您的位置:首頁>軍事>正文

脈衝爆震發動機:未來航空發動機

脈衝爆震發動機是一種利用脈衝式爆震波產生推力的新概念發動機, 包括吸氣式脈衝爆震發動機(脈衝爆震發動機是一種利用脈衝式爆震波產生推力的新概念發動機,

包括吸氣式脈衝爆震發動機(PDE)和脈衝爆震火箭發動機(PDRE)兩種類型。

它們的基本工作原理是相同的, 區別是吸氣式PDE從空氣中獲得氧化劑, 適用於大氣層內飛行;而PDRE自帶氧化劑, 適用於外太空飛行。

圖11-6、旋轉閥多燃燒室PDE結構示意圖

該發動機沒有旋轉部件, 其工作過程包括進氣(吸氣)、噴油、點火、爆燃、排氣等。 爆震燃燒是燃料化學能在短時間內快速、高效轉變為機械能的非穩態化學反應過程。 爆震燃燒產生的爆震波的傳播速度極快(達到每秒幾千米), 使可爆燃料的壓力、溫度迅速升高(可高達100個大氣壓和2800℃)。

因此, 基於爆震燃燒的發動機可以不用傳統的壓氣機和渦輪部件就能達到對氣體進行壓縮的目的。 與一般噴氣發動機相比, 它具有以下特點和優點:

(1)由於沒有壓氣機、渦輪等轉動部件, 結構簡單、重量輕、推重比大(大於20), 是新一代高推重比軍用發動機的理想方案;

(2)等容燃燒(燃燒時容積不變、壓力升高), 熱迴圈效率高, 耗油率低,

在民用發動機領域也大有用武之地;

(3)工作範圍寬, 可在馬赫數0~10、高度0~50公里範圍內飛行;推力可調, 推力範圍0.5~5000公斤力。

(4)與衝壓發動機不同, 可以在地面靜止狀態起動;

(5)可以使用空氣中的氧氣或自帶氧化劑, 能分別以吸氣式發動機或火箭發動機方式工作, 可以實現空天往返飛行;

(6)由於採用間歇式迴圈, 壁溫不高, 可採用普通材料, 製造成本較低。

圖11-7、帶預起爆器的PDE結構示意圖

目前研究較多的脈衝爆震發動機的結構有兩種, 一種為旋轉閥多燃燒室結構(圖11-6), 一種為帶預起爆器的PDE結構(圖11-7)。

脈衝爆震發動機有多種用途, 除獨立用作動力裝置, 還可利用爆震燃燒構成外涵PDE渦扇發動機、PDE加力燃燒室(圖11-8)、基於PDE的混合迴圈和組合迴圈發動機,

廣泛應用于無人機、靶機、戰鬥機、高超聲速隱身偵察機、戰略轟炸機、遠端導彈等, 對21世紀空間和大氣飛行器將產生深刻影響。

爆震燃燒的研究最早可追溯到20世紀40年代。 但由於這種燃燒過程的非穩態特性的理解以及理論計算和實驗診斷手段的欠缺, 因此一直沒能取得突破性進展。 20世紀80年代中期, 隨著燃燒計算方法和實驗診斷技術的發展, 使人們研究實用的PDE推進系統成為可能, PDE的概念進入了實質性發展階段。

圖11-8、PDE加力燃燒室示意圖

美國海軍研究生院、Adroit公司等機構首先開展了爆震燃燒發動機的理論和實驗研究, 並定義了脈衝爆震發動機的概念。

20世紀90年代, PDE進入了全面發展時期。 除美國外, 加拿大、法國、以色列、日本、俄羅斯、瑞典也紛紛投入經費和制定計劃, 開展PDE的研究。

目前已研製出結構上滿足航空航太推進的高頻(大於60Hz)脈衝爆震燃燒室, 適用於導彈的PDE也已製造出來, 並在實驗室進行了驗證。

美國計畫於2003年在SR-71“黑鳥”飛機上進行PDE的飛行試驗, 2005年對PDRE進行飛行試驗, 預計2009年發展出可供使用的PDRE。

同一時期,美國空軍開始研究下一代偵察/攻擊飛行器(有人和無人)及吸氣式發動機用PDE。主要研究在渦輪風扇發動機的外涵採用脈衝爆震燃燒,以去掉發動機的加力燃燒室。

理論計算認為,這種發動機的性能明顯高於帶加力的渦輪風扇發動機,當置於發動機外涵的PDE以100Hz的頻率工作時,發動機的推力、耗油率和單位推力都比普通帶加力燃燒室的發動機改善一倍。

美國國家航空航天局(NASA)正在開展脈衝爆震發動機技術(PDET)計畫,也稱革新航空飛行器推進(RPAV)計畫。該計畫的研究目標是滿足全球民用航空運輸的要求,使發動機排氣污染在10年內減少2/3,在25年內減少4/5;

另外,使旅行成本在10年內減少25%,在25年內減少50%。發展的重點是混合PDE發動機,即在燃氣渦輪發動機的主燃燒室採用脈衝爆震燃燒(圖11-9),預計在12-15年後(2015年左右)進入工程發展階段,在2020年後投入應用。

與此同時,NASA的PDRE也取得了很大進展,其目的是發展可用於入軌飛行器、星際飛行器和登月飛行器用的低成本、輕重量的推進系統。

2000年4月,一個小尺寸的PDRE已設計完成並開始進行部件試驗。預計2005年將研製出試驗用發動機,2009年研製出全尺寸可飛行的發動機。

近年來我國的PDE研究也取得重大突破,有些技術還獨具特色,引起國外專家的關注。

圖11-9、混合PDE發動機結構示意圖

儘管PDE的概念在實驗室已得到了驗證,並進行了部件試驗,但要使這種發動機真正實用,還有以下技術問題需要解決:

(1)爆震的起爆、控制和保持;

(2)液體燃料與氧化劑的霧化、噴射、摻混;

(3)爆震過程的精確控制;

(4)推力向量控制;

(5)高熱通量和熱疲勞問題;

(6)進氣道和噴管設計技術;

(7)爆震現象的精確理論分析方法和試驗技術;

(8)雜訊抑制技術;

(9)性能不穩定問題。

預計2009年發展出可供使用的PDRE。

同一時期,美國空軍開始研究下一代偵察/攻擊飛行器(有人和無人)及吸氣式發動機用PDE。主要研究在渦輪風扇發動機的外涵採用脈衝爆震燃燒,以去掉發動機的加力燃燒室。

理論計算認為,這種發動機的性能明顯高於帶加力的渦輪風扇發動機,當置於發動機外涵的PDE以100Hz的頻率工作時,發動機的推力、耗油率和單位推力都比普通帶加力燃燒室的發動機改善一倍。

美國國家航空航天局(NASA)正在開展脈衝爆震發動機技術(PDET)計畫,也稱革新航空飛行器推進(RPAV)計畫。該計畫的研究目標是滿足全球民用航空運輸的要求,使發動機排氣污染在10年內減少2/3,在25年內減少4/5;

另外,使旅行成本在10年內減少25%,在25年內減少50%。發展的重點是混合PDE發動機,即在燃氣渦輪發動機的主燃燒室採用脈衝爆震燃燒(圖11-9),預計在12-15年後(2015年左右)進入工程發展階段,在2020年後投入應用。

與此同時,NASA的PDRE也取得了很大進展,其目的是發展可用於入軌飛行器、星際飛行器和登月飛行器用的低成本、輕重量的推進系統。

2000年4月,一個小尺寸的PDRE已設計完成並開始進行部件試驗。預計2005年將研製出試驗用發動機,2009年研製出全尺寸可飛行的發動機。

近年來我國的PDE研究也取得重大突破,有些技術還獨具特色,引起國外專家的關注。

圖11-9、混合PDE發動機結構示意圖

儘管PDE的概念在實驗室已得到了驗證,並進行了部件試驗,但要使這種發動機真正實用,還有以下技術問題需要解決:

(1)爆震的起爆、控制和保持;

(2)液體燃料與氧化劑的霧化、噴射、摻混;

(3)爆震過程的精確控制;

(4)推力向量控制;

(5)高熱通量和熱疲勞問題;

(6)進氣道和噴管設計技術;

(7)爆震現象的精確理論分析方法和試驗技術;

(8)雜訊抑制技術;

(9)性能不穩定問題。

Next Article
喜欢就按个赞吧!!!
点击关闭提示