更新时间：2024-09-21 08:11
脉冲爆震发动机 (Pulse 爆轰 Engine，PDE) 是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机。一般由进气道、爆震室、尾喷管组成。具有热循环效率高、 燃料消耗率低、 结构简单、 尺寸小 、 推重比高 、 比冲大 、 适用范围广等优点。
早在1940年德国Hoffmann等人就对脉冲爆震发动机进行过试验研究。20世纪80年代中期，PDE进入了实质性发展阶段。90年代，PDE进入了全面发展时期。在2016年8月，俄罗斯率先成功完成新一代采用生态环保液体燃料的脉冲爆震航天发动机测试。
脉冲爆震发动机近期可作为微型动力系统、 靶机、 诱饵机、 小型空中机器人、 低成本导弹、 精确制导导弹的动力装置； 中期可作为巡航导弹动力装置、 高超声速隐身侦察机， 以及空间作战平台的姿轨控发动机； 远期可以作为战略飞机、 空天飞机的组合动力装置及登月飞行器、 星际旅游飞行器或入轨飞行器的动力， 将给空间运输带来一次革命。
早在1940年德国Hoffmann等人就对脉冲爆震发动机进行过试验研究。20世纪50年代，美国的Nicholls等开展了脉冲爆震推进的可行性试验研究。 但由于缺少经费， 20世纪60年代末终止了将爆轰燃烧作为替换火箭推进装置的探索性研究。70年代， 原苏联Korovin研究过工业型脉冲爆震反应器。频率为100 Hz， 证明该脉冲爆震反应器工作是可靠的。
1980年，苏联报道了将脉冲爆震装置用于非推进领域。1981年Korovin等人研究了在脉冲爆震反应器中进行氮气的氧化反应的效率。起爆频率为2~16Hz，反应器工作了 2000h。
在20世纪80年代美国海军研究生院对PDE进行了新的探索， 在进气方式方面有了新的改进， 使PDE用于飞行器迈出重要的一步。80年代末， 90年代初， 美国NASA AMES研究中心， 美国国际科学应用公司 (SAIC)对脉冲爆震发动机热力循环， 内外流场进行了数值模拟， 为PDE的设计和试验提供了有力的工具
20世纪90年代，PDE进入了全面发展时期。
中国从事PDE研究的单位主要有西北工业大学、南京航空航天大学、中科院力学所、南京理工大学等单位。西北工业大学从1994年起，在国家自然科学基金资助下，开始PDE 的探索性研究，到目前为止，在PDE基础理论研究和实验研究两方面均取得了一定的进展和研究成果。南京航空航天大学自1996年开始致力于脉冲爆震发动机(PDE)方面的研究，经过几年的努力，课题组在2000年就初步建立一套PDE理论及实验研究体系。
在1996年和1997年召开的第32届和第33届AIAA、 ASME、 SAE、 ASEE联合推进会议上， 美国航空航天局兰利研究中心和洛克希德·马丁公司提出用PDE代替涡轮冲压喷气发动机的思路， 美国国际科学应用公司也提出了PDE的发展战略， 并指出PDE将对21世纪的航天和航空飞行器产生深远影响。
美国空军从1998—1999财年共投入156万美元研究用于下一代侦察/攻击飞行器 (有人和无人) 及吸气式推进器的PDE技术。 主要研究在涡轮风扇发动机的外函采用脉冲爆轰燃烧， 以去掉发动机的加力燃烧室。 1999年5月， 美国海军研究办公室 ( Office of Naval Research， ONR) 启动了为期五年的有关PDE的核心研究计划和大学多学科研究创新计划 (MURI)， 投入1269万美元， 研究使用一般液体燃料的、 能从亚音速到马赫5的低成本、 结构简单的战术导弹用PDE推进系统， 参与该计划的有六所大学， 每年约获得260万美元的研究经费。
进入21世纪， 美国更是动用政府机构、 军方、 私营公司和大学等20多家单位参与了PDE的研究。 通用电气已经于2002年6月运行了一台PDE ， 并产生了推力， 2003年确定PDE验证机的结构， 2003—2004年进行了设计工作和早期的部件实验， 2005—2006年运行了全尺寸的验证机。2004年， 美国空军研究实验室使用一种超临界燃料喷射系统实现了JP-8燃料在空气中的爆轰， 该喷射系统不但结构简单， 而且燃烧不会积碳， 并于同年秋， 成功完成了世界上第一架以PDE为动力的有人驾驶飞机的地面声学和振动试验。 同年， 美国还将PDE装在F-15B研究型飞机上做冷流试验， 试验进气道、 吸气阀和喷管等重要部件。 美国空军于2008年1月31日首次以PDE为动力， 在改进型的Long-EZ飞机上进行了成功的飞行演示试验。 2009年初， 由惠普和波音公司联手推出的PDE样机ITR-2在海军航空武器中心进行了实用性验证。
俄罗斯在PDE基础研究领域进行了大量研究，1998年9月，在俄罗斯举办了爆轰实验与计算国际讨论会，就起爆、爆震波结构和传播、爆震现象应用以及先进燃料的爆震性等问题进行了讨论，会上俄专家发表了大量文章。2016年8月，俄罗斯率先成功完成新一代采用生态环保液体燃料的脉冲爆震航天发动机测试。俄罗斯留里卡试验设计局于2017年研制出两级燃烧脉冲爆震发动机并已完成试验， 发动机功率比传统的喷气发动机提高了1.5倍。
2000年，法国开始了用于低成本的导弹、空中机器人或无人战斗机的液体燃料PDE的研究。计划用几年时间开始全尺寸的PDE实验，预计研制这种PDE的费用不超过800万~1000万欧元。
加拿大的研究集中在采用JP-10液体燃料的多循环吸气式PDE的理论和试验评估上， 发展低成本导弹、 无人侦察机用PDE。
2000年，日本开展了以氢和碳氢燃料在内的多种燃料的PDE的数值模拟和实验研究。日本筑波大学于2007年研制的一台脉冲爆震火箭发动机已在导轨上成功试车。
脉冲爆轰发动机通常由进气装置、爆震室、尾喷管、推力器、爆震起爆及频率控制系统、燃料供给和喷射系统及控制系统组成。从爆震室前段 (封闭端) 喷入燃料， 与从进气装置进入的空混合形成可爆混气， 通过靠近爆震室后端的各单个“爆震管”激发产生爆震波。
为PDE 循环的工作过程示意，主要分为 4 个阶段：
1、进气过程：PDE 进气阀门开启，可燃混气填充进入爆震管，此阶段通常也会与扫气过程同时进行；
2、爆轰波的形成与传播：进气过程结束后通常在 PDE 的封闭端进行点火，典型的 PDE 采用缓燃向爆震转捩的方式完成爆震波的触发(下图第 3、4 阶段所示)；
3、膨胀与排气过程：当爆震波到达 PDE的出口，由于燃烧产物压力与环境大气压力的不同会产生一系列的稀疏波向爆震管封闭端传播，同时高温高压燃气从开口端排出（下图第 5、6 阶段）；
4、扫气过程：为防止下一循环中新鲜混气与高温残留燃气接触发生自燃，可以填充一部分纯空气或者惰性气体来吹除残余燃气，但实际 PDE 工作中经常把此过程与进气过程同时进行，最典型的如采用自适应进气控制的气动阀式 PDE。
采用脉冲爆轰技术的推进系统有不同结构形式，根据侧重点不同，可以分为不同类型：
①按照爆震管的数目可分为单管/多管脉冲爆震发动机。
②按照燃料形式可分为气相/液相燃料爆震发动机。
③按照氧化剂的来源可分为自吸气式/火箭式脉冲爆震发动机。
④按照用途大致可以分为“纯”脉冲爆震发动机——由爆震管、进气道、尾喷管组成的最简单的系统；组合循环脉冲爆震发动机——脉冲爆震发动机与涡轮喷气发动机、冲压喷气发动机、超燃冲压发动机、火箭发动机等动力装置组合而成，在不同的速度范围内工作，以优化整个系统性能；混合脉冲爆震发动机——通常是把脉冲爆震发动机与涡喷或涡轮风扇发动机相结合，如在外涵道或加力段使用爆震燃烧室，用爆震燃烧代替定压爆燃燃烧。
脉冲爆震发动机是利用间歇式或脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气来产生推力的一种新概念发动机。因此， 脉冲爆震发动机的性能特点在很大程度上是由爆震波的特性所决定的。爆轰是一种具有比爆燃能量更高和猛烈的燃烧现象， 以超音速传播的爆震波， 与一般喷气发动机中使用的以亚声速传播的爆燃波不同， 它能产生高温 (高于2 000℃) 、高压 (大于10～100 atm) 、高速燃烧与释热 (M\u003e4) 的燃气。同时， 由于爆震波传播的高速特点， 其燃烧过程可看作是等容燃烧过程， 因此热效率高。据此， 脉冲爆震发动机具有如下性能特点：
1、 脉冲爆震发动机的推重比高 (大于20) ， 单位体积的发动机推力大。由于爆轰波能产生高温、高压气体， 因此， 就不需要像在传统的涡轮喷气发动机中的那样用压气机来压缩空气以提高压力， 所以脉冲爆震发动机不需要压气机， 自然也就不需要涡轮， 而且供燃料时燃烧室内仍为低压， 故也不用涡轮泵。由于没有高速旋转部件， 在同样的推力下， 脉冲爆震发动机比火箭与冲压喷气发动机还要轻， 比涡喷发动机更轻， 而且结构简单， 制造成本也低得多。
2、循环热效率高， 燃料消耗率低， 而且比冲高。由于脉冲爆震发动机的工作循环为等容循环， 因此， 循环热效率高， 燃料消耗率低。如在压比为6时， 等容循环的热效率比等容循环的热效率高30%～50%。假定在同样的推进效率下， 在发动机中用爆轰反应代替爆燃过程， 能降低燃料消耗率30%～50%。脉冲爆震发动机的比冲可大于2 000 s， 而脉动喷气发动机虽然省燃料， 但热效率低， 比冲不高。
3、工作范围宽广， 且推力可调。脉冲爆震发动机可在M0=0～10， H=0～ (30～50) km的飞行范围内工作， 且推力可调。由于它能在宽广的速度、高度范围内工作， 所以脉冲爆震发动机是组合式推进系统的理想候选者。
4、增低。以天然气为例， 爆轰等容燃烧的熵增比爆燃等容燃烧 (脉动燃烧) 低9%， 比等压燃烧低35%。熵增低意味着不可逆过程的做功能力大， 使得接近等容的燃烧过程有较高的热力学效率。
尽管脉冲爆震发动机已经历了几十载的发展， 并研制出了性能优异的试验验证机， 但距离投入到实际应用， 研制出基于PDE的成熟飞行器仍有较大的距离， 主要是因为脉冲爆震技术的推进系统要进入实用阶段还面临着诸多技术挑战。 主要关键技术如下：
1、爆轰的起爆、 控制和保持
脉冲爆震波的高频触发与起爆是PDE工作的关键， 如何以小的点火能量在液体燃料和空气混合物的高速流动中产生频率可调的爆震波是首先要解决的难题。 在实际尺寸推力管中， 爆震的起爆和保持非常困难， 利用爆燃向爆震转变 (滴滴涕) 过程是近期PDE研究的最佳方案。 过去的研究及数据是在浓度均匀、 无温度梯度的静止混合物中单次爆震的结果， 与多次爆震的情况差异极大。 另外， PDE的工作频率达到100 Hz以上才能投入到实际应用中， 而过去的试验都是在低频下进行的， 其结果很难作为高频下的设计依据。 因此， 要发展实用的PDE， 必须解决爆轰的起爆、 控制和保持这个技术难题， 包括起爆能量、 滴滴涕的方法、 DDT的强化、 爆震从受限环境向非受限环境的过渡等。
2、燃料与氧化剂的选择、 喷射与掺混。
考虑到燃料的安全储备条件， 必须对PDE燃料进行精心选择， 以满足其特殊的性能要求， 典型的航空燃料 (如JP-10) 及碳氢化合物燃料是目前的主要选择。 而液体燃料和氧化剂的喷射、 掺混和点火也是PDE面临的关键难题之一。 具有快速反应时间、 大质量流率和高度可控性的喷射系统对满足PDE的高频运行十分重要。 喷射系统必须满足成本、 质量、 体积和功率等多方面的要求。 应研究与气体和液体燃料喷射、 掺混有关的物理、 化学和热力特性。 其关键问题包括： 燃料与氧化剂的喷射与混合方式及有效性； 燃料与氧化剂的喷射速度与爆轰起爆频率的匹配与控制； 爆震燃烧对液滴尺寸、 燃油浓度分布的要求等。
3、PDE辅助系统的设计
PDE要投入实际应用中， 需要多个爆震室并联来产生强大的推力。 多个爆震室使用共同的进气道和喷管， 而爆震过程对化学计量、 粒子液滴尺寸、 当地混合度等非常敏感， 因此进气道设计存在巨大的困难， 需要研究进气道与多管爆震室高效一体化的方法。 而且实际应用PDE系统还包括增压燃油储存和供应系统、 燃油/空气喷射系统和起爆系统以及推进剂喷射系统。 此外， PDE还需要设计快速动作、 具有飞行质量的推进阀、 燃料阀和控制系统部件， 以及先进的燃烧控制系统、 有效的进口与喷管、 考虑系统特殊零件综合设计方案。
4、脉冲爆轰间歇式燃烧方式与供油、 供气、 排气之间的匹配
脉冲爆震发动机的工作特点是间歇式的、 周期性的。 燃料与空气间歇式供给， 点火系统适时点火， 阀门准确地开和关需要有效匹配。 匹配好坏直接影响脉冲爆震发动机的可靠工作和性能优劣。
5、计算机仿真及热力循环分析 (有效循环分析)
发动机内的流动过程非常复杂， 在恶劣的高温、 高压环境下， 燃烧和工作过程不易稳定， 而目前还缺乏可靠的模拟计算方法对其进行深入、 精确的理论研究与热力循环分析。 对PDE的研究主要依靠CFD仿真方法， 可较为深入地研究起爆能量、 点火位置、 喷管形式、 填充比等参数的影响规律。 在对爆震波的物理实质研究取得突破之前， 还需进一步研究并改进各种CFD模型[14]。
6、飞行器整体性
PDE是非稳态工作的， 在工作期间会产生强烈震动， 若要使PDE真正投入实际应用， 必须研究在强振动环境下， 保证PDE与飞行器及其它设备 (如导航系统或光学侦察设备) 具有良好的兼容性。 要根据预计的传感器分辨力、 设备稳定性以及采样延迟等因素仔细确定阻尼系统， 仔细研究这些关键问题以确定全尺寸样机。
在军用方面，PDE近期可作为空中机器人、靶机、诱饵机、靶弹、精确制导弹药的动力装置，以及小运载的上面级发动机；中期可作为高超声速隐身侦察机、巡航导弹动力装置，以及空间作战平台的变轨发动机和姿态控制发动机；远期可以作为战略飞机、空天飞机组合动力装置。
PDE作为一种新概念发动机， 具有循环热效率高、 结构简单、 质量轻、 推重比高、 适用范围广等性能优点， 从已经取得的试验成果来看， 有良好的发展与应用前景。 其中， 纯脉冲爆震发动机主要用于军用一次性或高性能的飞行装置； 混合式脉冲爆震发动机可应用于超声速飞行器； 组合式脉冲爆震发动机可应用于航天和其它高超声速飞行器。
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