新概念脉冲爆震发动机研究的最新进展

论述了新概念脉冲爆震发动机的工作原理、热力循环方式、优点及应用范围 ,对国外脉冲爆震发动机的最新研究进展和存在的问题进行了综述 ,介绍了作者在脉冲爆震发动机探索性研究方面的主要成果 :修正了比冲计算公式 ;发展了一种新的低能量 (5 0mJ)单级起爆系统 ;采用爆震性较差的液体燃料C8H1 6/空气混合物 ,在国际上 ,首次成功地进行了两相脉冲爆震发动机原理性试验 ,所测量的爆震波压力比非常接近充分发展的C -J爆震 ,说明已获得了充分发展的两相脉冲爆震波 ;实验研究了脉冲爆震发动机的直径和爆震频率对其性能的影响 ;突破了将脉冲爆震发动机长度缩短到 1m ,爆震频率提高到 36Hz的关键技术     

脉冲爆震涡轮发动机原理性试验研究

为研究脉冲爆震燃烧室与涡轮及压气机三者相互匹配的详细机理,建立了脉冲爆震涡轮发动机原理性试验系统,其主要由脉冲爆震燃烧室、涡轮增压器、润滑系统、发动机测控系统等组成。在该试验系统上开展了脉冲爆震涡轮发动机原理性试验研究。首次实现了由脉冲爆震燃烧室驱动涡轮,涡轮带动压气机,压气机压缩空气供给爆震室的全闭环自吸气工作模式。试验结果表明：脉冲爆震涡轮发动机能在自吸气模式下持久、稳定地工作,爆震室与涡轮及压气机三者匹配良好,验证了用脉冲爆震燃烧室替代传统等压燃烧室的可行性。     

脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的性能对比分析

为了了解脉冲爆震火箭发动机的性能优势,对比了脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的推力和比冲,其中脉冲爆震火箭发动机的性能计算采用等容循环计算模型.结果表明:真空状态下,随燃烧室进口温度的升高,比冲增加不大;在推进剂和发动机结构尺寸相同的情况下,脉冲爆震火箭发动机产生的推力比小推力液体火箭发动机的多3.0倍至6.8倍,但比冲相当.     

飞行状态下脉冲爆震发动机性能估计分析

在理想单循环脉冲爆震发动机分析模型的基础上,通过引入进气道建立了一定飞行状态下的自吸气的脉冲爆震发动机理论性能计算模型,研究了当飞行状态改变时,脉冲爆震发动机的性能变化趋势,计算结果表明,对给定模型,飞行高度和飞行马赫数对脉冲爆震发动机性能的影响是不一样的,决定于进气道和爆震室的推进特性,同时模型也考虑了爆震频率和爆震室直径对性能的影响,这为脉冲爆震发动机的理论设计和分析提供了一定依据。      

脉冲爆震发动机工作原理与循环分析

阐述了脉冲爆震发动机工作原理，对脉冲爆震发动机热效率、循环过程及性能进行了初步分析。建立了脉冲爆震发动机工作过程、热力参数及其性能分析方法。     

脉冲爆震发动机管外复杂波系的数值计算

为了研究脉冲爆震发动机外流场复杂波系的变化特点,用时空守恒元与求解元(CE/SE)方法对单爆震管和三爆震管脉冲爆震发动机外流场进行了计算。三个爆震管并排排列,管内填充按化学当量比混合的乙烯氧气混和物。通过计算,获得了脉冲爆震发动机外流场的压力分布、温度分布、激波与膨胀波的变化特点。计算结果表明该时空守恒元与求解元方法是一种较好的爆震波模拟方法,能有效地捕捉激波等强间断;三爆震管脉冲爆震发动机相对于单爆震管脉冲爆震发动机外流场复杂,存在多道相互作用、相互影响的激波和膨胀波。     

多循环脉冲爆震发动机推力测试试验

为了准确、可靠地直接测量多循环脉冲爆震发动机的推力,建立冷态阻力和热态净推力直接测量系统,针对内径114mm、长1100mm的气动阀式脉冲爆震发动机,研究冷态吹风条件下发动机及其主要部件的总压恢复、阻力损失等特性,验证推力测量系统有效地将射流试验条件下外溢气流对脉冲爆震发动机外部及其附件造成的阻力转移到支撑台架上,消除外溢气流对发动机推力测量的影响。开展大量的爆震燃烧试验,实现了脉冲爆震发动机达到40Hz稳定工作,并获得充分发展的爆震波,利用高频响动态推力传感器测量获得脉冲爆震发动机动态净推力变化规律。     

脉冲爆震发动机的推力计算方法

在分析爆震燃烧基本特性和脉冲爆震发动机工作原理的基础上，建立了确定脉冲爆震发动机推力的计算方法。用自行设计的脉冲爆震发动机原理性试验模型作为算例，并与推力的实测值进行了比较，结果两者基本吻合。     

基金档案

[项目编号]2008ZB52014[项目负责人]张靖周[依托单位]南京航空航天大学脉冲爆震燃烧室气膜冷却的非定常流动和传热特性研究完成情况简介:本项目基于试验研究,揭示了脉冲爆震频率对于壁温和热负荷的影响,     

脉冲爆震发动机的可爆范围及内流燃气温度与壁温的实验研究

在脉冲爆震发动机原理性试验模型上对脉冲爆震发动机的可爆范围和内流燃气温度、壁温进行实验研究,掌握在脉冲爆震发动机中形成爆震波的条件、机理,以及影响可爆范围和内流燃气温度、壁温的因素及其规律,为脉冲爆震发动机的设计提供技术基础。     

扩张管和燃料部分填充对PDE效能的影响

采用基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积方法,数值模拟以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流场,研究了喷管形状及喷管充气状况对脉冲爆轰发动机推进性能的影响。结果表明,氢-氧混合物产生爆轰波的等截面爆轰管冲量在某一比例合适的部分填充时达到最大,而对较大扩张角的喷管来说,其冲量一般随喷管内可燃气体填充比例的增加而增加,比冲通常随可燃气体填充比例的减少而增加;合适的喷管和燃料填充系数能使比冲显著提高。     

直连式脉冲爆震发动机性能试验研究

为了掌握脉冲爆震发动机起爆和推进性能,基于汽油／空气脉冲爆震发动机模型机直连试验,开展不同工作频率下的起爆和推进性能试验研究。结果表明：模型机能在0～35Hz范围内快速起爆、稳定工作,爆燃向爆震转变距离约0．9m。随着工作频率的提高,平均推力成线形增大,但平均推力增加的斜率随着频率的升高有所降低。随着频率提高,体积比冲和混合物比冲均逐渐增加,趋势类似;频率25Hz时的体积比冲和混合物比冲最高。燃油比冲随着频率提高显著增加,单位燃油消耗率则逐渐降低;频率超过25Hz时,燃油比冲和单位燃油消耗率变化不大。     

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

Experimental Investigation on Performance of Pulse Detonation Rocket Engine Model

The PDRE test model used in these experiments utilized kerosene as the fuel, oxygen as oxidizer, and nitrogen as purge gas. The solenoid valves were employed to control intermittent supplies of kerosene, oxygen and purge gas. PDRE test model was 50 mm in inner diameter by 1.2 m long. The DDT （deflagration to detonation transition） enhancement device Shchelkin spiral was used in the test model. The effects of detonation frequency on its time-averaged thrust and specific impulse were experimentally investigated. The obtained results showes that the time-averaged thrust of PDRE test model was approximately proportional to the detonation frequency. For the detonation frequency 20 Hz, the time-averaged thrust was around 107 N, and the specific impulse was around 125 s. The nozzle experiments were conducted using PDRE test model with three traditional nozzles. The experimental results obtained demonstrated that all of those nozzles could augment the thrust and specific impulse. Among those three nozzles, the convergent nozzle had the largest increased augmentation, which was approximately 18%, under the specific condition of the experiment.     

气动阀式两相脉冲爆震发动机研究

开展常温常压进气条件下两相脉冲爆震发动机的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。详细描述了气动阀式两相爆震发动机的主要组成部分的结构和性能要求以及主要的影响因素,并通过各参数不同组合下大量的试验研究,成功实现了常温常压进气条件下,以汽油为燃料的气动阀式脉冲爆震发动机的稳定爆震,同时获得了爆震管内燃烧波与气动阀参数、点火参数、扰流器参数、油雾参数和进口参数间的初步关系。研究成果为液态燃料爆震燃烧机理的发展,为实现两相爆震发动机的工程应用奠定了基础。     

煤油气动阀式脉冲爆震发动机爆震波压力特性试验

为研究煤油（C12H24）气动阀式脉冲爆震发动机的爆震波压力特性，通过进气加温和燃油加温，实现了以液态煤油为燃料，以空气为氧化剂，在内径0．1m，长2m的爆震管中产生了连续稳定的爆震波。分析了不同进气温度和小同燃油温度对气动阀出口流场和油雾场的影响，进而研究了不同进气温度和不同燃油温度对爆震波压力特性影响：结果表明，试验选定的双旋流加直流气动阀，当进气温度为373K和燃油温度为363K时，能够形成比较均匀的可爆混气，在爆震管内成功地产生了连续稳定的爆震波，爆震波压力峰值最大。获得进气温度和燃油温度对气动阀式PDE爆震波特性影响，为深入研究以液态煤油为燃料，空气为氧化剂的气动阀式脉冲爆震发动机工作性能提供了依据。     

球形点火腔对脉冲爆震DDT过程影响的数值研究

为了减小脉冲爆震发动机PDE（pulse detonation engine）单次循环时间，缩短爆燃向爆震转变DDT（deflagration to detonation transition）距离是关键.为此，提出了一种在头部添加球形点火腔的新型爆震管道结构设计方案，并采用丙烷和空气为可爆混合物，通过对新型爆震管DDT过程的二维数值模拟，研究其对DDT距离以及DDT时间的影响.数值模拟结果表明，头部采用球形点火腔后，点火腔中的压缩波经过多次反射后，能够在爆震管中更快地促使爆震波形成，DDT距离大大缩短；当球形点火腔直径为1.5倍等直爆震管直径时，相对于常规等直管爆震管结构，其DDT距离和过程时间分别减少了14%和16.26%.      

燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响

为了研究旋转爆轰发动机燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响,采用守恒元和求解元(CE/SE)方法对带化学反应的汽油/富氧空气两相旋转爆轰理论模型进行求解,获得了气液两相旋转爆轰流场结构,并分析了燃烧室轴向和周向长度对燃烧室流场、爆轰波传播特性以及发动机推力性能的影响。计算结果表明:轴向长度对燃烧室上游流场影响甚小,却对下游流场参数影响较显著。随着轴向长度增加,燃烧室出口压力、温度、密度以及周向速度均降低,轴向速度则逐渐增大,同时发动机平均推力密度和燃料比冲先增大后减小。当周向长度过短,燃烧室内难以形成自持传播的爆轰波,随着周向长度增加,上游爆轰波强度增加,对应的流场参数均有所增大,但发动机推力性能略有所降低。     

轴向长度对旋转爆震发动机的影响

采用9组分19步基元反应模型,不考虑黏性、热传导和扩散效应等对流动的影响,对以氢气和氧气为反应混合物的旋转爆震发动机内流场进行计算,研究轴向长度对发动机性能的影响.研究表明:在一定范围内轴向长度对发动机比冲影响很小,轴向长度过长时会降低发动机比冲.轴向长度对爆震波的压力形成影响很大,轴向长度过小时,爆震波压力不高,过大时,会导致斜激波压力衰减.随着轴向长度的增加,由于膨胀的作用,出口的压 力不断降低,轴向长度为200mm时,出口的平均速度最大,此时发动机比冲也达到最大值;周向速度明显减小,降低了周向速度对发动机的不利影响;推力密度峰值逐渐下降;激波前后密度差逐渐减小,这使发动机的推力偏心矩也不断降低,从而可有效地减小角散布等不利影响.      

引射器形式对脉冲爆震发动机性能的影响分析

为了研究引射器结构形式对脉冲爆震发动机性能的影响,以氢气和氧气混合物为例,采用数值计算方法,对加装收敛、扩张和收扩型三种引射器的脉冲爆震发动机进行了数值模拟,并对其性能进行了比较与分析.计算结果表明,只有收扩型引射器能起到增推作用.同时,将二次流率与增推比相比较,发现二者成正比关系.研究结果对脉冲爆震发动机设计中引射器的选型具有一定的参考意义.