脈沖爆震發動機（基于爆震燃燒的新概念發動機）

脈沖爆震發動機（基于爆震燃燒的新概念發動機）

脈沖爆震發動機 （基于爆震燃燒的新概念發動機） 次瀏覽 | 2022.08.28 12:29:42 更新 來源 ：互聯網 精選百科 本文由作者推薦 脈沖爆震發動機基于爆震燃燒的新概念發動機

脈沖爆震發動機?(Puld?Detonation?Engine)是一種利用脈沖式爆震波（由激波后面緊跟一道燃燒波組成）產生的高溫高壓燃氣來獲得推力的新概念動力裝置。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，由于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容燃燒，由于定容燃燒的熱循環效率大大高于定壓燃燒（普通的發動機都是定壓燃燒），達到49%（定壓燃燒效率為27%），因此，采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。

中文名

脈沖爆震發動機

外文名

Pul Detonation Engine

優點

性能優越尺寸小結構簡單

原理

基于爆震燃燒的新概念發動機

用途

PDE的用途很多，它可作為導彈、靶機、誘餌機、無人駕駛飛機、無人戰斗機的動力，也可用于槳尖噴氣旋翼機，將來還可能用于軍民用飛機甚至太空飛行器推進，作為登月飛行器、星際旅游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將首先用于下一代超音速巡航導彈上。

目前，人們對PDE的研究主要有兩條途徑：一是吸氣式脈沖爆震發動機--即以空氣為氧化劑的PDE，二是脈沖爆震火箭發動機--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。這里主要介紹國外吸氣式PDE的發展。

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，并在開口端排出；第四步，把燃燒產物通過一個清空過程從燃燒室中排出。

技術難點

盡管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

快速并可靠地起爆是使PDE獲得實用的最重要問題之一，因為高的工作頻率和反復的點火次數是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，并且大部分研究采用很長的激波管，與實際PDE長度不超過2米的條件不符。

由于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

對于燃用液體燃料的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

實際應用的PDE應包括幾個爆震室，它們與共同的進氣道和噴管相連，而且實際應用PDE系統還包括增壓燃油儲存和供應系統、燃油/空氣噴射系統和起爆系統以及推進劑噴射系統。

作用于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，并且還可能包括用于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

由于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

由于推力不穩定，實際應用的PDE需要采用高頻（大于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

爆震波后熱燃氣的速度極高，引起管壁熱量的增加，因此必須采取高效的冷卻措施。

（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，如需要采用激光測速技術對氣流進行測量等。

（9）混合PDE的設計

可利用涵道空氣、渦輪機械，可能需要主動噪聲抑制。

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脈沖爆震發動機的基礎性研究取得顯著進展

西北工業大學嚴傳俊教授主持的國家自然科學基金項目“一種新概念爆震燃燒室的應用基礎研究”和“新型脈沖爆震發動機探索性研究”于2001年12月通過了成果鑒定,并于2002年12月榮獲部級科學技術獎二等獎。

脈沖爆震燃燒是一種新型燃燒方式，涉及燃燒學、工程熱力學、熱流體力學、傳熱傳質學、爆炸力學等諸多領域，是工程熱物理學科領域一個重要研究課題。該項研究技術含量高，難度很大。脈沖爆震發動機是一種新概念發動機，工作原理、關鍵技術與傳統的渦輪噴氣發動機迥然不同；工作過程具有非穩態性質，不能采用常規分析方法，也不能采用渦噴發動機結構形式。由于其潛在的軍事應用背景，國外對其關鍵技術嚴格保密，可借鑒的資料很少。

嚴傳俊教授及其研究小組從1993年獲得國家自然科學基金資助開始，在以下幾個方面開展了近10年的基礎性研究和探索：闡明了脈沖爆震發動機工作原理，建立了脈沖爆震發動機工作循環及性能分析方法，發展了脈沖爆震發動機在各種工況下的性能分析軟件包；對脈沖爆震發動機工作過程進行了數值模擬，揭示了脈沖爆震發動機中由爆燃向爆震的轉變過程。

計算結果與試驗結果相比，較為符合，為脈沖爆震發動機的設計與試驗研究提供了有力工具；在更接近實際脈沖爆震發動機工作條件下進行了單次爆震波試驗，研究了單次爆震的點火、起爆、爆震波的傳播等問題，為脈沖爆震試驗奠定了基礎；建立了脈沖爆震發動機動態過程的測控和數據采集及處理系統。成功地實現了脈沖爆震壓力、脈沖爆震速度、脈沖爆震推力的測量。

迄今為止，該研究已發表國內外期刊學術論文30余篇，特別是在權威的國際燃燒雜志《CombustionandFlame》上發表了論文；已培養博士4人，碩士6人。

現場進行的試驗和測試表明：以汽油為燃料，以空氣為氧化劑的新型兩相脈沖爆震發動機原理機，產生了充分發展的脈沖爆震波和推力。工作過程平穩可靠，頻率可調，在國際上首次實現了無進氣閥的脈沖爆震發動機原理性試驗。

創造性研究成果集中體現在：發展了一種新型的脈沖爆震發動機原理樣機。與國外同類技術相比，其先進性主要有：以可爆性較差的汽油/空氣為反應物、單級起爆、起爆能量小（50mJ）、由爆燃向爆震的轉變距離短、油氣供給系統為新穎的無閥結構。在脈沖供油、供氣、點火、單級起爆、縮短爆燃向爆震轉變距離、充填度等關鍵技術研究方面有重大突破。

本研究成果為火箭式或吸氣式脈沖爆震發動機的研制提供了技術基礎。由于本項目取得重要進展，已引起國際同行的廣泛關注。先后與美國Princeton大學、Stanford大學、Florida大學建立了合作與交流的關系。

參考資料