中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

1、中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀主講人：李光宇上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 2中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀一、簡介脈沖爆震發(fā)動機(jī)（Pulse Detonation Engine，PDE） 是一種利用脈沖式爆震波產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)鈦懋a(chǎn)生推力的新概念發(fā)動機(jī)。特點：特點：熱循環(huán)效率高、燃料消耗率低、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、推重比高、比沖大等優(yōu)點。用途：用途：戰(zhàn)略飛機(jī)、無人機(jī)、導(dǎo)彈的動力裝置 軌道轉(zhuǎn)移發(fā)動機(jī)、行星著陸發(fā)動機(jī)以及航天器姿態(tài)控 制、衛(wèi)星機(jī)動的動力裝置等上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所S

2、hanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 3中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀二、PDE 工作模式及研究2.1推進(jìn)系統(tǒng)分類： 火箭式、吸氣式、組合循環(huán)以及混合循環(huán)4 種方式火箭式：火箭式：脈沖爆震火箭發(fā)動機(jī)（PDRE）需自帶氧化劑吸氣式：吸氣式：吸氣式脈沖爆震發(fā)動機(jī)（APDE）以空氣為氧化劑組合循環(huán)：組合循環(huán)：在相同的流道里安裝不同循環(huán)方式的發(fā)動機(jī)，每種循環(huán)在不同飛行速度范圍內(nèi)工作,以優(yōu)化整個系統(tǒng)性能混合循環(huán)：混合循環(huán)：采用脈沖爆震燃燒室（PDC）與渦輪機(jī)械相組合的方式， 用爆震燃燒代替定壓燃燒上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所Sha

3、nghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 4中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 5中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀2.2核心技術(shù) 爆震起爆及與之相關(guān)的燃料噴射與混合技術(shù)是PDE 發(fā)展過程中的核心技術(shù)點火與起爆：點火與起爆： 直接起爆需要極大的火花放電能量，工程應(yīng)用中難以實現(xiàn)，因此國內(nèi)目前均采用由爆燃向爆震（Deflagration to Detonation Transition，DDT） 轉(zhuǎn)變

4、的間接起爆方式。 然而，火花放電能量仍然相對較小，研究者也嘗試采用熱射流點火等方式來強(qiáng)化起爆效果，但該方式明顯增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，因而在工程中的實現(xiàn)方式尚待研究。上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 6中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀DDT 過程：過程： 如果DDT 距離較短，則爆震管中等容燃燒方式的比例增大，發(fā)動機(jī)的熱循環(huán)效率提高；反之，發(fā)動機(jī)的熱循環(huán)效率降低。那么如何縮短DDT距離？增大了爆震管內(nèi)流動的湍流強(qiáng)度，加速了化學(xué)反應(yīng)速率上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所Shanghai Ins

5、titute of Applied Mathematics and Mechanics 7中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀燃料的燃料的噴射噴射與混合與混合技術(shù)：技術(shù)： 目前PDRE 采用旋流進(jìn)氣，燃油噴射后與旋流氣體快速摻混；APDE則采用直流和旋流進(jìn)氣2 種方式，通常通過壓力霧化噴嘴進(jìn)行燃油噴射，能夠在進(jìn)氣道上、下游進(jìn)行摻混。 可靠的點火起爆、精細(xì)的燃油霧化、與氧化劑的快速摻混，以及由此帶來的DDT 距離的縮短，共同促進(jìn)了爆震頻率的加快，目前以汽油/ 空氣為燃料的原理性PDRE 的最高工作頻率可達(dá)66Hz；以煤油/ 氧氣為燃料的PDRE 最高工作頻率可達(dá)45Hz。上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所

6、Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 8中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀 目前APDE 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)通常為帶有中心錐的環(huán)腔結(jié)構(gòu)，旨在減小進(jìn)氣流阻，并增大爆震產(chǎn)物前傳的反向流阻，從而實現(xiàn)工程需要的“單向閥”功能。 雖然目前所發(fā)展的APDE 已能穩(wěn)定工作，且最高爆震頻率達(dá)到40 Hz 以上，但所采用的“單向閥”進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)仍然存在較大技術(shù)問題，主要在于進(jìn)氣流阻相對較大，而對于燃?xì)獾姆聪蚍忾]效果并不理想，這將顯著降低APDE 的推進(jìn)性能。 由于APDE 進(jìn)氣道對于混合循環(huán)及組合循環(huán)PDE 的成功研制也具有重要意義，因此，APDE

7、 進(jìn)氣道及其與爆震管的耦合技術(shù)將是當(dāng)前及未來亟待解決的技術(shù)問題。上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 9中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀增推技術(shù)：增推技術(shù)： 研究表明，在爆震管內(nèi)使用障礙物可顯著縮短DDT 距離，但同時也將發(fā)動機(jī)比沖減小了超過25。這一結(jié)果顯示了較為矛盾的設(shè)計準(zhǔn)則：高效的起爆要求具有足夠的障礙，但過多的障礙會引起很大的壓力損失。增推結(jié)構(gòu)和增推結(jié)構(gòu)和方法：方法： 噴管、部分填充及引射器等，或采用其組合方式 其中所采用噴管包括收斂、擴(kuò)張和拉瓦爾噴管，而部分填充相當(dāng)于使用了不同長度的

8、等截面直噴管。研究表明，收斂、拉瓦爾噴管和部分填充都不同程度地增大了發(fā)動機(jī)推力，而擴(kuò)張噴管上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 10中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀的增推效果并不明顯。技術(shù)難點：技術(shù)難點： 采用噴管和部分填充方法是通過延緩高溫高壓燃燒產(chǎn)物排放速度，從而延長其在推力壁處的作用時間而增大推力的，但這與加快發(fā)動機(jī)工作頻率相矛盾。 采用尺寸和位置適合的引射器結(jié)構(gòu)也能明顯增大發(fā)動機(jī)推力，但這將增大發(fā)動機(jī)的迎風(fēng)面積、長度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所Shanghai Institu

9、te of Applied Mathematics and Mechanics 11中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀2.3性能分析與數(shù)值模擬PDE 性能研究性能研究方面：方面： 目前初步建立了APDE和PDRE 性能分析模型，并分析了在不同飛行狀態(tài)下PDE 性能的變化規(guī)律，研究中也考慮了進(jìn)氣道和噴管的影響，發(fā)展了初步的脈沖爆震發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。數(shù)值模擬數(shù)值模擬研究研究方面：方面： 主要采用商用FLUENT 軟件或開放的DUNS 程序?qū)τ谶M(jìn)氣道流場、DDT 過程、排氣過程以及噴管和引射器流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，也有研究對于單管和多管PDE總體流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析并解釋了與爆震相關(guān)的復(fù)雜的波動

10、/ 流動現(xiàn)象與機(jī)理。上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 12中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀多管并聯(lián)多管并聯(lián)PDE： 具有推力平穩(wěn)、推力調(diào)節(jié)范圍寬廣、對進(jìn)氣道及噴管的影響小等諸多優(yōu)點，因此具有重要的工程價值。上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 13中國脈沖爆震發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀三、總結(jié) 經(jīng)過近20 年的發(fā)展，中國對于脈沖爆震發(fā)動機(jī)的一些關(guān)鍵技術(shù)已有所突破或得到了創(chuàng)新性發(fā)展，為中國未來脈沖爆震發(fā)動機(jī)的研制奠定了初步的理論與工程基礎(chǔ)。 但在增推、起爆、燃料噴射與混合、進(jìn)氣道、推力測試等重要關(guān)鍵技術(shù)方面出現(xiàn)了較多簡單的重復(fù)性研究，而并未取得實質(zhì)性技術(shù)突破。 就PDE 的多種工作模式而言，目前的PDRE 研究針對性強(qiáng)，系統(tǒng)集成度高，進(jìn)展最