范 瑋, 魯 唯, 王 可

(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院 陜西省航空動(dòng)力系統(tǒng)熱科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710072)

0 引 言

各種航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的問世不斷加速著人類向空天進(jìn)軍的腳步，與此同時(shí)，復(fù)雜的飛行環(huán)境對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)提出了高性能、寬速域、寬空域等苛刻要求。爆震發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種基于爆震熱力循環(huán)方式的新型動(dòng)力裝置，具有潛在的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以在更寬的飛行條件下使用，有著廣闊的應(yīng)用前景，引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，先后有大量綜述性文章發(fā)表[1-5]。爆震燃燒本質(zhì)上是一種以較低的熵增實(shí)現(xiàn)極快化學(xué)反應(yīng)的過程。爆震波極快的釋熱速度使得爆震燃燒過程接近于等容燃燒，基于爆震燃燒的動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)于基于緩燃的等壓燃燒系統(tǒng)具有更高的熱效率；另外，爆震波具有自增壓性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)的增壓比達(dá)15～55[6]，因此爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可以省去復(fù)雜的壓氣機(jī)和渦輪部件，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低研究成本。迄今將爆震燃燒應(yīng)用于空天動(dòng)力已出現(xiàn)了很多構(gòu)想，如脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Engine，簡(jiǎn)稱PDE)、駐定爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Standing Detonation Engine，簡(jiǎn)稱SDE)和旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Rotating Detonation Engine，簡(jiǎn)稱RDE)。21世紀(jì)以來，又先后有研究人員提出了多模態(tài)爆震組合發(fā)動(dòng)機(jī)、微爆震動(dòng)力等概念。這些發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)及技術(shù)成熟度雖然各不相同，但經(jīng)性能分析或初步試驗(yàn)驗(yàn)證均被認(rèn)為是可行且很有潛力的。

PDE是一種利用脈沖式爆震波產(chǎn)生推力的裝置，目前相對(duì)于其他幾種形式的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)而言成熟度較高。根據(jù)是否攜帶氧化劑，PDE又可以分為吸氣式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Air-breathing Pulse Detonation Engine，簡(jiǎn)稱APDE )和脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Rocket Engine，簡(jiǎn)稱PDRE)。其中PDRE的工作循環(huán)如圖 1 所示，一個(gè)工作周期主要包括以下幾個(gè)過程：(1) 填充燃料與氧化劑；(2) 點(diǎn)火；(3) 起爆及爆震波的傳播；(4) 排氣；(5) 填充隔離氣體;(6) 再次填充燃料與氧化劑，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入下一循環(huán)周期。為了保證 PDRE 高性能穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)PDRE的工程應(yīng)用，仍存在許多需要解決的問題。本文主要從4個(gè)方面介紹目前PDRE在若干應(yīng)用基礎(chǔ)問題上的研究進(jìn)展，為后續(xù)PDRE研究提供參考：(1) 兩相爆震發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)；(2) 短距低阻起爆技術(shù)；(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化；(4) PDRE樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。

圖1 PDRE工作循環(huán)示意圖Fig.1 Schematic of the operation processes of the PDRE

1 兩相爆震發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

實(shí)際應(yīng)用中，受體積和重量限制，PDRE需要采用能量密度更高的液態(tài)燃料。液態(tài)燃料的使用必然帶來燃料霧化、液滴破碎、蒸發(fā)以及與氧化劑的摻混等問題。這些問題會(huì)對(duì)PDRE的性能產(chǎn)生重要影響，也是實(shí)現(xiàn)兩相PDRE正常工作需要解決的首要問題。

1.1 兩相爆震中的速度損失

20世紀(jì)60年代，Dabora等人[7-9]和Ragland等人[10]為了研究液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的爆震及類爆震現(xiàn)象，開展了兩相爆震的研究。Dabora等人[7-8]的研究表明，燃料液滴直徑為2600μm時(shí)，爆震波速相對(duì)于理想Chapman-Jouguet(簡(jiǎn)稱C-J)波速有30%～35%的損失，液滴直徑低于300μm時(shí)，波速損失只有2%～10%；并首次指出，兩相爆震的發(fā)展時(shí)間隨液滴尺寸下降而減小。Dabora等人[9]的模型認(rèn)為兩相爆震中的能量釋放是離散的，離散特性歸因于液滴處形成的爆炸波，這些爆炸波追趕上激波前鋒，通過能量釋放與激波耦合，維持爆震波的傳播，如圖2所示。Ragland等人[10]發(fā)現(xiàn)燃料液滴直徑2600μm時(shí)，約20%的熱量通過壁面損失掉了，而波速損失高達(dá)32%。此處的理想C-J波速是基于理想預(yù)混氣相爆震計(jì)算得到的，他們認(rèn)為在采用液態(tài)燃料后，化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度變大，通過壁面熱交換散失的熱量增加，最終導(dǎo)致了波速下降。Borisov等人[11]的模型則指出，兩相爆震時(shí)朝向與爆震波鋒面相反方向運(yùn)動(dòng)的爆炸波(見圖2)使部分釋放的熱量未能參與到支持爆震波鋒面上來，這也是兩相爆震波速低于C-J波速的一個(gè)原因。Pierce和Nicholls[12]指出,前導(dǎo)激波在運(yùn)動(dòng)過程中受到燃油液滴的阻礙，自身強(qiáng)度會(huì)有所衰減。Gubin和Sichel[13]的模型認(rèn)為，波速損失的主要原因在于燃料的不完全燃燒而非反應(yīng)區(qū)對(duì)外散熱。他們還指出，液滴直徑小于20μm時(shí)，波速即可達(dá)到C-J理論值。不過，Kailasanath[14]認(rèn)為該模型需要進(jìn)一步研究。Bull等人[15]發(fā)現(xiàn)在非受限空間內(nèi)無壁面散熱的影響時(shí)，兩相爆震依然有波速損失，這一結(jié)論表明向壁面散失部分熱量并非是造成波速損失的唯一原因。Bowen等人[16]的研究同樣指出，當(dāng)液滴直徑足夠小時(shí)，兩相爆震應(yīng)該表現(xiàn)出類似于氣相爆震的特征，在基于液滴直徑約2μm的癸烷燃料研究中，他們得到的兩相爆震波速與C-J理論波速相差僅±1%。

圖2 兩相爆震時(shí)爆炸波與前導(dǎo)激波相互作用示意圖[9]

Fig.2Schematicshowingtheinteractionbetweenblastwavesgeneratedfromthedropletandtheshockfront[9]

可以看出，相比于氣相爆震，研究者們對(duì)兩相爆震的爆震波結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、可爆極限和起爆過程仍缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，關(guān)注的重點(diǎn)大部分在爆震波的最終傳播速度上。降低液滴的霧化尺寸有利于減小波速損失，對(duì)于PDRE而言具有重要意義。

1.2 爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中的霧化與摻混

Brophy等人[17-18]采用JP-10作為燃料開展了兩相PDE研究，在液滴直徑小于10μm的JP-10/氧氣混合物中成功實(shí)現(xiàn)了爆震，并觀察到了與C-J波速接近的爆震波速。他們還研究了不同初始燃料溫度的影響，液滴尺寸隨著初始溫度的升高而減小，燃料的蒸發(fā)量隨著溫度的升高而增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于JP-10/空氣混合物，只有在液滴直徑小于3μm且燃料蒸發(fā)量達(dá)到70%時(shí)，才能形成穩(wěn)定爆震，該條件對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣溫度為375K。當(dāng)溫度達(dá)到425K時(shí)，燃料將完全變成蒸汽。在以上2種不同溫度情況下(375和425K)，觀察到的爆震波速與C-J值的誤差在2%以內(nèi)。Cheatham等人[19-20]利用數(shù)值方法研究了不同初始燃料溫度對(duì)燃料比沖的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)初始溫度較低、液滴尺寸較大時(shí)，很難獲得穩(wěn)定自持的爆震波，比沖性能下降；提高壁面溫度，增大燃料的蒸發(fā)量有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，達(dá)到與氣相爆震接近的效果。Tangirala等人[21]在研究中也得到了類似的結(jié)論。

因此，研究者們開始考慮通過提高燃料的初始溫度來提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。Tucker等人[22]將JP8燃料加熱到閃蒸狀態(tài)，顯著縮短了緩燃向爆震轉(zhuǎn)變(Deflagration to detonation transition，簡(jiǎn)稱DDT)的時(shí)間。Miser等人[23]則是利用爆震管壁面的散熱來加熱液態(tài)燃料，實(shí)現(xiàn)了PDE短時(shí)間內(nèi)的自持工作。Helfrich等人[24]采用圖3所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過逆流換熱器利用壁面散熱將燃料加熱至超臨界狀態(tài)，研究了PDE的性能。結(jié)果表明，在大多數(shù)當(dāng)量比條件下，超臨界態(tài)燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間、DDT時(shí)間和距離均會(huì)顯著縮短。

圖3 超臨界燃油PDE系統(tǒng)示意圖[24]

Fig.3DiagramofthePDEwiththesupercriticalfuelheatingsystem[24]

國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等單位多年來針對(duì)兩相PDE中的起爆、噴射及混合等問題開展了大量研究[25-27]，極大推動(dòng)了兩相PDE相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步。近年來，范珍涔[28]利用閃蒸技術(shù)，研究了基于航空煤油的PDRE性能。結(jié)果表明，采用離心噴嘴時(shí)，當(dāng)噴射溫度高于473 K時(shí)即可實(shí)現(xiàn)閃蒸噴霧，與常溫噴射相比，燃料比沖可提高1.2倍。靳樂[29]研究了超臨界航空煤油對(duì)PDRE性能的影響，結(jié)果表明，超臨界燃料可以大大改善發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的霧化性能，有效避免油氣分布不均勻現(xiàn)象，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性，DDT距離和時(shí)間均會(huì)有效縮短。

2 短距低阻起爆技術(shù)

PDRE中需要不斷地產(chǎn)生爆震波獲得推力，因此探索可靠性高、可重復(fù)性好的起爆技術(shù)尤為重要。爆震波的起爆可以通過直接起爆和間接起爆實(shí)現(xiàn)。直接起爆需要巨大的點(diǎn)火能量，對(duì)點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)裝置要求極高，一般不適合用于PDRE中。間接起爆指的是通過DDT過程獲得爆震波，僅需要較小的點(diǎn)火能量，目前應(yīng)用范圍較廣。但間接起爆通常需要一段轉(zhuǎn)變距離，并可能帶來性能損失，因此需要探索合適的短距低阻起爆技術(shù)。研究者們針對(duì)DDT過程以及縮短DDT距離的方法進(jìn)行了大量的研究，本文主要從PDRE應(yīng)用角度，介紹幾種常用的起爆技術(shù)。

2.1 固體障礙物起爆技術(shù)

在不采用起爆增強(qiáng)裝置時(shí)，通過DDT方法在光滑管中獲得爆震波需要很長(zhǎng)的距離，甚至無法實(shí)現(xiàn)起爆[30]。通過在爆震管中增加固體障礙物，如螺旋、斜劈、孔板等，可以促進(jìn)湍流的形成，加快DDT過程并縮短轉(zhuǎn)變距離。一種經(jīng)典的DDT增強(qiáng)裝置為Shchelkin[31]提出的螺旋障礙物，如圖4所示。大量的實(shí)驗(yàn)[25, 32]證明，采用Shchelkin螺旋，在氣相和兩相混合物中均可有效縮短DDT距離。另外研究發(fā)現(xiàn)[33]，與其他障礙物不同的是，采用Shchelkin螺旋時(shí)，火焰?zhèn)鞑ミ^程中形成的局部爆炸中心可以沿螺旋傳播，更有利于爆震的形成。Lee等人[34]較全面地研究了障礙物尺寸、障礙物間距以及長(zhǎng)度對(duì)DDT過程的影響。實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)诜叫伪鸸苤胁贾寐菪蔚目装逭系K物來加速DDT過程，以空氣和碳?xì)淙剂献鳛榉磻?yīng)物。研究表明，當(dāng)螺旋形孔板障礙物形成的阻塞比在0.3～0.6范圍內(nèi)時(shí)，可有效實(shí)現(xiàn)DDT；在障礙物區(qū)域使火焰大致加速到C-J波速的1/2即可成功實(shí)現(xiàn)DDT，過長(zhǎng)的障礙物長(zhǎng)度會(huì)增加DDT時(shí)間；另外，多循環(huán)時(shí)，未發(fā)現(xiàn)DDT距離的改變，但DDT時(shí)間有所下降，例如，10Hz時(shí)的DDT時(shí)間由單循環(huán)所需的6ms下降到3ms。固體障礙物的主要缺點(diǎn)是會(huì)造成流動(dòng)損失。Cooper等人[35]的研究指出，對(duì)于不加障礙物可以起爆的混合物，加上障礙物后會(huì)導(dǎo)致比沖下降約25%。為此，Brophy等人[36]嘗試尋找低損失障礙物，選擇了多種斜坡形障礙物開展研究，結(jié)果表明，相對(duì)于螺旋形障礙物，斜坡形障礙物最高減小了50%的總壓損失。Li等人[26]利用螺旋形凹槽替代螺旋形障礙物開展了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，螺旋凹槽可以加速起爆過程，同時(shí)可以獲得更高的推力。

此外還有很多關(guān)于固體障礙物起爆研究的工作[37-38]。綜合來看，采用不同形式的DDT增強(qiáng)裝置對(duì)DDT的增強(qiáng)效果有一定差異。不同形式DDT增強(qiáng)裝置的共同目的是提高湍流度、增大火焰鋒面表面積并提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，形成局部的爆炸中心，最終使火焰鋒面與激波耦合，形成穩(wěn)定自持的爆震波。障礙物的存在，會(huì)帶來流阻損失，阻塞比在40%左右時(shí)，可有效縮短DDT距離，同時(shí)帶來較低的流動(dòng)損失。

圖4 爆震管示意圖和Shchelkin螺旋實(shí)物圖Fig.4 The detonation tube and the Shchelkin spiral

2.2 流體障礙物起爆技術(shù)

流體障礙物起爆技術(shù)指的是通過爆震管壁面上的狹縫或孔，向流場(chǎng)中噴射氣體，對(duì)管內(nèi)的流場(chǎng)形成擾動(dòng)，增大湍流度，從而加速起爆過程，縮短DDT距離。噴射的氣流可看作是流體障礙物，其功能與固體障礙物一致。圖5為2種障礙物對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)的作用示意圖[39]。Knox等人[39-40]開展了固體障礙物與流體障礙物對(duì)DDT過程影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明流體障礙物在增大湍流、加速起爆方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。McGarry等人[41]采用甲烷/空氣為反應(yīng)物，利用PIV和紋影等技術(shù)研究了射流動(dòng)量和反應(yīng)物當(dāng)量比對(duì)火焰加速過程的影響，結(jié)果表明：接近化學(xué)恰當(dāng)比的反應(yīng)物配比以及更大的動(dòng)量比(射流動(dòng)量與主流動(dòng)量之比)更有利于火焰加速。隨后，McGarry等人[42]分析了火焰經(jīng)過固體和流體2種障礙物時(shí)，火焰與障礙物間的相互作用。Chambers等人[43]研究了湍流火焰在射流條件下的加速機(jī)理，并對(duì)比了層流火焰在射流條件下的加速過程。

圖5 固體障礙物與流體障礙物示意圖[39]

Fig.5Graphicalrepresentationof(a)physicalorificeplate(b)fluidicorificeplate[39]

國(guó)內(nèi)白橋棟等人[44]對(duì)分別采用固體和流體障礙物后的DDT過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果顯示，相比于固體障礙物，流體障礙物可縮短約15.4%的DDT距離。Zhao等人[45]設(shè)計(jì)了多孔射流爆震管，并研究了射流組分對(duì)DDT過程的影響，結(jié)果表明，在較低的阻塞比下，當(dāng)射流組分為可燃混氣時(shí)，可以加速火焰，但當(dāng)射流為空氣時(shí)，火焰加速不明顯。彭瀚等人[46]實(shí)驗(yàn)研究了射流延遲時(shí)間、位置、數(shù)量和分布形式對(duì)起爆特性的影響，結(jié)果顯示，在各個(gè)射流噴射位置下均存在相應(yīng)的最佳射流延遲噴射時(shí)間使得預(yù)混氣的起爆時(shí)間最短。李舒欣等人[47]采用數(shù)值方法研究了流體障礙物對(duì)火焰加速過程的影響，結(jié)果表明存在一個(gè)最優(yōu)的射流速度，可以使得火焰加速效果最好。王永佳等人[48]提出了熱態(tài)射流的方案，研究了射流尺寸以及冷態(tài)和熱態(tài)流體障礙物對(duì)起爆特性的影響。結(jié)果表明，較大的射流尺寸下，采用氮?dú)獾睦鋺B(tài)流體障礙物會(huì)稀釋反應(yīng)物，不利于起爆，而利用熱態(tài)流體障礙物則具有更好的加速起爆效果。

總結(jié)來看，流體障礙物應(yīng)用于加速起爆的研究取得了一定的進(jìn)展，但作為一種較新的DDT增強(qiáng)方法，目前仍存在許多問題需要解決，例如，如何實(shí)現(xiàn)多循環(huán)穩(wěn)定可靠起爆，如何評(píng)估流體障礙物的流動(dòng)損失，以及定量對(duì)比流體障礙物與固體障礙物的促進(jìn)起爆效果等。

2.3 熱射流起爆技術(shù)

熱射流起爆技術(shù)是另一種可以實(shí)現(xiàn)短距低阻起爆的方式，即首先在一個(gè)較小的管內(nèi)形成高能燃燒的氣流，氣流進(jìn)入主爆震管后在短距離內(nèi)點(diǎn)燃并起爆主爆震管中的反應(yīng)物。熱射流的狀態(tài)可以分為高速火焰射流和爆震射流兩種。

Lieberman等人[49]的研究認(rèn)為,采用高速火焰射流點(diǎn)火可以獲得爆震波，但仍需一定的DDT距離，并指出采用熱射流點(diǎn)火起爆與采用障礙物的小能量點(diǎn)火起爆相比，流動(dòng)損失更小。李建玲等人[50]的研究表明，較之爆震管內(nèi)安裝螺旋來促進(jìn)DDT的方法，在同一模型機(jī)上采用火焰射流點(diǎn)火起爆能夠使DDT距離縮短60%。

爆震射流則需要首先在較小的射流管路中形成爆震波，一般會(huì)在射流管路中填充較易起爆的反應(yīng)物。例如，Brophy等人[18, 51]采用乙烯/氧氣作為預(yù)爆管中的混合物，以此實(shí)現(xiàn)了主爆震管中JP10/空氣的起爆，工作頻率達(dá)到40Hz。另外，爆震射流方案涉及爆震波在變截面管道中的傳播和自持。大量針對(duì)預(yù)爆管形式PDE的研究[51-53]表明，預(yù)爆管與主爆震管之間的過渡段對(duì)爆震波的衍射和自持至關(guān)重要。Brophy等人[51]在研究中發(fā)現(xiàn)，爆震波從小管中傳出會(huì)出現(xiàn)衍射，激波強(qiáng)度會(huì)減弱，導(dǎo)致連續(xù)的爆震過渡失?。坏茄苌浜蟮募げ〞?huì)在主爆震室內(nèi)反射聚焦，形成局部熱點(diǎn)，從而形成二次起爆過程。Yatsufusa等人[54]也發(fā)現(xiàn)高敏感混合物必須充滿過渡段才能實(shí)現(xiàn)爆震波的連續(xù)過渡。Wang等人[55]研究了不同的熱射流狀態(tài)對(duì)起爆效果的影響，并指出更高的熱射流速度將更有助于起爆。He等人[56]研究了不同熱射流管長(zhǎng)度對(duì)主爆震管中火焰發(fā)展的影響，拍攝到了幾種不同的結(jié)果，包括：爆震波衍射后，解耦的激波在主爆震管內(nèi)反射聚焦起爆；爆震波解耦后經(jīng)過一段DDT過程再次起爆(圖6(a))；直接起爆，爆震波在離開熱射流管之后不解耦，由球形爆震逐漸發(fā)展成平面爆震波(圖6(b))；起爆失敗(圖6(c))。出現(xiàn)這些狀態(tài)的原因在于熱射流的能量不同，文中指出，在射流進(jìn)入主爆震管前處于過驅(qū)爆震狀態(tài)附近時(shí)，更有利于主爆震管內(nèi)反應(yīng)物的起爆?？偟膩碚f，熱射流起爆是一種有效的短距起爆技術(shù)，甚至針對(duì)一些較難起爆的混合物或者流動(dòng)條件同樣適用，主要缺點(diǎn)是需要獨(dú)立的熱射流管或預(yù)爆管，也可能需要獨(dú)立的推進(jìn)劑。

圖6 主爆震管中的火焰?zhèn)鞑デ闆r[56]Fig.6 Flame propagation in the main detonation tube[56]

2.4 激波聚焦起爆技術(shù)

激波聚焦起爆指的是在特殊結(jié)構(gòu)下，通過激波聚焦作用產(chǎn)生局部高溫高壓中心來起爆爆震波。Jackson和Shepherd[57]嘗試在激波管產(chǎn)生高速激波，激波通過環(huán)形孔聚焦后起爆反應(yīng)物。實(shí)驗(yàn)中，激波管填充物為空氣，爆震管中填充乙烯或丙烷/氧氣/氮?dú)饣旌衔?，?shù)據(jù)表明，爆震波起爆所需的驅(qū)動(dòng)激波壓力要高于C-J壓力，但如果以可燃混氣替代激波管中的空氣，所需的驅(qū)動(dòng)壓力將隨之降低。Li和Kailasanath[58-59]通過數(shù)值模擬研究指出，環(huán)形射流在進(jìn)入爆震管后通過激波反射、聚焦可以成功獲得爆震波。Levin等人[60]提出了兩級(jí)PDE方案，如圖7所示。首先在反應(yīng)器中進(jìn)行富油燃燒，產(chǎn)物通過環(huán)形通道與二次空氣混合進(jìn)入諧振室，在激波反射和聚焦作用下形成局部高溫高壓區(qū),直接起爆諧振室內(nèi)的新鮮反應(yīng)物?？哲姽こ檀髮W(xué)曾昊等人[61-66]對(duì)激波聚焦起爆爆震波進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬，分別研究了凹面腔尺寸和曲率、環(huán)形射流初始?jí)毫蛯挾纫约碍h(huán)形射流噴口位置和寬度等因素對(duì)激波匯聚起爆爆震波的影響，得到了各種因素對(duì)爆震波起爆的影響規(guī)律。

圖7 Levin等人提出的兩級(jí)PDE方案[60]

Fig.7SchematicofthetwostagePDEusedbyLevinetal[60]

3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化

PDRE周期性的工作特征決定了其內(nèi)部流動(dòng)是非穩(wěn)態(tài)的，其性能分析模型的建立較為復(fù)雜。一些經(jīng)典的研究工作包括：Heiser和Pratt[67]基于ZND模型對(duì)爆震循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，Wintenberger和Shepherd[68]基于Fickett-Jacobs循環(huán)建立了理想爆震循環(huán)分析模型，Talley和Coy[69]提出用等容循環(huán)模型來分析爆震發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)特性。模型預(yù)測(cè)結(jié)果均表明，基于爆震燃燒的動(dòng)力循環(huán)相對(duì)于基于緩燃的等壓循環(huán)具有更大的優(yōu)勢(shì)，但這些模型均采用了一些較理想的假設(shè)，所得的結(jié)果只能用于評(píng)估PDRE的性能上限。而在目前的大部分研究中，PDRE的性能仍然很難達(dá)到理論上限，很多方面均存在優(yōu)化空間。除了前文介紹的反應(yīng)物填充、霧化、摻混問題，短距低阻起爆問題之外，還可以提升PDRE性能的方案有：利用部分填充效應(yīng)；選擇合適的尾噴管以及提高工作頻率等。

3.1 部分填充效應(yīng)

部分填充指的是爆震管內(nèi)只填充了一部分反應(yīng)物，其余部分為不可燃?xì)怏w(如燃燒產(chǎn)物)等。圖8(a)和(b)分別為爆震管滿填充和部分填充狀態(tài)示意圖。在出現(xiàn)部分填充時(shí)，單次過程產(chǎn)生的總沖量是低于滿填充狀態(tài)的，但基于反應(yīng)物的比沖可能會(huì)增加，即部分填充效應(yīng)。因此，為了獲得更高的比沖，PDRE在工作過程中可以選擇部分填充的策略。另外，在PDRE高頻工作時(shí)，由于填充時(shí)間的限制，爆震管很可能會(huì)處于部分填充狀態(tài)，因此也會(huì)得到更高的推進(jìn)劑比沖。

圖8 爆震管內(nèi)可爆混合物滿填充和部分填充狀態(tài)示意圖[70]

Fig.8SchematicofPDEthrusttubeswiththedetonablemixture(a)fullyfilledand(b)partiallyfilled[70]

Li和Kailasanath[70]通過二維數(shù)值計(jì)算研究了單次工作循環(huán)的部分填充效應(yīng)。在給定的填充長(zhǎng)度下，通過增加管長(zhǎng)來改變填充度。計(jì)算結(jié)果表明，爆震管沖量隨著爆震管長(zhǎng)度的增大而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，因此部分填充方式能夠增大燃料比沖，但基于爆震管內(nèi)所有混合物的比沖會(huì)降低。無量綱比沖在部分填充工作方式下的變化規(guī)律為：

Ispf/Ispffull=a-(a-1)/exp[(Lt/Lf-1)/8]

(1)

其中，Ispf為部分填充時(shí)的燃料比沖，Ispffull為滿填充時(shí)的燃料比沖，Lt為爆震管總長(zhǎng)，Lf為燃料的填充長(zhǎng)度，常數(shù)a為部分填充效應(yīng)帶來的性能增益上限，計(jì)算中a的取值范圍為3.2～3.5。

Cooper等人[71]通過大量的實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)了前人的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合出了反應(yīng)物比沖與填充系數(shù)的關(guān)系式：

(2)

Sato等人[72]通過數(shù)值模擬研究了部分填充的影響，并指出初始時(shí)刻反應(yīng)物的質(zhì)量占爆震管內(nèi)總質(zhì)量的比值，是影響比沖的主要因素?；谀M結(jié)果得到了更簡(jiǎn)單的部分填充效應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式：

(3)

其中，Isp為部分填充時(shí)的反應(yīng)物比沖，Ispfull為滿填充時(shí)的反應(yīng)物比沖，Z為反應(yīng)物的質(zhì)量與爆震管內(nèi)所有物質(zhì)的質(zhì)量之和的比值。

嚴(yán)宇[38]采用等容燃燒過程近似替代爆震燃燒過程，近似認(rèn)為反應(yīng)物的燃燒產(chǎn)物和不可燃?xì)怏w進(jìn)行均勻混合之后再一起排出發(fā)動(dòng)機(jī)，用零維非穩(wěn)態(tài)排氣分析方法獲得部分填充時(shí)的比沖等參數(shù)。王可[73]基于單次爆震性能分析模型，考慮部分填充效應(yīng)，同時(shí)考慮了流動(dòng)損失和液態(tài)燃料的影響，建立了多循環(huán)PDRE的性能分析模型。

關(guān)于部分填充效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究較多，其對(duì)PDRE性能的影響，目前普遍一致的觀點(diǎn)是部分填充能夠帶來性能增益，但尚缺乏通用性較強(qiáng)的定量分析方法，其理論研究尚有待進(jìn)一步發(fā)展。

3.2 尾噴管技術(shù)

尾噴管需要將爆震后產(chǎn)生的高溫高壓氣體有效地轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M(jìn)動(dòng)能，對(duì)PDRE的性能有著重要影響。由于PDRE的工作狀態(tài)是非穩(wěn)態(tài)的，其尾噴管的設(shè)計(jì)也因此變得復(fù)雜。Cambier和Tegner[74]采用準(zhǔn)一維數(shù)值模型研究了5種不同類型擴(kuò)張噴管對(duì)單循環(huán)工作性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，噴管可帶來推力增益，且鐘形噴管(內(nèi)表面曲率為負(fù))的增推效果優(yōu)于內(nèi)表面曲率不變或?yàn)檎臄U(kuò)張噴管。他們采用的噴管擴(kuò)張比較大，且在噴管中也填充了可燃混合物，增推的同時(shí)比沖卻有所下降。Eidelman和Yang[75]分別模擬了安裝3種收斂噴管和3種擴(kuò)張噴管時(shí)的情況，結(jié)果表明：安裝收斂噴管時(shí)均觀察到了激波反射，這與Cambier和Adelman[76]的結(jié)論一致；另外，在安裝擴(kuò)張噴管時(shí)，雖然也能增加推力，但在排氣后期會(huì)出現(xiàn)過膨脹，從而產(chǎn)生負(fù)推力。Allgood等人[77]實(shí)驗(yàn)研究了不同填充度下安裝鐘形收斂噴管和擴(kuò)張噴管時(shí)的推進(jìn)特性，他們發(fā)現(xiàn)填充度對(duì)噴管的推力增益有很大影響。結(jié)果表明，填充度不高于0.8時(shí)，由于部分填充效應(yīng)的存在，不加噴管時(shí)推力最大，即此時(shí)安裝2種噴管均會(huì)造成推力下降；填充度由0.8逐漸增大到1.0時(shí)，只有安裝收斂噴管時(shí)相對(duì)于不加噴管時(shí)產(chǎn)生了推力增益，安裝擴(kuò)張噴管仍會(huì)造成推力下降。Cooper等人[78]測(cè)量了分別加裝4種擴(kuò)張噴管和6種收斂擴(kuò)張噴管時(shí)的單次爆震推進(jìn)特性。實(shí)驗(yàn)中，在不同環(huán)境壓力下(1.4～100 kPa)的結(jié)果表明，各種擴(kuò)張噴管均能產(chǎn)生比沖增益，最大增益可達(dá)72%；收斂擴(kuò)張噴管并未帶來比沖增益，相反在高環(huán)境壓力下，由于喉部的限流作用，比沖出現(xiàn)大幅下降。Yan等人[79]研究了不同鐘形收斂擴(kuò)張噴管對(duì)PDRE性能的影響。實(shí)驗(yàn)中，固定填充度0.73不變，工作頻率40Hz。選擇的9種噴管均能帶來推力增益，最大增益可達(dá)21%。他們指出，收斂擴(kuò)張噴管存在最佳擴(kuò)張比，且該擴(kuò)張比與喉道面積有關(guān)，喉道面積越小，最佳擴(kuò)張比越大。Zhang等人[80]研究了不同噴管對(duì)無閥式PDRE性能的影響，結(jié)果表明大部分收斂型噴管均可以提高推力，但由于形成的激波反射影響了反應(yīng)物的填充，限制了PDRE工作頻率的提高。

雖然有關(guān)噴管的研究在某些方面達(dá)成了共識(shí)，如采用收斂噴管時(shí)會(huì)造成向上游回傳的反射激波并干擾填充過程[75-77]等，但許多方面依然存在互相矛盾的地方。原因可能在于不同研究中噴管內(nèi)的填充物不同，一些研究中的填充物為可燃混合物，而另一些研究中的填充物為空氣。另外，在不同的研究中，各種參數(shù)(如形狀、尺寸、背壓、可燃混合物種類和填充度等)千差萬別，也就是說，不同研究之間的直接對(duì)比或許不具有實(shí)際意義?？傊?，尾噴管設(shè)計(jì)和選取應(yīng)充分考慮實(shí)際工況，如填充度、工作頻率、初始?jí)毫铜h(huán)境壓力等，然后進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。近年來，針對(duì)PDRE噴管的設(shè)計(jì)理論也開始出現(xiàn)[38, 81]，但由于PDRE非穩(wěn)態(tài)工作特性，建立完善的噴管設(shè)計(jì)理論仍將是一項(xiàng)漫長(zhǎng)而富有挑戰(zhàn)性的工作。

認(rèn)識(shí)到了問題所在，胡秀琴隨后給農(nóng)戶提出了解決方案：使用親土1號(hào)土壤改良方案。一些農(nóng)戶抱著死馬當(dāng)作活馬醫(yī)的態(tài)度進(jìn)行了試用，短短一個(gè)月的時(shí)間，再進(jìn)到大棚，與之前已經(jīng)完全是兩番景象。

3.3 高頻控制技術(shù)

PDRE通過周期性的爆震波獲得推力，在填充狀態(tài)相同的情況下，更高的工作頻率意味著更大的推力，另外，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)越接近于穩(wěn)態(tài)，由推力不連續(xù)造成的振動(dòng)越小，同時(shí)也有利于噴管設(shè)計(jì)。因此，如何提高PDRE的工作頻率一直是人們研究的重要問題。

為了實(shí)現(xiàn)PDRE高頻穩(wěn)定運(yùn)行，需要正確匹配每個(gè)循環(huán)中填充、點(diǎn)火、起爆以及排氣和隔離氣體填充等過程的關(guān)系，同時(shí)應(yīng)盡量縮短各個(gè)過程的時(shí)間。由于推進(jìn)劑的填充速度遠(yuǎn)低于爆震波的形成和傳播速度，因此填充過程占用了一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間[82]，縮短填充時(shí)間是提高工作頻率的關(guān)鍵。另外，填充過程是間歇性的，對(duì)PDRE的控制方案提出了更高的要求。目前實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑間歇性填充的方法包括電磁閥式填充、旋轉(zhuǎn)閥式填充以及無閥自適應(yīng)填充。3種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，均未完全發(fā)展成熟，仍有許多方面值得繼續(xù)開展研究。

電磁閥式填充方式是利用電信號(hào)控制可以高頻作動(dòng)的閥門周期性開關(guān)，并與點(diǎn)火時(shí)間匹配，按照特定的時(shí)序工作。電磁閥結(jié)構(gòu)小巧、響應(yīng)速度快，閥門開關(guān)與點(diǎn)火時(shí)序受電信號(hào)精確控制，可靠性高。但由于現(xiàn)階段電磁閥的流量和響應(yīng)特性的矛盾，限制了其在高頻PDRE上的應(yīng)用。Brophy等人[17-18, 83]利用電磁閥控制液體燃料JP-10和氧氣的間歇式填充，穩(wěn)定的爆震頻率不超過10Hz，在采用氣態(tài)乙烯作為燃料時(shí)，實(shí)現(xiàn)了80Hz穩(wěn)定工作。New等人[84]測(cè)試的點(diǎn)火頻率為10～30Hz，實(shí)驗(yàn)得到的PDRE工作頻率為15Hz。為了突破電磁閥流量的限制，研究者們提出了一些新的控制方案。Mercurio等人[85]采用多個(gè)電磁閥同時(shí)控制多路氣體填充的方案，氫氣、氧氣間歇填充，隔離氣體氦氣連續(xù)填充，實(shí)現(xiàn)的最高工作頻率為120Hz，工作時(shí)間可達(dá)1s。Panicker等人[86]提出沿爆震管軸向設(shè)置多點(diǎn)填充位置的方案，可以增大填充流量，縮短填充時(shí)間。另外，Panicker等人[86]提出了2套電磁閥交替工作的設(shè)想，通過在2套電磁閥的控制信號(hào)間設(shè)定相位差，實(shí)現(xiàn)工作頻率的翻倍。王可等人[73, 87]提出了一種簡(jiǎn)化倍頻工作方式，并在基于汽油的兩相PDRE上開展了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。其中氧化劑與燃料仍為單個(gè)填充管路，由單個(gè)電磁閥控制，但工作過程中保持常開狀態(tài)；隔離氣體有2個(gè)填充管路，由2套電磁閥分別控制。工作過程中，控制隔離氣體的2個(gè)電磁閥交替工作，點(diǎn)火按時(shí)序以2倍的頻率工作。最終實(shí)現(xiàn)了74Hz的工作頻率(電磁閥工作頻率37Hz)，拓寬了電磁閥式兩相PDRE的工作范圍。這種控制方案下，氧化劑與燃料管路保持常開，僅在隔離氣體填充時(shí)被暫時(shí)阻斷，因此保證了足夠的填充流量。

旋轉(zhuǎn)閥式填充方式是利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件實(shí)現(xiàn)閥門周期性開關(guān)，容易達(dá)到較高的頻率，在使用中需要額外的動(dòng)力(例如電機(jī))驅(qū)動(dòng)，并需要增加實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火與填充過程匹配的控制單元。旋轉(zhuǎn)閥的缺點(diǎn)[86]在于易漏氣，在高壓環(huán)境下工作不穩(wěn)定，在高頻下很難精確控制流量、獲得合適的當(dāng)量比，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將增加系統(tǒng)復(fù)雜度，并可能會(huì)帶來電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)。1995年，Bussing[88-89]提出了旋轉(zhuǎn)閥式多管PDE設(shè)計(jì)方案，隨后Bussing等人[90]采用旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)行了一系列的PDRE概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。以氫氣為燃料、以氧氣為氧化劑，實(shí)現(xiàn)了145Hz的爆震頻率；使用氣態(tài)碳?xì)淙剂稀⒀鯕鉃檠趸瘎r(shí)取得最高工作頻率為40Hz。Hinkey等人[91]發(fā)展了基于旋轉(zhuǎn)閥的雙管PDE，并成功進(jìn)行了單管10Hz的實(shí)驗(yàn)，隨后，Hinkey等人[92]在帶水冷的大尺寸旋轉(zhuǎn)閥式雙管PDE上，采用氣態(tài)碳?xì)淙剂虾皖A(yù)爆管設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單管40Hz、雙管80Hz的運(yùn)行，穩(wěn)定工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30s。美國(guó)普惠公司[93-94]先后研制出大尺寸單管PDE和大尺寸五管并聯(lián)PDE。在五管PDE實(shí)驗(yàn)中[95]，采用了預(yù)爆管起爆手段，預(yù)爆管中使用乙烯和氧氣，主爆震管中使用乙烯和空氣，單管工作頻率可達(dá)80Hz。Schauer等人[32]將汽車的四缸內(nèi)燃機(jī)改裝成機(jī)械閥來控制PDE中預(yù)混可爆氣體和隔離氣體的填充，最初使用的燃料為氫氣，在單管PDE上實(shí)現(xiàn)了成功運(yùn)行，工作頻率為8Hz，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)91s。隨后，通過利用各種燃油預(yù)處理技術(shù)和起爆技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了使用多種液體燃料的PDE的多循環(huán)運(yùn)行。但總的來說，在使用液態(tài)燃料時(shí)實(shí)現(xiàn)的工作頻率并不高，一般在10～20Hz。2010年，Matsuoka等人[96]設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)閥，在使用乙烯為燃料、氧氣為氧化劑、氦氣為隔離氣體時(shí)，實(shí)現(xiàn)了工作頻率范圍5～33.3Hz內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行。隨后，Matsuoka等人[97]改進(jìn)了旋轉(zhuǎn)閥，實(shí)現(xiàn)了工作頻率的提升，最高達(dá)到160Hz。之后，這種旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步改進(jìn)，并用于四管并聯(lián)PDE[98]，在樣機(jī)Todoroki II[99]上得以應(yīng)用。國(guó)內(nèi)王可等人[100-101]先后設(shè)計(jì)了一套齒輪式旋轉(zhuǎn)閥和凸輪式旋轉(zhuǎn)閥用于實(shí)現(xiàn)兩相PDRE所需的間歇式供給，2種旋轉(zhuǎn)閥控制下均實(shí)現(xiàn)了基于碳?xì)淙剂系膬上郟DRE穩(wěn)定工作，分別達(dá)到的最高工作頻率為15和66Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也指出泄漏以及點(diǎn)火與填充的匹配是旋轉(zhuǎn)閥式PDRE需要解決的重要問題。Lu等人[102-103]改進(jìn)了旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于一種新結(jié)構(gòu)的爆震管上，采用乙烯為燃料，最高實(shí)現(xiàn)了200Hz的穩(wěn)定工作，壓力波形圖如圖9所示。

圖9 200Hz壓力波形[102]Fig.9 Pressure profiles at 200Hz[102]

無閥自適應(yīng)填充方式的爆震室入口沒有機(jī)械閥門，而是依靠爆震室內(nèi)壓力的周期性變化在爆震室入口形成類似氣動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的填充，由點(diǎn)火信號(hào)控制工作頻率。無閥式填充的優(yōu)勢(shì)在于：可極大地簡(jiǎn)化供應(yīng)系統(tǒng)，擺脫物理閥門對(duì)工作頻率的限制，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)更易調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)在于：高壓燃燒產(chǎn)物反傳，容易導(dǎo)致推進(jìn)劑過早點(diǎn)火，工作穩(wěn)定性降低。Valaev[104]等人申請(qǐng)了一種無閥PDE的專利，他們提出在爆震管之前的供給管路上加裝冷卻裝置，工作時(shí)爆震管內(nèi)的壓力振蕩使燃料和氧化劑停止供給的同時(shí)，會(huì)將部分燃燒產(chǎn)物擠壓至裝有冷卻裝置的管路內(nèi)，這部分被冷卻的燃燒產(chǎn)物在下一個(gè)循環(huán)供給新鮮反應(yīng)物時(shí)進(jìn)入爆震管，可起到隔離介質(zhì)的作用。DeRoche[105]注冊(cè)了一個(gè)類似的專利，只不過沒有在供給管路上設(shè)置冷卻裝置。Baklanov等人[106]在特殊設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)現(xiàn)了上述專利所提出的無閥PDE的穩(wěn)定工作，采用氣態(tài)燃料并且強(qiáng)制冷卻后實(shí)現(xiàn)的最高工作頻率為92Hz。Shimo和Heister[107]提出了另一種無閥PDE設(shè)計(jì)，他們加長(zhǎng)設(shè)計(jì)了氧化劑供給管路和進(jìn)氣段，以產(chǎn)生有效的隔離區(qū)，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作。Kitano等人[108]采用無閥方案，在一個(gè)內(nèi)徑15mm、長(zhǎng)660mm的爆震管中進(jìn)行了多循環(huán)爆震實(shí)驗(yàn)，基于氣態(tài)燃料實(shí)現(xiàn)了80Hz的工作。Endo等人[109]提出了一種燃料、氧化劑和隔離氣體均為無閥自適應(yīng)填充的控制方式。選擇乙烯為燃料、氧氣為氧化劑、氬氣為隔離氣體，在內(nèi)徑10mm、長(zhǎng)350mm的爆震管內(nèi)實(shí)現(xiàn)了150Hz的工作頻率，工作時(shí)長(zhǎng)15min。Matsuoka等人[110]提出了在無閥填充方式下利用液態(tài)水作為隔離物的控制方法，并進(jìn)行了一系列后續(xù)研究[111-112]。其中燃料與氧化劑采用無閥式填充，液態(tài)水由電磁閥控制間歇性填充，利用水的相變降低爆震管頭部溫度達(dá)到隔離作用。在采用乙烯/氧氣混合物作為推進(jìn)劑時(shí)，在內(nèi)徑10mm的爆震管內(nèi)得到了350Hz的工作頻率。隨后，Matsuoka等人[113-115]采用超臨界態(tài)乙烯作為燃料，去掉液態(tài)水，同樣實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定工作，最高工作頻率達(dá)到500Hz。國(guó)內(nèi)王可[80, 116]等人針對(duì)兩相PDRE，提出了無閥無隔離自適應(yīng)工作過程的控制方案，實(shí)現(xiàn)了兩相PDRE的穩(wěn)定工作。工作循環(huán)如圖10所示，采用液態(tài)汽油為燃料，富氧空氣為氧化劑，當(dāng)汽油進(jìn)入爆震管之后，汽油的霧化與蒸發(fā)可以吸收熱量，改善隔離效果，在內(nèi)徑24mm、長(zhǎng)660mm的爆震管中最高達(dá)到了110Hz的工作頻率。Lu等人[117]介紹了一種無閥帶隔離兩相PDRE的控制方案，引入了一路無閥式填充的隔離氣體管路，最高實(shí)現(xiàn)了130Hz的兩相爆震頻率。

圖10 無閥自適應(yīng)方案工作過程示意圖[116]Fig.10 Schematic of the valveless operation sequences[116]

總之，PDRE高頻工作的間歇式填充主要依靠電磁閥、旋轉(zhuǎn)閥和無閥3種方式實(shí)現(xiàn)。3種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，均未完全發(fā)展成熟，仍有許多方面值得進(jìn)一步研究。例如，電磁閥控制策略，無泄漏、高頻和大流量旋轉(zhuǎn)閥方案設(shè)計(jì)，無閥工作時(shí)如何降低壓力脈動(dòng)對(duì)進(jìn)氣的影響以及如何將無閥工作方式更為成熟地應(yīng)用于PDRE等。

4 PDRE樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

在大量應(yīng)用基礎(chǔ)研究文獻(xiàn)發(fā)表的同時(shí)，研究人員也開展了以PDRE為動(dòng)力的演示驗(yàn)證試驗(yàn)。美國(guó)普惠公司設(shè)計(jì)了大尺寸五管并聯(lián)PDE樣機(jī)，并于2004年完成了實(shí)驗(yàn)[95]，分別進(jìn)行了不加噴管和加裝不同類型噴管的研究。樣機(jī)通過旋轉(zhuǎn)閥來實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑間歇式填充，采用了預(yù)爆管起爆手段。在預(yù)爆管中采用乙烯和氧氣，主爆震管中采用乙烯和空氣，單管工作頻率可達(dá)80Hz。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的Schauer等人[118]首次成功進(jìn)行了以爆震發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的飛行試驗(yàn)。采用Long-EZ飛機(jī)為載體，飛行高度約為30m，飛行時(shí)間為10s。發(fā)動(dòng)機(jī)由四管并聯(lián)，燃料為辛烷，單管頻率為20Hz，產(chǎn)生了超過890N的峰值推力。自2004年開始，日本筑波大學(xué)、慶應(yīng)義塾大學(xué)、廣島大學(xué)、名古屋大學(xué)以及青山大學(xué)等多個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成團(tuán)隊(duì)，以Kasahara等人[98-99, 119-122]為代表，開展了多次PDRE樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。采用乙烯為燃料，氧氣為氧化劑、氦氣為隔離氣體，設(shè)計(jì)了單管PDRE樣機(jī)Todoroki I[120]，并在地面滑軌上進(jìn)行了地面滑跑實(shí)驗(yàn)。隨后又改進(jìn)采用了四管并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了PDRE樣機(jī)Todoroki II[99, 122]，并于2014年開展了6自由度彈射試飛試驗(yàn)。Kasahara等人[123]展望了爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在日本未來的發(fā)展，指出PDRE可能會(huì)用于太空飛行器降落時(shí)的動(dòng)力，他們希望在未來可以完成爆震發(fā)動(dòng)機(jī)真正意義上的飛行實(shí)驗(yàn)。中國(guó)西北工業(yè)大學(xué)同時(shí)開展了APDE和PDRE的研究，其中APDE樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了爆震室與壓氣機(jī)和渦輪的匹配[124]；PDRE方面則是多次開展了樣機(jī)滑跑實(shí)驗(yàn)。范瑋等人[125]采用航空煤油為燃料，氧氣為氧化劑，以地面小車為載體，驗(yàn)證了兩相PDRE的推進(jìn)性能，并在2013年對(duì)該裝置進(jìn)行了改進(jìn)[126]，在水平跑道上進(jìn)行了以兩相PDRE為動(dòng)力的地面滑跑實(shí)驗(yàn)。圖11是以PDRE為動(dòng)力裝置的地面樣機(jī)圖片。目前開展的樣機(jī)演示實(shí)驗(yàn)均證明了爆震發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置的可行性，但大部分樣機(jī)采用的技術(shù)仍不是性能最優(yōu)的方案，最新的PDRE樣機(jī)技術(shù)仍在研究當(dāng)中，相關(guān)結(jié)果尚未得到公開，未來PDRE的性能仍有很大的提升空間。

圖11 PDRE演示樣機(jī)Fig.11 PDRE prototype

5 結(jié) 論

PDRE應(yīng)用基礎(chǔ)問題方面的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但距離工程應(yīng)用仍有差距。

兩相PDRE方面，通過提高燃油初始溫度，使燃油加熱至超臨界狀態(tài)或閃蒸噴射進(jìn)入爆震管，有助于改善霧化效果，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。可以考慮利用爆震管壁面散熱加熱燃油，相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)仍需進(jìn)一步研究。

短距低阻起爆方面，目前固體障礙物起爆技術(shù)相對(duì)成熟，可以實(shí)現(xiàn)在較短的距離內(nèi)可靠起爆，但會(huì)帶來較大的性能損失；利用流體障礙物起爆可以降低性能損失，但如何在多循環(huán)條件下提高起爆可靠性方面的研究仍然較少；熱射流起爆和激波聚焦起爆可以實(shí)現(xiàn)短距低阻起爆，但需要盡量降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高多循環(huán)起爆的可靠性。

性能優(yōu)化方面，部分填充方式可以提高推進(jìn)劑的比沖，安裝合適的尾噴管可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力，但PDRE非穩(wěn)態(tài)工作特性下的尾噴管設(shè)計(jì)理論仍有待進(jìn)一步探索。提高PDRE工作頻率的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑高頻間歇性填充，采用電磁閥或旋轉(zhuǎn)閥控制填充時(shí)，工作頻率受限于閥門的作動(dòng)頻率和流量；采用無閥式填充時(shí)，需要保證相鄰工作循環(huán)之間的有效隔離過程。