脉冲爆震发动机的研究与发展

本文论述了脉冲爆震发动机的工作原理,主要特点,应用前景以及国外发展趋势。汇报了本研究小组在脉冲爆震发动机方面所进行的理论,试验,数值分析研究成果。对21世纪脉冲爆震发动机的研究内容,关键技术,发展途径进行了探讨。      

多循环脉冲爆震发动机概念化设计

为发展一种基于多循环爆震试验的新的脉冲爆震发动机结构设计方法，以汽油为燃料、空气为氧化剂，在内径为50mm的脉冲爆震发动机模型内产生了充分发展的脉冲爆震，根据试验结果对脉冲爆震发动机的结构参数进行了设计，设计结果更接近工程实际。研究发现，当发动机结构尺寸一定时，决定推力壁压力等效作用时间的经验常数K不是一个定值，而是随爆震频率的增大按一定函数关系减小，当爆震频率增大到一定程度时，经验常数的变化幅度逐渐减小并最终趋于常值3．90。根据得到的经验性的函数关系计算出单次爆震的经验常数K为5．35。     

测量爆燃到爆震转捩距离的离子探针技术研究

为了测量爆震管中从爆燃到爆震转捩距离,研制了一套基于对比电路的离子探针系统。通过该系统测量爆震管中火焰传播速度的轴向分布,确定了爆燃到爆震的转捩距离。系统结构简单,造价低廉,可用于高温环境下测量。运用该系统测量的乙炔与氧气混合气从爆燃到爆震转捩的距离,其结果与采用高频响的压力传感器系统的测量结果一致。      

爆震燃烧的特性研究

研究了爆震管中爆震燃烧的压力特性及爆燃到爆震转捩 (DDT)特性。在乙炔与氧气的预混气中 ,通过高频响压力传感器及自行研制的离子探针 ,测量了不同工况下爆震燃烧的压力与火焰传播速度的变化历程 ,获得了爆震波峰值压力、波后压力及 DDT距离随混气初始压力 (2×10 4 Pa～ 1× 10 5Pa)、混气当量比 (0 .3～ 1.0 )及混气浓度 (6 0 %～ 10 0 % )的变化规律。试验结果表明 :降低预混气的压力、混气当量比及浓度会使爆震波的峰值压力、波后压力不同程度的下降 ,DDT距离增大 ,其中 DDT距离对混气浓度最敏感     

扰流片对汽油/空气脉冲爆震发动机爆震波压力的影响

在汽油 空气吸气式脉冲爆震发动机(PDE)协调工作的基础上,利用动态压力传感器测量了爆震波峰值压力。研究了圆环型扰流片的堵塞比、片数和间距对爆震波峰值压力的影响,以及上游扰流片间和下游扰流片间压力波峰值压力的变化。研究表明:一定结构的PDE,扰流片存在合理的堵塞比和间距以及最少片数。试验得到最佳堵塞比为44 5%左右,最佳片间距为爆震管内径的2倍左右,最少片数为6片。这些结果对PDE和扰流器的优化设计有重要指导意义。     

气动阀式脉冲爆震发动机供油位置对爆震波峰值压力和频率的影响

在汽油和空气气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)协调工作的基础上,研究了离心喷嘴在气动阀前方和后方供油时对爆震波峰值压力及PDE工作频率的影响.试验研究表明:在气动阀前方供油比在后方供油提高了爆震燃烧效果.建立了气动阀式PDE时序分析模型,在给定频率下预测的理论填充速度与实验观测结果相符.基于该模型的研究结果表明:在相同填充速度条件下,前、后方供油对PDE的工作频率影响不大,而缓燃-爆燃转捩(DDT)时间为2 ms的PDE,可以实现的工作频率约是DDT时间为3.8 ms的两倍.      

模型脉冲爆震火箭发动机可爆范围的实验研究

在采用电磁阀控制间歇式供应的脉冲爆震火箭发动机模型上,研究了燃料、氧化剂的喷射占空比、喷射及点火的时序对两相爆震波形成的影响,得出了在一定供应条件下的可爆范围,掌握了控制规律。分析了这些影响的实质在于混合物的当量比和有效混合程度。实验结果表明,燃料/氧化剂喷射占空比应尽可能接近,并保证爆震管的有效填充,在此条件下应尽可能保证喷射相位一致,以达到最好的混合效果。     

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。     

脉冲爆震发动机供油自适应规律研究

利用在油路系统的不同位置处设置动态压力传感器来测量PDE工作过程中的油管中瞬时油压曲线的方法,研究PDE工作中的供油自适应规律.研究结果表明,在供油自适应控制中,开始和停止供油取决于PDE内的燃气反压和供油压力的共同作用,燃气反压大于供油压力,停止供油;燃气反压小于供油压力,开始供油.在保持PDE内当量比不变的情况下,一个循环内的供油时间长短只与供油压力有关,与油管长度和工作频率无关,但油管长度越长,损失越大,导致泵后压力越高.      

脉冲爆震发动机引射模态数值模拟和验证

针对脉冲爆震发动机地面启动问题,采用非稳态二维轴对称数值模拟的方法对多循环火箭式脉冲爆震发动机引射模态,即爆震管加直管引射器的引射过程进行了研究。同时通过爆震引射的实验获得引射比作为比较参数。引射比的计算结果与实验数据基本吻合。提出了爆震非稳态引射的3个阶段和相应的3种作用机制即:激波的压缩加速;射流卷吸;惯性和压差作用,并为下一步主爆震管燃油喷注位置提供了设计依据。