基本介紹
- 中文名：脈衝爆震發動機
- 外文名：Pulse Detonation Engine，PDE
- 優點：熱循環效率高、結構簡單
- 原理：基於爆震燃燒的新概念發動機
- 套用：飛彈、靶機、戰鬥機等的動力
- 組成：進氣道、爆震室、尾噴管等
概念定義,工作循環過程,性能特點,工作模式及套用,技術難點,發展歷程,套用領域,
概念定義
脈衝爆震發動機是一種基於爆震燃燒的新概念發動機，它的原理與常見的火箭發動機或航空噴氣發動機不同。這種發動機在燃燒室內直接利用爆震燃燒產生的爆震波來壓縮氣體，進而產生動力。爆震燃燒產生的爆震波使可爆燃料的壓力、溫度迅速升高（壓力可高達100個大氣壓，溫度可達2000℃）。因此，爆震燃燒的發動機可以不用傳統的壓氣機和渦輪部件就達到對氣體進行壓縮的目的，使結構大大簡化，成本大大降低。此外，由於爆震波的傳播速度極快，達到每秒幾千米，因此，整個燃燒過程接近定壓燃燒，由於定壓燃燒的熱循環效率大大高於定容燃燒（普通的發動機都是定容燃燒），達到49%（定容燃燒效率為27%），因此，採用爆震燃燒的推進系統可大大改善性能。當爆震頻率很高時（達到80~100Hz），就可以產生連續的推力。
與傳統發動機相比，脈衝爆震發動機省去了壓氣機、渦輪機等部件，具有結構簡單、推重比高、成本低廉等特點。據稱，未來無論是火箭、飛彈，還是空天飛機都可以使用脈衝爆震發動機，被認為是21世紀很有潛力的空天動力項目。因此，有學者將脈衝爆震發動機成為“夢幻動力”。
俄聯邦新聞網27日稱，脈衝爆震發動機是一種新概念發動機，它的原理與常見的火箭發動機或航空噴氣發動機都截然不同。這種革命性的發動機在燃燒室內直接利用爆震燃燒產生的爆震波來壓縮氣體，進而產生動力。與傳統發動機相比，脈衝爆震發動機省去了壓氣機、渦輪機等部件，具有結構簡單、推重比高、成本低廉等特點。據稱，未來無論是火箭、飛彈，還是空天飛機都可以使用脈衝爆震發動機，它也被認為是21世紀最有潛力的空天動力項目。
工作循環過程
PDE 主要由進氣道、爆震室、尾噴管、爆震激發器、閥門等組成，一個工作循環包括進氣、噴油、點火、燃燒（含爆震波的生成及傳播）及排氣。按PDE工作循環的特點，可以將其基本工作循環過程具體分為以下幾個階段：（1）易爆燃料/氧化劑混合物填充爆震室；（2）點火起爆；（3）爆震波向敞口端傳播，並排出爆震室，爆震室中充滿高溫高壓的燃氣；（4）爆震波到達出口時，膨脹波反射進來，爆震產物從爆震室排出；（5）大部分燃氣排出後，從封閉端反射回來的膨脹波排出爆震室；（6）膨脹波排出後，爆震室處於低壓狀態，充入隔離氣體吹除餘下的燃氣，接著重新補充可爆混合物，開始新的循環。整個工作過程是間歇性、周期性進行，即PDE 是非穩態工作的。當爆震頻率很高時，例如大於100Hz時，可近似認為工作過程是連續的，可以提供連續推力以推動飛行器前進。
性能特點
PDE具有以下優點：結構簡單（無渦輪等旋轉部件）、尺寸小（不大於2米）、適用範圍廣、成本低、可在零速度下使用、燃燒效率高、高速性能優越。據估計，PDE的推重比可達20，馬赫數範圍0~10（吸氣式為0~3或5），飛行高度範圍0~50km，推力範圍0.5kg~50000kg，耗油率小於1kg/kgoh。脈衝爆震發動機沒有容易損壞的旋轉部件，因此結構更簡單、維護更容易。此外，PDE可採用現有材料和用現有工藝生產。預計，PDE的成本可比超音速渦輪發動機價格便宜75%。PDE是目前惟一一種能以雙模式工作的發動機概念，它可以吸氣式和火箭式兩種模式工作。例如在M數0~3和更高的範圍內以有效的吸氣式推進，然後以脈衝爆震火箭模式工作。因此，PDE是未來軍用和航空航天運輸領域有前途的新概念發動機。
脈衝爆震發動機
脈衝爆震發動機工作模式及套用
脈衝爆震推進系統主要分為火箭式、吸氣式、組合循環以及混合循環4 種方式。
（1）火箭式和吸氣式脈衝爆震發動機實際上是一種“純”脈衝爆震發動機，區別在於脈衝爆震火箭發動機（PDRE）需要自帶氧化劑，而吸氣式脈衝爆震發動機（APDE）是以空氣為氧化劑。PDRE 和APDE 有著許多潛在的套用前景，PDRE 可用作上面級發動機、軌道轉移發動機、巡航飛彈動力裝置、行星著陸發動機；此外，還可用作太空飛行器姿態控制、空間站運行、衛星機動等的動力裝置。APDE 可用於戰略飛機動力裝置、機載飛彈或艦載飛彈動力裝置、無人機動力裝置及遠程飛彈的動力裝置等。
（2）組合循環PDE 是在相同的流道里安裝不同循環方式的發動機，每種循環在不同飛行速度範圍內工作，以最佳化整個系統性能。例如，將脈衝爆震發動機與普通火箭發動機放置在同一涵道里形成一個組合循環系統，可用作高速、遠程飛彈動力裝置，在相同航程時，該推進系統的體積比普通2級液體火箭的小。脈衝爆震/衝壓/超燃衝壓發動機組合循環系統可用作高超聲速飛行器動力裝置，其中脈衝爆震發動機可用作低速飛行時的加速裝置，當飛行馬赫數高於3時，由衝壓發動機替代繼續工作。組合循環系統的1種變化形式稱為多模態，是在相同的涵道里同一發動機進行多種不同的循環的模態。
（3）混合循環PDE採用脈衝爆震燃燒室（PDC）與渦輪機械相組合的方式，用爆震燃燒代替定壓燃燒，可用於新一代超聲速飛行器。在混合循環模式，PDC 可用來替代高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪和加力燃燒室。對於一定的氣流，經爆震波的壓縮過程，PDC 能使其壓比增大2 倍。對於目前的加力裝置而言，PDC 用作推力加力時將會提高性能並減少燃料消耗。
技術難點
儘管PDE的概念在實驗室已得到了驗證，但還有以下技術問題需要解決：
（1）爆震的起爆、控制和保持
快速並可靠地起爆是使PDE獲得實用的最重要問題之一，因為高的工作頻率和反覆的點火次數是PDE正常工作的基本要求。利用爆燃向爆震轉變（DDT）過程是近期PDE研究的最佳方案。過去人們對起爆和爆燃向爆震轉變的研究多是在靜止氣體中進行的，並且大部分研究採用很長的激波管，與實際PDE長度不超過2米的條件不符。由於這些數據是在濃度均勻、無溫度梯度的混合物中單次爆震的結果，與多次爆震的情況幾乎完全不同。另外，實際PDE的工作頻率很高，混氣流速很快，低頻下的結果很難作為高頻下的設計依據。因此，要發展PDE，還必須進行大量試驗，解決起爆難題。包括起爆能量、DDT方法、DDT的強化、爆震從受限環境向非受限環境的過渡等。
（2）液體燃料與氧化劑的霧化、噴射、摻混
對於燃用液體燃料的PDE來說，燃料的噴射、摻混和點火相當困難。具有快速反應、高質量流率和有高度可控性的噴射系統對滿足PDE的高頻運行十分重要。噴射系統必須滿足成本、重量、體積和功率等方面的要求。因此，應研究與氣體和液體燃料噴射、摻混有關的物理、化學和熱力特性。
（3）PDE輔助系統的設計
作用於PDE爆震室末端的封閉壁（推力壁）上的爆震壓力使化學能轉化為動能。PDE需要起爆和流動控制的輔助動力系統，並且還可能包括用於特殊用途的動力提取系統。此外，PDE還需要設計快速動作、具有飛行重量的推進閥與燃料閥和控制系統部件，以及先進的燃燒控制系統、有效的進口與噴管、考慮系統特殊零件綜合設計方案。
（4）進口/爆震室接口的設計
由於爆震過程對化學計量、粒子液滴尺寸、當地混合度等非常敏感，因此最佳的進口/爆震室接口設計存在巨大的困難，因此需要研究PDE與混合壓縮超音速進氣口間高效一體化的方法。
（5）高性能噴管的設計
（6）多個爆震管的動力耦合
由於推力不穩定，實際套用的PDE需要採用高頻（大於80赫茲）的多管結構，而多管爆震燃燒室間存在動力耦合的問題。
（7）冷卻問題
爆震波後熱燃氣的速度極高，引起管壁熱量的增加，因此必須採取高效的冷卻措施。
（8）爆震現象的精確理論分析
用真實化學模型和分子混合模型進行先進的數值模擬和多部件的爆震模擬，對深入了解爆震燃燒的機理非常重要。PDE的試驗技術與傳統發動機的不同，如需要採用雷射測速技術對氣流進行測量等。
（9）混合PDE的設計
（10）爆震燃燒時會產生強烈的震動和巨大的噪音。
發展歷程
1940年蘇聯科學家亞科夫·澤利多維奇首次提出可以使用爆震燃燒能量的可能性理論，而德國人隨後對間歇爆震的套用進行了早期研究。
20世紀50-60年代是脈衝爆震發動機的啟蒙期，蘇聯和美國等對這種發動機的研究工作一直延續到今天，但也沒有真正能將其套用到太空飛行器中。
2016年8月，俄羅斯在世界上最先成功完成新一代採用生態環保液體燃料的脈衝爆震航天發動機測試。該試驗由俄液體脈衝爆震發動機專業實驗室、俄科學院新西伯利亞拉夫連季耶夫流體動力學研究所及莫斯科航空學院等科研單位共同完成。俄羅斯科學家在7-8月對這種新型發動機成功進行了多次試驗，測試使用的燃料為液氧和煤油。該項目領導人鮑雷斯·薩托夫斯基表示，試驗中成功地產生了不同能量的爆震波，並平衡了振動和衝擊負荷。實驗研究已清楚地證實這種新型發動機技術上的可行性。現在俄方關於數據研究和模擬階段的任務已經結束，工作重心轉到點火試驗階段。
經過近20年的發展，中國對於脈衝爆震發動機的技術研究已經建立了初步的理論體系，對於各項關鍵技術開展了相關研究，並已有所突破或得到了創新性發展，為中國未來脈衝爆震發動機的研製奠定了初步的理論與工程基礎。然而，研究過程中也存在一些問題，比如在增推、起爆、燃料噴射與混合、進氣道、推力測試等重要關鍵技術方面出現了較多簡單的重複性研究，而並未取得實質性技術突破，這也是造成近年來PDE 研究進展緩慢的原因。就PDE 的多種工作模式而言，目前的PDRE 研究針對性強，系統集成度高，進展最快，可能在近期率先獲得工程套用。而APDE、組合循環和混合循環發動機工作範圍寬廣，亟待突破的關鍵技術問題尚多，可能還需要1 個相對較長的研製周期。
套用領域
PDE的用途很多，它可作為飛彈、靶機、誘餌機、無人駕駛飛機、無人戰鬥機的動力，也可用於槳尖噴氣旋翼機，將來還可能用於軍民用飛機甚至太空飛行器推進，作為登月飛行器、星際旅遊飛行器或入軌飛行器的動力，將給空間運輸帶來一次革命。預計，PDE將首先用於下一代超音速巡航飛彈上。
目前，人們對PDE的研究主要有兩條途徑：一是吸氣式脈衝爆震發動機，即以空氣為氧化劑的PDE，二是脈衝爆震火箭發動機——以氧氣為氧化劑的PDE。二者的主要區別是吸氣式PDE從空氣中獲得氧化劑，而PDRE自帶氧化劑，它們的基本工作原理是相同的。
PDE主要由進氣道、爆震室、尾噴管、爆震激發器、燃料供給和噴射系統及控制系統組成。
PDE的基本工作步驟包括四個步：第一步，把爆震燃燒室充滿可爆混合物，第二步，在燃燒室的開口或閉口端激發爆震波；第三步，將爆震波在燃燒室內傳播，並在開口端排出；第四步，把燃燒產物通過一個清空過程從燃燒室中排出。
