第1章绪论现有的航空航天动力装置主要基于常规的等压燃烧方式，这类发动机已发展到了一个相当成熟的阶段，进一步提高其性能，主要依赖于新材料的发展。当部件效率和材料一定时，基于爆燃燃烧方式的动力装置的性能便会受到基本热力学的限制。因此，迫切需要发展一种基于全新热力循环方式、高热循环效率、高推进性能的动力装置。早在1940年，Zel’dovich［1］就指出爆震燃烧具有比等压燃烧和等容燃烧更高的热效率。因此，较之基于爆燃燃烧方式的常规动力装置来说，基于爆震燃烧方式的动力装置有潜在的性能优势。对于爆震现象的科学研究可追溯到19世纪末期［2］，至今与爆震相关的研究依然是前沿和热点。在研究火焰传播的过程中，Berthelot和Vieille以及Mallard和Le Chatelier都发现了爆震现象［3］。热循环效率高的潜在优点是促使人类发展基于爆震燃烧方式的动力装置的主要因素。此外，爆震燃烧能够实现自增压，爆震波产生的增压比可达15～55［4］，燃料和氧化剂注入燃烧室的喷射压力相对较低，因此在基于爆震燃烧方式的动力装置流路中可以不使用复杂的旋转增压部件。这可使整个系统的结构设计简化、重量减轻、研制及生产成本大大降低。为了将爆震燃烧应用于实际的推进系统，研究人员构想了爆震推进应用的三类基本形式［5～7］，即脉冲爆震、驻定爆震和旋转爆震。1.1爆震推进应用的三种基本形式〖1〗1.1.1脉冲爆震发动机脉冲爆震发动机（pulse detonation engine，PDE） 是一种利用间歇式或脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气发出的冲量来产生推力的新概念发动机［8，9］。根据是否自带氧化剂，PDE可分为吸气式脉冲爆震发动机（airbreathing pulse detonation engine，APDE）和脉冲爆震火箭发动机（pulse detonation rocket engine，PDRE）两类［10，11］。PDE的一个工作循环包含氧化剂和燃料的填充、爆震的起始、爆震波的传播以及排气等四个基本过程。与传统的动力装置相比，PDE具有两个显著特点，即非稳态运行和爆震燃烧。脉冲爆震与经典爆震理论的研究对象不同，后者主要以单次爆震为对象，迄今为止还没有建立公认的脉冲爆震理论体系，因此对这种新型释能方式进行基础研究有着重要的学术价值和现实意义。早在1940年，德国的Hoffman［12］就撰写了第一个关于PDE的研究报告，首开脉冲爆震推进研究先河。20世纪50年代，美国密西根大学的Nicholls等［13］对PDE作为动力装置的可行性进行了实验研究。但是，由于这种燃烧过程的非稳态特性以及当时理论计算和实验诊断手段的欠缺，有关PDE的研究一直没能取得突破性进展。1962年，使用与Nicholls等相似的实验装置，Krzycki［14］在美国海军实验室进行了PDE实验研究，并根据自身有限的实验结果，得出了PDE应用于推进领域并不乐观的结论。可能是由于Krzycki的结论，从20世纪60年代起，有关PDE概念的实验研究工作基本停止［15］。20世纪80年代中期，随着燃烧计算方法和实验诊断技术的不断发展，爆震燃烧在推进系统中的应用研究进入了实质性发展阶段。1986年，美国海军研究院的Helman等［16］ 对PDE概念重新进行了实验考察。Helman等采用前置预爆管设计来满足乙烯/空气混合物起爆所需的高点火能量要求，用前端小管内乙烯/氧气混合物所产生的爆震波来引爆后部大管内的乙烯/空气混合物，工作频率可达25 Hz。在这个类似推进器的装置上人们首次成功获得了脉冲爆震波。Helman等所使用的多循环爆震实验装置如图1.1所示。根据单次爆震和多次爆震的实验结果，Helman等预测PDE的频率可达150 Hz，比冲可达1000～1400s。尽管Helman等实验测得的波速小于1000m/s，远低于CJ爆震波速度［4］，也就说主爆震管内并未形成充分发展的爆震波，但他们的研究依然重新点燃了各国学者对PDE研究的热情。图1.1Helman等多循环爆震实验装置自20世纪90年代以来，由于人们对爆震现象有了更为深刻的认识，以及高速飞行器对高效、紧凑推进器的迫切需求，脉冲爆震推进研究又重新成为研究热点，PDE进入了全面发展时期。美国多家大学、发动机公司、研究机构纷纷投入经费，制定相应计划，大力发展PDE技术。美国NASA的革命性概念（Revolutionary Concepts，RevCon）项目将脉冲爆震技术列为21世纪三大航空技术革新概念之一。NASA的PDE研究涉及所有航空推进领域应用脉冲爆震燃烧技术，先后启动了PDE飞行计划、PDE技术计划和PDRE计划。1999年，美国海军研究办公室启动了为期五年的有关PDE核心技术的多学科大学研究创新计划［17］。由于PDE具有热循环效率高、结构简单、推力调节范围广、可模块化集成等诸多潜在优势，中国、法国、俄罗斯、日本、瑞典、加拿大等很多国家相继开始了PDE的研究工作。自Helman等［16］的研究工作发表以后，公开报道PDE研究工作的文献日益增多，与此同时，人们也发表了大量的PDE综述文章。1991年，美国科学应用国际公司的Eidelman等［15］综述了20世纪80年代的PDE研究工作。1997年，Eidelman［18］综述了PDE研究现状，总结了PDE实际应用所需要解决的关键问题，规划了当时PDE的技术发展路线。尽管Eidelman低估了PDE关键技术问题的研究难度，规划时间过短，但其提出的PDE技术发展路线至今仍具有重要的指导意义。1999年，美国海军研究实验室Kailasanath等［19］回顾了PDE数值模拟研究所取得的重要成果。2000年，Kailasanath［5］回顾了爆震在推进系统中的应用情况。2001年1月，Kailasanath［20］对各种估算PDE性能的理论、实验和计算研究进行了综述。同年7月，Kailasanath［21］又对PDE喷管的理论和计算研究进行了回顾。2002年Kailasanath［22，23］受邀在第40届AIAA航空航天科学大会上对PDE的研究进展进行了较为全面的综述，2003年美国GE公司全球研究中心能源与推进技术实验室的Dean［24］受邀在第39届AIAA/ASME/SAE/ASEE联合推进会议上对脉冲爆震推进的进展进行综述，这些充分表明PDE的研究工作在航空航天领域备受瞩目。2004年，美国海军研究实验室的Roy等［3］受邀在能源和燃烧领域最具权威的杂志Progress in Energy and Combustion Science上发表PDE综述文章，文章详实地回顾了近年来PDE在基础和应用研究方面所取得的进展和各种PDE设计概念，指出发展实用PDE所需要攻克的七大关键技术难题。由于液态碳氢化合物的可爆性远低于气态燃料，目前大多数PDE研究采用气态燃料，但从PDE实际应用的角度出发，高能量密度的液态碳氢化合物才是理想燃料。由于两相爆震的意义更大。2003年和2006年，Kailasanath［25，26］专门对使用液态燃料的两相PDE研究工作进行了综述。2009年，Kailasanath［27］又总结了有关脉冲爆震燃烧系统的近期研究进展。尽管在过去20年内，PDE的研究取得了巨大进展，但是将PDE应用于实际推进仍有待时日，一系列极富挑战性的关键问题还有待解决。由于PDE具有间歇式、周期性工作的特点，工作频率是PDE的一个重要参数，提高PDE的工作频率具有重要的意义。① 当爆震管几何尺寸和单个循环的填充度确定时，PDE的工作频率越高，能产生的推力越大，推重比越高。② 工作频率越高，越接近“稳定”状态，造成的振动越小，对延长载机的工作寿命越有益。当工作频率增大到100 Hz时，可认为PDE的推力连续。③ 工作频率越高，发动机的噪声对人体的伤害越小。④ 高频工作时，发动机内壁温度变化小，由此带来的部件热疲劳也小。鉴于这些提高工作频率所能带来的好处，研究人员正致力于发展高频PDE。PDE的工作频率受到燃料和氧化剂的供给频率、点火频率和爆震频率的制约。因此发展高频PDE，需要解决燃料和氧化剂的高频间歇供给、脉冲爆震波的高频触发与起爆以及供油、供气、点火和排气过程的匹配等问题。燃料和氧化剂供给系统既要尽量简单又要能满足高频间歇供应，相关研究非常重要且具挑战性。PDE非定常的工作特点决定其燃料和氧化剂的供应具有非稳态特性，爆震室供油供气方式可分为有阀和无阀（气动阀）两种形式。1. 无阀式PDE无阀式PDE的爆震管头部为部分封闭，燃料和氧化剂的供给与切断是利用爆震室与供给系统之间周期性的压差变化来控制的，因此有的研究机构也称其为气动阀式PDE。无阀式PDE包括两种形式：燃料和氧化剂供给全部无阀控制以及仅氧化剂无阀控制、燃料间歇供给由阀门控制。在全无阀PDE中，燃料和氧化剂连续供入爆震室，利用间歇式点火来控制发动机工作频率。2002年，美国海军研究生院Brophy等［28～31］研制了一种带预爆管的无阀PDE，如图1.2所示。预爆管内采用氧气作为氧化剂，主爆震管内采用空气作为氧化剂，预爆管采用普通火花塞点火，燃料和预爆管内的氧化剂采用高频电磁阀控制间歇供给，主爆震室内的空气无阀连续供给。采用乙烯为燃料，预爆管的工作频率可达100 Hz，主爆震室实现的最高工作频率为40 Hz，并给出了40 Hz时的温度和压力波形［32］。最近，Brophy等［33，34］又设计了一种新的无阀PDE，空气无阀连续供给，乙烯采用电磁阀控制间歇供给，采用瞬态等离子点火的方法，没有使用预爆管。他们宣称该PDE所能达到的工作频率为80 Hz，但是没有给出相应的压力波形图。美国宾夕法尼亚州立大学的Ma等［35～37］选用乙烯为燃料，对海军研究生院的无阀PDE进行了数值研究。通过模拟发动机内部流场和多循环运行，他们发现主燃烧室内的燃烧波将引起进气道的压力升高，因此为了保证发动机的正常启动，必须谨慎地处理进气道和燃烧室之间的相互影响问题。目前这种设计还有待进一步优化以提高进气道与燃烧室之间的隔离效果。此外，2004年，法国Roxel公司和法国航宇研究局［38］也设计了一种无阀PDE，其整体设计与Brophy等设计的无阀PDE类似，也采用了预爆管点火技术。他们使用氢气为燃料，研究了不同当量比范围下PDE的多循环运行。图1.2带预爆管的无阀PDE结构美国GE全球研究中心Tangirala等［39］研制的PDE，其中空气的供给方式为无阀连续供给，乙烯燃料依靠电磁阀控制实现供给。2006年，Hinckley等［40］选用JetA为燃料、空气为氧化剂，在这种无阀PDE上实现的最高工作频率为25 Hz。目前，GE全球研究中心正在研制一种脉冲爆震燃烧室(pulse detonation combustor，PDC)涡轮组合发动机，采用PDC代替传统的连续流燃烧室。Rasheed等［41］设计了一个八管环形阵列的多管PDC用以驱动单级轴流涡轮，如图1.3所示。八个PDC共用一个进气头部，空气采用无阀连续供给，燃料的供给由电磁阀控制，使用的燃料为乙烯，目前每个燃烧室的点火频率可达20 Hz。图1.3GE全球研究中心研制的PDC涡轮组合发动机2006年，美国普渡大学的Shimo和Heister等［42～44］设计了一种新的无阀PDE，燃料和空气均采用无阀连续供给。普渡大学研制的第一代无阀PDE使用的燃料为乙烯和丙烷，但是尽管采用气态燃料，发动机实际运行的频率仍很低（<10 Hz），理论上所能达到的最高频率也仅为13.7 Hz［45］。基于发动机实际应用的考虑，普渡大学计划研制使用液态碳氢燃料的第二代无阀PDE。2007年，日本青山学院Kitano等［46］在一个内径15 mm、660 mm长的爆震管中进行了多循环爆震实验。氧化剂采用无阀供给，实验的两种氧化剂分别为氧气和空气，采用的燃料为氢气。当氧化剂采用氧气时，使用电磁阀控制氢气的间歇供给。他们给出了氢气/氧气PDE 8 Hz运行时的压力波形，实验结果表明实现了多循
展开
