脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)綜述

1、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)綜述引言脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Engine簡(jiǎn)稱(chēng)PDE)是利用脈沖爆震波產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)鈦?lái)產(chǎn)生推力的一種新概念發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種非定常推進(jìn)系統(tǒng)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。燃料以劇烈的爆震方式燃燒，爆震波以超音速傳播，可以產(chǎn)生極高的溫度和壓力。必須指出：PDE的概念與眾所周知的脈動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，如二戰(zhàn)時(shí)使用的德國(guó)V-1“嗡嗡炸彈”不同，脈動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是非定常發(fā)動(dòng)機(jī)，但它使用了緩燃模式。脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)有著廣泛的應(yīng)用前景，在航空方面，其高比沖的特點(diǎn)可以用于載人飛機(jī)的動(dòng)力裝置，實(shí)現(xiàn)高速洲際航行。在航天方面，其高比沖和體積小的特點(diǎn)可以用于單級(jí)入軌航天飛機(jī)的初始段推進(jìn)

2、裝置。其低成本的特點(diǎn)可以用于軍事上的靶機(jī)、引誘飛機(jī)、假目標(biāo)和靶彈的動(dòng)力裝置以及高速導(dǎo)彈突防輔助動(dòng)力。近年來(lái)也有人研究其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，如用來(lái)發(fā)電等，一旦技術(shù)成熟，必將對(duì)航空航天產(chǎn)生革命性的影響。在最近的十年內(nèi)，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)日益得到各國(guó)的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始此方面研究的是西北工業(yè)大學(xué)。盡管脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)和很大的發(fā)展?jié)摿?，也進(jìn)行了不少研究，然而由于諸多技術(shù)難題，尚未得到正式生產(chǎn)。1 工作循環(huán)過(guò)程及潛在優(yōu)點(diǎn)11工作循環(huán)過(guò)程脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段： 燃料氧化劑填充爆震室。 點(diǎn)火起爆。 爆震波向敞口端傳播。 爆震波到達(dá)出口，膨脹波反射進(jìn)來(lái)，爆震產(chǎn)物從爆震室排出。

3、恢復(fù)初始狀態(tài)。以上幾個(gè)過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，當(dāng)爆震達(dá)到一定頻率后就可以為飛行器提供近似連續(xù)的推進(jìn)動(dòng)力。具體過(guò)程解釋如下：循環(huán)從填充壓力P1的反應(yīng)物開(kāi)始，然后關(guān)閉閥門(mén)，用位于封閉端附近的點(diǎn)火源直接起爆或通過(guò)緩燃向爆震轉(zhuǎn)變(Deflagration to Detonation Transition，簡(jiǎn)稱(chēng)DDT)起爆。爆震波以2000m/s左右的爆震波速向開(kāi)口斷傳去。在爆震波后是從封閉端發(fā)出的Taylor膨脹波扇，以滿(mǎn)足封閉端速度為零的條件。Taylor膨脹波波尾以當(dāng)?shù)芈曀貱3（約1000m/s）向開(kāi)口端傳去。在封閉端與Taylor膨脹波波尾之間是均勻區(qū)。Taylor膨脹波將爆震波C-J的壓力P2降低到均勻

4、區(qū)中相對(duì)較低的水平P3。這個(gè)壓力通常稱(chēng)為平臺(tái)壓力，它仍然比環(huán)境壓力P0大得多，因此在封閉端產(chǎn)生推力。當(dāng)爆震波傳出爆震室出口時(shí)，由于該處壓力遠(yuǎn)大于環(huán)境壓力，因此產(chǎn)生一組膨脹波反向傳進(jìn)爆震室，進(jìn)一步降低爆震室的壓力，使得排氣過(guò)程得以開(kāi)始。膨脹波到達(dá)封閉端反射為另一組膨脹波向下游開(kāi)口端傳去。非定常排氣過(guò)程是由在開(kāi)口端和封閉端交替產(chǎn)生的一系列壓縮波和膨脹波組成的。當(dāng)爆震室的壓力降低到環(huán)境壓力水平時(shí)，排氣過(guò)程結(jié)束。當(dāng)排氣過(guò)程結(jié)束時(shí)，閥門(mén)打開(kāi)，讓新鮮反應(yīng)物填充如爆震室。閥門(mén)打開(kāi)時(shí)應(yīng)控制新的反應(yīng)物不排出爆震室，避免浪費(fèi)。這就要求下一個(gè)循環(huán)的爆震波在爆震室的某個(gè)地方，通常在出口能趕上反應(yīng)物。再填充過(guò)程完成后，

5、閥門(mén)關(guān)閉，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。在更實(shí)際的循環(huán)中，是封閉端的壓力減低到某一水平，而不是環(huán)境壓力，填充過(guò)程開(kāi)始，從而避免排氣后期在封閉端產(chǎn)生很低的壓力，造成負(fù)推力。此外，靠近封閉端的燃燒產(chǎn)物溫度仍很高，當(dāng)新鮮反應(yīng)物與其接觸時(shí)立即燃燒，也就是過(guò)早點(diǎn)火。這種過(guò)早點(diǎn)火很可能是發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作。因此，需要一種隔離過(guò)程，即在填充新鮮反應(yīng)物前，填充少量惰性氣體或冷空氣以防止過(guò)早點(diǎn)火。圖2 多管PDE應(yīng)用設(shè)想12潛在優(yōu)點(diǎn)相對(duì)于其他推進(jìn)系統(tǒng)，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且可以成比例地放大或縮小。諸多優(yōu)點(diǎn)中尤為突出的是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和循環(huán)熱效率高。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可使發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸小，重量輕，維護(hù)簡(jiǎn)單；循環(huán)熱效率高可以在較

6、寬的速度范圍內(nèi)展現(xiàn)出高性能。121 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單盡管PDE還存在設(shè)計(jì)及材料上的難題，但其工作原理決定了其機(jī)械結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)單性。由于爆震波可以顯著提高爆震室內(nèi)混氣的壓力和溫度，因此填充過(guò)程就不需要有很高的壓力，也就省去了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)用來(lái)增壓的部件(如壓氣機(jī))。在起飛時(shí)也不需要助推器。幾乎全部的過(guò)程都融合在爆震室內(nèi)進(jìn)行，使得其結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)化極為顯著，零部件數(shù)量也大大減少。這對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，提高可靠性，減少維護(hù)工作量都大有裨益。典型的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖如圖3所示：圖3 典型PDE結(jié)構(gòu)示意圖122 熱效率高脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程近似為等容燃燒過(guò)程，比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的Brayton循環(huán)有更高的熱效率，因此

7、在理想狀態(tài)下，在馬赫數(shù)05范圍內(nèi)具有高比沖，低燃油消耗率的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)Mawid M A的研究，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)組合后的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。除了高推力性能外，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)還顯示出很好的經(jīng)濟(jì)性，爆震燃燒的快速反應(yīng)方式，使得整個(gè)燃燒過(guò)程近似等容燃燒，燃料效率得到提高，爆震的高溫也使得未完全燃燒的燃料大大減少，這些因素都有利于提高經(jīng)濟(jì)性。此外，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍寬，可在M數(shù)010，飛行高度0km50km飛行，推力可調(diào)范圍大致為5500000N；適用范圍廣，可以按自吸氣的方式或攜帶氧化劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方式工作，也可以與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合組成組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)或混合發(fā)動(dòng)機(jī)。由于

8、采用間歇式循環(huán)，壁溫不高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)相對(duì)降低。由于無(wú)高速旋轉(zhuǎn)部件，加工相對(duì)簡(jiǎn)單，投資不大，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。2 脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的主要形式根據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)有不同的分類(lèi)方式。例如按照爆震管的數(shù)目可分為單管多管脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，按照燃料形式可分為氣相液相燃料爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，按照氧化劑的來(lái)源可分為自吸氣式火箭式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)前通常將其分為純PDE(pure PDE)、組合循環(huán)PDE(combined PDE)，混合PDE(hybrid PDE)三大類(lèi)。純PDE主要由爆震管、進(jìn)氣道、尾噴管組成；組合循環(huán)PDE是由PDE與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置組合而成，在不同的速度范圍

9、內(nèi)，運(yùn)行不同的工作循環(huán)；混合PDE是由PDE與渦噴或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，如在外涵道或加力段使用PDE。21純脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(pure PDE)，由于其重量輕，容易制造，成本低以及在馬赫數(shù)M=1左右的高性能特點(diǎn)，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。將成為導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)及其他小型動(dòng)力的理想選擇。在高馬赫數(shù)階段性能會(huì)有所下降，加之其噪音等方面的缺點(diǎn)，因而不被大尺寸動(dòng)力看好。美國(guó)普·惠公司研制的一種純脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)已接近實(shí)用性驗(yàn)證階段，其目標(biāo)是針對(duì)未來(lái)超聲速導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的PDE研究。該P(yáng)DE由五個(gè)爆震管組成，目前正在美國(guó)海軍航空武器中心進(jìn)行最后階段的試驗(yàn)。試驗(yàn)中，該P(yáng)DE與一個(gè)增壓空氣供給系統(tǒng)相連，

10、該系統(tǒng)模擬了M=2.5的進(jìn)口壓力和溫度狀態(tài)。目前試驗(yàn)的目的是初步運(yùn)行PDE并驗(yàn)證其性能，22混合式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)將脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合組成混合式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(hybrid PDE)，不但可以增大推力從而提高馬赫數(shù)，而且可以有效地降低耗油率。在傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道加裝爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)爆震管依次循環(huán)進(jìn)氣、進(jìn)油進(jìn)行爆震產(chǎn)生推力。這種組合方式可以產(chǎn)生更高的推力，并降低耗油率。目前軍用發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用加力燃燒室來(lái)增大推力，這是以犧牲經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的，采用混合式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在增加同樣推力的情況下卻有著更高的經(jīng)濟(jì)性。也可將其用于民用發(fā)動(dòng)機(jī)，以提高航行速度，降低運(yùn)營(yíng)成本，減少尾氣中氧化氮含量。N

11、ASA計(jì)劃利用這項(xiàng)技術(shù)，在2022年前實(shí)現(xiàn)洲際航行的時(shí)間大大縮短。23組合循環(huán)式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)組合循環(huán)式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(combined cycle PDE)應(yīng)用于航空領(lǐng)域有著更為喜人的前景。將脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(ramjet)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(scramjet)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(rocket)或其它動(dòng)力裝置相結(jié)合，在不同的飛行馬赫數(shù)采用不同的循環(huán)，以?xún)?yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的整體性能，可以實(shí)現(xiàn)高效率、高速飛行(M>5)。目前超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尚處于研究階段，將其與PDE組合尚不是近期目標(biāo)，盡管其很適合用于高空、高速飛行器。目前提出的一種基于組合循環(huán)方案原理如圖4所示，有四種工作模式。圖4 組合循環(huán)

12、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)方案原理示意圖 帶擴(kuò)張隱射器增推的脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Rocket，PDR)模式。此模式工作于起飛到跨音速階段，由PDR噴出的氣流增加了爆震管內(nèi)氣流的動(dòng)量，因此在低速階段可以比傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供更大的推力和比沖。 脈沖法向爆震波發(fā)動(dòng)機(jī)模式。此模式工作于爆震燃燒室內(nèi)氣流馬赫數(shù)M2<Mcj階段，燃料間歇注入爆震室超音速來(lái)流中，形成逆流傳播的法向脈沖爆震波。 穩(wěn)態(tài)斜向爆震波發(fā)動(dòng)機(jī)模式。此模式工作于爆震燃燒室內(nèi)氣流馬赫數(shù)艦M2>Mcj階段。M2=Mcj時(shí)，逆流傳播的爆震波滯止，轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的爆震波，Mcj后法向爆震波轉(zhuǎn)為斜向爆震波，在合的楔面角

13、度下，滯止并穩(wěn)定下來(lái)。 脈沖爆震純火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模式。此模式工作于高空條件。通過(guò)上面四種模式的組合工作，可使推力平滑過(guò)渡，以滿(mǎn)足在不同的飛行條件下為飛行器提供足夠高的推力需要。3 主要研究方法對(duì)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究方法主要有理論分析法、數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)方法。各方法都有階段性的進(jìn)展。31理論分析理論分析方法作為一種傳統(tǒng)的方法，在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展中起著重要的作用。最初人們用Humphrey循環(huán)為模型分析脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的理想循環(huán)。基于Heiser和Pratt等人對(duì)PDE的深入研究，現(xiàn)在普遍認(rèn)為Humphrey循環(huán)不是PDE的理想模型，而用沖擊波、瑞利流和ChapmanJouguet邊界條件的組合來(lái)

14、描述爆震燃燒過(guò)程。關(guān)于爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的理想循環(huán)仍需進(jìn)一步提煉優(yōu)化。對(duì)PDE部件的分析主要包括非定常進(jìn)氣、燃料加注和摻混、爆震室強(qiáng)度和可靠性以及尾噴管與爆震室交界面等幾方面。對(duì)于交界面的初步考慮是保證爆震室出口氣流沿噴管壁面流動(dòng)。32數(shù)值模擬發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬的方法可以在試驗(yàn)研究比較困難的領(lǐng)域給出數(shù)據(jù)，如將進(jìn)氣道、尾噴管與爆震室相結(jié)合，考察點(diǎn)火位置對(duì)性能的影響等。因此也被廣泛應(yīng)用于PDE研究，但由于爆震的物理過(guò)程仍未得到深入細(xì)致的認(rèn)識(shí)，數(shù)值模擬算法仍需要不斷地改進(jìn)。CFD模擬通常是靠一高溫區(qū)域(或足夠的能量積累)來(lái)激發(fā)爆震，下游的壓力邊界條件對(duì)模擬有著重要的影響。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在開(kāi)口端點(diǎn)火燃燒效率稍高

15、。噴管對(duì)PDE性能改善也有顯著作用。隨著對(duì)PDE循環(huán)的深入認(rèn)識(shí)，由對(duì)爆震的基本CFD研究向提供更多部件信息，更強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用的PDE模擬的轉(zhuǎn)變是今后脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬的方向。對(duì)PDE的數(shù)值模擬包括單脈沖爆震、多脈沖爆震、單管、多管、是否帶噴管或引射器等；在空間維數(shù)方面，還包括一維、準(zhǔn)一維，二維或二維軸對(duì)稱(chēng)。目前大多數(shù)一維數(shù)值模擬是基于出流固定壓力邊界條件（Cambier和Adelman，1988年；Sterling等人，1995年）。2002年Ebrahimi等人使用固定壓力邊界條件和給予二維數(shù)值模擬修正的變壓力邊界條件。他們發(fā)現(xiàn)，采用固定壓力邊界條件時(shí)，當(dāng)爆震波到達(dá)出口時(shí)，流動(dòng)堵塞，對(duì)于變

16、壓力邊界條件，在堵塞前有一段亞聲速出流時(shí)間。1999年Kailasanath等人采用松弛壓力邊界條件。松弛時(shí)間定義為當(dāng)爆震管出口壓力達(dá)到環(huán)境壓力時(shí)所需的時(shí)間。他們得出結(jié)論：在上述一維數(shù)值計(jì)算中出現(xiàn)比重大小差別可以根據(jù)出口邊界條件處理方法不同加以解釋。盡管脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)性能一維數(shù)值模擬計(jì)算效率很高，但由于出口邊界條件難以確定，使它失去吸引力。多維數(shù)值模擬的計(jì)算域包括能客觀(guān)描述發(fā)動(dòng)機(jī)出口附近流場(chǎng)的爆震管和外區(qū)，可以為性能預(yù)測(cè)提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。Eidelman等人對(duì)采用乙烯和空氣混合物的無(wú)閥脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了二維軸對(duì)稱(chēng)數(shù)值模擬。采用爆震室長(zhǎng)度為8cm或16cm，得出如下結(jié)論：當(dāng)其他條件不變時(shí)，爆震

17、室的推力與爆震室長(zhǎng)度成正比。因?yàn)樗麄儍H根據(jù)單次循環(huán)計(jì)算得到推力，結(jié)論有一定的局限性。1996年Lynch和Eidelman也進(jìn)行了PDE二維軸對(duì)稱(chēng)數(shù)值模擬。他們建議在進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要考慮粘性卷吸效應(yīng)和進(jìn)氣道附加構(gòu)型。大多數(shù)二維數(shù)值模擬是針對(duì)在封閉端起爆的單管脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。2002年Ebranimi等人進(jìn)行了氫氣氧氣混合物二維數(shù)值模擬，以便為一維數(shù)值模擬提供邊界條件。2001年Li和Kailasanath研究了乙烯氧氣混合物在全填充和部分填充條件下單脈沖流場(chǎng)的演變。大多數(shù)二維數(shù)值模擬僅限于單脈沖爆震，但是單脈沖爆震與多次脈沖爆震有很大差別，由單脈沖爆震得到的結(jié)論不能直接用于多次脈沖爆震。目前

18、有關(guān)多次脈沖爆震二維數(shù)值模擬還為數(shù)不多。2003年Wu等人得到了達(dá)到穩(wěn)定循環(huán)的PDE二維數(shù)值模擬結(jié)果。（1）噴管的影響。脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噴管設(shè)計(jì)由于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的非定常性質(zhì)而復(fù)雜化，特別是多次爆震波產(chǎn)生的激波更復(fù)雜。目前尚未建立起脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噴管設(shè)計(jì)理論。Cambier和Adelman在1988年進(jìn)行的準(zhǔn)一維數(shù)值模擬中還發(fā)現(xiàn)，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的收斂噴管和喉道會(huì)引起激波反射。反射的激波會(huì)提高頭部壓力，影響填充過(guò)程，減低循環(huán)效率。另一方面，擴(kuò)張噴管會(huì)反射膨脹波，并線(xiàn)爆震管反傳，影響填充速度。1998年Cambier和Tegner研究了5種不同擴(kuò)張噴管對(duì)基于準(zhǔn)一維多循環(huán)模擬和二維單脈沖爆震數(shù)值模擬性

19、能的影響。所用爆震管和噴管長(zhǎng)度分別為10cm和5cm，采用氫氧混合物。單脈沖爆震計(jì)算結(jié)果表明，擴(kuò)張噴管可以增加沖量，鐘形噴管能產(chǎn)生更高的沖量。此外，單脈沖爆震和多次脈沖爆震，準(zhǔn)一維和二維，它們的模擬結(jié)果均不相同。1998年Eidelman和Yang進(jìn)行了二維單脈沖爆震數(shù)值模擬，考慮了3種擴(kuò)張噴管和3種收斂噴管。發(fā)現(xiàn)兩種噴管都能明顯提高脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。3種噴管中，鐘形噴管能產(chǎn)生更高的沖量。2000年Mohanraj和Merkle進(jìn)行了準(zhǔn)一維多次脈沖爆震數(shù)值模擬研究了不同反壓下擴(kuò)張噴管及收斂擴(kuò)張噴管（Convergence Divergence，簡(jiǎn)稱(chēng)CD）的影響，噴射壓力為0.1013MPa

20、。他們發(fā)現(xiàn)在低的反壓下，這兩種噴管均能提高性能，在高的反壓下擴(kuò)張噴管使發(fā)動(dòng)機(jī)性能變差。他們還發(fā)現(xiàn)擴(kuò)張噴管能產(chǎn)生更高的循環(huán)效率。2003年Yungster通過(guò)二維數(shù)值模擬研究了擴(kuò)張噴管對(duì)PDE性能的影響。循環(huán)工作了3個(gè)周期，分別采用氫氣氧氣和氫氣空氣混合物，爆震管和噴管的長(zhǎng)度分別為100cm和40cm。在單脈沖爆震情況下，相對(duì)于不帶噴管的情況，噴管利用燃燒產(chǎn)物攜帶的能量能較大地增加沖量。對(duì)于分別使用氫氣氧氣和氫氣空氣混合物的鐘形噴管，其沖量分別增大2.34倍和1.41倍。在多次脈沖爆震的情況下，噴管的性能收益是有限的，這是因?yàn)樵谔畛潆A段噴管處于過(guò)度膨脹狀態(tài)，甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)推力。(2)多管脈沖爆震發(fā)

21、動(dòng)機(jī)除了噴管外，另一種改進(jìn)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)性能的方法就是采用多個(gè)爆震管。有關(guān)多管脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的研究還剛剛開(kāi)始。2000年Mohanraj等人提出了有5個(gè)爆震管的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)近似模擬模型。2002年Ebrahimi等人對(duì)有2個(gè)爆震管的PDE進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。他們發(fā)現(xiàn)，在相鄰爆震管中誘導(dǎo)的壓力與爆震管本身產(chǎn)生的壓力幾乎相同。由爆震波有道德壓力與爆震管本身產(chǎn)生的壓力幾乎相同。由爆震波誘導(dǎo)的激波有可能引爆相鄰爆震管中的反應(yīng)物。2003年Ebrahimi等人研究了爆震管的數(shù)目和長(zhǎng)度對(duì)爆震管之間流暢的影響。結(jié)果表明：3個(gè)管子之間的相互作用是2個(gè)管子的1/3,增加管長(zhǎng)對(duì)性能影響不大。2003年Ma等對(duì)多管脈

22、沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)多次脈沖爆震循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。33試驗(yàn)研究試驗(yàn)方法對(duì)于正確、深入地認(rèn)識(shí)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程，解決脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)等有著其他研究方法所不可替代的地位。關(guān)于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)最早的試驗(yàn)可以追溯到1940年Hoffmann對(duì)間歇爆震的研究。之后對(duì)PDE的試驗(yàn)研究逐漸增多，單次脈沖爆震試驗(yàn)可以用來(lái)決定不同可爆混合物的起爆能量、測(cè)量爆震波的參數(shù)、驗(yàn)證一些概念，未進(jìn)行更加復(fù)雜的多次脈沖爆震實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。試驗(yàn)中采用氫氣或碳?xì)淙剂稀Ｌ細(xì)淙剂习怏w燃料，如乙烯、丙烷，以及液體燃料，如JP10（C10H16）。許多研究選用乙烯是因?yàn)檫@種染料的爆震性質(zhì)參數(shù)比較齊全，同時(shí)它的

23、成分也是許多較重的碳?xì)淙剂纤灿械摹，F(xiàn)階段的試驗(yàn)研究也包括概念模型以及飛行尺寸的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。目前已知最先進(jìn)的當(dāng)屬適PDE使用性Pratt&Whitney公司的飛行尺寸pure PDE驗(yàn)證。試驗(yàn)中，主要問(wèn)題還是氣動(dòng)閥的產(chǎn)生，控制以及它和爆震頻率的協(xié)調(diào)問(wèn)題，由于它不像往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)那樣，有活塞，主軸等活動(dòng)部件可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況做提供參數(shù)，完全依賴(lài)傳感器，因此變工況運(yùn)行穩(wěn)定性差。另外，該發(fā)動(dòng)機(jī)為脈動(dòng)，舒適性差，震動(dòng)大不易平衡，所以采用多管捆綁使用，不過(guò)只可增大推力，卻不能像多缸往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)那樣平衡震動(dòng)，因?yàn)楦鞲字g沒(méi)有關(guān)聯(lián)，工作頻率并不協(xié)調(diào)，為此，美國(guó)專(zhuān)家設(shè)計(jì)出與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)配合使用的PDE

24、發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)由美國(guó)空軍技術(shù)研究中心與ISSI公司合作，將普通4缸4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)與爆震管相結(jié)合，采用螺旋障礙物促進(jìn)爆震形成，成功的進(jìn)行了多循環(huán)試驗(yàn)。該組合發(fā)動(dòng)機(jī)在產(chǎn)生推力（最大50lbf）的同時(shí)能夠輸出一定量的軸功（20hp），從而為爆震發(fā)動(dòng)機(jī)功率提取開(kāi)創(chuàng)了一條道路。2004年4月，活塞組合脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在加州安排了飛行試驗(yàn)。4 目前面臨的技術(shù)障礙目前將脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于實(shí)際尚有許多技術(shù)問(wèn)題亟待解決，其中最大的兩個(gè)障礙是確保產(chǎn)生連續(xù)的爆震波和研制能夠可靠地承受高爆震壓力和熱應(yīng)力的新工程材料。41 爆燃向爆震的轉(zhuǎn)換(DDT)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最顯著區(qū)別是燃料的燃燒方式為爆震而非爆燃，

25、因此爆燃向爆震的可靠轉(zhuǎn)換(DDT)是展現(xiàn)PDE各種優(yōu)點(diǎn)的必要條件。目前控制DDT的方式主要有機(jī)械式和氣動(dòng)式兩種。PW公司從1993年開(kāi)始研制PDE，采取的就是機(jī)械式旋轉(zhuǎn)閥。他們的目標(biāo)是2005年前研制出用于導(dǎo)彈的pure PDE原型。利用旋轉(zhuǎn)閥控制向爆震管內(nèi)加注空氣和燃料的混合物，通過(guò)火花點(diǎn)火激發(fā)DDT。在火花能量足夠大的情況下，此種方式可以直接起爆產(chǎn)生爆震波。GE公司則采用氣動(dòng)閥方式，他們的目標(biāo)是2005年前研制出hybrid PDE。氣動(dòng)閥方式利用環(huán)境氣壓與爆震管內(nèi)壓力的不同完成燃料和氧化劑的加注過(guò)程。這種方式明顯地呈現(xiàn)出進(jìn)氣和排氣兩個(gè)階段，進(jìn)氣過(guò)程加注燃料，爆震后為排氣過(guò)程。此外為了縮短DDT距離，可以采用一些強(qiáng)化爆震的措施，如采用Shchelkin螺旋