激光诊断技术在脉冲爆震发动机研究中的应用

在美国海军研究生院及斯坦福大学的脉冲爆震发动机（PDE）模型上，应用两种新发展的二极管激光诊断技术－光吸收／高温辐射组合测定法和多路复合可调二极管激光（TDL）技术，测量了其中的温度、各燃烧产物组分等重要参数，并与传统方法所得结果进行对比，说明新方法可靠、准确，适合爆震燃烧流场这种特殊环境，测量精度更高，而且更加简便、快捷。     

径向进气多管脉冲爆震发动机设计

为了缩短脉冲爆震发动机工作过程中混气充填时间,采用旋转筒控制爆震室径向进气,设计了结构更为合理的多爆震室PDE试验原型机。该原型机可以在较短时间内完成爆震室的混气充填,为热态爆震燃烧过程留出更充裕的时间,对提高PDE工作频率和整机性能有促进作用。     

脉冲爆震燃烧效率的探索性试验研究

为了对脉冲爆震燃烧过程的燃烧效率有一个初步了解,在分析脉冲爆震发动机工作原理的基础上,设计了一套带有压力可调单向阀结构的取样系统,并进行了试验验证.试验针对爆震频率为5Hz、当量比为1的汽油和空气混气,测试了爆震波充分发展前后不同位置处爆震燃烧过程的燃烧效率,结果表明可以利用设计的取样系统进行脉冲爆震发动机燃烧效率的测量,试验还发现在脉冲爆震室后爆震发展比较充分的位置,测取的燃烧效率比较高,最高可达99.6%.     

两相脉冲爆震火箭发动机性能实验

为了获得脉冲爆震火箭发动机（PDRE）的性能参数,采用液态煤油为燃料、氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,进行了一系列多循环爆震实验。使用孔板流量计测量煤油流量,使用集气法测量氧气流量,使用动态压电式压力传感器测量了爆震室轴向的沿程压力,使用火焰温度及水蒸气浓度红外光谱测量仪测量爆震管出口平面的尾焰温度,使用动态压电式推力传感器测量PDRE所产生的瞬时推力。实验获得PDRE不同频率下的平均推力和比冲。实验结果表明：爆震压力和温度随着工作频率的变化而有所变化,填充系数对于PDRE比冲大小有着显著影响。采用爆震室部分填充的策略,可以显著地提高发动机比冲。     

多循环脉冲爆震发动机净推力估算

为了研究试车台上脉冲爆震发动机(PDE)净推力的估算方法，在常温常压条件下，进行了大量的多循环爆震试验，在内径为150mm，长度为1800mm的爆震管中，成功地产生充分发展的爆震波。采用了动态和稳态推力计分别测量试车台上PDE的净推力及气动阀开和关时PDE的阻力，建立了试车台上PDE净推力的近似计算模型，同时研究了PDE净推力的主要影响因素。试验结果表明，PDE阻力与模拟飞行速度(或爆震室充填速度)有关；直接测量到的发动机推力与利用模型计算的净推力基本一致。研究结果对工程应用的PDE的优化设计，深入研究具有重要的参考价值。     

脉冲爆震发动机爆震室起爆研究

根据脉冲爆震发动机（PDE）的概念、工作原理,分析了爆震燃烧的特点和起爆方法,研究了可燃气体在空气中存在的爆炸极限,分析了应用爆炸极限理论引发爆震的可行性。设计了航空煤油和空气作为起爆能源的爆震室,为了提高爆震成功率,爆震室油气混合气按照爆炸极限混合。定量计算了化学恰当比的航空煤油完全燃烧放出的热量以及爆震室最终温度和压力,分析了反应混合物浓度和起爆的关系。     

基于动网格的脉冲爆震发动机性能研究

为了获得以工程应用为背景的脉冲爆震发动机(PDE)模型可靠的性能评估方法,应用数值模拟与经验数据相结合的方法计算了某多管旋转阀PDE的性能。结果显示:采用动网格技术可以获得冷态填充过程中发动机的充填系数;结合煤油爆震的数据得到所设计的六管旋转阀PDE的平均净推力为827.8N。该方法融合了CFD计算和试验数据,为今后PDE性能估算提供了很好的参考。     

多循环脉冲爆震发动机工作过程中的延迟时间研究

为了提高两相脉冲爆震发动机(PDE)工作的协调性, 运用离子传感器、动态压力传感器, 对爆震燃烧的几个延迟时间以及供油电磁阀工作性能进行研究.研究表明:以汽油为燃料、空气为氧化剂的气动阀式PDE, 点火延迟时间为3.0-4.5 ms, 气动阀关闭滞后点火信号发出4.9-6.4 ms, 供油电磁阀开、关延迟分别为2.4ms和3.4 ms左右.缓燃向爆震转捩时间为3.0-3.8 ms.PDE工作频率大于20 Hz时, 电磁阀不能按设定时间工作.研究成果对PDE工作过程的协调及有效控制具有参考价值.      

煤油/空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究

探索脉冲爆震-涡扇组合发动机的可行性,建立了煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机PDE试验系统,设计、加工了收敛型尾喷管和收敛-扩张型尾喷管,在三个内径100mm,长2000mm的爆震管内获得了充分发展的爆震波,成功实现总工作频率30Hz稳定时序工作,研究了三管PDE各爆震管之间爆震燃烧特性的相互影响规律.三管PDE安装共用尾喷管能够提高爆震室内压力,提高三管PDE的工作性能.研究结果为研制多管脉冲爆震发动机原理样机提供了理论依据.      

无阀两相脉冲爆震发动机循环过程实验分析

在无阀式以汽油为燃料,空气为氧化剂的脉冲爆震发动机(PDE)模型机上进行了低点火能量多循环实验研究,分析了无阀两相脉冲爆震发动机多循环工作过程。模型机热态试验提供了10~66 Hz爆震循环特征时间分配和爆震管内不同位置压力的变化过程。由于在两相系统中存在较长的点火延迟时间和DDT时间,发现无阀PDE存在较长的点火后填充时间。通过对两相爆震波的形成过程和排出过程的实验研究和分析,以及点火后填充时间,提出了新的无阀PDE特征时间分布。不同频率实验结果表明,从火花塞放电到下一个循环新鲜混合气开始填充这段时间基本不变,称之为极限周期。在该模型中,点火延迟时间和DDT时间占据了极限周期时间的大部分时间,进一步分析了提高循环频率的关键因素。     

两相多循环爆震波特性研究

为了研究两相爆震燃烧的特性,在多循环自吸式脉冲爆震原型机上进行试验研究.运用动态压力传感器和离子探针并行采集手段进行试验,结果表明:爆震波传播速度在1 300m/s左右;爆震波的前导激波与反应区之间的距离在30mm左右,两相爆震的主要反应区厚度约为80mm左右,且反应区后存在液滴的燃烧延迟;激波动态压力信号与反应区的离子信号的并行采集可以作为判断是否产生爆震的手段.     

脉冲爆震发动机供油自适应控制优化设计

研究了带气动阀PDE的供油自适应控制优化设计，通过在油管中设置单向阀和通过油管自身(无单向阀)，成功实现PDE的供油自适应控制，在爆震管直径为180mm，长度为2m，管内流速为25m／s的PDE中，可以产生稳定的爆震波，并获得2MPa以上的压力和1500N以上的峰值推力。通过对不同油管长度、不同工作频率的压力、推力曲线对比研究，分析了供油自适应控制的机理，及供油相对进气滞后时间的长短对PDE工作的影响。     

脉冲爆震发动机管壁废热加温燃油实验

在内径为110mm的大管径脉冲爆震发动机模型上,以煤油为燃料,空气为氧化剂,进行了脉冲爆震发动机不同爆震频率的管壁换热实验.实验结果发现利用管壁废热加温燃油可以提高燃油的温度,改善爆震性能并缩短爆燃到爆震的转捩(DDT)距离,也能够有效地降低发动机的管壁温度.当发动机工作在20Hz时,管壁温度最大可以降低94℃.      

喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能影响的试验研究

为了研究喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能的影响,设计加工了直径为80mm的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机（PDE）,在PDE文氏管内不同位置安装喷嘴,进行了冷态雾化和热态燃烧转爆轰试验,分析了马尔文激光粒度仪测得的液滴尺寸分布和动态压力传感器测得的信号。试验结果表明：喷嘴的安装位置对脉冲爆轰发动机的性能具有显著影响;喷嘴安装在文氏管喉部时爆轰管内雾化混合效果最好,爆轰波峰值压力最大为3．5 MPa,工作频率最高为30Hz;喷嘴安装在文氏管入口时爆轰管内雾化混合效果最差,爆轰波峰值压力最小为0．9MPa,工作频率最低为15 Hz;在试验范围内,改善雾化混合效果有利于提高脉冲爆轰发动机的工作频率。研究结果对脉冲爆轰发动机的设计具有参考价值。     

供油时间改变对脉冲爆震发动机工作特性的影响

为了提高脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)工作的协调性。试验获得汽油/空气混气点火延迟时间约为3.6 ms,缓燃向爆震转变(Deflagration-to-Detonation transition,简称DDT)过程所需时间约3.8 ms。对PDE一个工作周期进行合理的时间分配,采用电磁阀控制停止供油时间,动态压力传感器测量爆震波压力,研究PDE在一定的工作周期内的工作性能,发现对于小管径的,两相混气PDE可以不用隔离段;在亚音燃烧时段继续供油,PDE仍可以正常工作;在PDE膨胀时间段供油会使爆震波的压力峰值下降。研究的结果对提高PDE的工作频率及更好的组织两相爆震燃烧有一定的参考价值。      

煤油／空气吸气式脉冲爆震发动机试验研究

在内径50mm的吸气式无阀脉冲爆震发动机模型机上,以煤油为燃料,空气为氧化剂,成功进行了两相脉冲爆震试验。研究了煤油／空气推进剂的点火、起爆过程与特点,发现燃油粒度对PDE的点火-起爆影响至关重要。粒度较小时无论煤油是否加温均可成功生成爆震;而提高燃油温度有利于煤油的快速点火和加速火焰传播速度,但在燃油粒度较大时没有生成爆震。与汽油／空气推进剂相比,煤油／空气PDE起爆难度较大,且点火-起爆时间显著增加;随着频率增加,两者的点火-起爆时间差值逐渐减小。     

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。     

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。     

点火能量对脉冲爆震发动机性能的影响

针对以汽油-空气为推进剂的吸气式脉冲爆震发动机,研究了点火能量及工作频率对发动机点火-起爆时间和发动机推进性能的影响。结果显示,随着点火能量的提高,点火-起爆时间逐渐减小,脉冲爆震发动机平均推力逐渐增加。随着发动机工作频率的提高,点火-起爆时间也逐渐减小,发动机稳定工作的最佳油气当量比减小,发动机平均推力接近线性增加;但是点火能量对发动机点火-起爆时间的影响随着工作频率的提高而有所降低。     

爆震频率对脉冲爆震发动机引射性能影响的实验

采用汽油为燃料,空气为氧化剂,对多循环脉冲爆震发动机(PDE)加圆直形引射器的增推性能进行了实验研究.实验采用力传感器法对爆震发动机加引射器前后不同爆震频率以及不同引射器长度下的平均推力进行了测量.结果表明:脉冲爆震发动机非稳态引射器可以提高系统的平均推力,当爆震频率为2Hz时平均推力增益最大,可达64.4%.在一定频率下,对直径一定的圆直管引射器存在着一个最佳长径比4.8,此时对应推力增益性能最好.