連續(xù)爆震發(fā)動機在民用航空領域的應用探討*

■ 閆鋒 魏皓然 / 中國民用航空飛行學院

被視為高超聲速飛行器理想動力的連續(xù)爆震發(fā)動機具有結構簡單、熱效率高等諸多優(yōu)點，這使其不僅在軍用和航天領域備受關注，在民用航空領域也具有廣闊的應用前景。

燃燒的形式可以分為爆燃和爆震。前者是通常意義上的燃燒，過程中已經(jīng)發(fā)生氧化還原反應的分子釋放出能量，使臨近的反應物達到足夠的能量，從而持續(xù)引起化學反應；而后者在現(xiàn)實中最為常見的就是爆炸，其化學反應是通過爆震波來傳播的，爆震波是一種由前導激波與波后化學反應放熱耦合形成的一種超聲速燃燒波[1]。爆震的傳播速度達到了千米每秒的量級，而爆燃的傳播速度僅為米每秒的量級。目前，絕大多數(shù)發(fā)動機，無論是活塞式發(fā)動機、燃氣渦輪發(fā)動機還是火箭發(fā)動機，都采用爆燃的形式，將燃料的化學能轉化為內能。以渦扇發(fā)動機為例，其燃燒室中所發(fā)生的爆燃反應，由于火焰?zhèn)鞑サ乃俣戎挥忻酌棵氲牧考墸虼?，航空發(fā)動機對于進入燃燒室的來流有著很嚴苛的要求，并且為了保證燃燒室火焰的穩(wěn)定，燃燒室也需要經(jīng)過精細而復雜的結構設計。

連續(xù)爆震發(fā)動機概述

爆震發(fā)動機是一種采用爆震代替爆燃的發(fā)動機，可分為駐定爆震發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機和連續(xù)爆震發(fā)動機。1960年，沃伊采霍夫斯基（Voitsekhovskii）等最早提出了駐定旋轉爆震的概念，此后美國密歇根大學的亞當森（Adamson）和尼克爾斯（Nicholls）等分析了旋轉爆震發(fā)動機用于火箭推進的可行性。之后的數(shù)十年中，爆震發(fā)動機并未得到多少關注，直至近些年來，駐定和脈沖爆震發(fā)動機引起了研究熱潮，但由于各自原理上的缺陷，目前已不再是關注的熱點[2]。而連續(xù)爆震發(fā)動機不僅可以搭配吸氣式發(fā)動機，也可以搭配火箭發(fā)動機，甚至可以實現(xiàn)變循環(huán)工作，則被認為是相當具有潛力的發(fā)動機。

連續(xù)爆震發(fā)動機的基本原理是：將爆震波限定在燃燒室內，而燃燒產(chǎn)物則排出做功。爆震燃燒較為接近等容燃燒，相比于采用等壓燃燒，爆震發(fā)動機的熵增更小，擁有更高的熱效率[3]。此外，連續(xù)爆震發(fā)動機對來流條件的要求非常低，當來流速度為100 ～2000 m/s時，均可產(chǎn)生穩(wěn)定的爆震波，從而可以大大簡化結構，減輕質量[4]。

目前，連續(xù)爆震發(fā)動機的燃燒室通常設計成環(huán)形，也有設計成圓筒形的[5]，與航空發(fā)動機中常見的短環(huán)形燃燒室有相似之處，如圖1所示。當充分摻混的燃料和氧化劑進入燃燒室后，就會在爆震波的作用下燃燒。爆震波在燃燒室內沿圓周方向傳播，不會離開燃燒室，因此，連續(xù)爆震發(fā)動機也稱作旋轉爆震發(fā)動機（RDE），爆震波的傳播方向始終與來流方向和排氣方向垂直，如圖2所示。圖中藍色的區(qū)域是未反應的燃料和氧化劑，黃色部分是已燃燒產(chǎn)物。在爆震波沿周向傳播時，已經(jīng)反應的區(qū)域重新開始加注燃料。反應的產(chǎn)物從燃燒室的后部排出。

圖1 連續(xù)爆震發(fā)動機的剖面圖

圖2 爆震波在燃燒室內的傳播

由此可見，連續(xù)爆震發(fā)動機在一定程度上可以視作一種新型燃燒室，目前多將其應用于火箭、沖壓和渦噴發(fā)動機上。由于連續(xù)爆震發(fā)動機與現(xiàn)有的火箭發(fā)動機結構上有很大的相似之處，可以高效地將現(xiàn)有的火箭發(fā)動機技術移植到連續(xù)爆震發(fā)動機上，提高發(fā)動機的比沖和推力；同樣，將連續(xù)爆震發(fā)動機應用于吸氣式發(fā)動機的研究也在進行中，國防科技大學進行過將連續(xù)爆震發(fā)動機用于沖壓發(fā)動機的測試；此外，美國進行過將連續(xù)爆震發(fā)動機用于渦噴發(fā)動機的測試，也取得了一定程度上的成功[1]。

連續(xù)爆震發(fā)動機在亞聲速客機的應用展望

相比于軍用飛機和航天器，亞聲速民機對于經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性更加重視。長期以來，民用發(fā)動機的改進都更著重于增加可靠性和降低油耗，而連續(xù)爆震發(fā)動機有熵增較小、熱效率和比沖高的特點，在民航領域也具有相當?shù)膽们熬啊?/p>

民航發(fā)動機提高經(jīng)濟性的措施主要包括增加壓氣機的壓縮比、加大涵道比和提高渦輪前溫度等。其中，對傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動機而言，涵道比增加到10 : 1左右已是極限，采用齒輪傳動技術的渦扇發(fā)動機的涵道比可以增加至15 : 1以上，但也不能無限制增大；在增加壓縮比方面，目前羅羅公司最新的“超扇”（UltraFan）發(fā)動機已達到了70 : 1的壓縮比，但高壓縮比也對壓氣機的設計帶來了很大的挑戰(zhàn)；至于渦輪前溫度，也已經(jīng)達到了目前材料科學所能承受的極限。

采用連續(xù)爆震發(fā)動機，或者在保持現(xiàn)有的結構下采用連續(xù)爆震的方式，如圖3所示，可以大幅提升發(fā)動機的性能。因為連續(xù)爆震發(fā)動機有著自壓縮的特點，發(fā)動機可以在較低的增壓比下產(chǎn)生更大的有效功，減小了壓氣機的負載，相應地減少了壓氣機的級數(shù)，進而降低對渦輪做功能力的要求[2]；同時，連續(xù)爆震還有更高的熱效率。除了性能以外，連續(xù)爆震發(fā)動機還有著更低的NOx排放[6]，對環(huán)境更友好。此外，傳統(tǒng)的燃燒室需要減小空氣來流速度，并對火焰進行穩(wěn)定，防止高速氣流將燃燒室內的火焰吹滅，這使得燃燒室的結構相比于連續(xù)爆震燃燒室而言復雜了不少。一般來說，在機械設計中，越簡單的結構可靠性越高，在采用了連續(xù)爆震燃燒室后，燃燒室乃至整個核心機的結構可以簡化，提高了發(fā)動機的可靠性。

圖3 連續(xù)旋轉爆震發(fā)動機的應用

連續(xù)爆震發(fā)動機在未來超聲速客機的應用前景

高速飛行的飛機需要采用較小涵道比的發(fā)動機以降低阻力，因此，對于需要維持長時間超聲速飛行的客機而言，采用渦噴發(fā)動機比渦扇發(fā)動機更合理，“協(xié)和”號和圖-144超聲速客機都采用了大推力的渦噴發(fā)動機。然而，渦噴發(fā)動機的熱效率，尤其是在低速飛行時的熱效率很低。以“協(xié)和”號飛機為例，由于超聲速飛行時的噪聲問題，被禁止在陸地上空以超聲速飛行，僅在大西洋上空才能進行超聲速飛行，而其在陸地上空亞聲速飛行時耗油率很高，大約是同時代的波音747的兩倍[7]。如何滿足超聲速和亞聲速狀態(tài)對于動力的不同需求，是決定目前新一代超聲速客機研制成功與否的關鍵之一。

以GE公司為Aerion公司的AS2超聲速客機研發(fā)的Affinity渦扇發(fā)動機為例，這型發(fā)動機采用了類似于CFM56的核心機，低壓轉子則經(jīng)過了重新設計，由兩級風扇和兩級渦輪組成，以便更好地適應超聲速飛行。Affinity發(fā)動機的設計巡航速度為Ma1.4，甚至比“協(xié)和”號的Ma1.7還低[7]，這是對不同需求妥協(xié)的產(chǎn)物——采用Ma1.4的巡航速度可以在速度與航程之間取得平衡，并且AS2飛機也不是完全為超聲速巡航而設計的，兼顧了亞聲速飛行的需求，因此，Affinity發(fā)動機采用了對超聲速飛行而言非常大的涵道比（3:1）。

化解這一矛盾的另一種解決方案是采用變循環(huán)發(fā)動機，如采用可以在渦扇模式和沖壓模式中切換的發(fā)動機，可以較好地平衡超聲速與亞聲速飛行對于動力需求的矛盾。但是，傳統(tǒng)結構的發(fā)動機要實現(xiàn)渦扇/沖壓或渦扇/渦噴模式變循環(huán)是很復雜的。例如，SR-71偵察機便裝備了J58渦噴/沖壓變循環(huán)發(fā)動機，這臺發(fā)動機可以在渦噴模式與沖壓模式之間切換，但需要結構精密的進氣道的配合；而GE公司為YF-23戰(zhàn)斗機研發(fā)的YF120發(fā)動機，采用了復雜的機械結構在渦噴/渦扇模式之間轉換。這些變循環(huán)發(fā)動機并不能滿足民航飛機對經(jīng)濟性和可靠性的需求，而連續(xù)爆震發(fā)動機則為這一思路提供了更好的解決方案。

如前所述，連續(xù)爆震發(fā)動機具有結構簡單且對來流速度要求很低的特點。根據(jù)仿真計算，當來流速度小于一定值時，爆轟轉變?yōu)楸?，退化為傳統(tǒng)燃燒室；而當來流速度大于100m/s時，則可以產(chǎn)生穩(wěn)定的爆轟波。若以連續(xù)爆震發(fā)動機為基礎研制變循環(huán)發(fā)動機的話，可以大幅降低機械結構的復雜程度。以J58發(fā)動機作為對比，J58發(fā)動機實現(xiàn)沖壓發(fā)動機模式的前提是，SR-71偵察機的進氣道通過激波對來流氣流進行了預壓縮。一般來說，亞燃沖壓發(fā)動機都需要搭配精心設計的進氣道，通過激波進行壓縮；而連續(xù)爆震發(fā)動機從原理上看，并不需要對來流進行復雜的處理，因此可以省去結構復雜的進氣道。變循環(huán)發(fā)動機可以采用類似于J58發(fā)動機的方式，利用加力燃燒室形成筒狀的連續(xù)爆震發(fā)動機，也可以像GE公司為F-35戰(zhàn)斗機研發(fā)的自適應變循環(huán)發(fā)動機一樣采用三涵道構型，將外涵道做成環(huán)狀的連續(xù)爆震發(fā)動機。

若采用連續(xù)爆震發(fā)動機為基礎研制變循環(huán)發(fā)動機來裝備超聲速客機或公務機的話，發(fā)動機可以在較大涵道比的渦扇發(fā)動機和沖壓發(fā)動機之間切換，分別適應亞聲速飛行和超聲速飛行的需求。

結束語

連續(xù)旋轉爆震發(fā)動機是目前航空航天領域研究的熱點之一，雖然其技術還遠未成熟，但已經(jīng)顯示出很高的實用價值，目前的研究和應用研究主要集中于軍事和航天領域，但連續(xù)旋轉爆震發(fā)動機在民航領域也具有廣闊的前景，相信在不遠的將來，這項技術可以大幅提升民航飛行的安全性、經(jīng)濟性和快捷性。