关于脉冲爆震发动机的学科前沿论文

浅谈脉冲爆震发动机及其军事应用前景徐博引言前几个月，乌克兰危机闹得沸沸扬扬。据外媒报道，美军出动了代号“曙光女神”的超高声速战略侦察机对俄乌边境地区进行了侦查。这款侦察机最高速度在高海拔至少8马赫，升限40,000米……看到这里，我大吃了一惊——这货把SR-71“黑鸟”甩出了几条街啊，当时我就有了一个巨大的疑惑，它到底用的是什么发动机，使它能飞出这样的数据。后来我接触到了超燃冲压、脉冲爆震等一些高速高性能发动机，也了解到“曙光女神”用的就是脉冲爆震发动机，心中的疑惑逐渐解开了。来到北理之后，魏志军教授给我们上了学科前沿，为我们讲了许多先进的推进方式，脉冲爆震发动机就在此列。这更引发了我对脉冲爆震发动机浓厚的兴趣。所以才有了这篇小论文。在我探究的一开始，曾经认为脉冲爆震发动机就是二战德国使用的V-1导弹发动机的复活，但不久之后我发现我错了。V-1用的叫脉动喷气发动机，它是喷气发动机的一种，在原地可以起动，构造简单，重量轻，造价便宜。但它工作时，火焰是以亚声速传播的，燃烧室压力低、比冲小，只适于低速飞行（速度极限约为每小时640～800公里），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。而脉冲爆震发动机基本上是一个全新的概念。工作流程脉冲爆震发动机(PDE)是一种基于爆震燃烧的新概念发动机。它结构简单，工作范围广，是一种有前途的先进推进技术。关键问题为：在高速情况下燃料和空气的快速混合、点火和爆震燃烧的维持。它由进气道、阀门、点火器、爆震室、喷管等组成。基本工作循环步骤第一，爆震燃烧室充满可爆混合物，第二，在燃烧室的开口或闭口端激发爆震波；第三，爆震波在燃烧室内传播，并在开口端排出；第四，燃烧产物通过一个清空过程从燃烧室中排出。首先空气通过进气口进入爆震室，然后关闭阀门，使用点火器直接起爆，爆震波以2000m/s的速度向后传播。由于爆震室中的压力大于环境压力，所以在推力壁上产生推力。当爆震波到达爆震室出口时，由于压强仍大于外部环境压强，所以产生一组膨胀波反向传进爆震室，进一步降低爆震室的压力，排气过程开始。当爆震室中的压力降低到环境压力水平时，排气过程结束。此时阀门打开，新的反应物重新进入爆震室，开始下一轮循环。脉冲爆震发动机的优点首先，热效率高。相对于火箭发动机中常见的爆燃燃烧形式，爆震燃烧能以马赫数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一个频率达到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，从热力学角度来看，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，基于等容燃烧的发动机比基于等压燃烧的发动机具有更高的热效率（燃烧中转化为机械功的热量与消耗热量比值）。其次，结构简单。由于爆震燃烧产生的爆震波可使燃料的压力、温度迅速升高。因此，爆震燃烧的发动机可以不用传统发动机中的压气机和涡轮部件就能达到对气体进行压缩的目的，从而使发动机结构大为简化，降低发动机结构质量。因此可以得到极高的推重比。第三，工作范围大。超燃冲压式发动机不能在地面零速度状态下启动，而且以亚声速和较低M数飞行时，其工作效率不高。而脉冲爆震发动机能以静止的方式启动，可在飞行M数0～12、飞行高度0～50000米的范围内使用，而且推力的大小能够根据需要进行调节，推力范围在0.5～50000千克之间，加速性能也较好。它可作为亚声速、超声速和高超声速飞行器的动力装置使用，而普通的喷气式发动机不具备此种能力。第四，推重比大，耗油少。脉冲爆震发动机推重比可达20，另外由于其结构简单，质量相比其他发动机要小，耗油率相对涡喷发动机较低。脉冲爆震发动机工作时，其爆震波是以超声速传播的，燃烧速度超过M数4，因而燃气压力大(可达10～100个大气压)、比冲大(可超过2100秒)、燃烧温度高(2800℃以上)、耗油率低(单位燃料消耗率小于1kg/kg×h），与涡喷发动机非加力状态下的耗油率相当，大大低于涡喷发动机加力状态下的耗油率。第五，可靠性好，使用寿命长。涡轮喷气发动机由于有高速旋转部件，工作环境恶劣，因而可靠性和维修性都不够理想。脉动式发动机虽然结构简单，但使用寿命却较短，有的只能稳定工作十几分钟。而脉冲爆震发动机由于采用间歇式循环(一个工作循环包括进气、喷油、点火、燃烧及排气)，因此其壁温并不算太高，噪音也不算太大，工作稳定可靠，采用普通的耐高温材料就可制造其壳体。它的使用寿命要比脉动式发动机长得多。此外，脉冲爆震发动机可采用现有材料和用现有工艺生产。预计，PDE的成本可比超音速涡轮发动机价格便宜75%。脉冲爆震发动机是目前惟一一种能以双模式工作的发动机概念，它可以吸气式和火箭式两种模式工作发展现状说了这么多好处，其实这种发动机德国二战时期就开始构思了，但是其真正发展的时间还是近30年。最近几年，俄、中等国的脉冲爆震发动机技术也有了长足的发展。俄罗斯《航空新闻网》2013年9月24日报道。俄罗斯留里卡设计局设计、制造和试验了一款脉冲爆震发动机样机，性能优异。中国则是以西北工业大学为研究核心，在脉冲爆震发动机的关键技术上已经突破了一系列的难题，走在了中国的最前沿。但是，中国要想跟上美国的步伐，还需要付出巨大的努力。在军事上脉冲爆震发动机可以作为高超音速隐身侦察机动力装置，我大致算了一下，从北京起飞到纽约，大约只需要1小时，速度非常快，此外，还可以大大降低被发现或拦截的概率，让雷达看不见，让导弹够不着。此外在一些要求速度比较高的导弹比如地空、空空、反舰导弹上，都可以依靠其重量轻，速度快的特点，在提高导弹战斗部威力的同时，减少敌人的反应时间，达到更好的毁伤效果。另外，还可以作为新型末端滑翔式洲际弹道导弹再入大气层之后，进行高速滑翔机动，在保证打击时间的同时很好的伪装弹头，实现反拦截的目的。然而，脉冲爆震发动机发展了几十年，仍然可以算是停留在试验场阶段，说明它仍然存在着重大问题。比如，发动机内的流动过程非常复杂，燃烧和工作过程不易稳定，而目前还缺乏可靠的模拟计算方法，对其进行深入、精确的理论研究与热力循环分析；爆震燃烧的频率必须高于100赫兹，才能产生足够大的比冲，其效率才有可能优于涡轮喷气式发动机。而要想在一秒钟之内，往复完成100多次循环，各部件之间的协调很困难，完全依赖传感器，运行稳定性差。另外，该发动机为脉动，舒适性差，震动大，噪音十分强烈。几种设想中的构型我在此大胆的设想可以采用多管捆绑使用，这样便可以解决一部分操控性能差的问题，但是这样不过只可增大推力，工作频率仍然不协调。其次，如果脉冲爆震发动机喷管管道形状可调，这样可以解决很多事情，比如操纵性、爆震波的传播方向等。由于脉冲爆震发动机便于与其他不同类型的发动机(如冲压发动机、超燃冲压发动机、涡喷发动机等)组成适应不同飞行高度、不同飞行速度的混合型动力系统，还有几种混合式发动机的构想。可以将脉冲爆震燃烧室用来代替其他类型发动机燃烧室的发动机。这种发动机能利用两种发动机的优点，进一步提高其性能。比如带脉冲爆震燃烧加力燃烧室的涡轮喷气发动机；带脉冲爆震燃烧主燃烧室的涡轮喷气发动机；带脉冲爆震燃烧加力燃烧室的涡扇发动机。还可以将脉冲爆震发动机与涡轮喷气发动机组合，让他们分别在不同的合适的条件下工作，发挥各自的优势。将脉冲爆震发动机与冲压发动机/超燃冲压发动机置于同一流路。此外，还有一种脉冲爆震发动机与脉冲爆震火箭发动机被置于同一流路，在地面启动时，脉冲爆震火箭发动机起引射作用，吸气式脉冲爆震发动机同时工作，当飞行器飞出大气层时，以“纯”脉冲爆震火箭发动机方式工作。结论由于脉冲爆震发动机的性能好、效率高、生产工艺相对简单，其技术一旦成熟，并投入使用，将会对21世纪的飞行器尤其是军用飞行器的发展产生深远的影响,在精确打击、高效毁伤、机动突防等方面显示出强大的优势。参考文献【1】《脉冲爆震发动机技术的发展》，丁伟郑丽魏东四川兵工学报2011年3月【2】《混合式脉冲爆震发动机原理性试验系统设计、集成与调试》郑龙席,邓君香,严传俊,李娜,鲍冬梅实验流体力学2009年3月