【空天科普大赛】漫谈一种新型空天动力形式

“学问空天，知识未来”空天科普大赛第一季

论文编号: KT012

作者| 林伟

爆震的现象在自然界时有发生，这使得一批怀有远大目标的科学家受到启发，开始着手构建以爆震为主要工作方式的空天发动机。已经公开提出的在研爆震发动机形式主要有脉冲爆震发动机、连续旋转爆震发动机和驻定爆震发动机等[2]。下面分别亮个相。

（一）脉冲爆震发动机

脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine，简称PDE）是一种利用间歇式或脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气来产生推力的新概念发动机。根据是否自带氧化剂，又可分为吸气式脉冲爆震发动机（APDE）和脉冲爆震火箭发动机（PDRE）两类[3]。PDE的一个工作循环包含：氧化剂和燃料的填充、爆震的起始（点火、爆燃像爆震转变）、爆震波的传播、排气四个基本过程。通常，PDE燃烧室内可爆混合物的流动为亚声速。与传统的动力装置比较，PDE具有两个显著特点：非稳态运行和采用爆震燃烧。因为爆震具有自增压的特点，这类发动机结构相对简单优点。可用作战略飞机、无人机、导弹的动力装置，也可用作轨道转移发动机、行星着陆发动机以及航天器姿态控制、卫星机动的动力装置等，在未来空天推进领域具有广阔的应用前景。

目前，美、俄、日、法等国都在积极实施PDE研究计划（图26-图29）。NASA还把爆震推进列为三大全新概念(REVCON)项目之一，加以大力发展。美国于2008年1月31日首次以PDE为动力，在改进型Long-EZ飞机上成功进行了飞行演示试验[4]（图27），这也是至今唯一的一次正式飞行报道。发动机由四个能产生频率为80Hz的脉冲爆震的管子组成，产生200磅推力，在100英尺高度自主飞行了10秒。2016年8月，俄罗斯宣布成功测试新一代采用生态环保液体燃料的PDE[5]（图28），似乎朝实现发动机应用迈进了一步。国内开展PDE相关研究的单位主要有西北工业大学和南京航空航天大学，均已经进行了近20年研究探索，并取得了较大进展。

图26普惠公司研制的大尺寸PDE验证样机（美）

图27 带有PDE动力的改进型Long-EZ飞机（美）[4]

图28FPI测试的液体燃料PDE（俄）[5]

因为PDE是以脉冲间歇形式工作的，工作频率受限（理论上不超过200Hz）。这是因为即使爆震燃烧速率非常高（消耗时间甚至<1ms），但控制头部喷注的旋转阀的旋转速率有极限，在每个周期内燃料喷注、混合、着火、排气等过程均需要一定时间。此外，每个周期内都需要经历点火和爆燃向爆震转变的过程，所以对点火系统要求较高。如果出现点火失效的情况，可能会造成严重后果，这也是有的学者不看好脉冲爆震的一个原因之一（不代表作者观点）。

图29 筑波大学研制的PDRE演示样机（日）[3]

图30PDE工作循环过程

（二）连续旋转爆震发动机

与PDE相比，连续旋转爆震发动机（Continuously Rotating Detonation Engine，简称CRDE或RDE）不需要头部旋转阀等部件控制脉冲喷注推进剂的过程，除了具有爆震燃烧的普遍优势外，只需要一次点火就可以连续工作，对点火系统要求较低。RDE是目前最热门的爆震推进概念（图31），这类发动机的燃烧室通常是环形通道，推进剂沿轴向喷入，在燃烧室头部前端形成爆震波，维持一个或多个波头沿周向旋转传播，波后的高温高压产物迅速膨胀，从开口端高速排出，从而产生推力[2]。RDE可以调整波头个数等参数来适应来流条件，从亚声速到高超声速来流条件下都能工作，其也可以作为以火箭形式（携带燃料和氧化剂）和吸气式（冲压基，采用大气中空气做氧化剂）应用，应用前景被普遍看好。

图31RDE旋转爆震波燃烧室及旋转爆震波示意图[2]

图32美国普惠发动机进行的RDE测试（美）[2]

图33华沙科技大学进行的旋转爆震-涡轮组合试验（波）[6]

图34 空军实验室开展的旋转爆震驱动涡轮的开式循环试验（美）[7]

目前，俄、法、波、美等国都有先后开展大量RDE相关研究工作（图32-图34），均取得较大进展。研究人员寄希望于爆震发动机以某种形式成为未来航空航天推进的一种选择。比如，基于节约运输成本的考率，法国谋求将RDE应用于多级火箭的上面级[2]。波兰华沙科技大学提出了“涡轮增强旋转爆震发动机”的概念，并已开始进行试验研究[8]，他们还希望将旋转爆震应用于小卫星的动力系统[2]。美国方面的主要研究工作是在空军实验室、海军实验室以及Ohio州立大学、Connecticut大学等数所大学领衔下开展的，虽然他们进入该领域开展研究的时间较短，但进展比较迅速，也带动了世界范围更多单位对RDE感兴趣。2012年波音公司开始了RDE研究，尝试开展甲烷/空气为工质的相关研究[7]，目标是探索RDE用于航空推进的可行性。波音公司的加入，表明工业界对旋转爆震发动机研究的进一步重视。俄罗斯斯拉夫连季耶夫流体力学学院（LIH）是进行RDE研究时间最长的一个单位，在旋转爆震机理的试验研究以及测试不同推进剂方面，做了大量探索性基础工作。国内开展RDE相关研究的单位主要有国防科技大学、北京大学、南京理工大学、清华大学等。国防科技大学已经开展了近10年的相关研究，是国内目前唯一同时进行火箭基和冲压基试验研究的单位[2][10-11]。

（三）驻定爆震发动机

与PDE和RDE不同，驻定爆震发动机是一类使爆震波“停”下来的发动机。按照爆震波类型又可以分为脉冲正爆震发动机（Pulse Normal Detonation Engine，简称PNDE）和斜爆震发动机（Oblique Detonation Engine，简称ODE）[3]。前者通过改变来流条件（主要是速度）实现爆震波在燃烧室内的驻定。由于正爆震发动机是本世纪初才提出的全新概念，相关研究较少。比较代表性的工作是，2006年俄罗斯科学院在一个热射式风洞中开展的超声速脉冲爆震（SPDRE）的研究（图35），燃料为氢气、氧化剂为空气[12]。这项工作本质上是将高超声速来流压缩到中等超声速，然后通过控制预混气当量比实现爆震速度在来流速度左右脉动。此外，西北工业大学也进行了PNDWE相关数值模拟研究[3]。

图35 俄罗斯科学院SPDRE的实验装置示意图[12]

当可燃混合气流动速度大于爆震波的传播速度时，正爆震波无法稳定，通过引入斜劈或者中心锥体，可以使形成斜爆震波并稳定下来，这就是斜爆震发动机（ODE）的概念（图36）。其工作时在飞行器的前缘下方喷注燃料，来流空气与燃料经压缩进入燃烧室后产生斜激波诱导的爆震燃烧。该形式能够缩短燃烧室长度，减轻发动机重量，以CJ斜爆震燃烧模式组织燃烧时熵增和总压损失都较小。ODE的单位推力以及单位燃油消耗率与传统的冲压发动机性能相当，在高飞行马赫数条件下，ODE性能更优（尤其是马赫数大于8时）。由于对试验条件要求比较苛刻极高，ODE试验方面的报道较少，以林志勇等所采用的连续式高静温预混超声速加热器实验方案是其中的代表[13]。中科研力学所等单位有开展相关计算[14]。

图36ODE中的激波系结构示意图[2]

因为每种发动机形式都有适合工作的最佳范围条件，所以将不同的推进形式联合起来的组合发动机概念相比单一发动机具有较大优势。爆震发动机与其他发动机系统组合的概念也被提出，并有相关研究报道，比如旋转爆震—涡轮发动机等[6-7]。对于组合推进以及更详细的爆震发动机研究进展，等下次再跟小伙伴们分享。

虽然爆震发动机具有广阔的发展前景，目前各方也在加大投入进行研究，但爆震现象涉及非常复杂的燃烧、流动等物理化学过程，而且爆震的应用研究对象与经典爆震理论的研究对象不同，迄今为止还没有建立公认的爆震发动机理论体系，所以对爆震发动机的研究也是在摸索中进行。但凭借广大航空航天人的聪明才智，我们有理由期待爆震发动机这类新概念推进形式早日实现。谨以此句结束本篇：

“It is difficult to say what is impossible, for the dream of yesterday is the hope of today and the reality of tomorrow.”

Robert H. Goddard

(全文完)

注：除备注部分，本文其他图片来自于百度图片。

参考资料

1. Lee JHS. Detonation Phenomenon [M]. New York: Cambridge UniversityPress. 2008

2. 林伟. 连续旋转爆震波传播机理、工作特性及其在推进中的应用研究 [D]. 长沙：国防科技大学，博士学位论文，2015.05

3. 李建玲. 多模态爆震组合发动机关键模态的研究[D]. 西安：西北工业大学，博士学位论文，2011.01

4. Kailasanath K. Research on Pulse Detonation CombustionSystems-A Status Report[C]. AIAA 2009-631, in 47th AIAA Aerospace SciencesMeeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Orlando, FL,2009

5. “俄宣布脉冲爆震航天发动机测试成功”，搜狐新闻，2016.08.29

6. Wolanski P.,Application of the Continuous Rotating Detonation to GasTurbine[J]. Applied Mechanics and Materials, 2015, 1662-7482 (782): 3-12

7. Naples A., Fotia M., Theuerkauf S., et al.Design and Testing of a RotatingDetonation Engine for Open-Loop Gas Turbine Integration[R]. 25th ICDERS, LeedsUK, 2015.8

8. WolanskiP., Detonation Engines[J]. Journal of KONES Powertrain andTransport, 18(3), 2011, 515-521

9.Dyer R., Naples A.,Kaemming T. Parametric Testing of a Unique Rotating Detonation EngineDesign[R]. AIAA 2012-0121, 2012

10.刘世杰.连续旋转爆震波结构、传播模态及自持机理研究[D].长沙：国防科学技术大学，博士学位论文，2012.04

11. 王超. 吸气式连续旋转爆震波自持传播机制研究[D].长沙：国防科学技术大学，博士学位论文，2016.04

12. Alexandrov V., Vedeshkin G., Kraiko A.,et al. Supersonic pulsed detonation ramjet engine (SPDRE) and the way ofoperation of SPDRE[P]. Russian: 2157909, 1999

13. 林志勇. 高静温超声速预混气爆震起爆与发展过程机理研究[D]. 长沙：国防科学技术大学，博士学位论文，2008.09

14. Teng HH, Ng HD, Li K., Luo CT, et al. Evolution ofCellular Structures on Oblique Detonation Surfaces[J]. Combustion and Flame,2015, 162(2): 470-477

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