脉冲爆震发动机 和超燃冲压发动机

新概念脉冲爆震发动机研究的最新进展范玮,严传俊,黄希桥,张群,郑龙席(西北工业大学发动机系,西安　710072) 摘　要:论述了新概念脉冲爆震发动机的工作原理、热力循环方式、优点及应用范围,对国外脉冲爆震发动机的最新研究进展和存在的问题进行了综述,介绍了作者在脉冲爆震发动机探索性研究方面的主要成果:修正了比冲计算公式;发展了一种新的低能量(50mJ)单级起爆系统;采用爆震性较差的液体燃料C8H16/空气混合物,在国际上,首次成功地进行了两相脉冲爆震发动机原理性试验,所测量的爆震波压力比非常接近充分发展的C-J爆震,说明已获得了充分发展的两相脉冲爆震波;实验研究了脉冲爆震发动机的直径和爆震频率对其性能的影响;突破了将脉冲爆震发动机长度缩短到1m,爆震频率提高到36Hz的关键技术。

关键词:脉冲;爆震波;发动机;性能;模型试验R ecent Advances in N e w-Concept PulseDetonation Engine R esearchFan Wei,Yan Chuanjun,Huang Xiqiao,Zhang Qun,Zheng Longxi (Department of Aeroengine,Northwestern Polytechnical University,Xi’an　710072,China) Abstract:In this paper,the principle of a new-concept pulse detonation engine(PDE),its thermodynamic cycle,its advantages over conventional engines and its potential applications are broadly described;the research developments abroad are briefly reviewed and existing problems are analyzed.Moreover,the recent advances in explorative study on PDE by authors are presented:the formula for specific impulse is updated and a low-energy,single-stage initiation system is devel2 oped.Most importantly,the principle demonstration experiments of a two-phase PDE are success2 fully implemented,using poor detonable liquid C8H16/Air mixture.The obtained pressure ratio is very close to that of theoretical fully-developed C-J detonation which reveals that the fully-de2 veloped two-phase detonation wave is achieved in this study.In addition,the effects of the PDE geometry and detonation frequency on its performance are investigated experimentally.The study is focused on key technologies of shortening PDE length and increasing detonation frequency,resulting in a stable operation with36Hz-frequency and less than1m length of PDE,which has made a stride toward practical PDE. K ey w ords:pulse;detonation wave;engine;performance;model test脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)是一种利用周期性爆震波发出的冲量来产生推力的非稳态推进装置。

美国高性能涡轮发动机技术IHPTET 研究计划简介1、综合高性能涡轮发动机技术计划1988年，美国空军首先发起制订并实施高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划，空军、海军、陆军、国防部预研局、NASA和七家主要发动机制造商都参与了这项计划。

计划总的目标是到2005年使航空推进系统能力翻一番，即推重比或功率重量比增加100%~120%，耗油率下降15%~30%。

也就是说，要用15~20年时间取得过去30~40年取得的成就，生产和维修成本降低35%~60%。

可以说，航空推进技术正呈现出一种加速发展的态势。

在欧洲，以英国为主，意大利和德国参与共同实施了先进核心军用发动机计划的第二阶段(ACME-Ⅱ)，英国和法国又联合实施了先进军用发动机技术(AMET)计划。

ACME-Ⅱ的目标是在2005~2008年验证推重比18~20、耗油率降低15%~30%、制造成本低30%和寿命期费用低25%的技术。

俄罗斯也有类似的计划，其目标是在2010~2015年验证的技术，与俄罗斯的第五代发动机相比，重量减轻30~50%，耗油率减少15~30%，可靠性提高60%~80%，维修工作量减少50%~65%。

美国的IHPTET计划，它采取变革性的技术途径，综合运用发动机气动热力学、材料、结构设计和控制方面突破性的成就，大大提高涡轮前温度，简化结构，减轻重量，实现最佳性能控制，最终达到预定的目标。

计划投资50亿美元，以1995、2000和2005财年分为三个阶段，分别达到总目标的30%、60%和100%。

目前，第二阶段的任务已经完成，第三阶段计划正在实施中，已进入核心机的验证机试验阶段。

下面将以涡喷/涡扇发动机技术为例说明其进展。

●第一阶段ゾ方选普拉特惠特尼公司为主承包商，通用电气公司为备选承包商。

以普拉特惠特尼公司的XTE65/2验证机为代表，在1994年9月的试验中已经达到并超过了第一阶段的目标--推重比增加30%，涡轮进口温度比现有先进发动机高222℃，超过目标55℃。

人类航空百年回顾与展望国防大学李大光王宏德20世纪人类在科学技术方面最伟大的贡献之一，就是发明了飞机。

1903年12月17日，美国莱特兄弟驾驶自己制造的飞机，实现了人类首次持续的、有动力的、可操纵的飞行，从此开创了人类航空史上的新纪元。

航空百年历史回顾航空技术是随着以各种作战飞机为主的航空兵器的发展而发展的，从第一架飞机诞生之日到今天，可将人类航空发展史大致分为四个阶段。

初始阶段（1903至1938年）莱特兄弟的航空试验，实现了人类多年来在天空飞翔的梦想，进而实现了航空器动力升空自主飞行。

在1911至1912年的意土战争中，意大利第一次使用航空兵对土耳其军队进行了侦察和轰炸。

在第一次世界大战中，飞机开始得到大规模使用，推动了军用飞机的发展。

20世纪20至30年代初，由于科学技术的日益活跃，研究建立了飞机设计方法，并积累了空气动力、飞行力学和结构强度等方面大量的实验资料。

这一时期，飞机从采用机翼面积很大的多翼机，发展到张臂式单翼机，从木布结构到全金属结构，从敞开式座舱到密闭式座舱，从固定式起落架到收放式起落架的过渡，飞机的发展走过了初始阶段。

完善阶段（1939至1945年）这一阶段，由于正处在第二次世界大战中，因战争的需要促进了空军迅猛发展，飞机数量、种类以及性能得到空前提高。

当时飞机研发的目标：首先是加大发动机的功率，提高效能和高空性能；其次是对亚音速气动布局的精心设计和推敲。

在提高发动机功率方面，加大气缸容积，增加气缸数量，加大发动机转速和预压缩工作介质等措施。

在改进气动方面，采取了整流措施，如发动机加整流罩，都大大降低了飞机的废阻力。

在翼型研究上也有了突破，出现了层流翼型、尖锋翼型等低阻翼型。

在这一时期，由于仍然采用的是活塞式发动机，因受音障限制，飞行速度已经接近这类飞机的极限（时速750千米左右），因此这一时期飞机经过了完善的发展阶段，也可以说是活塞式内燃发动机发展到极限的特殊阶段。

突破阶段（1946至1957年）这一阶段是航空技术发生根本性变革的重要阶段。

２１世纪的航空发动机超高速飞行器用发动机超高速飞行器是指飞行马赫数大于4以上的飞行器。

由于中低空空气密度大，飞行器高速飞行时空气与其机体产生的气动加热问题难于解决，所以其一般只在高空或高高空(飞行高度大于30公里)飞行。

在这种高空高速工作状况下，燃气涡轮发动机已失去优势，必须依靠其他动力形式或与其他动力形成组合动力。

超燃冲压发动机这是一种燃料可在超声速气流中进行燃烧的冲压喷气发动机(目前航空发动机的燃料都是在亚声速气流中进行燃烧的，故被称为亚声燃烧)。

采用超声速燃烧的优点是：能减少气流压缩和膨胀的损失；降低气流温度和压力；减轻发动机的结构负荷。

发动机采用液氢或碳氢燃料后，可在马赫数6～25的范围内工作，并可将飞行高度延伸到大气层边缘(50～60公里)。

与火箭发动机相比，这种发动机无需自带氧化剂，使有效载荷大大增加，可作为高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨的空天飞机的动力装置。

按燃烧形式，超燃冲压发动机分为扩散燃烧(燃料和氧化剂边混合边燃烧)和爆震燃烧(燃料和氧化剂预先混合后再燃烧)；按流动方式分为内部燃烧和外部燃烧。

典型的型式有：亚燃／超燃双模态冲压发动机、亚燃／超燃双燃烧室冲压发动机、与飞行器机体一体化的超燃冲压发动机、组合式超燃冲压发动机等。

早在上世纪50年代，国外就投入大量的人力物力进行超燃冲压发动机的研究。

从90年代开始，超燃冲压发动机的研究重点转向高速巡航导弹用发动机。

目前，美国、法国、俄罗斯、加拿大、德国、印度、意大利等国都在发展马赫数4～8、采用碳氢燃料、射程1000公里以上的巡航导弹用超燃冲压发动机。

预计到2010年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹就将问世；到2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速空天飞机有可能投入使用。

在超燃冲压发动机的发展方面，俄罗斯在世界居领先地位。

1991年，俄罗斯的亚燃／超燃双模态冲压发动机首次进行了飞行试验，迄今共完成了5次飞行，飞行马赫数最高达65。

航空发动机原理：
《航空发动机原理》以国内外综合高性能航空发动机的最新技术为着眼点，系统而重点地阐述了涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机和超燃冲压发动机的工作原理、参数选择、性能计算以及航空燃气涡轮发动机压缩系统的气动稳定性等内容。

简介：
《航空发动机原理》共分10章，前8章对航空燃气发动机进行了介绍，第9章介绍了航空燃气涡轮发动机风扇压气机的气动不稳定工作状态，及进气畸变对发动机性能和稳定性的影响，第10章介绍了超燃冲压发动机。

航空发动机：
航空发动机（aero-engine）是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力，人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机的技术进步密不可分。

经过百余年的发展，航空发动机已经发展成为可靠性极高的成熟产品，正在使用的航空发动机包括涡轮喷气/涡轮风扇发动机、涡轮轴/涡轮螺旋桨发动机、冲压式发动机和活塞式发动机等多种类型，不仅作为各种用途的军民用飞机、无人机和巡航导弹动力，而且利用航空发动机派生发展的燃气轮机还被广泛用于地面发电、船用动力、移动电站、天然气和石油管线泵站等领域。

进入21世纪，航空发动机正在进一步加速发展，将为人类航空
领域带来新的重大变革。

传统的航空发动机正在向齿轮传动发动机、变循环发动机、多电发动机、间冷回热发动机和开式转子发动机发展，非传统的脉冲爆震发动机、超燃冲压发动机、涡轮基组合发动机，以及太阳能动力和燃料电池动力等也在不断成熟，这些发动机的发展将使未来的航空器更快、更高、更远、更经济、更可靠，并能够满足更加严格的环保要求，并将使高超声速航空器、跨大气层飞行器和可重复使用的天地往返运输成为现实。

脉冲爆震发动机现状及发展趋势精编Document number：WTT-LKK-GBB-08921-EIGG-22986喷气推进是伊萨克·牛顿(Isaac Newton)爵士的第三运动定律的实际应用。

该定律表述为：“作用在一物体上的每一个力都有一方向相反大小相等的反作用力。

”就飞机推进而言，“物体” 是通过发动机时受到加速的空气。

产生这一加速度所需的力有一大小相等方向相反的反作用力作用在产生这一加速度的装置上。

喷气发动机用类似于发动机/螺旋桨组合的方式产生推力。

二者均靠将大量气体向后推来推进飞机，一种是以比较低速的大量空气滑流的形式，而另一种是以极高速的燃气喷气流形式。

这一同样的反作用原理出现于所有运动形式之中，通常有许多应用方式。

喷气反作用最早的着名例子是公元前120年作为一种玩具生产的赫罗的发动机。

这种玩具表明从喷嘴中喷出的水蒸气的能量能够把大小相等方向相反的反作用力传给喷嘴本身，从而引起发动机旋转。

类似的旋转式花园喷灌器是这一原理更为实用的一个例子。

这种喷灌器借助于作用于喷水嘴的反作用力旋转。

现代灭火设备的高压喷头是“喷流反作用”的一个例子。

由于水喷流的反作用力，一个消防员经常握不住或控制不了水管。

也许，这一原理的最简单的表演是狂欢节的气球，当它放出空气或气体时，它便沿着与喷气相反的方向急速飞走。

喷气反作用是一种内部现象。

它不像人们想象的那样是由于喷气流作用在大气上的压力所造成的。

实际上，喷气推进发动机，无论火箭发动机、冲压喷气发动机、或者涡轮喷气发动机，都是设计成加速空气流或者燃气流并将其高速排出的一种装置。

当然，这样做有不同的方式。

但是，在所有例子中，作用在发动机上的最终的反作用力即推力是与发动机排出的气流的质量以及气流的速度成比例的。

换言之，给大量空气附加一个小速度或者给少量空气一个大速度能提供同样的推力。

实用中，人们喜欢前者，因为降低喷气速度能得到更高的推进效率。

脉动喷气发动机是喷气发动机的一种，也称脉冲喷气发动机，可用于靶机，导弹或航空模型上。

超音速飞行器的推进技术发展趋势在现代航空航天领域，超音速飞行器一直是研究的重点和热点。

而推进技术作为超音速飞行器的核心组成部分，其发展对于提升飞行器的性能、拓展应用领域具有至关重要的意义。

一、当前主流的超音速飞行器推进技术目前，常见的超音速飞行器推进技术主要包括冲压发动机和火箭发动机。

冲压发动机具有结构相对简单、重量轻、成本低等优点。

在超音速飞行时，空气被高速压缩进入燃烧室，与燃料混合燃烧后产生推力。

然而，冲压发动机在低速时性能不佳，需要依靠其他动力装置将飞行器加速到一定速度才能有效工作。

火箭发动机则依靠自身携带的氧化剂和燃料产生推力，不受空气条件的限制，能够在大气层内外工作。

但火箭发动机的燃料消耗量大，工作时间相对较短，成本较高。

二、未来可能的技术突破方向1、组合动力技术为了克服单一推进技术的局限性，组合动力技术成为了未来的重要发展方向。

例如，将冲压发动机与火箭发动机相结合，或者将涡轮发动机与冲压发动机相结合。

在飞行器不同的飞行阶段，切换使用不同的动力模式，以实现更高效的飞行。

2、超燃冲压发动机技术的改进超燃冲压发动机是一种在超音速气流中进行燃烧的冲压发动机。

未来的发展重点在于提高燃烧效率、降低阻力和增强可靠性。

通过优化进气道设计、改进燃料喷射和燃烧控制等手段，有望进一步提升超燃冲压发动机的性能。

3、新型燃料和推进剂的研发寻找更高能量密度的燃料和推进剂对于提高推进系统的性能至关重要。

例如，研究新型的液氢燃料、高能合成燃料等，以及与之相匹配的高效燃烧技术。

4、电动推进技术的应用随着电动技术的不断发展，电动推进在超音速飞行器领域也展现出一定的潜力。

虽然目前电动推进系统的功率和能量密度还相对较低，但通过不断的技术创新，如新型电池技术、超导技术等的应用，未来可能会在小型超音速飞行器或辅助推进系统中发挥重要作用。

5、智能控制与优化技术利用先进的传感器和计算机技术，实现对推进系统的实时监测和智能控制。

根据飞行条件和任务需求，自动调整发动机的工作参数，以达到最佳的性能和效率。