[发明专利]一种脉冲预引爆可稳定工作的爆震发动机

说明书

本发明为一种脉冲预引爆可稳定工作的爆震发动机，包括预引爆燃烧管（1）、螺旋叶片（2）、燃料空气预混室（3）、负极增压基（10）、正极转动增压基（13）、预混室内螺旋导流条（14）、预引爆燃烧管外螺旋导流条（15）、高压点火控制ECU（19）、爆震喷管（22）。预混室内螺旋导流条（14）与预引爆燃烧管外螺旋导流条（15）使可爆混合气能够充分混合并形成涡旋气流，在汇聚点被燃烧中的气流点燃，发生爆震，确保可爆混合气万无一失发生爆震。具有如下优点：（1）能够解决爆震的起爆、控制和快速保持；（2）能够实现液体燃料与氧化剂的雾化、喷射、掺混；（3）可以产生稳定推力，并可实现高频工作。

技术领域

本发明涉及一种动力机械，特别是一种脉冲预引爆可稳定工作的爆震发动机，属于航空动力技术领域。

背景技术

脉冲爆震发动机(PDE)在燃烧室内直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩气体，进而产生动力。与传统发动机相比，脉冲爆震发动机省去了压气机、涡轮机等部件，具有结构简单、推重比高、成本低廉等特点。未来无论是火箭、导弹，还是空天飞机都可以使用脉冲爆震发动机，它也被认为是21世纪最有潜力的空天动力项目。

PDE的基本工作步骤包括四个步：第一步，把爆震燃烧室充满可爆混合物，第二步，在燃烧室的开口或闭口端激发爆震波；第三步，将爆震波在燃烧室内传播，并在开口端排出；第四步，把燃烧产物通过一个清空过程从燃烧室中排出。PDE具有以下优点：结构简单（无涡轮等旋转部件）、尺寸小（不大于2米）、适用范围广、成本低、可在低速下使用、燃烧效率高、高速性能优越。据估计，PDE的推重比可达20，马赫数范围0~10（吸气式为0~3或5），飞行高度范围0~50km，推力范围0.5kg~50000kg，耗油率小于1kg/kg*h。脉冲爆震发动机没有容易损坏的旋转部件，因此结构更简单、维护更容易。此外，PDE可采用现有材料和用现有工艺生产。预计，PDE的成本可比超音速涡轮发动机价格便宜75%。PDE是目前惟一一种能以双模式工作的发动机概念，它可以吸气式和火箭式两种模式工作。例如在Ma数0~3和更高的范围内以有效的吸气式推进，然后以脉冲爆震火箭模式工作。因此，PDE是未来军用和航空航天运输领域有前途的新概念发动机。

技术难点

尽管PDE的概念在实验室已得到了验证，但还有以下技术问题需要解决：

1）爆震的起爆、控制和保持快速并可靠地起爆是使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。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）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）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；

5）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；

6）爆震燃烧时会产生强烈的震动和巨大的噪音。