脉冲爆震火箭发动机关键技术和样机研究

通过对脉冲爆震火箭发动机(Pu lse D etonation R ocket Eng ine,PDRE)气动阀,气动阀和雾化喷嘴一体化设计,进行改善燃油蒸发、掺混,改善点火性能,强化燃烧等关键技术的研究,研制一台内径58 mm,长1 300 mm的PDRE原型样机。试验表明,该PDRE样机能产生稳定的间歇爆震波。根据混气充填速度的不同,以汽油/空气为推进剂的PDRE工作频率可以在25~40 H z内变化。试验对汽油/氧气为推进剂的PDRE进行研究,其工作频率可达10 H z。     

吸气式脉冲爆震发动机原理性试验研究

设计了内径分别为60、70mm的两组吸气式两相脉冲爆震发动机,在略高于常压状态下成功进行了以汽油为燃料、以空气为氧化剂的吸气式两相脉冲爆震发动机原理性试验.进气道内采用无阀的进气结构,试验中在爆震管内部安装Shchelkin螺旋来促进爆震波的生成,所测量的爆震波接近充分发展的C-J爆震波.内径60、70mm的发动机最高工作频率分别为15、20Hz.进气道内压强变化幅度在0.1MPa左右,说明所设计的进气道与爆震管匹配良好,这将为脉冲爆震发动机用于工程实际提供技术储备.     

气动阀对脉冲爆震发动机爆震性能的影响研究

开展常温常压进气条件下气动阀式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。本文描述了针对气动阀式两相爆震发动机的进气装置-气动阀所作的理论和试验研究工作。通过不同气动阀参数下的冷态流场和燃烧特性试验研究,设计出了包含钝体和盖子的组合式气动阀,并获得了不同钝体堵塞比和不同盖子尺寸时燃烧波压力和火焰传播速度的变化关系。通过对气动阀的结构设计研究和试验分析得出结论,随着盖子内径变大,对产生爆震是不利的。     

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r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.     

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.     

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.     

脉冲爆震发动机试验室消声系统研究

为了改善脉冲爆震发动机(Pu lse detonation eng ine,PDE)试验室噪声向周围环境辐射、传播的现象,研究了消声装置设计方法,建立了进气、排气消声室系统,采用数值模拟和试验的方法,成功地将PDE试验室向外辐射、传播噪声降低30dB(A)以上,达到了降噪目的,已接近该处的本底噪声。通过数值模拟的方法获得消声室内流场的分布,分析了气流对消声器的声学性能影响,试验验证了从传播途径上降低PDE试验室向外辐射、传播噪声的方法是非常有效的,极大地减少了脉冲爆震发动机试验造成的噪声污染。     

斜爆震发动机研究进展与技术挑战

斜爆震发动机（Oblique detonation engine, ODE）采用驻定斜爆震波（Oblique detonation wave, ODW）实现高超声速气流中燃料化学能向推进系统机械能的高效转化,可大幅提升吸气式飞行速域上限,具有重要发展潜力和应用价值。本文从早、中、近期3个阶段概述ODE发展历程,总结当下斜爆震燃烧及发动机的研究现状。重点从发动机设计角度综述国内外在斜爆震燃烧组织、燃料喷注掺混以及总体性能与内流设计3方面的研究进展。深入分析了总体约束下的内外流一体化设计、高超声速气流中的燃料喷注掺混、复杂来流条件下的稳定燃烧组织、高热载荷防护以及超高速工况试验条件5大技术挑战及重点关注方向,为后续深入技术攻关及应用提供参考。     

煤油／空气脉冲爆震发动机气动阀研究

为了掌握煤油/空气PDE气动阀的设计方法,选择合理结构的气动阀满足较高工作频率煤油/空气PDE要求,设计加工了3种不同结构型式的气动阀;研究了煤油/空气PDE的气动阀设计方法、气动阀的工作机理.以煤油为燃料、空气为氧化剂,在安装不同结构气动阀的煤油/空气PDE的爆震管内进行爆震试验,根据获得爆震波压力特性判断气动阀性能优劣.研究结果表明:在充填速度为25～35 m/s条件下,以旋流为主的气动阀PDE爆震波压力较高;在充填速度为60～90 m/s条件下,以直流为主加部分旋流的气动阀PDE爆震波压力较高.研究结果对煤油/空气PDE原理样机的研制具有指导意义.     

脉冲爆震发动机净推力系数研究

研究脉冲爆震发动机(Pulse detonatlon engine．PDE)净推力系数的变化规律。净推力系数为PDE发出的净推力与毛推力的比值．通过运用以试验结果为基础的简化假设和经验公式，推导出计算模型，并通过该模型分别计算了管径为150mm、长度为1．2m和管径为180mm、长度为1．6，1．8m的带不同结构类型气动阀的PDE的净推力系数，得出不同结构气动阀的PDE净推力系数随飞行速度的变化曲线，用管径为150mm、长度为1．2m，带径向双旋流气动阀的PDE性能试验进行了验证．试验证明该简化计算模型对实际PDE设计有着重要指导意义。     

旋转爆震发动机轴向脉冲爆震模态的实验研究

实验研究了环形燃烧室中的轴向脉冲爆震现象,结合高频动态压力测量以及尾部高速摄影,对轴向脉冲爆震模态的工作过程进行了分析。实验结果表明,对于氢气与空气混合物,当出口阻塞比大于或等于0.6且出口最小截面积处的质量通量大于200 kg/（m2·s）时,燃烧室出现轴向传播的爆震波;爆震波在每个周期内将经历解耦与重新起爆的过程,出口截面反射的激波在燃烧室头部发展成为爆震波,并伴随剧烈发光现象。爆震波在周期内的平均传播速度与燃烧产物声速相当,采用线性声学理论可以对该模态下的工作频率进行较好的预测。     

脉冲爆震发动机喷管实验研究

在直管脉冲爆震发动机上安装不同类型的喷管,利用推力传感器测量了不同频率下发动机的瞬态推力和平均推力.结果表明:台架对瞬态推力的测量结果具有明显影响,推力峰值明显落后于推力壁压力峰值,而且随频率的变化推力峰值的大小发生明显的变化;发动机平均推力随频率的增加呈非线性递增,与没有喷管的发动机平均推力相比,收敛引射组合喷管增推比最高,其次是收敛喷管,扩张喷管在较低的工作频率下能够增推,但是在较高的频率下扩张喷管会产生较明显的负推力.收敛喷管在高频工作时增推比有所下降.引射喷管位于发动机出口截面下游-0.3~1倍发动机出口直径的范围内具有较高的增推效果.     

吸气式无阀脉冲爆震发动机试验研究

为了获得大气层内的高速巡航能力,需要发展包括吸气式脉冲爆震发动机在内的多种新概念动力装置.设计制造了完整的吸气式无阀脉冲爆震模型机,包括亚声速进气道,混合室,点火室,爆震室和喷管.采用起爆性较差的汽油和空气为推进剂,以低于50mJ的点火能量研究了模型机(除去喷管)的多循环单级起爆和爆燃向爆震转变过程(DDT),并尝试减小DDT轴向距离的方法.设计一种环缝结构来加强汽油、空气的掺混,和减小推力壁端敞口对模型机起爆的不利影响.试验表明模型机易于起爆, DDT距离在1.3m(距离点火器)左右,采用高能点火装置之后,DDT距离减为1.09m.模型机与一端封闭一端敞开的脉冲爆震火箭发动机相比,由于两端敞口,各测压点压力时域变化更加复杂,有两次上升和下降过程.     

多循环脉冲爆震发动机爆震室内部压力分布实验研究

利用基于多循环吸气式脉冲爆震发动机的实验获得了沿爆震室轴向9个位置的实时压力数据,经过对数据进行时域和频域的分析处理后,利用MATLAB软件的GRIDDATA函数拟合出了6个工作频率下某个循环时爆震室内压力随轴向位置及时间变化的三维图形.通过对拟合后的数据从不同角度进行分析,发现采用爆燃向爆震转捩(DDT)方式起爆会在爆震波形成前生成一个局部爆轰区、爆震波形成后平均速度维持在1000m/s左右,且峰值压力升高、随机性增大.该实验的研究结果为爆震室的结构强度研究提供了依据.     

连续旋转爆轰发动机的研究进展

连续旋转爆轰发动机(CRDE)是一种基于爆轰燃烧方式的新概念发动机,具有一次起爆、燃烧速度快、热效率高、结构紧凑等优点,有望带来航空航天推进技术的跨越式发展,近年来受到世界各主要国家的高度关注。本文从基本概念、应用前景、实验研究和数值模拟等角度,对连续旋转爆轰发动机的研究进展进行了全面综述。通过总结有代表性的研究成果,给出尚待解决的问题,为其进一步工程化应用研究提供参考。     

多循环脉冲爆轰发动机外流场的实验研究

利用内径为30mm,长度为1000mm的爆轰管,对多循环脉冲爆轰发动机外流场进行研究.爆轰管内充满氢气-氧气-氮气预混气,采用底端中心点火.实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了爆轰外流场的阴影照片.根据实验结果,分析了外流场的动力学结构和悬吊激波产生的动力学机理,讨论了两次循环管外流场结构间的差异.第一次循环中的爆轰波溢出爆轰管后,斜压效应和Helmholtz不稳定导致涡环的产生,涡环形状的变化又引起悬吊激波的角度变化,在此过程中引导激波始终为球面形状,在第二个循环中的相应时刻,激波前的气体是向外流动的,导致引导激波逐渐成为葫芦形状.     

脉冲爆震发动机反压传播规律数值研究

为研究吸气式脉冲爆震发动机反压的传播规律,以一种特殊构型的隔离段与长径比为20的爆震室构成的发动机流道作为基准模型,并选取4种构型作为对照组,进行了单次爆震的数值模拟。研究了反压的反传速度、峰值及其衰减率,计算了基准模型的总压恢复系数。结果表明:设计的隔离段能有效降低反压的反传速度和峰值;爆震室的长径比越大,所含的燃料和氧化剂越多,反压越难以抑制;在反压向上游传播的初期,压力峰值的衰减率主要受隔离段结构的影响,之后则主要取决于反传距离;当来流压力一定时,长径比越小的爆震室,排气过程越迅速,反压下降得越快;在海平面大气条件下,当来流马赫数为0.15~0.80时,所设计的隔离段并未造成大的总压损失。     

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.