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本文2009201222收到，作者系中国燃气涡轮研究院工程师
嵇晓昱
摘 要 基于脉冲爆震发动机分析模型，研究了爆震频率对脉冲爆震发动机推力的影响、引射器对推力增益的影响、隔离段和部分填充对脉冲爆震发动机性能的影响及脉冲爆震发动机的飞行性能。 关键词 发动机 爆震发动机 爆震 性能分
析
引 言
脉冲爆震发动机(P DE )是一种利用周期性爆震波来产生推力的新概念推进装置，其爆震燃烧热效率高于等容燃烧和等压燃烧，发动机的经济性能优于传统的喷气式发动机。爆震燃烧过程为间歇性、周期性的非稳态燃烧过程，因而产生脉动的推力，但当爆震频率大于100Hz 时，可近似地认为其工作过程是连续的，产生的推力也可近似地认为是连续的。 1 PD E 工作过程
P DE 工作原理如下:
1)爆震室充满了易爆燃料/氧化剂混合物;2)在爆震室封闭端(推力壁)起爆,C 2J 爆震波 传过爆震室;
3)爆震波排出爆震室，爆震室中充满高温高压的燃气;
4)膨胀波从爆震室敞口端向封闭端传播时，燃气排出爆震室;
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，等待吹除余下的燃气，接着重新补充可爆混合物，开始新的循环。
2 P D E 性能参数计算
衡量P DE 性能的主要参数指标为发动机的推
力F -
、比冲I sp 和单位燃料消耗率sfc 。推力、比冲越高，单位燃料消耗率越低，则P DE 的性能就越好，反之，则越差。
P DE 的冲量、体积冲量、平均推力、比冲和燃
料消耗率公式可以表示如下:
I =
∫
T
A ΔP (t )d t
I V
=I/V F -
=If =I V V f =I v A f l c
I s p
=I ρ1V g =F -ρ1V gf =I v ρ1g
sfc =3600W f /F
式中,I 为冲量,I V 为单位体积冲量，是一个与体积无关的PDE 特性参数,I sp 为比冲,F -
为平均推力,
W f 为发动机燃料的质量流量(kg/h )。
ΔP (t )为作用在推力壁上的瞬时压力与爆震管外环境压力之差。f 为发动机爆震频率,A 为爆震室内横截面积,
l c 为爆震室长度,V 为可爆混合物充填空间，如果混
合物完全充满爆震室，则V =A l c 。ρ1为混合物密度,g 为重力加速度。由上式可知，爆震发动机平均
·25·飞航导弹 2009年第7
期
推力与爆震频率成正比。但是爆震频率不能无限增加，对一台既定的发动机，存在一个理论最大爆震频率f max ，它与最小循环时间成反比，即:
f max =
1
t cycle
由文献[1]I V =
k
ΔP 3v CJ
,ΔP 3为作用在推力壁上的平
均压力与爆震室外界压力之差,v CJ 为爆震波传播
速度，对一定燃料，一定油气比的PD E ,ΔP 3,v CJ 皆为定值,k 为经验系数，一般可取4.3
[1]
。因此,
I V 为一常数。
最小循环时间t cycle 可由隔离段ΔL 填充时间
t is olate 、混合物填充时间t fill 、爆燃向爆震转变的时间t D D T 、
爆震波在爆震管内的传播时间t detonation 及燃烧产物排空时间t exhaust 组成。其中隔离段ΔL 填充时间
t is olate 由隔离段长度和填充速度v fill 确定，混合物填
充时间t fill 由爆震室长度l c 和填充速度v fill 确定，爆震波传播时间等于爆震室长度l c 和爆震波传播速度
v CJ 确定。又经试验表明,t exhaust =9t det onation ,t D D T =
14m s ～15m s
[2]
，即:f max =
1
t cycle
=
1
ΔL
v fill
+
l c v fill
+t D D T +
10l c
v CJ
3 爆震频率对推力的影响
P DE 的工作原理决定了它不是稳态的推进系
统，发动机的很多性能取决于其爆震频率，尤其是推力。因此，提高发动的爆震频率有着非常重要的意义
[2]
。
1)爆震频率越高，它能产生的推力也就越大,
推重比也就越高。
2)P DE 的工作频率越高，它就越近"稳定"状态，造成的震动就越小，对延长载机的工作寿命有益。
abs0823)爆震频率高，发动机噪音对人体的伤害较
小。
4)爆震频率越高，发动机的进气越稳定，可以
电路板的制作更好地匹配稳态进气道。
5)高频工作发动机内壁温度变化小，热疲劳小。如果发动机爆震频率无法提高，推力太小,P DE 的优点就无法体现。当发动机的进气、供油、
雾化、点火等结构一定时，发动机的长度将对发动
快速运输机的性能有很大的影响，发动机的最大净推力和对应的最佳工作频率随着爆震管长度的增大而降低。缩短爆震室的长度可以提高爆震频率。但这不意味着为了提高爆震频率可以一味缩短发动机的长度。发动机的最小长度受到爆燃向爆震转变距离(DDT )的限制，爆震室长度必须大于DDT 距离。4 引射器的推力增益
引射器是置于P DE 爆震室后部的直管段，根
据需要，可以有不同的引射位置(引射器入口到发动机出口的距离)、不同的入口形状和不同的内径比。引射器可以产生引射，而且可以产生推力增益。内径一定的直管引射器在不同爆震频率下有不同的推力增益，当爆震频率较低(15Hz 以下)时，推力增益幅度较小，引射量也较小；可是随着爆震频率的增大，引射增推效果逐渐明显，当工作频率上升到20Hz 时，引射器开始稳定工作，当频率达到30H
z 时，引射器的推力增益趋于稳定，推力增益基本在60%～65%之间。
引射器的直径一定时，存在着一个最佳长径比4.58，当引射器的长径比低于这个值时，推力增益随着长径比的增加而增加，基本是线性增加，但是当引射器的长径比大于这个值时，推力增益增加不大，基本保持在57%，持续增加长径比反会增加引射器的质量。
5 隔离段对P D E 工作特性的影响
根据P DE 的工作过程，对P DE 的工作周期进行定性的时间划分，目前，对于气态混合物的爆震研究较多。在气态燃料的P DE 研究中，隔离段的作用显得尤为重要。隔离段可以保证P DE 正常的周期性工作，新的循环开始即新鲜可爆混合物充填之前，需要充入一定量的不可燃气体，以吹除上次循环的高温燃烧产物，防止新循环的可爆混合物提前着火进而发展成为爆燃。国内外相关研究中隔离段的控制一般是通过高频电磁阀控制燃料来实现。国内相关研究结果显示两相爆震燃烧可以不用空气吹除段，采用自适应控制燃料供给。
·
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期
如果为液体燃料，发动机又为小管径P DE，即便没有隔离段，也不会发生连续燃烧，这是因为:
a)液体燃料在形成可爆混合物之前需要雾化、蒸发和掺混。燃料最初进入爆震室大部分以液滴形式存在，当液滴和燃气接触后，首先吸收周围环境的热量开始蒸发，同时燃气温度开始下降，这样的热量交换使得混合物不可能很快地达到自燃温度。
b)小管径的P DE爆震室散热率高。这是因为散热面积与容积之比和管径成反比，即同等条件下，管径
越小，散热率越高。上循环的高温燃气的一部分热量传递给爆震管壁面，经过爆震管的导热和外表面与周围环境的对流，热量向外界环境散热；燃气温度的降低使得新鲜混合物需要一定的着火感应时间。
c)小管径的P DE的内部空间小，均匀混合物容易形成，热量和质量交换在整个空间进行，不会因局部混合物形成质量较好引起自燃而提前着火；而对于大管径的P DE，在同一截面上存在过贫、过富或油气比恰当的区域，如果局部混合物形成质量比较好，当与高温燃气接触后，容易引起局部自燃。
对于小管径P DE，两相混合物爆震燃烧可以不设置空气隔离段。也就是说，对于定长的混合物充填，在P DE的一个工作周期内可以省去隔离段充填的时间，从而缩短了P DE的周期，增大了P DE 的频率，进而可以增大推力。对于大管径P DE，由于存在爆燃的可能性，不宜取消隔离段。
6 部分填充对P D E性能的影响
P DE部分充填时的工作过程如右图所示，当经压缩后的工质开始充填爆震室时，一开始先不喷燃料，这部分工质为隔离气体(Purge Gas)，充填一部分隔离气体后，燃料开始喷入与工质掺混。对于部分充填工作方式的P DE，充填结束、点火之前爆震室内的工质状态如下图(a)所示，此时AB段为可爆混合物,BC段为隔离气体,B为交接面；当点火起爆后爆震波形成，并在爆震室内传播(图(b))；当爆震波到达B处时(图(c))，忽略工质流动对交接面的影响)，可爆混合物反应完全，化学能转化为AB段工质的内能
和动能，此后AB段的工质开始膨胀，并对BC段的隔离气体工质做功传热，最终所有工质从喷管膨胀喷出。
从热力循环的角度对下图部分充填时P DE的工作过程进行分析可得,P DE的循环工质可以分成两部分，一部分是参与爆震燃烧的AB段工质(可爆混合物)，一部分是隔离气体BC段工质。AB段工质的加热量由爆震燃烧放热量决定,BC段工质的加热量由AB段工质对其做功和传热来实现。最终AB段工质和BC段工质通过喷管进一步膨胀到初始状态
。
部分充填的工作方式会降低发动机总的热力循环效率，这意味着当采用爆震燃烧取代现有等容燃烧或燃气涡轮等压燃烧进行功率输出时，应避免这种工作形式；但另一方面，由于部分充填的工作方式使爆震燃烧释放的能量在燃烧产物和隔离气体间重新分配，这种工作形式最终提高了发动机的总效率，其对提高P DE的推进性能是有利的。
填充系数(β)是指每次起爆时可爆混合物填充爆震室的体积(V
f
)与爆震室的总容积(V t)之比。在等截面爆震室中，即可爆混合物填充爆震室的长
度(L
f
)与爆震室的总长度(L t)之比。在等截面爆震
室中，存在一个临界填充系数(β
恒温阀门
cr
)，即爆燃到爆震热转印墨水配方
转变距离(L
DD T
)与爆震室总长(L t)之比(βDD T)。
β
cr
=βDD T=L DD T/L t
当填充系数降低到小于该临界值时，发动机出现连续燃烧、振荡燃烧或熄灭现象。当填充系数大于该临界值时，如果发动机几何尺寸及可爆混合物流量一定，随着填充系数的减小，单个爆震波的冲
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量逐渐减小，但发动机的平均推力逐渐增大，当填充系数降到临界填充系数时，发动机冲量达到最大。一般情况下，随着填充系数的减小，以混合物质量为基础的比冲减小，而以燃料质量为基础的比冲增大。部分填充是实现对P DE 推力调节的一种手段，采用部分填充方式可以提高P DE 的燃料利用
效率，因而适用于飞机巡航飞行状态，当飞机需要以最大推力飞行时，爆震室应处于完全充满状态。当发动机长度一定时，部分填充缩短了发动机的进气时间，而对其后从点火过程到排气过程的作用时间基本无影响。7 PD E 飞行性能
在飞行高度保持不变的条件下,PDE 的推力F
-
和比冲I sp 随飞行马赫数的增加而增大，而单位燃料消耗率sfc 会随飞行马赫数的增加而减小；在飞行马赫数保持不变的条件下,PD E 的推力F -
和单位燃料消耗率sfc 会随飞行高度的增加而减小，而比冲I s p 随飞行高度的增加而增大。带喷管或不带喷管，上述规律基本上一致。但带喷管后的P DE 的推力和比冲相应增大，单位燃料消耗率相应减小,P DE 的性能显著提高。8 结 论
爆震频率直接影响发动机性能，爆震频率对P DE 的平均推力有重要影响，爆震频率越大，则推
力越大。对小管径两相混气脉冲爆震发动机，隔离段可以取消，而且部分填充可以有助于脉冲爆震发动机的调节。此外，随着飞行速度增加，脉冲爆震发动机的飞行性能随之提高。
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(上接第51页)
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