介绍

面向空天发动机的爆震燃烧的应用基础研究

摘要

空天飞行器的经济性和载荷需求对推进系统提出了高性能、宽空域、宽速域和多模态工作等苛刻要求，爆震推进正是适合的新型燃烧和热力循环方式。针对可能用于空天推进的多种形式的爆震燃烧，包括顺流和逆流传播的脉冲爆震、驻定斜爆震、连续旋转爆震、微尺度的爆震燃烧波，围绕“短距起爆与自持机理”这一核心科学问题开展研究，特点是考虑发动机应用的实际情况，如宽速域来流、受限空间、非理想传播等，掌握宽速域来流和多尺度受限空间内各型爆震形成、演化、稳定及熄灭机理，提出适合空天动力应用的可靠短距起爆准则和自持稳定传播极限；基于系统总能量守恒提出爆震燃烧的热功转化原理及能量高效利用方法，从能量释放/损失理论与热能-压力波-输出功能量转换机制角度建立各型爆震发动机的动力性能模型；根据各型爆震波的来流、工作及出口条件探索模态转换规律与调控方法。力求建立统一的爆震推进的理论体系，为新型空天推进方式的问世奠定理论和技术基础。

研究内容

光滑管内火焰加速与起爆过程

        在加速的初期阶段，火焰裙边与火焰锋面的相对运动，前者的运动轨迹已用虚线标出。从指尖形火焰开始，火焰裙边就与火焰锋面相隔一段距离，前者都未追赶上后者，在将起爆的位置，V字形火焰面前方出现白色亮区，是高速缓燃火焰前面的预热区，其中的混合物是高温高压的，随后过驱爆震形成。

微尺度热射流起爆过程

        左图是快速二次起爆过程，预爆管内形成爆震，爆震波向PO传播。当爆震波传出出口时，火焰面与激波解耦，解耦后的火焰亮度较暗，随后在其外边缘突然产生一个月牙形的亮斑，并迅速包裹住整个火焰面。该亮斑是解耦的激波与化学反应区重新耦合并产生局部爆炸的地方。右图是慢速二次起爆过程，当爆震波衍射出来并解耦后，火焰逐渐向上下壁面扩张，而沿管道方向传播速度较慢。在火焰碰撞到壁面后，靠近壁面的火焰传播开始加快，形成了类似“火焰裙边”的火焰结构，随后一个局部爆炸点突然在下壁面的火焰里面出现。

热态流体障碍物工作过程中的温度云图及数值纹影图

        爆震管中的火焰向开口端传播，经第一个射流孔点燃射流腔中的混气，两个腔室的火焰同时向后传播，相较于爆震管，射流腔的尺度较小，其DDT距离较短，火焰加速更快，因此射流腔中的火焰先于爆震管中的火焰到达下一射流孔，并在开孔处喷射形成局部热射流，以此增大爆震管中的湍流度，提高爆震管中的火焰速度提升；在继续向后传播的过程中，由于射流腔中的火焰能够先一步实现爆震，两个腔室中的火焰传播速度差值将进一步增大，后面射流孔处能够形成更大尺度的湍流，继续对爆震管中的燃烧形成扰流，加速DDT过程。

爆震波在超音速(Ma=2.0)气流中衍射和二次起爆过程的胞格轨迹  

        在逆超音速来流逆流侧，超音速来流会对衍射进入的爆震波波面产生压缩作用，提高前导激波的强度，因此在超音速来流中衍射后的爆震波发生二次起爆的概率也更大。爆震波在向前传播的过程中，化学反应面的褶皱会逐渐诱导产生新的横波结构，并最终发生二次起爆。

无热射流的渐变型斜爆震波和有热射流的斜爆震波转变过程

         在斜爆震波的研究中，如何缩短斜爆震波的起爆距离，及在非设计状态下主动调控斜爆震波的状态对斜爆震波发动机的稳定工作非常重要。本研究发现在诱导区内喷注热射流可以提前促发斜爆震波，并且斜爆震波的角度也会由于射流的引入而发生改变，其与电弧等离子体放电对激波的控制有类似的效果。因此可以采用热射流来改善斜爆震波发动机的工作状态。

三种不同传播形式下弯曲段内的数值胞格图

       从左向右依次为不稳定模态、过渡模态和稳定模态。不稳定传播形式下胞格结构已完全消失，反射三波点的轨迹较为明显。过渡传播形式中仍存在胞格结构，但胞格形状不规则，胞格尺寸普遍增大，且数量明显减少。稳定传播形式中胞格的形状、尺寸及数量均变化较小。

冷态和点火工况下爆震管推力的对比

       在冷态条件下射流单独作用的推力均很小，而在点火工况下，使用射流时获得的推力增益超过了冷态射流时的数值，该验证实验充分说明了使用流体喷管对爆震管推力的提升作用。流体喷管的使用不仅给爆震管提供了相应的冷态射流推力，并且实现了对喷管有效面积的调节，进而实现高效的增推。

不同射流条件下喷管内流场特征汇总

       使用高速相机对不同射流条件下喷管内的流动特性进行了研究，从图中结果可以看出，射流可以减弱反射激波强度，减弱汇聚后产生的马赫盘强度，以及调整喷管扩张段排气等效边界。同时，非对称射流的使用对调整排气方向有明显效果。

不同燃油初温工况下的瞬时尾焰形态图

        再生冷却后燃油初温升高，两相爆震波速损失减小，燃烧稳定性增大；爆震波的峰值压力增大，起爆距离缩短，传播速度增大；出口马赫盘持续的时间变长，初始排气总压、高压排气时间均有所增大，发动机能够获得更大推力。

PDE高频工作压力波形

        PDE的通过周期性的工作提供推力，只有在高工作频率下才能提供较大的推力，同时工作状态会更平稳。早期受到控制阀门作动频率的限制，PDE的工作频率很难突破100 Hz，大部分的研究中发动机的工作频率仅在50 Hz以下。本项目提出了无阀自适应工作方式，摆脱了阀门作动频率的限制，提高了PDE的工作频率上限；同时解决了无阀自适应工作方式下的稳定控制问题，实现了PDE高频长时间稳定工作，最高工作频率提高至100 Hz以上。如图所示为PDE在140 Hz工作频率下测试到的压力波形。

      旋转爆震波传播模态

     RDE在工作过程中，旋转爆震波会出现不同的传播模态，即不同的旋转爆震波个数和传播方向，如单波模态，双波模态，双波对撞模态，以及多波模态等。旋转爆震波的传播模态主要与可燃气体的供给流量密切相关，随供给流量的增大，旋转爆震波个数也会增多，燃烧室内出现不同的旋转爆震波传播模态。

单波变双波对撞高速摄影结果

      单波模态即燃烧室只有一个爆震波波面，爆震波面的间距为整个燃烧室周长，当不稳定因素产生新的燃烧区而发展成爆震波时，依然大于爆震波面最小间距，足够混合可燃气累积层生成，从而使得新生成的爆震波能稳定自持传播。单波模态中波头个数增加对应着两种模态变化，一种是生成传播方向相同的爆震波，即单波变同向双波，另一种是生成传播方向相反的爆震波，即单波变双波对撞。

项目成员

王云

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