脉冲爆震发动机的发展历程及趋势
燃烧是推进系统中十分重要的过程。它通过化学反应将燃料的化学能转变为工质的热能，再转变为动能，产生推力。自然界有两种燃烧波：一种是缓燃渡，另一种是爆震波。缓燃波通常以相对低的速度向未燃混合物传播，大多数碳氢燃料与空气的混合物的火焰传播速度约为几十厘米每秒至十几米每秒，它主要受层流或湍流的质量与热量扩散的控制。缓燃波使流体比体积增加，压力略有下降，可近似认为是等压过程。目前所有燃气轮机的燃烧过程均按等压过程处理，而爆震波则以几千米每秒的速度向未燃混合物传播。爆震波能产生极高的燃气压力（大于1.5～5.5 MPa）及燃气温度(大于2800 K)。爆震波可以描述成具有化学反应的强激波。激渡压缩反应物就像反应物与产物之间的活塞。由于没有足够的时间使压力平衡，因此爆震燃烧过程接近等容燃烧过程。众所周知，基于等容燃烧过程的发动机比基于等压燃烧过程的发动机具有更高的热效率。热循环效率高的潜在优点是驱动人们发展以爆震为基础的发动机的动力。利用驻定爆震波的发动机的概念包括爆震推力器、爆震冲压发动机(Dramjet)、斜爆震发动机(Oblique Detonation Wave Engine，简称ODWE)；利用间隙式爆震波的发动机有脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)。利用驻定爆震波的发动机在稳定爆震波方面遇到了困难，目前脉冲爆震发动机是更为实际的选择。 脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机。PDE由进气道、阀门、点火器、爆震室、喷管等组成。一个工作循环包括进气、喷油、点火、燃烧（含爆震波的生成及传播）及排气。爆震波有点类似于活塞式发动机中的活塞。整个工作过程是间歇性的、周期性的。当爆震频率很高时，例如大于100 Hz时，可近似认为工作过程是连续的。由于爆震波能产生较高的压比，可以消除对笨重昂贵的高压供给系统的需要，从而降低推进系统的质量、复杂性、成本及封装体积。使用自由来流或机载氧化剂，能分别以吸气式发动机或火箭式发动机工作。 对于脉冲爆震发动机的研究工作可以追溯到20世纪40年代至60年代，到60年代末，研究工作可能由于经费不足而被搁置起来。在80年代中期，等人的工作又重新激起人们对脉冲爆震发动机的兴趣。近期，在世界范围内人们已认识到脉冲爆震发动机是一种有发展前途的先进技术，它在热力循环效率、结构简单、尺寸律及可靠性等方面具有潜在优点。 目前美国、法国、加拿大、俄罗斯、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。 美国NASA把它列为三大全新概念(REVCON)项目之一加以大力发展。美国海军研究办公室于1999年5月启动了为期5年的有关脉冲爆震发动机的核心研究计划和大学多学科研究创新计划MURI。Roy介绍了该计划所取得的研究成果。Eidel-man等人对20世纪80年代脉冲爆震发动机先期性的研究工作做了综述。Bussing等人对脉冲爆震发动机的基本理论、设计概念及90年代初期的相关研究工作做了讨论。Kailasanatht介绍了脉冲爆震发动机研究的最新进展。 最近，MUnipalli. R等人提出了在全速度范围内使用单一流路的PDE进行航天飞机单级人轨(SSTO)的4种模式： (1)采用带有引射器增推的PDRE起飞，并加速到一定的超声速马赫数。 (2)当燃烧室中的马赫数小于C-J马赫数时，采用脉冲正爆震波模式。 (4)在航天飞机飞出大气层后，采用纯脉冲爆震火箭发动机模式。这是一种不同于现有的以超声速燃烧为基础的组合循环模式。 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做航空航天组合动力装置和脉冲引射器。莫斯科大学( LM-SU)和俄罗斯科学院高温研究所(iVTAN)参加了MURI计划。 法国FALEMPIN公司的AEROSPATIALE MATRA导弹部，正在发展推力为800 N的以脉冲爆震发动机为动力装置的战术导弹。 在过去有人已经提出几种脉冲爆震发动机并进行了试验研究。面临的富有挑战性的主要问题是：能重复起爆的点火系统；进气道与间隙式工作的爆震室的集成；选择最佳喷管以取得高的性能。 尽管在过去十多年间已对PDE进行了广泛的研究，但是，大部分有关PDE的研究均涉及气体燃料，而关于采用液体碳氢燃料的PDE研究成果发表很少。Brophy等人曾报告过分别使用液体碳氢燃料JP10和氯气混合物、JP10和空气混合物的试验结果：用JP10和氧气混合物成功地得到了充分发展的爆震波，发动机频率达5Hz，但采用JP10和空气混合物未能成功。由于用液体燃料很难在较短的爆震室长度内起爆，使得PDE尚未在体积有限的实际推进系统中得到应用。 西北工业大学PDE研究小组自1994年以来在国家自然科学基金的资助下，对PDE进行了探索性研究。其试验和理论的研究工作包括以下关键问题： 1) PDE热力学循环分析； 2)两相爆震的起爆； 3)两相混合物的喷射与混合； 4)单脉冲爆震和多脉冲爆震试验； 5)含DDT现象的PDE工作过程的数值模拟。 在采用液体燃料和空气混合物的PDE模型中，攻克了液体燃料在较短的爆震室长度内起爆难的问题，成功地获得了充分发展的C-J爆震，发展了新的单级起爆方法，从而使低能量(50mJ)成功起爆成为可能。
页:
[1]