[科普中国]-脉冲爆震发动机

概念定义

脉冲爆震发动机是一种基于爆震燃烧的新概念发动机，它的原理与常见的火箭发动机或航空喷气发动机不同。这种发动机在燃烧室内直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩气体，进而产生动力。爆震燃烧产生的爆震波使可爆燃料的压力、温度迅速升高（压力可高达100个大气压，温度可达2000℃）。因此，爆震燃烧的发动机可以不用传统的压气机和涡轮部件就达到对气体进行压缩的目的，使结构大大简化，成本大大降低。此外，由于爆震波的传播速度极快，达到每秒几千米，因此，整个燃烧过程接近定压燃烧，由于定压燃烧的热循环效率大大高于定容燃烧（普通的发动机都是定容燃烧），达到49%（定容燃烧效率为27%），因此，采用爆震燃烧的推进系统可大大改善性能。当爆震频率很高时（达到80~100Hz），就可以产生连续的推力。

与传统发动机相比，脉冲爆震发动机省去了压气机、涡轮机等部件，具有结构简单、推重比高、成本低廉等特点。据称，未来无论是火箭、导弹，还是空天飞机都可以使用脉冲爆震发动机，被认为是21世纪很有潜力的空天动力项目。因此，有学者将脉冲爆震发动机成为“梦幻动力”。2

俄联邦新闻网27日称，脉冲爆震发动机是一种新概念发动机，它的原理与常见的火箭发动机或航空喷气发动机都截然不同。这种革命性的发动机在燃烧室内直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩气体，进而产生动力。与传统发动机相比，脉冲爆震发动机省去了压气机、涡轮机等部件，具有结构简单、推重比高、成本低廉等特点。据称，未来无论是火箭、导弹，还是空天飞机都可以使用脉冲爆震发动机，它也被认为是21世纪最有潜力的空天动力项目。3

工作循环过程PDE 主要由进气道、爆震室、尾喷管、爆震激发器、阀门等组成，一个工作循环包括进气、喷油、点火、燃烧（含爆震波的生成及传播）及排气。按PDE工作循环的特点，可以将其基本工作循环过程具体分为以下几个阶段：（1）易爆燃料/氧化剂混合物填充爆震室；（2）点火起爆；（3）爆震波向敞口端传播，并排出爆震室，爆震室中充满高温高压的燃气；（4）爆震波到达出口时，膨胀波反射进来，爆震产物从爆震室排出；（5）大部分燃气排出后，从封闭端反射回来的膨胀波排出爆震室；（6）膨胀波排出后，爆震室处于低压状态，充入隔离气体吹除余下的燃气，接着重新补充可爆混合物，开始新的循环。整个工作过程是间歇性、周期性进行，即PDE 是非稳态工作的。当爆震频率很高时，例如大于100Hz时，可近似认为工作过程是连续的，可以提供连续推力以推动飞行器前进。4

性能特点PDE具有以下优点：结构简单（无涡轮等旋转部件）、尺寸小（不大于2米）、适用范围广、成本低、可在零速度下使用、燃烧效率高、高速性能优越2。据估计，PDE的推重比可达20，马赫数范围0~10（吸气式为0~3或5），飞行高度范围0~50km，推力范围0.5kg~50000kg，耗油率小于1kg/kgoh。脉冲爆震发动机没有容易损坏的旋转部件，因此结构更简单、维护更容易。此外，PDE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%。PDE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。例如在M数0~3和更高的范围内以有效的吸气式推进，然后以脉冲爆震火箭模式工作。因此，PDE是未来军用和航空航天运输领域有前途的新概念发动机。

工作模式及应用脉冲爆震推进系统主要分为火箭式、吸气式、组合循环以及混合循环4 种方式。

（1）火箭式和吸气式脉冲爆震发动机实际上是一种“纯”脉冲爆震发动机，区别在于脉冲爆震火箭发动机（PDRE）需要自带氧化剂，而吸气式脉冲爆震发动机（APDE）是以空气为氧化剂。PDRE 和APDE 有着许多潜在的应用前景，PDRE 可用作上面级发动机、轨道转移发动机、巡航导弹动力装置、行星着陆发动机；此外，还可用作航天器姿态控制、空间站运行、卫星机动等的动力装置。APDE 可用于战略飞机动力装置、机载导弹或舰载导弹动力装置、无人机动力装置及远程导弹的动力装置等。1

（2）组合循环PDE 是在相同的流道里安装不同循环方式的发动机，每种循环在不同飞行速度范围内工作，以优化整个系统性能。例如，将脉冲爆震发动机与普通火箭发动机放置在同一涵道里形成一个组合循环系统，可用作高速、远程导弹动力装置，在相同航程时，该推进系统的体积比普通2级液体火箭的小。脉冲爆震/冲压/超燃冲压发动机组合循环系统可用作高超声速飞行器动力装置，其中脉冲爆震发动机可用作低速飞行时的加速装置，当飞行马赫数高于3时，由冲压发动机替代继续工作。组合循环系统的1种变化形式称为多模态，是在相同的涵道里同一发动机进行多种不同的循环的模态。1

（3）混合循环PDE采用脉冲爆震燃烧室（PDC）与涡轮机械相组合的方式，用爆震燃烧代替定压燃烧，可用于新一代超声速飞行器。在混合循环模式，PDC 可用来替代高压压气机、燃烧室、高压涡轮和加力燃烧室。对于一定的气流，经爆震波的压缩过程，PDC 能使其压比增大2 倍。对于目前的加力装置而言，PDC 用作推力加力时将会提高性能并减少燃料消耗。1

技术难点尽管PDE的概念在实验室已得到了验证，但还有以下技术问题需要解决：

（1）爆震的起爆、控制和保持

快速并可靠地起爆是使PDE获得实用的最重要问题之一，因为高的工作频率和反复的点火次数是PDE正常工作的基本要求。利用爆燃向爆震转变（DDT）过程是近期PDE研究的最佳方案。过去人们对起爆和爆燃向爆震转变的研究多是在静止气体中进行的，并且大部分研究采用很长的激波管，与实际PDE长度不超过2米的条件不符。由于这些数据是在浓度均匀、无温度梯度的混合物中单次爆震的结果，与多次爆震的情况几乎完全不同。另外，实际PDE的工作频率很高，混气流速很快，低频下的结果很难作为高频下的设计依据。因此，要发展PDE，还必须进行大量试验，解决起爆难题。包括起爆能量、DDT方法、DDT的强化、爆震从受限环境向非受限环境的过渡等。

（2）液体燃料与氧化剂的雾化、喷射、掺混

对于燃用液体燃料的PDE来说，燃料的喷射、掺混和点火相当困难。具有快速反应、高质量流率和有高度可控性的喷射系统对满足PDE的高频运行十分重要。喷射系统必须满足成本、重量、体积和功率等方面的要求。因此，应研究与气体和液体燃料喷射、掺混有关的物理、化学和热力特性。

（3）PDE辅助系统的设计

实际应用的PDE应包括几个爆震室，它们与共同的进气道和喷管相连，而且实际应用PDE系统还包括增压燃油储存和供应系统、燃油/空气喷射系统和起爆系统以及推进剂喷射系统。

作用于PDE爆震室末端的封闭壁（推力壁）上的爆震压力使化学能转化为动能。PDE需要起爆和流动控制的辅助动力系统，并且还可能包括用于特殊用途的动力提取系统。此外，PDE还需要设计快速动作、具有飞行重量的推进阀与燃料阀和控制系统部件，以及先进的燃烧控制系统、有效的进口与喷管、考虑系统特殊零件综合设计方案。

（4）进口/爆震室接口的设计

由于爆震过程对化学计量、粒子液滴尺寸、当地混合度等非常敏感，因此最佳的进口/爆震室接口设计存在巨大的困难，因此需要研究PDE与混合压缩超音速进气口间高效一体化的方法。

（5）高性能喷管的设计

（6）多个爆震管的动力耦合

由于推力不稳定，实际应用的PDE需要采用高频（大于80赫兹）的多管结构，而多管爆震燃烧室间存在动力耦合的问题。

（7）冷却问题

爆震波后热燃气的速度极高，引起管壁热量的增加，因此必须采取高效的冷却措施。

（8）爆震现象的精确理论分析

用真实化学模型和分子混合模型进行先进的数值模拟和多部件的爆震模拟，对深入了解爆震燃烧的机理非常重要。PDE的试验技术与传统发动机的不同，如需要采用激光测速技术对气流进行测量等。

（9）混合PDE的设计

可利用涵道空气、涡轮机械，可能需要主动噪声抑制。

（10）爆震燃烧时会产生强烈的震动和巨大的噪音。

发展历程1940年苏联科学家亚科夫·泽利多维奇首次提出可以使用爆震燃烧能量的可能性理论，而德国人随后对间歇爆震的应用进行了早期研究。

20世纪50-60年代是脉冲爆震发动机的启蒙期，苏联和美国等对这种发动机的研究工作一直延续到今天，但也没有真正能将其应用到航天器中。

2016年8月，俄罗斯在世界上最先成功完成新一代采用生态环保液体燃料的脉冲爆震航天发动机测试。该试验由俄液体脉冲爆震发动机专业实验室、俄科学院新西伯利亚拉夫连季耶夫流体动力学研究所及莫斯科航空学院等科研单位共同完成。俄罗斯科学家在7-8月对这种新型发动机成功进行了多次试验，测试使用的燃料为液氧和煤油。该项目领导人鲍雷斯·萨托夫斯基表示，试验中成功地产生了不同能量的爆震波，并平衡了振动和冲击负荷。实验研究已清楚地证实这种新型发动机技术上的可行性。现在俄方关于数据研究和模拟阶段的任务已经结束，工作重心转到点火试验阶段。2

经过近20年的发展，中国对于脉冲爆震发动机的技术研究已经建立了初步的理论体系，对于各项关键技术开展了相关研究，并已有所突破或得到了创新性发展，为中国未来脉冲爆震发动机的研制奠定了初步的理论与工程基础。然而，研究过程中也存在一些问题，比如在增推、起爆、燃料喷射与混合、进气道、推力测试等重要关键技术方面出现了较多简单的重复性研究，而并未取得实质性技术突破，这也是造成近年来PDE 研究进展缓慢的原因。就PDE 的多种工作模式而言，目前的PDRE 研究针对性强，系统集成度高，进展最快，可能在近期率先获得工程应用。而APDE、组合循环和混合循环发动机工作范围宽广，亟待突破的关键技术问题尚多，可能还需要1 个相对较长的研制周期。1

应用领域PDE的用途很多，它可作为导弹、靶机、诱饵机、无人驾驶飞机、无人战斗机的动力，也可用于桨尖喷气旋翼机，将来还可能用于军民用飞机甚至太空飞行器推进，作为登月飞行器、星际旅游飞行器或入轨飞行器的动力，将给空间运输带来一次革命。预计，PDE将首先用于下一代超音速巡航导弹上。

目前，人们对PDE的研究主要有两条途径：一是吸气式脉冲爆震发动机，即以空气为氧化剂的PDE，二是脉冲爆震火箭发动机——以氧气为氧化剂的PDE。二者的主要区别是吸气式PDE从空气中获得氧化剂，而PDRE自带氧化剂，它们的基本工作原理是相同的。

PDE主要由进气道、爆震室、尾喷管、爆震激发器、燃料供给和喷射系统及控制系统组成。

PDE的基本工作步骤包括四个步：第一步，把爆震燃烧室充满可爆混合物，第二步，在燃烧室的开口或闭口端激发爆震波；第三步，将爆震波在燃烧室内传播，并在开口端排出；第四步，把燃烧产物通过一个清空过程从燃烧室中排出。