脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展研究

爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中的爆震波傳播速度極快，其燃燒過(guò)程可近似為等容燃燒，具有很高的熱循環(huán)效率和比沖，同時(shí)具有工作范圍寬、單位燃料消耗率低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被看作是21世紀(jì)新型航空航天飛行器的動(dòng)力裝置。

爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是一種基于熱循環(huán)效率遠(yuǎn)高于常規(guī)等壓燃燒的超聲速爆震燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)，爆震燃燒過(guò)程具有很高的燃燒速度和反應(yīng)物轉(zhuǎn)換速率，可近似為等容燃燒過(guò)程。

在航空航天領(lǐng)域，目前采用爆震燃燒方式的發(fā)動(dòng)機(jī)有脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（PDE）、旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（RDE）和斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（ODE）。國(guó)際上曾經(jīng)興起過(guò)ODE的研究熱潮，但迄今還沒(méi)有能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的試驗(yàn)案例，也沒(méi)有可靠性高的發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)，本文不對(duì)斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究。

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

PDE是一種利用脈沖式爆震波產(chǎn)生周期性沖量的非定常推進(jìn)系統(tǒng)，具有以下潛在優(yōu)點(diǎn)：熱循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、推重比大、比沖大、單位燃料消耗率低、工作范圍寬等。它不僅可以作為獨(dú)立的推進(jìn)裝置，也可以與渦噴或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)組合，為亞聲速或超聲速飛行的飛行器提供動(dòng)力，當(dāng)PDE工作頻率在100Hz以上時(shí)，可近似認(rèn)為工作過(guò)程是連續(xù)的，這種組合發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、耗油率和推重比都比帶加力燃燒室的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)改善一倍。

根據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同，PDE有不同的分類(lèi)方式：按爆震管數(shù)目可分為單管、多管PDE；按燃料形式可分為氣相、液相燃料PDE；按氧化劑的來(lái)源可分為自吸氣式、火箭式PDE。當(dāng)前通常將其分為純PDE、組合循環(huán)PDE和混合PDE三大類(lèi)。純PDE主要由爆震室、進(jìn)氣道、尾噴管組成；混合PDE是由PDE與渦噴或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，例如，在外涵道或加力段使用PDE，如圖1所示；組合循環(huán)PDE是由PDE與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置組合而成，在不同速度范圍內(nèi)，運(yùn)行不同的工作循環(huán)。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

進(jìn)入21世紀(jì)后， RDE逐漸受到更多的關(guān)注，近些年成為了爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究的熱點(diǎn)之一。

RDE通常采用環(huán)形燃燒室，推進(jìn)劑從燃燒室的封閉端噴入，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)爆震波在燃燒室頭部旋轉(zhuǎn)傳播，燃燒產(chǎn)物從另一端高速排出，從而產(chǎn)生推力，如圖2所示。與PDE相比，理論上RDE只需要一次起爆就可以連續(xù)燃燒，避免了高頻率重復(fù)起爆的問(wèn)題。RDE的工作頻率定義與PDE也有所不同，RDE的工作頻率一般表述為振蕩頻率，近似來(lái)看是1s內(nèi)經(jīng)過(guò)爆震室某一點(diǎn)處的波頭數(shù)量，而PDE工作頻率是爆震循環(huán)的頻率。RDE 可以在火箭基和沖壓兩種模態(tài)下工作。

發(fā)展動(dòng)向與現(xiàn)狀

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

鑒于PDE良好的性能和重要的軍事應(yīng)用前景，一些有實(shí)力的國(guó)家在PDE的研究方面投入了大量的人力、物力和財(cái)力，取得了許多成果。

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）將PDE列為革命性概念加以大力發(fā)展，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）、空軍、海軍也都制訂了相應(yīng)計(jì)劃支持各研究機(jī)構(gòu)和公司開(kāi)展PDE研究。美國(guó)海軍研究局（ONR）與眾多大學(xué)開(kāi)展了PDE的多學(xué)科研究創(chuàng)新計(jì)劃（MURI）。

2003年，普惠公司與波音公司聯(lián)合研制了全尺寸、飛行進(jìn)氣條件下的五管PDE驗(yàn)證樣機(jī)ITR-2，如圖3和圖4所示。該樣機(jī)完成了模擬飛行馬赫數(shù)（Ma） 2.5、飛行高度12192m條件下的地面試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了單管工作頻率80Hz穩(wěn)定工作，產(chǎn)生推力約6700N，最小單位燃料消耗率僅為0.08kg/（N·h）。此外，普惠公司的研究還表明，采用碳?xì)淙剂蠒r(shí)，純PDE的最大飛行速度可達(dá)Ma4，若采用氫燃料，飛行速度還能提高。

2008年1月31日，由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）領(lǐng)導(dǎo)研究的PDE在莫哈維機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了首次試飛驗(yàn)證，由經(jīng)過(guò)改裝的代號(hào)為“Long E-Z”的小型飛機(jī)采用傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行起飛與降落，飛行期間切換四管PDE工作了10s，飛行高度約為30m，產(chǎn)生高于 890N的推力，如圖5所示。這次飛行試驗(yàn)對(duì)PDE工程化研究具有劃時(shí)代的意義，證明了PDE作為動(dòng)力裝置的潛力。

2010年得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校設(shè)計(jì)制造了一種大尺寸單管旋轉(zhuǎn)閥的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，爆震管直徑為10cm，采用預(yù)蒸發(fā)的煤油做燃料，空氣做氧化劑，并進(jìn)行了地面驗(yàn)證試驗(yàn)。初次的循環(huán)試驗(yàn)獲得了大約980N的峰值推力，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?288～1530m/s，達(dá)到了亞C-J爆震波速。

日本筑波大學(xué)和名古屋大學(xué)在脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（PDRE）方面做了大量系統(tǒng)性的研究工作。從最初關(guān)于PDRE填充效應(yīng)的數(shù)值研究到旋轉(zhuǎn)閥式單管PDRE的工作機(jī)理分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，并進(jìn)行了四管旋轉(zhuǎn)閥式PDRE的發(fā)射飛行試驗(yàn)，起飛質(zhì)量32.5kg，平均推力254N，比沖133s，滯空時(shí)間接近1.2s，如圖6所示。

2013年，俄羅斯留里卡設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)制造了一種兩級(jí)PDE樣機(jī)并進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10min的試驗(yàn)，如圖7所示，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用煤油空氣混合物作為燃料，結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的平均推力超過(guò)980N，比推力和燃油效率比常規(guī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提高了30%～50%，2017年該發(fā)動(dòng)機(jī)已完成噴氣狀態(tài)和沖壓狀態(tài)的試驗(yàn)。

由此看出，美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家已結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求開(kāi)展大量試驗(yàn)研究和樣機(jī)試制，目前已基本完成了原理性試驗(yàn)，進(jìn)入了演示驗(yàn)證階段，并取得了階段性成果，但推力水平仍未達(dá)到預(yù)期，距離研制基于PDE的經(jīng)濟(jì)實(shí)用飛行器還需要解決大量技術(shù)難題。除此之外，法國(guó)、加拿大、以色列、瑞典等國(guó)家也開(kāi)展了PDE的相關(guān)研究。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在PDE的研究方面緊跟國(guó)際前沿，取得了大量的成果。我國(guó)PDE技術(shù)的研究單位主要是西北工業(yè)大學(xué)、空軍工程大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、航天科工31所、中科院力學(xué)所、南京理工大學(xué)等。西北工業(yè)大學(xué)于2002年率先完成了兩相脈沖爆震燃燒原理性試驗(yàn)，而后突破了高頻工作關(guān)鍵技術(shù)，最高單管兩相爆震頻率高達(dá)140Hz，采用氣態(tài)燃料時(shí)單管最高頻率已達(dá)200Hz；進(jìn)行了由渦輪增壓器和脈沖爆震燃燒室組成的混合式PDE以及六管并聯(lián)PDE研究；研究了起爆方式、進(jìn)氣方式、尾噴管形式、引射器等對(duì)性能的影響，突破了諸多關(guān)鍵技術(shù)并掌握了相關(guān)設(shè)計(jì)方法和對(duì)性能的影響規(guī)律?；诙嗄攴e累，西北工業(yè)大學(xué)研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)PDRE地面演示驗(yàn)證樣機(jī)，并成功進(jìn)行了多次地面滑跑試驗(yàn)，如圖8所示。

南京航空航天大學(xué)主要側(cè)重于脈沖爆震燃燒技術(shù)的工程化應(yīng)用研究，研究?jī)?nèi)容具有很強(qiáng)的實(shí)用性和針對(duì)性。他們?cè)诿}沖供油、供氣、點(diǎn)火、單級(jí)起爆、兩相爆震燃燒、縮短爆燃向爆震轉(zhuǎn)變距離等關(guān)鍵技術(shù)的研究中取得了顯著進(jìn)展，并完成了帶旋轉(zhuǎn)閥的三管PDE基礎(chǔ)原理樣機(jī)研制；還進(jìn)行了氣動(dòng)閥式PDE原理樣機(jī)研究，在常溫常壓條件下以汽油為燃料、空氣為氧化劑的試驗(yàn)條件下產(chǎn)生了充分發(fā)展的脈沖爆震波，獲得1300N的最大推力。此外，南京航空航天大學(xué)還在高頻、高能、多頭、可控小型點(diǎn)火器，自適應(yīng)供油控制系統(tǒng)，高頻電磁閥供油控制系統(tǒng)等PDE附件方面也進(jìn)行了研究并取得了初步成果。

中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院31所以彈用PDE為背景，設(shè)計(jì)了六管并聯(lián)共用進(jìn)氣裝置PDE地面試驗(yàn)原型機(jī)，如圖9所示，實(shí)現(xiàn)了在總頻率60Hz下的穩(wěn)定工作。試驗(yàn)表明，在亞聲速半自由射流條件下，系統(tǒng)能夠以設(shè)定的頻率間歇穩(wěn)定工作，并產(chǎn)生450N的正向推力。

北京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)、中科院力學(xué)所、空軍工程大學(xué)等多個(gè)科研院所也開(kāi)展了脈沖爆震燃燒技術(shù)基礎(chǔ)研究，并取得了一定的研究成果。

總的來(lái)看，我國(guó)PDE技術(shù)的發(fā)展仍處于原理研究和樣機(jī)試制階段，技術(shù)發(fā)展水平與國(guó)外相比還存在不少的差距。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

在DARPA和NASA的支持下，以美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室、海軍實(shí)驗(yàn)室、普惠公司、洛克達(dá)因公司、密歇根大學(xué)、辛辛那提大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校、波音公司等為代表，開(kāi)展了偏工程應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)爆震數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，已經(jīng)開(kāi)始采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室替代主燃燒室的測(cè)試。各高校還圍繞著機(jī)理問(wèn)題開(kāi)展理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，主要包括燃料噴注與混合、爆震波起爆、燃燒室內(nèi)爆震波模態(tài)、爆震波自持傳播機(jī)理、燃燒室內(nèi)壓力對(duì)上游的影響等。由于總體路線清晰、試驗(yàn)設(shè)備先進(jìn)，測(cè)量方式多樣，學(xué)校和工程單位分工明確、合作充分，美國(guó)在旋轉(zhuǎn)爆震機(jī)理研究和工程化應(yīng)用方面屬世界領(lǐng)先。

2016年7—9月，俄羅斯先期研究基金會(huì)對(duì)液氧-煤油RDE樣機(jī)進(jìn)行了33次點(diǎn)火試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)爆震，產(chǎn)生穩(wěn)定推力。據(jù)俄羅斯衛(wèi)星網(wǎng)、俄新社等多家媒體報(bào)道，俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈部隊(duì)于2016年10月25日在俄奧倫堡州成功試射了Yu-71高超聲速飛行器，該飛行器最終抵達(dá)位于俄遠(yuǎn)東勘察加半島的庫(kù)拉靶場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了高超聲速飛行，Yu-71飛行器飛行速度為5km/s(約Ma15)，就該飛行器目前的飛行速度來(lái)講，爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是其可能的動(dòng)力形式。2017年，俄羅斯科學(xué)院開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)，自由來(lái)流的速度為Ma4～8，采用氫燃料的旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（直徑為0.31m，長(zhǎng)度為1.05m），最大比沖為3600s。

法國(guó)一方面與俄羅斯開(kāi)展國(guó)際合作，一方面自己獨(dú)立研制，將連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究列入了法國(guó)國(guó)家科技研究中心的未來(lái)推進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目中。用高頻壓力頻譜分析的方法為手段，證實(shí)了氫氣/氧氣、甲烷/氧氣組合的旋轉(zhuǎn)爆震，并且在燃燒室外徑100mm的發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了338.5N的推力。另外，還進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量調(diào)節(jié)能力、復(fù)合材料熱防護(hù)等試驗(yàn)。未來(lái)推進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目中，計(jì)劃重點(diǎn)研制氫氣/液氧組合的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，用于多級(jí)火箭上。2011年6月21日，MBDA公司發(fā)布了基于連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的“英仙座”超聲速導(dǎo)彈系統(tǒng)概念，指出新型的沖壓連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（見(jiàn)圖10）大大提升了超聲速導(dǎo)彈的性能，并將這種新型號(hào)與原有布拉莫斯導(dǎo)彈進(jìn)行對(duì)比：在有效載荷1.96kN，巡航速度Ma3相同的情況下，新型號(hào)可將發(fā)射質(zhì)量由3000kg降為800kg，彈長(zhǎng)由8.4m降為5m。據(jù)稱(chēng)，基于沖壓連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的“英仙座”超聲速導(dǎo)彈預(yù)計(jì)于2030年列裝。

波蘭華沙工業(yè)大學(xué)對(duì)連續(xù)爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了廣泛的試驗(yàn)研究。在不同燃燒室尺寸、不同燃料、不同氧化劑、不同入流總壓和不同背壓條件下開(kāi)展試驗(yàn)，得到了長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定傳播的連續(xù)爆震，試驗(yàn)的推力性能測(cè)量中，在內(nèi)直徑140mm、外直徑150mm的甲烷/氧氣連續(xù)爆震火箭式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)獲得了平均250～300N的推力，并計(jì)劃研制基于火箭式的RDE，并將其應(yīng)用到歐洲小衛(wèi)星計(jì)劃的衛(wèi)星動(dòng)力系統(tǒng)中。

北京大學(xué)以數(shù)值模擬為主，利用粒子跟蹤法對(duì)RDE的熱力學(xué)性能進(jìn)行了二維和三維分析，爆震燃燒的平均熱效率為31%，RDE的整體熱效率為26.4%，較為準(zhǔn)確地確認(rèn)了RDE的性能優(yōu)勢(shì)。開(kāi)展了氫氣/氧氣旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)爆震波頭的穩(wěn)定傳播，發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震傳播過(guò)程中的低頻振蕩現(xiàn)象。

國(guó)防科技大學(xué)通過(guò)兩級(jí)收縮熱射流管，采用氫氣／氧氣熱射流切向噴射起爆方式，實(shí)現(xiàn)了氫氣／空氣組合的旋轉(zhuǎn)爆震，分析了熱射流的填充過(guò)程及起爆能量對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震波建立過(guò)程的影響，并對(duì)在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的雙波對(duì)撞傳播模式進(jìn)行了研究，2017年開(kāi)展了自由射流連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究，采用的燃燒室外徑為120mm、內(nèi)徑為80mm、長(zhǎng)度為660mm，燃料比沖為2510s。

中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院31所開(kāi)展了火箭式旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)研究，采用的燃料包括氣態(tài)燃料和液態(tài)碳?xì)淙剂?，研究的?nèi)容包括噴注參數(shù)對(duì)于連續(xù)爆震波的影響、液態(tài)燃料下爆震波自持傳播模態(tài)、爆震波穩(wěn)定性和壓力回傳，進(jìn)氣段和燃燒室相互作用，起爆參數(shù)和預(yù)爆管安裝位置對(duì)于起爆的影響等問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)研究了液態(tài)碳?xì)淙剂吓c空氣的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒特性，探討了爆震波的傳播模式、爆震波的穩(wěn)定性和壓力回傳等問(wèn)題。在連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)方面，該研究所開(kāi)展了總體性能分析，針對(duì)一款外徑為400mm發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)算得到的流量為5.94kg/s，比沖為1649s。

我國(guó)旋轉(zhuǎn)爆震研究與世界同時(shí)起步，各個(gè)高校發(fā)揮其理論分析和基礎(chǔ)研究的優(yōu)勢(shì)，在爆震機(jī)理研究方面，開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)研究，部分研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。由于缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和目標(biāo)牽引，再加上受試驗(yàn)條件、測(cè)試方法的限制，參數(shù)性和指標(biāo)性的研究成果較少，距離工程化應(yīng)用還有一定的距離。

結(jié)束語(yǔ)

由于爆震發(fā)動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它在軍用和民用等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，可能成為21世紀(jì)新型動(dòng)力裝置。近期，它可作為無(wú)人駕駛飛機(jī)、靶機(jī)、引誘飛機(jī)、靶彈動(dòng)力裝置以及小運(yùn)載的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)；中期，它可作為高超聲速隱身偵察機(jī)、巡航導(dǎo)彈動(dòng)力裝置以及空間作戰(zhàn)平臺(tái)的變軌發(fā)動(dòng)機(jī)、姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)；遠(yuǎn)期，它可以作為戰(zhàn)略飛機(jī)、航天飛機(jī)組合動(dòng)力裝置。

我們應(yīng)從爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用背景出發(fā)，掌握工作機(jī)理，突破關(guān)鍵技術(shù)，使脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)有效推力增大、旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)爆震穩(wěn)定傳播時(shí)間延長(zhǎng)，并拓展爆震發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣馬赫數(shù)，盡早完成可用于工程應(yīng)用的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。