脉冲爆震发动机

脉冲爆震发动机是一种由脉冲爆震波产生的高温、用高压气体产生推力的新概念发动机，热循环效率高、结构简单等优点，可以作为战略飞机使用、无人机、导弹 美国的动力装置也可以用作轨道转移发动机、行星着陆发动机和航天器姿态控制、卫星机动动力装置在未来空间推进领域具有广阔的应用前景近年来，国内外许多研究机构都在竞相开展脉冲爆震发动机的研究工作。

2016年8月，俄罗斯率先成功完成使用环保液体燃料的新一代脉冲爆震航空发动机试验。

脉冲爆震发动机是一种基于爆震燃烧的新概念发动机，其原理不同于普通的火箭发动机或航空喷气发动机。这种发动机直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩燃烧室中的气体，然后产生动力。爆震燃烧产生的爆震波使爆炸性燃料的压力、温度迅速升高（压力可高达100个大气压，温度可达2000℃）因此，爆轰燃烧的发动机不需要传统的压气机和涡轮部件就可以达到压缩气体的目的，大大简化了结构，降低了成本。另外，由于爆轰波的传播速度极快，达到每秒几千米，整个燃烧过程接近恒压燃烧，因为恒压燃烧的热循环效率比定容燃烧高得多（普通发动机以恒定的体积燃烧），达到49%定容燃烧效率为27%因此，采用爆震燃烧的推进系统的性能可以大大提高。当爆震频率高时（达到80 ~ 100赫兹），就可以产生持续的推力。

脉冲爆震发动机被认为是21世纪潜在的航天动力项目。因此，有学者称之为“梦幻动力”

PDE 主要由进气口组成、爆震室、尾喷管、爆震激发器、阀门等，一个工作循环包括进气、喷油、点火、燃烧（含爆轰波的产生和传播）及排气。根据PDE工作循环的特点，基本的工作循环过程可以分为以下几个阶段：1）易爆燃料/氧化剂混合物充满爆震室；2）点火起爆；3）爆震波传播到开口端，从充满高温高压气体的爆震室排出；4）当爆震波到达出口时，膨胀波反射进来，爆震产物从爆震室排出；5）大部分气体排出后，从封闭端反射的膨胀波从爆震室排出；6）膨胀波排出后，爆轰室处于低压状态，充入隔离气体吹掉剩余的燃气，然后补充爆炸性混合物，开始新的循环。整个工作过程是断断续续的、周期性的，也就是PDE 工作不稳定。当爆震频率较高时，例如大于100Hz，可以近似认为工作过程是连续的，可以提供连续的推力推动飞行器前进。

PDE有以下优点：结构简单（无涡轮等旋转部件）尺寸小（不大于2米）适用范围广、成本低、可在零

速度下使用、燃烧效率高、高速性能优越。预计PDE推重比可达20，马赫数范围为0 ~ 10（吸气型为0~3或5），飞行高度范围0~50km，推力范围0.5kg~50000kg，油耗不到1kg/kgoh。脉冲爆震发动机没有易损坏的旋转部件，因此结构更简单、维护更容易。此外，PDE可以通过现有材料和现有工艺生产。据估计，PDE的成本比超音速涡轮发动机便宜75%PDE是目前唯一可以双模式工作的发动机概念，既可以工作在吸气模式，也可以工作在火箭模式。比如在M=0~3及更高的范围内，可以有效地通过空气推进，然后以脉冲爆震火箭模式工作。因此，PDE在未来军事和航天运输领域是一种很有前途的新概念发动机。

脉冲爆震推进系统主要分为火箭式、吸气式、433，356种联合循环和混合循环方式。

1）火箭和吸气式脉冲爆震发动机实际上是一种“纯”脉冲爆震发动机不同于脉冲爆震火箭发动机（PDRE）它需要自带氧化剂，以及吸气式脉冲爆震发动机（APDE）空气被用作氧化剂。PDRE 和APDE 有很多潜在的应用前景，PDRE 可以作为上面级发动机、轨道转移发动机、巡航导弹动力装置、行星着陆发动机；此外，它还可用于航天器姿态控制、空间站运行、卫星机动的动力装置等。APDE 可用于战略飞机动力装置、机载导弹或舰载导弹的动力装置、无人机动力装置和远程导弹动力装置等。

2）组合循环PDE 就是在同一个流道中安装不同循环的发动机，每个循环工作在不同的飞行速度范围，以优化整个系统的性能。比如脉冲爆震发动机和普通火箭发动机放在同一个导管内，形成组合循环系统，可以用于高速、远程导弹动力装置的推进系统比同样航程的普通两级液体火箭要小。脉冲爆震/冲压/超燃冲压发动机组合循环系统可作为高超声速飞行器的动力装置，其中脉冲爆震发动机可作为低速飞行时的加速装置，当飞行马赫数高于3时，超燃冲压发动机将继续替代工作。联合循环系统的一种变体称为多模式，这是一种同一发动机在同一管道中进行许多不同循环的模式。

3）混合循环PDE采用脉冲爆震燃烧室（PDC）与涡轮机械结合，爆轰燃烧代替恒压燃烧，可用于新一代超音速飞机。在混合循环模式下，PDC 可用于替代高压压缩机、燃烧室、高压涡轮和加力燃烧室。对于一定的气流，PDC 可以通过爆轰波的压缩过程使其压比提高2 倍。对于现在的加力燃烧室，PDC 作为推力加力燃烧室使用，会提高性能，降低油耗。

虽然PDE的概念已经在实验室中得到验证，但仍有以下技术问题需要解决：

1）爆震的起爆、控制和保持

快速可靠的起爆是PDE实用化的最重要问题之一，因为高工作频率和重复点火次数是PDE正常工作的基本要求。从爆燃到爆震的转变（DDT）过程是近期PDE研究的最佳方案。以往对起爆和爆燃转爆轰的研究大多是在静态气体中进行的，而且大部分研究使用了很长的激波管，这与实际PDE长度小于2米的条件不符。

2）液体燃料和氧化剂的雾化、喷射、掺混

对于燃烧液体燃料的PDE，燃料喷射、混合和点火相当困难。具有快速反应、高质量流量和高可控性的喷射系统对于满足脉冲爆震发动机的高频运行是非常重要的。注入系统必须满足成本、重量、对体积和功率的要求等。因此，我们应该研究气体和液体燃料喷射的关系、掺混有关的物理、化学和热力特性。

3）PDE辅助系统的设计

实际的PDE系统应该包括多个爆震室，这些爆震室与公共的入口和喷嘴相连，并且实际的PDE系统还包括加压燃料储存和供应系统、燃油/空气喷射系统起爆系统和推进剂喷射系统。

作用在PDE爆震室末端的封闭壁（推力壁）发动机上的爆炸压力将化学能转化为动能。PDE需要一个辅助动力系统用于启动和流量控制，也可能包括一个特殊用途的动力提取系统。此外，PDE还需要设计快速动作、推进阀和燃油阀和控制系统部件带有飞重，以及先进的燃烧控制系统、有效入口和喷嘴、考虑系统特殊部分的综合设计方案。

4）进口/爆震室接口的设计

由于爆震过程对化学计量的影响、粒子液滴尺寸、当地的混合程度很敏感，所以是最好的进口/爆震室接口设计存在较大困难，因此有必要研究PDE与混合压缩超声速进气道的高效集成方法。

5）高性能喷嘴的设计

6）多个爆震管的动态耦合

由于推力不稳定，实际PDE需要采用高频率（大于80赫兹）多管结构，但存在多管爆轰燃烧室之间的动力耦合问题。

7）冷却问题

爆轰波后的热气速度极高，导致管壁热量增加，必须采取高效的冷却措施。

8）爆震现象的精确理论分析

采用真实化学模型和分子混合模型的先进数值模拟和多组分爆轰模拟对于理解爆轰燃烧机理非常重要。

9）混合偏微分方程的设计

可利用涵道空气、涡轮机可能需要主动噪声抑制。

10）爆轰燃烧会产生强烈的震动和巨大的噪音。