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1、第五屆爆震與新型推進編號：35學術會議論文旋轉爆轟發(fā)動機里的縱向脈沖爆轟波和旋轉爆轟波1，*222王宇輝，王超，樂嘉陵，黃思源1.西南科技大學燃燒空氣動力學研究中心，四川綿陽621010；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心吸氣式高超聲速技術研究中心，四川綿陽621000摘要：在旋轉爆轟發(fā)動機里，非正規(guī)的縱向脈沖爆轟波比較常見。本文對旋轉爆轟波和縱向脈沖爆轟波開展進一步實驗研究。燃燒室爆轟環(huán)腔外徑100mm，寬10mm，長117mm。空氣通過60個直徑2mm圓柱孔軸向、氫氣通過2mm寬環(huán)縫徑向流入環(huán)腔。結果表明，瞬態(tài)的縱向脈沖爆轟波可以轉為穩(wěn)定的旋轉爆轟波，縱向
2、脈沖爆轟波一個循環(huán)里存在爆轟熄火現(xiàn)象。關鍵詞：縱向脈沖爆轟波旋轉爆轟波高速攝影氫氣1.前言旋轉爆轟發(fā)動機（RotatingDetonationEngine,CDE），又名連續(xù)爆轟發(fā)動機（ContinuousDetonationEngine,RDE）或連續(xù)旋轉爆轟發(fā)動機（ContinuouslyRotatingDetonationEngine,CRDE）也是一種基于爆轟燃燒的發(fā)動機，由于流量連續(xù)，結構緊湊，理論熱效率和比沖較高，近年來成為很多公司和科研機構的研究熱點。該發(fā)動機里，旋轉爆轟波（RotatingDetonationWave,RDW）數(shù)量可能超過一
3、個。[1-2]AerojetRocketdyn公司自從2010年起，進行了650次多種噴嘴、多種噴管、多種推進物（氫氣，甲烷，乙烷，JP-8,JP-10）以及有無等離子體增強的RDE測試，當量比范圍0.4-1.2，直徑21cm。評估表明在相同的流動條件下，爆轟波行為依賴于發(fā)動機構造，使用等離子體增強系統(tǒng)可以增大爆轟波速度，減少對強化空氣的需求。RDE代替常規(guī)燃氣輪機后，同樣釋熱條件下燃油消耗減少14%，每年每臺在服役渦輪發(fā)動機可減少500萬美元燃油消耗。在美國能源部第二階段RDE項目資助下，AerojetRocketdyne投入7,570,127美元發(fā)展吸
4、氣式渦輪旋轉爆轟發(fā)動機，旨在達到65%的聯(lián)合循環(huán)效率；項目時間為2014年10[3]月到2019年3月，燃料為天然氣。美國空軍研究實驗室和創(chuàng)新科學方案公司使用空軍研究實驗室的爆轟發(fā)動機研究設施的推力臺架實驗研究了具有不同結構噴管的旋轉爆轟發(fā)動[4]機（圖1，直徑6英寸），目的為測量推力和比沖等推進性能。他們特別比較了不同的內部噴管結構，包括鈍體、塞式噴管、堵塞塞式噴管等構造。他們采用毛細管平均壓力技術進行的軸向靜壓測量表明在環(huán)腔里存在混合區(qū)域、爆轟循環(huán)區(qū)域和穩(wěn)定排氣區(qū)域；通過質量流量函數(shù)測試了噴管擁塞所要求的滯止狀態(tài)條件。實驗數(shù)據(jù)表明，噴管擁塞或部分擁塞需
5、要在燃燒室內產(chǎn)生滯止壓力增加量。增壓效應是當量比函數(shù)，最大滯止壓力增加量可達到3-7%,具體取決于發(fā)動機流量。出口擁塞的滯止情況可以反映比推力，并可以與測量的推力比較；結果發(fā)現(xiàn)計算出的比推力明顯大于測量值，這是由穿過尾氣的激波造成總壓損失引起的。對發(fā)動機爆轟現(xiàn)象之后的激波/膨脹波環(huán)境的理解將有助于減小總壓損失，提高推進性能。他們還改變燃燒室環(huán)腔寬度，對旋轉爆轟發(fā)動機進行了推力測試，研究了尺度參數(shù)對性能的影響[5]。這些參數(shù)包括空氣噴射面積膨脹比、爆轟腔的質量流密度和噴管喉部的收縮面積。該工作研究的焦點在于確認流動變量之間的關系，該關系可以幫助確認幾何結構對
6、試驗中的比沖和比推力的影響。該RDE中心柱直徑為138.6mm，外殼長度為114.3mm，爆轟環(huán)腔寬度分別為7.62mm(0.3inch)，16.25mm(0.64inch)，22.86mm(0.9inch)；氣動塞式噴管與燃燒室集成，起到了散熱作用。燃料使用氫氣和乙烯，流量范圍為0.61-1.82kg/s，當量比范圍為0.6-1.35；氣體質量流量通過上游歧管的聲速噴嘴測量。研究發(fā)現(xiàn)，通過改變發(fā)動機結構，國家自然科學基金資助項目（NSFC11602207和91641103）燃料效率可以和有效總壓交換；改變噴管收縮面積可以比較明顯地看出此效應。他們對乙烯/
7、空氣推進劑和氫氣/空氣推進劑的性能進行了對比，發(fā)現(xiàn)所得結果和脈沖爆轟發(fā)動機的實驗數(shù)據(jù)和理論預測符合的很好。乙烯/空氣推進劑的性能達到了期望結果，鼓舞人心，盡管依然存在很多技術挑戰(zhàn)，比如重型碳氫燃料的應用。隨著流量增加，比沖和比推力增加，這是因為流量增加了燃燒室內爆轟波前反應物的壓力以及爆轟燃燒增加了背壓。在輕度富燃料區(qū)域，比推力達到最大值，這和爆轟增壓的最大值所處的混合物狀況是一致的。日本名古屋大學等單位將在2018年開展基于旋轉爆轟發(fā)動機的探空火箭飛行實驗，推力500[6]N，比沖300s。[4]圖1各種實驗中的噴管結構示意圖[7-9]北京大學在旋轉爆轟
8、發(fā)動機方面開展了大量的實驗和數(shù)值模擬研究。他們發(fā)現(xiàn)在空心燃燒室里爆
