脉冲爆震发动机

2024-10-22 08:15

脉冲爆震发动机

脉冲爆震发动机（PDE，Pulse Detonation Engine）是一种基于爆震燃烧的新概念发动机。爆震燃烧产生的爆震波使可爆燃料的压力、温度迅速升高（压力可高达100个大气压，温度可达2000℃）。因此，爆震燃烧的发动机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，使结构大大简化，成本大大降低。此外，由于爆震波的传播速度极快，达到每秒几千米，因此，整个燃烧过程接近定压燃烧，由于定压燃烧的热循环效率大大高于定容燃烧（普通的发动机都是定容燃烧），达到49%（定容燃烧效率为27%），因此，采用爆震燃烧的推进系统可大大改善性能。当爆震频率很高时（达到80~100Hz），就可以产生连续的推力。

性能特点

PDE具有以下优点：结构简单（无涡轮等旋转部件）、尺寸小（不大于2米）、适用范围广、成本低、可在零速度下使用、燃烧效率高、高速性能优越[2] 。据估计，PDE的推重比可达20，马赫数范围0~10（吸气式为0~3或5），飞行高度范围0~50km，推力范围0.5kg~50000kg，耗油率小于1kg/kgoh。脉冲爆震发动机没有容易损坏的旋转部件，因此结构更简单、维护更容易。此外，PDE可采用现有材料和用现有工艺生产。预计，PDE的成本可比超音速涡轮发动机价格便宜75%。PDE是目前惟一一种能以双模式工作的发动机概念，它可以吸气式和火箭式两种模式工作。例如在M数0~3和更高的范围内以有效的吸气式推进，然后以脉冲爆震火箭模式工作。因此，PDE是未来军用和航空航天运输领域有前途的新概念发动机。

技术难点

尽管PDE的概念在实验室已得到了验证，但还有以下技术问题需要解决：

（1）爆震的起爆、控制和保持

快速并可靠地起爆是使PDE获得实用的最重要问题之一，因为高的工作频率和反复的点火次数是PDE正常工作的基本要求。利用爆燃向爆震转变（DDT）过程是近期PDE研究的最佳方案。过去人们对起爆和爆燃向爆震转变的研究多是在静止气体中进行的，并且大部分研究采用很长的激波管，与实际PDE长度不超过2米的条件不符。由于这些数据是在浓度均匀、无温度梯度的混合物中单次爆震的结果，与多次爆震的情况几乎完全不同。另外，实际PDE的工作频率很高，混气流速很快，低频下的结果很难作为高频下的设计依据。因此，要发展PDE，还必须进行大量试验，解决起爆难题。包括起爆能量、DDT方法、DDT的强化、爆震从受限环境向非受限环境的过渡等。

（2）液体燃料与氧化剂的雾化、喷射、掺混

对于燃用液体燃料的PDE来说，燃料的喷射、掺混和点火相当困难。具有快速反应、高质量流率和有高度可控性的喷射系统对满足PDE的高频运行十分重要。喷射系统必须满足成本、重量、体积和功率等方面的要求。因此，应研究与气体和液体燃料喷射、掺混有关的物理、化学和热力特性。

（3）PDE辅助系统的设计

实际应用的PDE应包括几个爆震室，它们与共同的进气道和喷管相连，而且实际应用PDE系统还包括增压燃油储存和供应系统、燃油/空气喷射系统和起爆系统以及推进剂喷射系统。

作用于PDE爆震室末端的封闭壁（推力壁）上的爆震压力使化学能转化为动能。PDE需要起爆和流动控制的辅助动力系统，并且还可能包括用于特殊用途的动力提取系统。此外，PDE还需要设计快速动作、具有飞行重量的推进阀与燃料阀和控制系统部件，以及先进的燃烧控制系统、有效的进口与喷管、考虑系统特殊零件综合设计方案。

（4）进口/爆震室接口的设计

由于爆震过程对化学计量、粒子液滴尺寸、当地混合度等非常敏感，因此最佳的进口/爆震室接口设计存在巨大的困难，因此需要研究PDE与混合压缩超音速进气口间高效一体化的方法。

（5）高性能喷管的设计

（6）多个爆震管的动力耦合

由于推力不稳定，实际应用的PDE需要采用高频（大于80赫兹）的多管结构，而多管爆震燃烧室间存在动力耦合的问题。

（7）冷却问题

爆震波后热燃气的速度极高，引起管壁热量的增加，因此必须采取高效的冷却措施。

（8）爆震现象的精确理论分析

用真实化学模型和分子混合模型进行先进的数值模拟和多部件的爆震模拟，对深入了解爆震燃烧的机理非常重要。PDE的试验技术与传统发动机的不同，如需要采用激光测速技术对气流进行测量等。

（9）混合PDE的设计

可利用涵道空气、涡轮机械，可能需要主动噪声抑制。

（10）爆震燃烧时会产生强烈的震动和巨大的噪音。