脉冲爆震发动机总体结构

脉冲爆震发动机模型机所研制的多参数测量系统主要由半导体激光器（脉冲调制输出）、光学传感器、压电传感器、信号调理电路、多功能数据采集卡、计算机以及相关软件组成。

脉冲爆震发动机是一种基于爆震燃烧的新概念发动机，它包括吸气式脉冲爆震发动机和脉冲爆震火箭发动机（PDRE）两类，它们的基本工作原理相同，区别是吸气式PDE从空气中获得氧化剂，而PDRE自带氧化剂。吸气式PDE主要由进气道、爆震室、尾喷管、爆震激发器、燃料供给和喷射系统及控制系统组成。

脉冲爆震发动机（简称PDE）是一种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全新概念的动力装置。PDE具有循环热效率高、燃料消耗率低、结构简单、重量轻、推重比高、比冲大、推力可调等优点，成为当今发动机领域一大研究热点。脉冲爆震燃烧是一种非稳态燃烧，燃烧室中的压力、温度、燃烧产物及组分浓度等参数高频变化，快速、准确地获取燃烧室内参数的变化规律对研究脉冲爆震发动机非常重要。

脉冲爆震发动机是一种新概念发动机，工作原理、关键技术与传统的涡轮喷气发动机迥然不同；工作过程具有非稳态性质，不能采用常规分析方法，也不能采用涡喷发动机结构形式。由于其潜在的军事应用背景，国外对其关键技术严格保密，可借鉴的资料很少。

脉冲爆震发动机（PDE）是21世纪最有前途的革命性航空航天动力之一。它基于爆震燃烧的新概念，具有结构简单、尺寸小、适用范围广、成本低等优点，推重比可达20。PDE既可用作导弹、靶机、诱饵机和无人机的动力，也可用作桨尖喷气旋翼机的动力，未来还有可能用作军民用飞机甚至太空飞行器的推进装置。目前，以美国为首的不少国家都投入大量经费进行研究。

在中国国内外首次成功地进行了两相脉冲爆震发动机原理性试验。系统地研究了点火频率，油气比，脉冲爆震发动机的直径，长度等因数对脉冲爆震发动机性能的影响；探索了发展脉冲爆震发动机的关键技术问题，如脉冲爆震波触发，可爆震混合物的喷射与混合，进气，点火，排气匹配，控制与调节等。尝试了几种强化爆震和缩短由爆燃向爆震转变距离的有效方法。两相脉冲爆震模型发动机工作稳定可靠，寿命较长。建立了脉冲爆震发动机动态过程的测控和数据采集及处理系统。

一是工作方式灵活。超燃冲压发动机和涡轮喷气发动机都必须依靠前方的自由来流提供氧气，而脉冲爆震发动机则能分别以吸气式发动机或火箭发动机(自带氧化剂)的方式工作。后者也称为脉冲爆震火箭发动机(PDRE)。

二是工作范围宽。超燃冲压式发动机不能在地面零速度状态下启动，而且以亚声速和较低M数飞行时，其工作效率不高。而脉冲爆震发动机能以静止的方式启动，可在飞行M数0～12、飞行高度0～50000米的范围内使用，而且推力的大小能够根据需要进行调节，推力范围在0.5～50000千克之间，加速性能也较好。它可作为亚声速、超声速和高超声速飞行器的动力装置使用，而普通的喷气式发动机不具备此种能力。

三是比冲大、耗油率低。普通的脉动式发动机虽然不存在零速度启动的问题，但这种发动机工作时，火焰是以亚声速传播的，燃烧室压力低、比冲小，单位燃料消耗率较高。而脉冲爆震发动机工作时，其爆震波是以超声速传播的，燃烧速度超过M数4，因而燃气压力大(可达10～100个大气压)、比冲大(可超过2100秒)、燃烧温度高(2800℃以上)、耗油率低(单位燃料消耗率小于1千克／千克／小时，与涡喷发动机非加力状态下的耗油率相当，大大低于涡喷发动机加力状态下的耗油率)。

四是可靠性好，使用寿命长。涡轮喷气发动机由于有高速旋转部件，工作环境恶劣，因而可靠性和维修性都不够理想。脉动式发动机虽然结构简单，但使用寿命却较短，有的只能稳定工作十几分钟。而脉冲爆震发动机由于采用间歇式循环(一个工作循环包括进气、喷油、点火、燃烧及排气)，因此其壁温并不算太高，噪音也不算太大，工作稳定可靠，采用普通的耐高温材料就可制造其壳体。它的使用寿命要比脉动式发动机长得多。

五是污染程度低。由于爆震燃烧速度快、效率高、燃烧干净，在空中产生的污染物较少。

六是便于与其他不同类型的发动机(如冲压发动机、超燃冲压发动机、涡喷发动机等)组成适应不同飞行高度、不同飞行速度的混合型动力系统。

这些优点和长处，对飞机设计师和导弹设计师们具有很强的吸引力。

1、爆震的起爆、控制和保持

快速并可地起爆是使PDE获得实用的最重要问题之一，因为高的工作频率和反复的点火次数是PDE正常工作的基本要求。利用爆燃向爆震转变（DDT）过程是近期PDE研究的最佳方案。过去人们对起爆和爆燃向爆震转变的研究多是在静止气体中进行的，并且大部分研究采用很长的激波管，与实际PDE长度不超过2米的条件不符。由于这些数据是在浓度均匀、无温度梯度的混合物中单次爆震的结果，与多次爆震的情况几乎完全不同。另外，实际PDE的工作频率很高，混气流速很快，低频下的结果很难作为高频下的设计依据。因此，要发展PDE，还必须进行大量试验，解决起爆难题。包括起爆能量、DDT方法、DDT的强化、爆震从受限环境向非受限环境的过渡等。

2、液体燃料与氧化剂的雾化、喷射、掺混

对于燃用液体燃料的PDE来说，燃料的喷射、掺混和点火相当困难。具有快速反应、高质量流率和有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、重量、体积和功率等方面的要求。因此，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。

3、PDE辅助系统的设计

实际应用的PDE应包括几个爆震室，它们与共同的进气道和喷管相连，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。作用于PDE爆震室末端的封闭壁（推力壁）上的爆震压力使化学能转化为动能。PDE需要起爆和流动控制的辅助动力系统，并且还可能包括用于特殊用途的动力提取系统。此外，PDE还需要设计快速动作、具有飞行重量的推进阀与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、进口/爆震室接口的设计

由于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，因此最佳的进口/爆震室接口设计存在巨大的困难，因此需要研究PDE与混合压缩超音速进气口间高效一体化的方法。

5、高性能喷管的设计

6、多个爆震管的动力耦合

由于推力不稳定，实际应用的PDE需要采用高频（大于80赫兹）的多管结构，而多管爆震燃烧室间存在动力耦合的问题。

7、冷却问题

爆震波后热燃气的速度极高，引起管壁热量的增加，因此必须采取高效的冷却措施。

8、爆震现象的精确理论分析

用真实化学模型和分子混合模型进行先进的数值模拟和多部件的爆震模拟，对深入了解爆震燃烧的机理非常重要。PDE的试验技术与传统发动机的不同，如需要采用激光测速技术对气流进行测量等。

9、混合PDE的设计

可利用涵道空气、涡轮机械，可能需要主动噪声抑制。