与爆震室相结合，考察点火位置对性能的影响等。

因此也被广泛应用于PDE研究，但由于爆震的物理过程仍未得到深入细致的认识，数值模拟算法仍需要不断地改进。

CFD模拟通常是靠一高温区域(或足够的能量积累)来激发爆震，下游的压力边界条件对模拟有着重要的影响。

通过数值模拟发现在开口端点火燃烧效率稍高。

喷管对PDE性能改善也有显著作用。

随着对PDE循环的深入认识，由对爆震的基本CFD研究向提供更多部件信息，更强调实际应用的PDE模拟的转变是今后脉冲爆震发动机数值模拟的方向。

对PDE的数值模拟包括单脉冲爆震、多脉冲爆震、单管、多管、是否带喷管或引射器等；在空间维数方面，还包括一维、准一维，二维或二维轴对称。

目前大多数一维数值模拟是基于出流固定压力边界条件（Cambier和Adelman，1988年；Sterling等人，1995年）。

2002年Ebrahimi等人使用固定压力边界条件和给予二维数值模拟修正的变压力边界条件。

他们发现，采用固定压力边界条件时，当爆震波到达出口时，流动堵塞，对于变压力边界条件，在堵塞前有一段亚声速出流时间。

1999年Kailasanath等人采用松弛压力边界条件。

松弛时间定义为当爆震管出口压力达到环境压力时所需的时间。

他们得出结论：在上述一维数值计算中出现比重大小差别可以根据出口边界条件处理方法不同加以解释。

尽管脉冲爆震发动机性能一维数值模拟计算效率很高，但由于出口边界条件难以确定，使它失去吸引力。

多维数值模拟的计算域包括能客观描述发动机出口附近流场的爆震管和外区，可以为性能预测提供更准确的结果。

Eidelman等人对采用乙烯和空气混合物的无阀脉冲爆震发动机进行了二维轴对称数值模拟。

采用爆震室长度为8cm或16cm，得出如下结论：当其他条件不变时，爆震室的推力与爆震室长度成正比。

因为他们仅根据单次循环计算得到推力，结论有一定的局限性。

1996年Lynch和Eidelman也进行了PDE二维轴对称数值模拟。

他们建议在进气道优化设计时要考虑粘性卷吸效应和进气道附加构型。

大多数二维数值模拟是针对在封闭端起爆的单管脉冲爆震发动机。

2002年Ebranimi等人进行了氢气－氧气混合物二维数值模拟，以便为一维数值模拟提供边界条件。

2001年Li和Kailasanath研究了乙烯－氧气混合物在全填充和部分填充条件下单脉冲流场的演变。

大多数二维数值模拟仅限于单脉冲爆震，但是单脉冲爆震与多次脉冲爆震有很大差别，由单脉冲爆震得到的结论不能直接用于多次脉冲爆震。

目前有关多次脉冲爆震二维数值模拟还为数不多。

2003年Wu等人得到了达到稳定循环的PDE二维数值模拟结果。

（1）喷管的影响。

脉冲爆震发动机喷管设计由于脉冲爆震发动机的非定常性质而复杂化，特别是多次爆震波产生的激波更复杂。

目前尚未建立起脉冲爆震发动机喷管设计理论。

Cambier和Adelman 在1988年进行的准一维数值模拟中还发现，脉冲爆震发动机的收敛喷管和喉道会引起激波反射。

反射的激波会提高头部压力，影响填充过程，减低循环效率。

另一方面，扩张喷管会反射膨胀波，并线爆震管反传，影响填充速度。

1998年Cambier和Tegner研究了5种不同扩张喷管对基于准一维多循环模拟和二维单脉冲爆震数值模拟性能的影响。

所用爆震管和喷管长度分别为10cm和5cm，采用氢氧混合物。

单脉冲爆震计算结果表明，扩张喷管可以增加冲量，钟形喷管能产生更高的冲量。

此外，单脉冲爆震和多次脉冲爆震，准一维和二维，它们的模拟结果均不相同。

1998年Eidelman和Yang进行了二维单脉冲爆震数值模拟，考虑了3种扩张喷管和3种收敛喷管。

发现两种喷管都能明显提高脉冲爆震发动机的性能。

3种喷管中，钟形喷管能
产生更高的冲量。

2000年Mohanraj和Merkle进行了准一维多次脉冲爆震数值模拟研究了不同反压下扩张喷管及收敛扩张喷管（Convergence Divergence，简称CD）的影响，喷射压力为0.1013MPa。

他们发现在低的反压下，这两种喷管均能提高性能，在高的反压下扩张喷管使发动机性能变差。

他们还发现扩张喷管能产生更高的循环效率。

2003年Yungster通过二维数值模拟研究了扩张喷管对PDE性能的影响。

循环工作了3个周期，分别采用氢气－氧气和氢气－空气混合物，爆震管和喷管的长度分别为100cm和40cm。

在单脉冲爆震情况下，相对于不带喷管的情况，喷管利用燃烧产物携带的能量能较大地增加冲量。

对于分别使用氢气－氧气和氢气－空气混合物的钟形喷管，其冲量分别增大2.34倍和1.41倍。

在多次脉冲爆震的情况下，喷管的性能收益是有限的，这是因为在填充阶段喷管处于过度膨胀状态，甚至会产生负推力。

(2)多管脉冲爆震发动机
除了喷管外，另一种改进脉冲爆震发动机性能的方法就是采用多个爆震管。

有关多管脉冲发动机的研究还刚刚开始。

2000年Mohanraj等人提出了有5个爆震管的脉冲爆震发动机近似模拟模型。

2002年Ebrahimi等人对有2个爆震管的PDE进行了二维数值模拟。

他们发现，在相邻爆震管中诱导的压力与爆震管本身产生的压力几乎相同。

由爆震波有道德压力与爆震管本身产生的压力几乎相同。

由爆震波诱导的激波有可能引爆相邻爆震管中的反应物。

2003年Ebrahimi等人研究了爆震管的数目和长度对爆震管之间流畅的影响。

结果表明：3个管子之间的相互作用是2个管子的1/3,增加管长对性能影响不大。

2003年Ma等对多管脉冲爆震发动机多次脉冲爆震循环过程进行了二维数值模拟。

3．3试验研究
试验方法对于正确、深入地认识脉冲爆震发动机的工作过程，解决脉冲爆震发动机研制过程中的关键技术等有着其他研究方法所不可替代的地位。

关于脉冲爆震发动机最早的试验可以追溯到1940年Hoffmann对间歇爆震的研究。

之后对PDE的试验研究逐渐增多，单次脉冲爆震试验可以用来决定不同可爆混合物的起爆能量、测量爆震波的参数、验证一些概念，未进行更加复杂的多次脉冲爆震实验奠定基础。

试验中采用氢气或碳氢燃料。

碳氢燃料包括气体燃料，如乙烯、丙烷，以及液体燃料，如JP10（C10H16）。

许多研究选用乙烯是因为这种染料的爆震性质参数比较齐全，同时它的成分也是许多较重的碳氢燃料所共有的。

现阶段的试验研究也包括概念模型以及飞行尺寸的脉冲爆震发动机。

目前已知最先进的当属适PDE使用性Pratt&Whitney公司的飞行尺寸pure PDE验证。

试验中，主要问题还是气动阀的产生，控制以及它和爆震频率的协调问题，由于它不像往复发动机那样，有活塞，主轴等活动部件可以对发动机运行状况做提供参数，完全依赖传感器，因此变工况运行稳定性差。

另外，该发动机为脉动，舒适性差，震动大不易平衡，所以采用多管捆绑使用，不过只可增大推力，却不能像多缸往复发动机那样平衡震动，因为各缸之间没有关联，工作频率并不协调，为此，美国专家设计出与四冲程发动机配合使用的PDE发动机。

该发动机由美国空军技术研究中心与ISSI公司合作，将普通4缸4冲程发动机与爆震管相结合，采用螺旋障碍物促进爆震形成，成功的进行了多循环试验。

该组合发动机在产生推力（最大50lbf）的同时能够输出一定量的轴功（20hp），从而为爆震发动机功率提取开创了一条道路。

2004年4月，活塞组合脉冲爆震发动机在加州安排了飞行试验。

4 目前面临的技术障碍
目前将脉冲爆震发动机应用于实际尚有许多技术问题亟待解决，其中最大的两个障碍是确保产生连续的爆震波和研制能够可靠地承受高爆震压力和热应力的新工程材料。

4．1 爆燃向爆震的转换(DDT)
脉冲爆震发动机与传统发动机的最显著区别是燃料的燃烧方式为爆震而非爆燃，因此爆燃向爆震的可靠转换(DDT)是展现PDE各种优点的必要条件。

目前控制DDT的方式主要有机械式和气动式两种。

P＆W公司从1993年开始研制PDE，采取的就是机械式旋转阀。

他们的目标是2005年前研制出用于导弹的pure PDE原型。

利用旋转阀控制向爆震管内加注空气和燃料的混合物，通过火花点火激发DDT。

在火花能量足够大的情况下，此种方式可以直接起爆产生爆震波。

GE公司则采用气动阀方式，他们的目标是2005年前研制出hybrid PDE。

气动阀方式利用环境气压与爆震管内压力的不同完成燃料和氧化剂的加注过程。

这种方式明显地呈现出进气和排气两个阶段，进气过程加注燃料，爆震后为排气过程。

此外为了缩短DDT距离，可以采用一些强化爆震的措施，如采用Shchelkin螺旋、金属环、孔板、中心体等，其中Shchelkin螺旋效果显著。

虽然紊流有利于燃料掺混及缩短DDT距离，但同时也增加了损失，这也是不容忽视的问题。

另外，激波会聚辅助起爆,都是缩短DDT过程提高热效率的有效方法。

4．2恶劣的工作条件对材料的要求
脉冲爆震发动机工作环境非常恶劣，温度范围227℃～1727℃，压力范围0atm～20atm，此外为了产生更高的近似连续的推力，还需要有足够高的工作频率(每秒钟循环上百次)，据报道在有的试验中每隔14～18微秒便可观察到一次压力峰值，即压力为0.556MHz～0.0714MHz，这都给爆震室材料强度提出了很高的要求。

在没有研制出既经济又能够承受如此高温高压的材料之前，脉冲爆震发动机仍只能局限于理论，而无法应用于实际。

联想到V-1的脉冲喷气发动机的振动已经足以破坏飞机结构，而且基本没有可行的解决方法；对于PDE，问题可能严重的多。

多管并联交错运行能缓和严重程度，但不能根治（而且五十年代SNECMA就已经在脉冲喷气发动机上做过并联交错运行）。

5 结论
脉冲爆震发动机按照应用方式的区别可以分为三大类：PDE(pure PDE)、组合循环PDE (combined PDE)、混PDE(hybrid PDE)，三大类又有显著的共同点，即燃料\空气混合物以爆震的方式燃烧。

这种剧烈的反应过程产生高温高压气体，循环频率达到一定程度后，便可以提供足够高的近似连续的推力。

脉冲爆震发动机与传统发动机相比结构简单，循环热效率高，不仅可以产生更高的推力而且具有很高的经济性。

PDE的这些优点使其在直到中等马赫数飞行范围内具有很大的潜力，与超燃冲压发动机等其他动力装置组合可以在更高的飞行马赫数范围展示出良好的整体性能。

另外其高比冲、低成本的特点还可以用于单级入轨航天飞机的初始段推进装置。

一旦其技术成熟，必将给航空航天动力装置以及军事领域带来革命性的影响。

但是在实际应用之前，缩短DDT距离并产生连续可靠的爆震过程，以及研制可靠经济的耐高温高强度材料仍是两大难题。