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推进技术
美国海军研究生院研究的同轴
分流脉冲爆震发动机
目前，美国海军研究生院正致力于脉冲爆震发
动机(PDE)的研究，这种发动机可作为一种低成
本、简易、轻质、有效的高超声速推进系统。脉冲
爆震发动机比涡喷发动机、冲压发动机、超燃冲压
发动机这些等压循环发动机有更好的热力学效率。
但在研制这种发动机的过程中却必须解决如何使其
推进效率增加到可接受的水平问题。以前，发动机
要实现爆震必须使用一种起爆油气混合物的氧．辅
助起爆器，爆震波在这里产生，并传播到较大的主
管中。在爆震波由小的起爆器向较大的主管中转移
过程中，爆震波会发生绕射现象，引起流路横截面
积的突然变化。但是这种绕射会对爆震产生不利的
影响，有时甚至会导致主管中无法起爆。为此实际
脉冲爆震发动机必须摒弃氧．辅助起爆器，目前研
究人员试图通过采用现代的瞬时等离子点火技术
(TPI)和小型发动机流路结构等方法来解决这个问
题。
1 理论
1．1 爆震波的理论
燃烧过程是靠高焓物质产生推力的过程。燃烧
过程一般可分为爆燃和爆震。爆燃是一种亚声速燃
· 5O ·
烧过程，通过物质扩散和热扩散来传播。当系统在
稳态模式下工作时，这种类型的燃烧通常比较容易
控制和利用。内燃机、涡喷发动机和冲压发动机的
燃烧室内的燃烧都属于爆燃。
与爆燃相反，爆震是一种超声速燃烧过程，是
燃烧反应与激波双重作用的结果。随着爆震波的传
播，激波压缩反应物质，在非常高的压力下引发燃
烧。Glassma把爆震波定义为“一种由高压缩爆炸工
质产生的化学反应能维持的激波”。由于该过程历
时非常短暂，因此可以把该过程近似视为等容的燃
烧过程。众所周知，基于等容燃烧过程的发动机比
基于等压燃烧过程的发动机具有更高的热力学效
率，所以脉冲爆震发动机才引起人们极大的兴趣。
一个多世纪以前，人们就对爆震波物理特性背
后的理论进行了研究。Chapman(1899年)和Jou．
guet(1905-1906年)通过实验室研究成功提出了
关于爆震波的理论。Chapman和Jouguet(CJ)通过
研究质量、能量和动量在轴向上的连续性获得了两
大研究成果：1)爆震波速度的稳态值，即cJ．速度；
2)爆震波后面的瞬间燃烧产物的热力学条件。这些
条件就是爆震波传播特有的CJ条件。图1示出了
一条一维稳态燃烧波的波形图。表1给出了通过爆
稳念燃烧波
图1 一条一维稳态燃烧波的波形图
燃波和爆震波的热力学条件的差别。
爆燃波和爆震波的热力学条件的差别
参数 爆震 爆燃
ZND的一维波结构
明，瞬时等离子放电所释放的能量比电弧放电或辉
光放电所释放的能量更有利于点燃火焰。在通常的
火花放电的过程中，只有一小部分的能量是瞬态
的，而大部分的能量则以电弧和辉光放电的形式释
放了。瞬时等离子点火技术可以产生较高的电压
(至少50 kV)，并产生一光束波前阵面。图4示出
了由柱状电极发出的一种典型光束波前阵面。
在这些光束波前阵面强电场中存在高能电子
(大约10 eV～20 eV，而普通火花放电产生的能量
为1 eV)，该电子具有很高的动能，可有效产生反
应物质，如O原子、H原子、CH，这些物质可以迅
速反应产生链支官能团OH，从而快速激发链反应。
· 51·
2
图4 由TPI电极发出的一种典型光束波前阵面
由于反应物质产生得非常迅速，所以瞬时等离子放
电几乎可以在任何地点同时点燃火焰，而火花塞点
火却只有一个放电通道。因为火焰点火是在多处发
生的而不仅仅是在一个地方，所以在瞬时等离子放
电中从层流火焰向紊流火焰转变的速度远远大于普
通火花放电。
1．3 爆燃向爆震转变
爆燃向爆震转变(DDT)的过程是层流火焰改
变传播机理并最终发展成为自持爆震波的过程。为
了获得最优DDT性能，爆燃向爆震的转变所需的
时间和距离应该最小。DDT可以概括为5步：1)点
燃和波的传播；2)火焰起皱，产生紊流，燃速剧增；
3)由于气体膨胀，使得混合物前面的流速增加；火
焰前阵面前的不稳定压缩波导致温度增加，对反应
速率产生了加速的效果；4)开始爆震，即一个爆炸
接着一个爆炸，期间，激波中突然出现爆炸中心或
“热点”；5)爆震波传播(如果能成功形成爆震波)，
发展成为亚．稳态自持波，该波以CJ波速传播，并
满足热力学条件。
通过在流路中增设一些障碍物或采用TPI技
术，可以促进DDT。置入障碍物的方法会导致紊
流、温度以及压力局部增加，随着气流越过障碍
物，DDT便得到了促进。TPI方法可通过在反应物
内增加火焰点火点和缩短层流到紊流的过渡时间来
加速DDT，因为层流到紊流的过渡时间占用了大部
分DDT时间，因此缩短过渡到紊流的时间对DDT
的时间最小化是十分关键的。
· 52 ·
2 先前的研究
美国海军研究生院火jian推进实验室(RPL)的
Rodriguez和Channell在改善脉冲爆震发动机的性
能方面曾进行过研究。Rodriguez对TPI方法进行了
研究，认为与高性能电容性放电火花塞点火技术方
法相比，TPI技术更有效也更可靠。采用TPI技术
之后，DDT距离减小了大约10％ ，而DDT时间也
缩短了约33％ 。
Channell对油气混合物的起爆方法进行了研
究，认为在流量较高(>0．10 kg／s)的情况下，TPI
可以保证稳定点火，但高性能电容性放电系统却不
行。同时，Channell还发现，TPI技术可使用工作频
率超过40 Hz，工作频率并不受TPI功率的限制，而
是受到随着质量流率的增加通过起爆器的流速的增
加的限制影响。他认为如果流路几何结构可以保证
获得高质量流率，同时又可降低通过起爆器的气流
速度，那么工作频率就可以较高。Channell成功地
使爆震达到了～40Hz。
目前，工作人员的研究目的主要有4个：1)通
过采用TPI技术，取消氧．辅助起爆器，Rodriguez和
Channell认为，取消氧．辅助起爆器对于实际的PDE
是非常必要的；2)通过开发新的几何结构，减小通
过发动机的质量流的总阻力，实际的PDE必须工
作在足够高的频率下，以便产生大推力，而减小总
阻力可以使发动机在高工作频率下保持高的效率；
3)要保证爆震波过渡到发动机的主心，而且在过渡
的过程中爆震波的衰减要尽量小；4)研制一种可满
足上述三个要求的发动机设计。
3 同轴分流发动机概念
研究人员提出了一种同轴分流脉冲爆震发动机
概念，该发动机包括两条独立的流路(见图5)，两
流路在流出发动机之前在主发动机管内交汇。该交
汇的位置即为绕射区。
其中一条流路为中心流路，是一条沿着发动机
的中心线延伸的光滑而笔直的流路，其作用是获得
一条阻力最小的快速流。另一条是与中心流路同轴
的环形流路，位于发生起爆的区域。其作用就是减
缓气流速度，使火焰得到很好的发展。由于环形流
路存在两个使气流相互作用的面，因此该流路的阻
力比中心流路的阻力明显增加。另外，对爆震的发
飞航导弹2007年第5期
绕射区
图5 环形和中心流路
展起辅助作用的螺旋线型流也在该区域，从而进一
步增加了阻力；但是阻力的增加(在爆震发展的区
域)并不一定都是坏事，因为阻力可以引起紊流，
进而极大地促进DDT。
与先前的PDE设计相似，当起爆器嵌入发动
机主管后，爆震波必然会发生绕射；但不同的是：
同轴分流发动机的爆震绕射是指向中心线的，而不
是背离中心线。当爆震聚焦到发动机中心线的时
候，激波之间的相互作用会使温度和压力变高，并
引燃向爆震中心快速移动的反应物。
3．1 同轴进气流设计
把质量流分成两股后，同轴气流流路便成了
PDE设计中的一个新问题，大约有50％的质量流
流经平滑的流路，总压损失较小，其余的质量流都
流经环形起爆器，该流路上设有障碍物，以促进
DDT过程。把质量流分流到中心流路中相对容易，
但把它们分流到环形流路中就比较困难了，这不仅
是因为环形流路的几何结构，也因为进气道必须与
陶瓷法兰绝缘体配合上。通过给一个盲法兰加工一
个凹孔，给另一个盲法兰加工一个凸孔，可以达到
预期的效果。
为了使燃料滴很好地混合和汽化，流体在燃料
喷射位置下游的5倍直径位置处被分流，其中50％
的流体由一根中心管输送；其余的由4根支管输
送。凸法兰的中心孔周围的4个孔是4个支管内的
流体流入环形流路的入口。3．2 环形电极设计
以前，脉冲爆震发动机采用简单的柱形电极，
但同轴分流发动机则要求电极也采用环形。图7是
两种电极的对比。
与柱形电极一样，环形电极在电极的整个长度
上加工有螺纹，以顺畅而可靠地放电。电极要求每
英寸长度上有2O个螺纹。
在发动机中，环形螺纹不仅是一个电子部件，
还是一条流体通道。当流体通过电极以后，其横截
面积会从1 140 mm 膨胀为2 027 mm ，从而为采
用更廉价的现有的材料创造了条件。
． 53．
电极的形状由柱形变成环形后，势必会增加复
杂性，从而会引发许多问题。主要是电极与发动机
其它部件的电绝缘问题。由于陶瓷有较强的抗爆震
产生的热和压力的能力，在瞬时等离子点火产生的
高电压下也能保持足够的电绝缘性，所以研究人员
选用了科宁公司制造的一种可机加的玻璃陶瓷——
Macor~。这种特殊的陶瓷具有耐高温特性(>
1 000℃)，热膨胀系数(a)与钢相似(a ⋯ =126
×10 ／℃ ， 而304不锈钢的a tairIj = 178 ×
10 ／℃)，在高温下不变形，另外还具有非常好的
绝缘强度(40 kV／mm)。目前，TPI系统放电约
80 kV，因此流路沿线的最小绝缘厚度必须为2 mm，
欲保证在100 kV下的绝缘性能，最小的设计绝缘
厚度应该为2．5 mm。
以前的脉冲爆震发动机的陶瓷绝缘件的结构比
较简单，不能很好地发挥陶瓷固有的物理特性。在
相同条件下，陶瓷受到压应力作用时表现的性能比
受到拉应力作用时的性能要好。旧式的陶瓷绝缘件
借助螺纹把绝缘件安装在盲法兰上，并把电极紧固
到绝缘件的一端，而新的绝缘件改进了结构设计，
缓解了该问题。为了获得较好的PDE性能，必须把稳定、可靠
的高压放电成功地传递给电极。旧式的PDE的TPI
与电极的对接比较简单；而当电极采取环形方式
后，对接就变得复杂多了。
在设计过程中主要考虑的问题就是使电极电压
对称。由于电压通过电极需要花费一定的时间，如
果TP1只通过一条线与电极对接，那么电极的一端
可能在它的另一端的电压没有完全升起来的时候就
已经开始放电了。其结果自然是在起爆器内会出现
不对称点火现象，进而爆震波不能很好地形成。因
此，最后研究人员采用了两根线。两根线呈180。分开，穿过陶瓷绝缘件，额定高
压电缆将两根线连接起来。电缆被铰接在一起，与
铜接口相连。为了防止高电压引起的任何信号的干
扰，电缆被屏蔽在薄金属里面。
发动机的DDT区域主要由一根外径67．2 mm、
内径50．8 mm的钢管组成。管子的内壁是光滑的，
其扩角为2．39。，可使流体平缓地过渡，从而降低
气流分离的可能性。在管子的外壁绕有Schelkhin
螺线，起到障碍物的作用，有助于DDT过程的完
成。
该段管子的长度是根据以往脉冲爆震发动机的
实验结果来确定的，为了使推力达到有价值的水
平，当外管径为67．2 mm时，要求PDE工作频率大
于40 Hz，但问题是DDT距离会随着管径的增加而
增加。Channell使用的发动机采用了一根内径为
图10 整个同轴分流脉冲爆震发动机的外形
67．2 Inn的管子，实验中观察到DDT距离大约为
672 mm。另外，美国空军研究实验室对PDE进行
的试验表明，管子内径为25．4 mm时，DDT距离大
约为304．8／13／13。因此，发动机的总长应该接近1／13，
才能保证实现DDT。但研究人员希望，同轴分流发
动机的DDT距离再短一些。
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发表于 2007-10-26 11:25
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