中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状

1、中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状主讲人：李光宇上海市应用数学和力学研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 2中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状一、简介脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine，PDE） 是一种利用脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气来产生推力的新概念发动机。特点：特点：热循环效率高、燃料消耗率低、结构简单、重量轻、推重比高、比冲大等优点。用途：用途：战略飞机、无人机、导弹的动力装置 轨道转移发动机、行星着陆发动机以及航天器姿态控 制、卫星机动的动力装置等上海市应用数学和力学研究所S

2、hanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 3中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状二、PDE 工作模式及研究2.1推进系统分类： 火箭式、吸气式、组合循环以及混合循环4 种方式火箭式：火箭式：脉冲爆震火箭发动机（PDRE）需自带氧化剂吸气式：吸气式：吸气式脉冲爆震发动机（APDE）以空气为氧化剂组合循环：组合循环：在相同的流道里安装不同循环方式的发动机，每种循环在不同飞行速度范围内工作,以优化整个系统性能混合循环：混合循环：采用脉冲爆震燃烧室（PDC）与涡轮机械相组合的方式， 用爆震燃烧代替定压燃烧上海市应用数学和力学研究所Sha

3、nghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 4中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状上海市应用数学和力学研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 5中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状2.2核心技术 爆震起爆及与之相关的燃料喷射与混合技术是PDE 发展过程中的核心技术点火与起爆：点火与起爆： 直接起爆需要极大的火花放电能量，工程应用中难以实现，因此国内目前均采用由爆燃向爆震（Deflagration to Detonation Transition，DDT） 转变

4、的间接起爆方式。 然而，火花放电能量仍然相对较小，研究者也尝试采用热射流点火等方式来强化起爆效果，但该方式明显增加了系统的复杂性和结构质量，因而在工程中的实现方式尚待研究。上海市应用数学和力学研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 6中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状DDT 过程：过程： 如果DDT 距离较短，则爆震管中等容燃烧方式的比例增大，发动机的热循环效率提高；反之，发动机的热循环效率降低。那么如何缩短DDT距离？增大了爆震管内流动的湍流强度，加速了化学反应速率上海市应用数学和力学研究所Shanghai Ins

5、titute of Applied Mathematics and Mechanics 7中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状燃料的燃料的喷射喷射与混合与混合技术：技术： 目前PDRE 采用旋流进气，燃油喷射后与旋流气体快速掺混；APDE则采用直流和旋流进气2 种方式，通常通过压力雾化喷嘴进行燃油喷射，能够在进气道上、下游进行掺混。 可靠的点火起爆、精细的燃油雾化、与氧化剂的快速掺混，以及由此带来的DDT 距离的缩短，共同促进了爆震频率的加快，目前以汽油/ 空气为燃料的原理性PDRE 的最高工作频率可达66Hz；以煤油/ 氧气为燃料的PDRE 最高工作频率可达45Hz。上海市应用数学和力学研究所

6、Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 8中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状 目前APDE 进气道结构通常为带有中心锥的环腔结构，旨在减小进气流阻，并增大爆震产物前传的反向流阻，从而实现工程需要的“单向阀”功能。 虽然目前所发展的APDE 已能稳定工作，且最高爆震频率达到40 Hz 以上，但所采用的“单向阀”进气道结构仍然存在较大技术问题，主要在于进气流阻相对较大，而对于燃气的反向封闭效果并不理想，这将显著降低APDE 的推进性能。 由于APDE 进气道对于混合循环及组合循环PDE 的成功研制也具有重要意义，因此，APDE

7、 进气道及其与爆震管的耦合技术将是当前及未来亟待解决的技术问题。上海市应用数学和力学研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 9中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状增推技术：增推技术： 研究表明，在爆震管内使用障碍物可显著缩短DDT 距离，但同时也将发动机比冲减小了超过25。这一结果显示了较为矛盾的设计准则：高效的起爆要求具有足够的障碍，但过多的障碍会引起很大的压力损失。增推结构和增推结构和方法：方法： 喷管、部分填充及引射器等，或采用其组合方式 其中所采用喷管包括收敛、扩张和拉瓦尔喷管，而部分填充相当于使用了不同长度的

8、等截面直喷管。研究表明，收敛、拉瓦尔喷管和部分填充都不同程度地增大了发动机推力，而扩张喷管上海市应用数学和力学研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 10中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状的增推效果并不明显。技术难点：技术难点： 采用喷管和部分填充方法是通过延缓高温高压燃烧产物排放速度，从而延长其在推力壁处的作用时间而增大推力的，但这与加快发动机工作频率相矛盾。 采用尺寸和位置适合的引射器结构也能明显增大发动机推力，但这将增大发动机的迎风面积、长度和结构质量。上海市应用数学和力学研究所Shanghai Institu

9、te of Applied Mathematics and Mechanics 11中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状2.3性能分析与数值模拟PDE 性能研究性能研究方面：方面： 目前初步建立了APDE和PDRE 性能分析模型，并分析了在不同飞行状态下PDE 性能的变化规律，研究中也考虑了进气道和喷管的影响，发展了初步的脉冲爆震发动机结构设计方法。数值模拟数值模拟研究研究方面：方面： 主要采用商用FLUENT 软件或开放的DUNS 程序对于进气道流场、DDT 过程、排气过程以及喷管和引射器流场进行了数值模拟，也有研究对于单管和多管PDE总体流场进行了数值模拟，分析并解释了与爆震相关的复杂的波动

10、/ 流动现象与机理。上海市应用数学和力学研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 12中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状多管并联多管并联PDE： 具有推力平稳、推力调节范围宽广、对进气道及喷管的影响小等诸多优点，因此具有重要的工程价值。上海市应用数学和力学研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 13中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状三、总结 经过近20 年的发展，中国对于脉冲爆震发动机的一些关键技术已有所突破或得到了创新性发展，为中国未来脉冲爆震发动机的研制奠定了初步的理论与工程基础。 但在增推、起爆、燃料喷射与混合、进气道、推力测试等重要关键技术方面出现了较多简单的重复性研究，而并未取得实质性技术突破。 就PDE 的多种工作模式而言，目前的PDRE 研究针对性强，系统集成度高，进展最