[原创]脉冲爆震发动机国内外研究现状

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这是哈尔滨工业大学一篇硕士论文中总结的，和大家分享一下。
详细资料可以参看哈尔滨工业大学硕士论文《脉冲爆震发动机振动响应分析及减振研究》岑黎明


因为PDE的优良特性和广泛的军事应用前景，各国纷纷投入大量人力物力展开研究。PDE的发展离不开对爆震波理论的研究。Zeldovich（1940），Von Neumann（1942），Doring（1943）推广了经典的C-J理论，提出了爆震波是一以爆震波速度运动的激波的著名ZND一维爆震波结构模型[2]。近十年间，国内外对PDE的研究取得了可喜的成绩。从国内外公开发表的文献来看，可以将PDE研究分成燃料和氧化剂的混合及雾化、爆震的起爆、气动参数性能数值计算、几何外形对PDE性能的影响、PDE的控制、振动响应分析及PDE的应用等几个方面。


1.1.1 PDE原理型实验研究发展现状


1.1.1.1 燃料和氧化剂的混合及雾化研究

爆震本质上是预混燃料的燃烧过程，著名的CJ爆震参数，Vcj，Pcj是通过假设燃料-氧化剂或是燃料-空气已经完全均匀的混合的情况下得到的。Stanley[3]等的实验研究证明燃料和氧化剂充分的混合的重要性，他在没有检查燃料氧化剂是否混合充分的情况下进行了多次实验，得到的波速都低于CJ速度。用来产生紊流的装置证明可以得到较高的波速，但同时导致推力的损失。

在很多实际应用中，有必要使用液体燃料，但考虑液体燃料的混合的要求时模型建立比较困难。Lasheras等[4]讨论了高速同轴气流的雾化问题，他们设计的系统以较低的空气压降产生了非常小的雾化液滴。脉动和瞬态条件下的雾化跟稳态条件下的雾化被证明区别不大。空气入口处必须保证有足够的滞止压力来驱动高速的气流以雾化喷射进来的燃料。他们指出要得到10微米的量级的雾化液滴，进气速度必须大于220m/s。他们还提出，在他们用JP10实验中爆震失败，液滴的尺寸不是关键因素，而点火条件是相对关键的因素。点火发生在气液两相状态时，压力必须足够高才能被爆震。


1.1.1.2 爆震的起爆研究

脉冲爆震发动机中能否以实际混合燃料可靠的重复的低能量的起爆产生爆震波，这个问题是发展这种发动机的最具挑战的问题之一。在这个问题上还必须不断地进行研究。爆震起爆有两种方式：一是直接起爆；另一个是经由爆燃向爆震转变（DDT）的过程。文献[5,6]中从广泛的实验和数值计算上论述了直接起爆所需的能量。基本上直接起爆的临界能量和能传播爆震波的最小爆震室跟爆震波的胞格尺寸有相当密切的关系。对于氢氧混合物来说，爆震波的胞格尺寸从乙烯-空气的0.9cm到甲烷-空气的30cm不等[7]。因此，必须考虑不同的起爆方式。如果输入的能量不足以直接起爆，会产生爆燃燃烧，在适当的条件下，高速的火焰或者说是爆燃过程可以转变为爆震，这个过程叫DDT。因此，很多研究PDE爆震起爆的文章对DDT都有足够的重视。

Sinibaldi[8]等研究了跟DDT距离有关的参数，如起爆能量，起爆位置，和混合物的化学当量比。一般地，只要起爆能量足够，DDT距离跟起爆能量没有多大关系。如果点火器离壁面太远，转变距离就会变长。当乙烯-氧气-氮气的化学当量比 小于0.75时，DDT的长度会剧烈的增加。但当超过这个值时，转变距离变化不那么剧烈。较早的研究已经表明DDT的距离可以大到管的长度[9]。因此，人们开始大量研究缩短DDT的距离的各种方法。

Shchelkin[10]提出了一种经典的方法，就是在管中引入螺纹来促进向爆震的转变。Schauer等[11]在管的1/3处放置了Shchelkin螺纹，发现在用碳氢混合物多次爆震循环时，转变距离是一致的。没有螺纹，转变仅发生在管的末端。Schelkin螺纹同样被用来起爆乙烯-空气混合物。

其他的用来缩短DDT的方法包括引入除螺纹外的物理障碍（像不同形状的障碍物，孔等）和化学促进剂如燃料添加剂。Lee[12]和Cooper[13]都得出在爆震管中加上障碍物可以减少DDT时间。

1.1.1.3 数值计算及气动参数性能评估

数值计算是一种可以获得流场细节的方法。一般地，计算结果的精度跟一些参数有关，如物理模型和化学模型的逼近度，解的算法的精度，数值计算的初始条件和边界条件，还与计算模型有关[14]。但是没有一种模型能同时描述非定常的、多相的、三维流场，很多模型都是简化模型，用的是一维或二维的几何模型。采用这些简化模型计算的结果只能同实验进行直接的比较。一维模型可以很好的得到爆震波的压力变化曲线和爆震波速度的变化。通过初步的比较，温度的最大误差在10%左右。这种情况下，数值计算被用来估计系统的性能[15]和研究各种提高性能的方法。

提高理想系统性能的关键是改变爆震压力变化曲线，改变压力松驰区的比率可以改变性能，而改变喷管可能是一种较实际的方法来改变松驰区的比率。一些人研究了另外一种方法，就是部分填充可爆混合物，管的其余地方填充空气。这个方法的好处在于在吸气式的推进装置中容易可行，而不用改变爆震频率。文献[15]计算了三种情况，列举了部分填充燃料的优点，其中两种情况，一个50cm长的管全部填充满，一个填充了20cm的乙烯空气混合物，第三种情况为长20cm的管全部填充满相同的燃料。时间历程清楚的显示部分填充燃料的两种不同的压力变化趋势，最初跟20cm全填充的管压力形式相似，然后转向跟50cm全填充的管压力形式相似。文献[15]详细分析了计算结果，得出产生这些现象的原因是因为存在两种不同的膨胀波，一种是来自燃料和空气的分界面反射，另一种则来自管的出口端反射。当这些不同的膨胀波到达推力壁时，压力衰减率不同，因为膨胀波的强度不同。计算基于燃料的冲量通常会有所增加，因为部分填充的燃料量跟20cm完全填充的燃料量一样，但是如果计入空气质量流量那么这种增加就会消失。基于混合物的冲量随燃料量的减少而减少。另一种增加性能的方法是应用喷管。

1.1.1.4 几何外形对PDE性能的影响

研究几何外形主要研究改变喷管和进气道的形状，对发动机整个性能的影响。

由于PDE本身非稳态的特性，对PDE喷管的设计和综合要点提出了更具挑战性的要求。总体系统通过采用高的爆震频率和多管的系统可能达到稳态，但是在这种情况下，为单个推力喷管设计一种有效的普通的流道来排气将更加适用。

目前有几篇关于计算和实验的文献[16-18]研究喷管的作用。Danieu等[18]实验研究了不同形状不同长度的喷管。他们主要研究喷管排出爆震产物，喷管部分并没有可爆混合物，只有空气。他们研究了不同角度的渐扩喷管，都得到了冲量增加的结论。这是由于压力作用面积增加的缘故。因此，采用合适的设计喷管来增加冲量而不用影响最大循环频率是能够实现的。文献[16-18]研究了钟型的喷管，取得了显著的效果。所有对渐缩喷管的研究都显示激波会反射，而且沿上游传播影响燃料的重填充[19]。

目前对吸气式PDE的适当的进气道的研究还没有引起足够的注意，尽管不清楚过去高速的进气道是否可以广泛的应用于PDE。实际上，Butuk等[20]指出，非稳态的PDE和稳态的飞行器进气道的联合需要发展一个关键技术。Pegg等[21]提出两个关于联合问题需要关心的问题：1）旋转阀的突然关闭是否会触发钝体激波或引起进气道的不启动？2）PDE的进口能否建立稳态的激波系。他们做了一个概念性的设计，用一个单一的进气道来引导空气，为多管PDE供气。在这个设计中，一个激波边界层分离系统能在进气道中稳定末端激波并且没有足够的时间来形成激波锤。

旋转阀引入了一个运动的部件及其附属的控制和动力系统，而Butuk等提出了一种不动的部件，基于射流放大器原理的射流阀。Mullagiri等[22]实验了一个超音速进气道，用背压激励来模拟在马赫数为2.5下的PDE的进气道的流场。他们发现进气道内部的压力激振被限制在喉部下游，喉部上游没有观察到不利的结果。

Coleman[23]的研究指出在高空中低的静压会影响PDE进气道总压的恢复，从而影响推进剂的可爆性。随着初始压力下降，胞格尺寸增加，混合物的可爆性下降。吸气式PDE的运行高度受限，除非有一种增压装置。因此，在亚音速和超音速下飞行，优化PDE进气道是一个重要的课题。

1.1.1.5 PDE的控制

PDE工作具有多模态性、PDE模型难以精确化，所以PDE控制中需要应用自适应控制和智能控制技术。有关自适应控制和智能控制技术在其他航空发动机控制中已有应用。自适应控制用于燃油喷射和吸气式发动机非稳定工作控制中，结果证明方法可行[24，25]。模糊控制以及智能控制与滑模变结构结合控制已用于航空发动机控制中[26]，这两种控制系统具有不完全依赖模型的特点。模糊控制与传统控制相结合的控制也有应用。

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1.1.1 PDE的振动响应及试验研究

据现有资料看，国内对PDE的爆震室的振动响应分析方面的资料很少。国外，美国加州理工学院[27-33]对脉冲爆震发动机的结构振动分析方面做得相当完善，分别从理论模型和实验作了大量的研究工作。

目前有几篇处理在内部激波或爆震波负载作用下，求解爆震管响应的几篇文献，用最简单的动力学模型描述了管横截面的径向运动。De Malherbe 等[34]比较了在爆震波负载下这个模型的理论结果和试验数值。Shepherd用横截面理论预测了内部爆震负载作用下的管子的响应。Van de Ven 等[35]分析了在内部灰尘存在下爆震波作用在一非旋转对称的管子上的响应。他们引入了一个试验性方法确定应变的放大系数。Sperber 等[36]测量了由乙炔作为爆震混合物产生爆震波负载的厚壁管应变。他们注意到当静态公式被用于估计最大变形时,尖峰应变比预计的放大系数的值低。

对枪管的试验研究[37]显示负载的传播速度是一个非常重要的参数。当负载的传播速度接近临界值时,尖峰应变幅值是用静态Lame 公式预估值的3倍。进一步的研究[38]显示, 当负载传播速度接近弯曲波组的速度时,移动负载产生的径向运动与弯曲波进行了耦合振动。Beltman 等在对一个薄壳激波负载的结构响应的试验和分析的研究中观察到相同的现象。

Tang[39]引入了一个模型用来预测薄壳在内部受激波负载作用下的响应。通过假设一无限长的管,把问题简化为一“稳态问题”，从而得到一壳体运动的分析方法，这种分析模型在目前的论文中被称为“稳态分析模型”。这个模型预测了临界速度的存在。当压力的移动速度达到临界速度时,径向运动的解变得无限大。很明显,在这种情况下,阻尼,非线性,和塑性变形的存在会成为控制机制。但是,这个模型可以预测在试验中发现的高应变。Tang提出的模型包括了转动惯量和横向剪力的影响。他用特征法给出了有限长度壳体的瞬态响应结果。Riesman[40]发展了一种模型,这种模型包括了预应力对结构响应的影响,并且对一移动载荷和弯曲波的耦合共振如何产生做了完美的解释。Simkins扩展了对厚壁管的分析理论并第一次用这些思想解释了枪管中产生的大应变现象。

Beltman[1]比较了测量的应变信号和仿真的应变信号,得到爆震波速大至在1400—2900m/s之间。通过同时变化稀释度和氢氧氩混合物的起爆压力,Beltman等单独研究了爆震波单元结构宽度和爆震波速。重复的试验证实测量到的应力尖峰值可以再增长2—4%。管子的线性响应通过对不同起爆压力下的测试得到了验证，响应是线性的，并且爆震波单元结构宽度并不起作用,直到它的宽度接近弯曲波的波长时,才会对响应起作用。当单元尺寸和结构波长达到同一数量级时,弯曲波才会明显的表现出来，管子的挠度也达到最大值,为静压力作用下的挠度的3.9倍。

1.1.2 PDE的应用实验研究

除了基础理论研究，PDE已经进入应用实验性阶段。1998年，美国国家航空航天局（NASA）宣布，由其组织实施部分NASA研究机构、加州理工学院、普林斯顿大学、宾夕法尼亚州立大学和多家大公司参与的脉冲爆震发动机模型实验工作取得成功。

2003年美国空军PDE技术中心把爆震管与涡轮组合进行混合实验，但是实验效果不理想；相比之下，2003年，惠.普公司的PDE技术研究取得了巨大成功。惠.普公司设计由5个爆震管组成的PDE与一个增压的空气供给系统直接相连，该系统模拟了M2.5的进口压力和温度条件，每隔0.6ms点火一次，已经能产生2.023~2.669kN的推力[41]。

国内西北工业大学[42-51] PDE研究小组从1994年以来，在国家自然科学基金的资助下，对PDE进行了探索性的研究。用热力学与爆震波理论，阐明了PDE的工作原理，建立了PDE的工作循环及性能分析方法；对脉冲爆震发动机的工作过程进行了数值模拟；进行了近百次的单次爆震波试验；对不同燃料种类（如汽油、煤油、乙炔和空气）对脉冲爆震发动机的性能的影响进行了研究；对填充系数对脉冲爆震发动机的影响作了实验研究；成功的进行了脉冲爆震发动机的原理性试验，为今后脉冲爆震发动机的设计打下了基础。

尽管在过去十多年间，国内外对PDE进行了广泛的研究，但是其研究尚处于实验室阶段，很多关键技术还没有解决，像燃料和氧化剂的喷射和混合问题，起爆时间和起爆能量问题，测量诊断技术，高频下多循环和多管工作，结构载荷与热交换问题，动力学控制，多管控制问题等，距实际应用还有很长的路要走。

绿荷雨丝

当前脉冲爆震发动机，声音NN大，估计是该发动机发展的重要障碍之一值得研究