脉冲爆震火箭发动机应用基础问题研究进展

脉冲爆震火箭发动机是一种通过产生周期性爆震波获得推力的动力装置，具有热效率高、结构简单、适用范围广等潜在优点。在面向应用时，为了充分发挥脉冲爆震火箭发动机的优势，需要解决诸多理论及工程性问题。目前已有大量的研究正在建立统一的爆震推进理论体系，以期为基于爆震推进方式的问世奠定理论和技术基础。针对应用可能遇到的问题，介绍了国内外相关研究进展。主要内容包括:两相爆震发动机技术，短距低阻起爆技术，发动机性能优化以及PDRE样机实验。关于两相爆震发动机技术，主要介绍了液态燃料爆震燃烧时的速度损失，液态燃料的雾化以及与气态氧化剂的掺混，最新进展包括通过加热燃油提高其雾化性能，从而提高推进性能；关于短距低阻起爆技术，主要介绍了固体障碍物起爆、流体障碍物起爆、热射流起爆以及激波聚焦起爆这4种方式的最新进展，其中固体障碍物起爆技术最为常见，而采用流体障碍物起爆技术可以更多地降低起爆过程中的性能损失；关于发动机性能优化，主要介绍了部分填充效应、尾喷管技术以及高频控制技术，部分填充以及尾喷管的使用有利于推进性能的提升，但在设计理论上仍需要更深入的研究，目前采用无阀工作方式可以有效提高发动机的工作频率；关于样机集成，主要介绍了目前出现的脉冲爆震发动机样机以及相关实验研究。     

障碍物对脉冲爆震火箭发动机性能影响的实验研究

为了探究障碍物对脉冲爆震火箭发动机在无阀自适应工作方式下性能的影响，采用汽油为燃料，富氧空气为氧化剂，开展了工作频率为20Hz的无阀式多循环实验研究。实验中使用Shchelkin螺旋、螺旋凹槽、环形凹槽和孔板作为障碍物，并分析了其对起爆和推进性能的影响。研究结果表明，Shchelkin螺旋、螺旋凹槽和环形凹槽在阻塞比BR=0.36，0.46和0.56时都可实现PDRE的稳定工作，孔板在BR=0.56时无法实现爆震的起始；Shchelkin螺旋的DDT距离和DDT时间最短；实验测得的平均推力较理想流动模型理论值有13.3%~39.3%的亏损，BR=0.36的Shchelkin螺旋推力损失最小；螺旋凹槽与环形凹槽的DDT距离和DDT时间较长，没有明显的推力增益。     

PR状态方程在超临界喷射模型中的应用

针对超临界流体物性的特殊性,对超临界喷射数值模拟方法进行研究。基于PR状态方程建立了考虑超临界流体特点的超临界喷射数值模型,并采用该模型对超临界C10H22喷射到超临界N2环境中的喷射进行了数值模拟。对比研究了采用PR状态方程的真实气体模型和理想气体模型得出的密度、温度、质量分数分布以及超临界喷射长度和喷射扩张角的变化规律和差异性,并与试验数据进行了对比。结果表明:2种模型在物性预测上的差异会造成以上喷射特性模拟结果的巨大差异,理想气体模型模拟结果与试验数据误差很大,利用真实气体模型能够得到与试验数据较为吻合的结果。基于PR状态方程的超临界喷射数值模型准确可靠,可为碳氢燃料的超临界喷射现象提供参考。     

微尺度爆震燃烧研究进展

微尺度爆震燃烧(Microscale Detonation)是基于微燃烧(Microscale Combustion)和微动力机电系统(Power MEMS)提出来的新研究方向.目的是为了把爆震燃烧这一高效的燃烧方式应用于微动力领域,以解决人们对小型、高性能动力的需求.几十年来,人们虽然在爆震燃烧的研究中涉及了一些与微爆震相关的内容,但是对其机理的了解仍然十分不足.本文从微爆震基本概念出发,对其现象、成因、影响因素及需要解决的问题等方面进行综述,总结了目前国内外重要的研究成果,为今后进一步的探索提供参考.     

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.     

进气系统对无阀脉冲爆震发动机性能影响试验研究

模拟亚声速自由来流,以汽油和空气为推进剂,对吸气式PDE模型机进行了地面多循环爆震试验,研究了6种进气系统下PDE模型机的多循环爆震性能和推进性能。试验结果显示,不论采用何种进气系统,均能以低于50mJ的点火能量实现模型机的多循环单级起爆,且PDE平均推力均随着工作频率的增加而增加;来流喷口和进气道进口面积较小时增加速率较快。随着环缝堵塞比的增加,PDE的平均推力有所降低。     

变截面脉冲爆震火箭发动机实验研究

在8Hz频率下,以煤油为燃料,氧气为氧化剂,当量比为1.0的条件下,进行了变截面脉冲爆震火箭发动机的实验研究,其中包括等截面发动机,扩张型发动机,收敛型发动机,扩张-收敛型以及收敛-扩张型发动机.总结出了发动机横截面积变化影响爆震波传播的一些规律,得到了横截面积变化对发动机平均推力的影响.     

电磁阀式两相脉冲爆震火箭发动机试验

为了提高脉冲爆震火箭发动机的工作频率,设计了一台内径30mm,长度1000mm的电磁阀式脉冲爆震火箭发动机模型.脉冲爆震火箭发动机模型采用航空煤油为燃料,压缩氧气为氧化剂,压缩氮气为隔离气体.通过选用高速大流量电磁阀,加热燃料,安装Shchelkin螺旋等方法,使得该模型能够在20～30Hz频率下多循环稳定工作.工作频率为30Hz时,爆震波峰值压力达到2.2MPa.脉冲爆震火箭发动机的时均推力随着工作频率的提高接近线性增大.     

脉冲爆震发动机模型机平均推力特性计算与实验研究

针对如何确定脉冲爆震发动机平均推力的问题，介绍了体积比冲估算法、推力壁压力曲线积分法和弹簧-质量-阻尼系统法的计算与测量原理。建立了PDE模型机推力测试台架系统。同时采用推力壁压力曲线积分法和弹簧-质量-阻尼系统法对一PDE模型机在不同频率多循环工况下的平均推力特性进行实验研究。对比分析了体积比冲估算法、推力壁压力曲线积分法和弹簧-质量-阻尼系统法所获得的PDE模型机平均推力计算值与实验值，发现：PDE模型机的平均推力随工作频率的升高基本上呈线性增加；同一工作频率下，采用体积比冲估算法得到的平均推力最大，推力壁压力曲线积分法次之，弹簧-质量-阻尼系统法最小；PDE模型机平均推力应处于推力壁压力曲线积分法与弹簧-质量-阻尼系统法所测推力之间。     

脉冲爆震火箭发动机的原理性试验

阐述了脉冲爆震火箭发动机(PDRE)性能特点、结构和工作过程。采用航空煤油为燃料,氧气和压缩空气为氧化剂,分别进行了两相脉冲爆震火箭发动机原理性试验,所测得的爆震波压力接近充分发展的理想爆震波压力,说明采用煤油作为脉冲爆震火箭发动机的燃料是可行的。