2020年(发展战略)脉冲爆震发动机状态及发展方向

（发展战略）脉冲爆震发动机状态及发展方向

喷气推进是伊萨克·牛顿(IsaacNewton)爵士的第三运动定律的实际应用。该定律表述为：“作用于壹物体上的每壹个力均有壹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。产生这壹加速度所需的力有壹大小相等方向相反的反作用力作用于产生这壹加速度的装置上。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，壹种是以比较低速的大量空气滑流的形式，而另壹种是以极高速的燃气喷气流形式。

这壹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。喷气反作用最早的著名例子是公元前120年作为壹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壹原理更为实用的壹个例子。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”的壹个例子。由于水喷流的反作用力，壹个消防员经常握不住或控制不了水管。也许，这壹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，它便沿着和喷气相反的方向急速飞走。

喷气反作用是壹种内部现象。它不像人们想象的那样是由于喷气流作用于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，均是设计成加速空气流或者燃气流且将其高速排出的壹种装置。当然，这样做有不同的方式。可是，于所有例子中，作用于发动机上的最终的反作用力即推力是和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，给大量空气附加壹个小速度或者给少量空气壹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壹种，也称脉冲喷气发动机，可用于靶机，

导弹或航空模型上。脉动喷气发动机发明于法国但没有找到用途，纳粹德国于第二次世界大战的后期，曾用它来推动V-1导弹，轰炸过伦敦。这种发动机的结构如图所示，它的前部装有单向活门，之后是含有燃油喷嘴和火花塞的燃烧室，最后是特殊设计的长长的尾喷管。当下，用于喷气式（汽车）赛车的发动机。

脉动喷气发动机工作时，首先把压缩空气打入单向活门，或使发动机于空中运动，这时便有气流进入燃烧室，然后油嘴喷油，火花塞点火燃烧。这时长尾喷管于燃气喷出后，由于燃气流的惯性作用，虽然燃烧室内的压强同外面大气的压强相等，仍会继续向外喷，所以于燃烧室内造成空气稀薄的现象，使压强显著降低到小于大气压，于是空气再次打开单向活门流入燃烧室，喷油点火燃烧，开始第二个循环。这样周而复始，发动机便可不断地工作了。这种发动机由进气到燃烧、排气的循环过程进行得很快，壹秒钟大约可达40～50次。

脉动式发动机于原地能够起动，构造简单，重量轻，造价便宜。这些均是它的优点。[color=Red]但它只适于低速飞行（速度极限约为每小时640～800km），飞行高度也有限，单向活门的工作寿命短，加上振动剧烈，燃油消耗率大等缺点，使得它的应用受到限制。

适合高超声速飞行器使用的另壹种比较理想的动力装置是脉冲爆震发动机(PDE，pulsedetonationengine)。说它奇特，是因为这种“新概念”发动机根据热力学爆震波理论，以汽油、液氢等为燃料，以液氧或外界空气为氧化剂，利用间歇式脉冲爆波燃烧产生推力。于发动机的进口处，燃料和空气混合，且发生爆震燃烧。于爆震波沿着爆震管以超声速向前传播的同时，发动机不断地吸入新鲜空气，使爆震循环往复地进行。

燃烧是飞行器推进系统的壹个十分重要的过程。于自然界中存于着俩种不同

的燃烧波：壹是爆燃波；二是爆震波。

爆燃波以亚声速传播，相对于未燃气体，已燃气体的压力稍有下降，但变化不大，其燃烧过程可近似地认为是等压过程。

而爆震波是以超声速传播的，于可爆预混合气体中爆震燃烧时，这种非稳态的燃烧波的传播非常快，速度于4马赫数之上。爆震波于本质上是激波后面跟着壹个爆燃波。它能产生极高的燃气压力和很高的燃气温度。其燃烧过程可近似地认为是等容过程。

引言

吸气式发动机的效率于部分程度上受到内部和环境的最大压比制约，理论上压比高的发动机效率更高。常规发动机通过压气机把空气压缩，再把压缩空气导入燃烧室燃烧，冲压发动机和脉冲喷气发动机则不同，它们没有专门的压气部件，冲压发动机通过速度压缩空气，但只有于进口速度超过Ma=2时才能将速度转换成压力，且具有较高的效率。脉冲喷气发动机于低压室间隙燃烧，因此效率较低。对推进装置来说，爆震燃烧过程的高燃气压力(>1.01×106Pa～1.01×107Pa)和温度(>2000℃)以及快速燃烧均很有吸引力。因此，过去数十年来，基于爆震燃烧的脉冲爆震发动机(PDE)已引起人们的广泛注意。

基本概念和工作原理

脉冲爆震发动机（PulseDetonationEngine，简称PDE）是壹种利用脉冲式、周期性爆震波所产生的高温、高压燃气来产生推理的全新概念发动机。和壹般喷气发动机（等压稳态燃烧）中的爆燃波不同，脉冲爆震发动机（等容非稳态燃烧）中的爆震波（由激波后紧跟壹道燃烧波组成）是以高超音速传播的，因此它能够产生高的燃气压力（13—55大气压）、燃气温度（大于2300℃）及传播速度（爆

震波速度约为2000米/秒左右）。由于爆炸波的速度传播的很快，其燃烧过程可近似的认为是等容过程。

PDE是壹种基于爆震燃烧的新概念发动机。而爆震燃烧是壹种和爆燃有显著差别的燃烧形式，爆燃是壹种于普通燃气涡轮发动机、脉冲喷气发动机和火箭发动机中常见的燃烧形式，它以亚声速传播，仅能产生2×105Pa～3×105Pa的峰值压升。而爆震和爆燃不壹样，它以马赫数Ma=5～6的速度向未燃烧的反应物传播，能产生3×106Pa～1×107Pa的峰值压升。爆震发动机利用这种超声速波产生壹个频率达到100Hz数量级的极短周期循环，所以其燃烧方式是不稳定和间歇式的。由于爆震波的传播速度极快，因此整个燃烧过程接近定容燃烧，而爆燃接近定压燃烧，从热力学角度来见，定容燃烧的热力循环效率可达47%，明显高于定压燃烧的27%，因此，采用爆震燃烧的推进系统可极大地改善性能。

因而和等压燃烧方式工作的壹般喷气发动机相比，脉冲爆震发动机具有以下几个特点：

1、热循环效率高（等压热循环效率为0.27，等容热循环效率为0.47，爆炸波热循环效率为0.49）

2、由于爆炸波能较大的提供可燃气体压力，因此能够不要压气机和涡轮等转动部件，其他结构简单，重量轻，推重比打（大于20），比冲大（大于2100s）

3、单位燃油消耗率SFC低（小于1kg/kg.h），当Ma=1时，等容循环的SFC 为等压循环的36%，爆震循环的SFC为等压循环的29%

4、工作范围宽，可于Ma=0～10，飞行高度H=0～50km飞行。推力可调，推力范围从0.5～50000kg。和冲压发动机不同，它可于地面起飞。起动和加速性能较好

5、适用范围广。用自由来流或机载氧化剂，能分别以吸气式发动机或火箭发动机方式工作

6、不同于脉动式喷气发动机。脉动发动机中火焰壹亚音速传播，燃烧室压力较小，单位燃烧消耗率高

7、污染低。由于爆震波燃烧快，效率高，产物于高温区停留时间短，因而污染物，特别是氮的氧化物少

由于脉冲爆震发动机具有之上的特点，使其成为有可能于壹些领域替代涡轮喷气发动机和液体火箭发动机的壹种低成本发动机，且于军事领域有着广泛的应用前景。

因此，对脉冲爆震发动机进行探索性研究，掌握脉冲爆震发动机的性能分析、总体结构设计、试验，非稳态参数测量机控制等方面的关键技术，建立壹定的技术储备，是有很重要的战略意义的。

性能优势

脉冲爆震发动机于军用及民用发动机领域均具有性能优势。

首先，和涡喷发动机相比，脉冲爆震发动机的可用燃料范围更宽，推重比更高。据估计，脉冲爆震发动机从Ma=0～4的整个范围内均有很高的效率。脉冲爆震发动机于低速状态的效率低于涡喷发动机，但于高马赫数(Ma=2～4)范围内，其性能优于其它发动机；

其次，脉冲爆震发动机不象冲压发动机或超燃冲压发动机那样需要壹台单独的发动机来达到巡航速度后才能投入工作，它能依靠自身的动力起动，且且，脉冲爆震发动机只有极少的转动零件，结构简单，易于维护。和其它类型发动机相比，脉冲爆震发动机的成本也较低(比超声速涡轮发动机的低75%)。

此外，脉冲爆震发动机具有明显的性能优势，预计脉冲爆震发动机的推重比可达20，飞行高度范围为0km～50km，推力范围5N～490kN，耗油率小于0.102kg/N·h。

国内外研究情况

目前国内对脉冲爆震发动机的研究仅限于小范围，专门的研究机构且不是很多，主要集中于航空航天院校，而且多以机理研究为主，实用研究相对偏少，虽然如此，仍然取得了丰硕成果，丰富了理论研究基础。

西北工业大学1994年于严传俊教授的领导下西工大于国内率先展开了脉冲爆震发动机的研究工作，于十多年的时间里进行了大量的实验研究，用热力学和爆震波理论，科学的阐明了PDE的工作原理，建立了PDE工作循环及性能分析的方法。2006～2007年又先后研制了单管/多管吸气式脉冲爆震发动机模型机，以及混合式脉冲爆震发动机模型机。承担自然科学基金项目PDE的应用基础和探索性研究。

南京航空航天大学进行气动阀式PDE的理论和试验研究。

中国科学院力学所对PDE进行了数值模拟和试验研究。

国外对脉冲爆震机理的研究始于20世纪40年代初，从20世纪50年代起开始进行全面探索。由于缺少经费，于20世纪60年代末终止了将爆震燃烧作为替换吸气和火箭推进装置的探索性研究。Helman、Sheeve和Eidelman三人提出了现代脉冲爆震发动机概念。

目前，美国的政府研究机构、大学和XX公司有众多的脉冲爆震发动机研究计划，美国空军研究实验室于采用碳氢燃料的吸气式脉冲爆震发动机和脉冲爆震火箭发动机方面做了大量的工作。2004年，研究人员使用壹种自己设计制造的

超临界燃料喷射系统实现了JP28燃料于空气中的爆震，该喷射系统不但结构简单，而且喷出的燃料不会积碳。2004年秋天，又成功完成了世界上第壹架以脉冲爆震发动机为动力的有人驾驶飞机的地面声学和振动试验。

除美国外，日本、加拿大、法国、比利时、俄罗斯以及以色列等国也于积极开展脉冲爆震发动机技术研究。

应用前景

脉冲爆震发动机技术具有广阔的应用前景，可应用于亚声速、超声速和高超声速飞行器。脉冲爆震发动机可用于战术飞机、空中和船上发射的导弹、无人机和多种远距离攻击武器：仍可用于航天发射飞行器、轨道传送飞行器、短程旅行飞行器和行星着陆器，也可用于航天飞机姿势控制、卫星站位保持和卫星机动推进，从而使航天运输技术实现壹次真正的革命。脉冲爆震发动机和火箭组合循环系统可用于高速远程导弹，脉冲爆震发动机和冲压和超燃冲压发动机组合循环系统可用于高超声速飞行器。混合脉冲爆震发动机可用于亚声速和超声速无人作战飞行器、亚声速和超声速战术导弹、航天发射加速器以及商用飞机。