1、中国脉冲爆震发动机技术研究发展现状主讲人：李光宇上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 2 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状一、简介脉冲爆震发动机 （ Pulse Detonation Engine， PDE）是一种 利用脉冲式 爆震波 产生的高温、高压燃气来 产生推力的新概念 发动机。 特点： 热 循环效率 高、燃料消耗率低、结构简单、重量 轻 、 推重比 高、比冲 大等优点。 用途： 战略飞机、无人机、导弹的 动力装置轨道 转移发动机、行星着陆发动机以及 航天器 姿态 控 制 、卫星机
2、动的动力装置等上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 3 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状二 、 PDE 工作 模式及研究2.1推进系统分类：火箭式 、吸气式、 组合 循环以及混合循环 4 种 方式 火箭式： 脉冲爆震 火箭发动机（ PDRE） 需自 带 氧化剂 吸气式： 吸气式脉冲爆震 发动机（ APDE）以 空气为 氧化剂 组合循环： 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 混合循环： 采用脉冲爆震燃烧室（ PDC）与 涡
3、轮 机械相组合的 方式， 用 爆震燃烧 代替定 压燃烧上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 4 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 5 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状2.2核心技术爆震 起爆 及与之相关的燃料 喷射与混合 技术 是 PDE 发展过程中的核心 技术点火与起爆：直接 起爆需要极大的火花放电能量，工程应用 中难以实现，因此 国内目前均采
4、用由爆燃向 爆震（ Deflagration to Detonation Transition， DDT） 转变的 间接 起爆 方式。然而 ， 火花放电能量 仍然相对较小，研究者也尝试采用 热射流 点火 等方式 来强化起爆 效果， 但该方式明显增加了系统 的复杂性 和结构质量，因而在工程中的实现方式尚待 研究。上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 6 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状DDT 过程：如果 DDT 距离较短，则爆震管中等容 燃烧 方式的比例增大，发动机的热循环效率提高；反之
5、，发动机 的热循环效率 降低。那么如何缩短 DDT距离？增大 了爆震 管内流动的湍流强度， 加速了化学反应 速率上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 7 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状燃料的 喷射 与混合 技术：目前 PDRE 采用 旋流进气，燃油喷射后与旋流气体快速掺 混； APDE则 采用直流和旋流进气 2 种方式，通常通过压力雾化喷嘴 进行燃油喷射，能够在进气道上、下游进行掺混 。可靠 的 点火起爆 、精细的 燃油雾化 、与氧化剂的 快速掺混 ，以及由此带来的 DDT 距离的缩短
6、，共同 促进了 爆震频率的加快 ，目前以汽油 / 空气为燃料的 原理性 PDRE 的最高工作频率可达 66Hz； 以煤油 / 氧气为 燃料的 PDRE 最高工作频率可达45Hz。上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 8 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状目前 APDE 进气道结构通常 为带有中心锥的环腔 结构 ，旨在减小进气流阻，并增大爆震产物前传的 反向流阻 ，从而实现工程需要的 “ 单向阀 ” 功能。虽然 目前 所发展 的 APDE 已能稳定工作，且最高爆震频率达到 40 Hz 以上，
7、 但所采用的 “ 单向阀 ” 进气道结构 仍然存在 较大技术问题，主要在于 进气流阻 相对较大， 而对于 燃气的反向封闭效果并不理想，这将显著 降低 APDE 的推进性能 。由于 APDE 进气道对于混合循环及组合循环 PDE 的成功 研制也具有重要意义，因此， APDE 进气道 及其与 爆震管的耦合技术将是当前及未来亟待解决的 技术 问题。上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 9 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状增推技术：研究 表明，在爆震管内使用障碍物可显著 缩短 DDT 距离，但同
8、时也将发动机比冲减小了超过 25 。 这一结果显示了较为矛盾的设计准则：高效的起爆 要求 具有足够的障碍，但过多的障碍会引起很大的 压力损失。增推结构和 方法：喷管 、部分 填充及 引射器 等，或采用其组合方式其中 所采用喷管包括收敛、 扩张和 拉瓦尔喷管，而部分填充相当于使用了不同长度 的等 截面直喷管。研究表明，收敛、拉瓦尔喷管和部分 填充 都不同程度地增大了发动机推力， 而扩张喷管上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 10 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状的增推效果并不明显 。技术
9、难点：采用 喷管 和 部分填充 方法 是通过 延缓高温高压燃烧产物排放速度，从而延长其 在推力 壁处的作用时间而增大推力的，但这与加快 发动机工 作频率相矛盾 。采用 尺寸和 位置适合 的 引射器结构 也能明显增大发动机推力，但这 将增大 发动机的迎风面积、长度和结构质量。上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 11 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状2.3性能 分析与数值模拟PDE 性能研究 方面：目前 初步建立了 APDE和 PDRE 性能 分析模型， 并分析了在不同飞行 状态下 PDE
10、 性能的变化规律，研究中也考虑了进气道 和喷管 的影响，发展了初步的脉冲爆震发动机 结构设计方法。数值模拟 研究 方面：主要 采用 商用 FLUENT 软件或开放的 DUNS 程序对于进气道流场 、 DDT 过程、排气过程以及喷管和引射器流场进行 了数值模拟 ，也有研究对于单管和多管 PDE总体流场进行 了数值模拟，分析并解释了与爆震相关的复杂 的波动 / 流动现象与 机理 。上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 12 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状多管并联 PDE：具有 推力平稳 、
11、 推力调节范围 宽广 、 对进气道及喷管的影响小 等诸多优点，因此 具有重要 的工程价值。上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 13 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状三、总结经过 近 20 年的发展，中国对于脉冲爆震 发动机的一些关键技术已 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 。但在 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。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。上海市应用数学和力学 研究所Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics 14 中国脉冲爆震发动机技术研究 发展 现状谢谢！
