一种脉冲预引爆可稳定工作的爆震发动机的制作方法

本发明涉及一种动力机械，特别是一种脉冲预引爆可稳定工作的爆震发动机，属于航空动力技术领域。

背景技术：

脉冲爆震发动机(pde)在燃烧室内直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩气体，进而产生动力。与传统发动机相比，脉冲爆震发动机省去了压气机、涡轮机等部件，具有结构简单、推重比高、成本低廉等特点。未来无论是火箭、导弹，还是空天飞机都可以使用脉冲爆震发动机，它也被认为是21世纪最有潜力的空天动力项目。

pde的基本工作步骤包括四个步：第一步，把爆震燃烧室充满可爆混合物，第二步，在燃烧室的开口或闭口端激发爆震波；第三步，将爆震波在燃烧室内传播，并在开口端排出；第四步，把燃烧产物通过一个清空过程从燃烧室中排出。pde具有以下优点：结构简单（无涡轮等旋转部件）、尺寸小（不大于2米）、适用范围广、成本低、可在零速度下使用、燃烧效率高、高速性能优越。据估计，pde的推重比可达20，马赫数范围0~10（吸气式为0~3或5），飞行高度范围0~50km，推力范围0.5kg~50000kg，耗油率小于1kg/kg*h。脉冲爆震发动机没有容易损坏的旋转部件，因此结构更简单、维护更容易。此外，pde可采用现有材料和用现有工艺生产。预计，pde的成本可比超音速涡轮发动机价格便宜75%。pde是目前惟一一种能以双模式工作的发动机概念，它可以吸气式和火箭式两种模式工作。例如在m数0~3和更高的范围内以有效的吸气式推进，然后以脉冲爆震火箭模式工作。因此，pde是未来军用和航空航天运输领域有前途的新概念发动机。

技术难点

尽管pde的概念在实验室已得到了验证，但还有以下技术问题需要解决：

1）爆震的起爆、控制和保持快速并可靠地起爆是使pde获得实用的最重要问题之一，因为高的工作频率和反复的点火次数是pde正常工作的基本要求。利用爆燃向爆震转变（ddt）过程是近期pde研究的最佳方案。由于这些数据是在浓度均匀、无温度梯度的混合物中单次爆震的结果，与多次爆震的情况几乎完全不同。另外，实际pde的工作频率很高，混气流速很快，低频下的结果很难作为高频下的设计依据。因此，要发展pde，还必须进行大量试验，解决起爆难题。包括起爆能量、ddt方法、ddt的强化、爆震从受限环境向非受限环境的过渡等；

2）液体燃料与氧化剂的雾化、喷射、掺混。对于燃用液体燃料的pde来说，燃料的喷射、掺混和点火相当困难。具有快速反应、高质量流率和有高度可控性的喷射系统对满足pde的高频运行十分重要。喷射系统必须满足成本、重量、体积和功率等方面的要求。因此，应研究与气体和液体燃料喷射、掺混有关的物理、化学和热力特性；

3）作用于pde爆震室末端的封闭壁（推力壁）上的爆震压力使化学能转化为动能。pde需要起爆和流动控制的辅助动力系统，并且还可能包括用于特殊用途的动力提取系统。此外，pde还需要设计快速动作、具有飞行重量的推进阀与燃料阀和控制系统部件，以及先进的燃烧控制系统、有效的进口与喷管、考虑系统特殊零件综合设计方案；

4）由于推力不稳定，实际应用的pde需要采用高频（大于80赫兹）的多管结构，而多管爆震燃烧室间存在动力耦合的问题；

5）冷却问题。爆震波后热燃气的速度极高，引起管壁热量的增加，因此必须采取高效的冷却措施；

6）爆震燃烧时会产生强烈的震动和巨大的噪音。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种脉冲预引爆可稳定工作的爆震发动机，其结构简单，利用预引燃机制实现脉冲爆震发动机的稳定工作。

本发明由预引爆燃烧管（1）、螺旋叶片（2）、燃料空气预混室（3）、进气口（4）、燃料喷注头（5）、单向膜预引爆燃烧管前端固定架（6）、预引爆燃烧管进气门（7）、预引爆燃烧管进气口（8）、燃料空气预混室外壳（9）、负极增压基垛（10）、绝缘管（11）、负极点火金属条（12）、正极转动增压基垛（13）、预混室内螺旋导流条（14）、预引爆燃烧管外螺旋导流条（15）、预引爆燃烧管螺旋叶片转轴（16）、预引爆燃烧管后端固定架（17）、燃气喷口（18）、高压点火控制ecu（19）、高压静电发生器（20）、电源（21）、爆震喷管（22）、保护电容（23）构成。

本发明所采用的技术方案是：在燃料空气预混室（3）内置入预引爆燃烧管（1），并设有单向膜预引爆燃烧管前端固定架，用于固定预引爆燃烧管（1），单向膜预引爆燃烧管固定架（3）设有单向膜（24），防止气流反流，该预引爆燃烧管（1）前端设有预引爆燃烧管进气口（8），预引爆燃烧管进气口（8）外侧设有预引爆燃烧管进气门（7），该预引爆燃烧管进气门（7）通过转动实现预引爆燃烧管进气口（8）的开启与关闭，预引爆燃烧管进气门（7）焊接预引爆燃烧管螺旋叶片转轴（16），该转轴设有螺旋叶片（2），在预引爆燃烧管螺旋叶片转轴（16）的螺旋叶片（2）中段上焊接条状的正极转动增压基垛（13），该条状正极转动增压基垛（13）的形状为螺旋状，螺旋结构与螺旋叶片（2）相同，预引爆燃烧管螺旋叶片转轴（16）的连接高压静电发生器（20）的高压输出端，高压静电发生器（20）连接高压点火控制ecu（19），用于控制高压电点火频率和电压，使得正极转动增压基垛（13）带高压静电，与正极转动增压基垛（13）相对应的位置也同样设有螺旋状的负极增压基垛（10），该负极增压基垛（10）为耐高温绝缘材料，嵌入固定在预引爆燃烧管（1）内壁内，在负极增压基垛（10）曲面的顶端嵌入有螺旋条状的负极点火金属条（12），该负极点火金属条（12）与负极增压基垛（10）通过绝缘管（11）将负极导线引出，该负极导线串接一个电容（23）后连接电源（21）负极，电容与电源并联，预引爆燃烧管（1）设置有预引爆燃烧管外螺旋导流条（15），预引爆燃烧管（1）通过单向膜预引爆燃烧管前端固定架（6）和预引爆燃烧管后端固定架（17）固定于燃料空气预混室（3）腔体内，该预引爆燃烧管（1）的外径小于燃料空气预混室（3）内径的1/2，燃料空气预混室（3）腔体内壁设置有预混室内螺旋导流条（14），燃料空气预混室（3）的后端为爆震喷管（22），燃料空气预混室（3）的顶端设置有燃料喷注头（5），燃料空气预混室外壳（9）的前端设有圆形进气口（4）。

单向膜预引爆燃烧管固定架（3）上设有花瓣状单向膜（24），该单向膜采用具有韧性的金属膜构成。

工作原理：在燃料空气预混室（3）内置入预引爆燃烧管（1），其作用是用于引爆，在燃料空气预混室（3）内置入预引爆燃烧管（1），并设有单向膜预引爆燃烧管前端固定架，用于固定预引爆燃烧管（1），单向膜预引爆燃烧管固定架（3）设有单向膜（24），防止气流反流，该预引爆燃烧管（1）前端设有预引爆燃烧管进气口（8），来流空气与燃料进行混合之后，属于浓混合气，通过预引爆燃烧管进气口（8）外侧设有预引爆燃烧管进气门（7）进入到预引爆燃烧管（1）在腔体内（参见图1a—a），预引爆燃烧管进气门（7）通过转动实现预引爆燃烧管进气口（8）的开关闭，预引爆燃烧管螺旋叶片转轴（16），该转轴设有螺旋叶片（2），旋转的过程中推动可爆混合气向下流动，在预引爆燃烧管螺旋叶片转轴（16）的螺旋叶片（2）中段上焊接条状的正极转动增压基垛（13），该条状正极转动增压基垛（13）的形状为螺旋状，螺旋结构与螺旋叶片（2）相同，预引爆燃烧管螺旋叶片转轴（16）的连接高压静电发生器（20）的高压输出端，高压静电发生器（20）连接高压点火控制ecu（19），用于控制高压电点火频率和电压，使得正极转动增压基垛（13）带高压静电，与正极转动增压基垛（13）相对应的位置也同样设有螺旋状的负极增压基垛（10），该负极增压基垛（10）为耐高温绝缘材料，嵌入固定在预引爆燃烧管（1）内壁内，在负极增压基垛（10）曲面的顶端嵌入有螺旋条状的负极点火金属条（12），该负极点火金属条（12）与负极增压基垛（10）通过绝缘管（11）将负极导线引出，该负极导线连接电源（21）负极，这样正负极之间通过转动（参见图1b—b），在靠最近的地方发生放电，点燃混合气，燃烧中气体从燃气喷口；与此同时，燃料空气预混室外壳（9）的前端设有圆形进气口（4），来流空气进入进气口之后，与燃料空气预混室（3）的顶端设置的燃料喷注头（5）喷出的雾化液体燃料进行初步混合，气流撞击预引爆燃烧管进气门（7）之后进行分流，再次撞击单向膜预引爆燃烧管前端固定架（6）形成乱流，进一步对混合气进行混合，气体进入燃料空气预混室（内），由于预引爆燃烧管（1）设置有预引爆燃烧管外螺旋导流条（15），预引爆燃烧管（1）通过单向膜预引爆燃烧管前端固定架（6）和预引爆燃烧管后端固定架（17）固定于燃料空气预混室（3）腔体内，该预引爆燃烧管（1）的外径小于燃料空气预混室（3）燃料空气预混室（3）腔体内壁设置有预混室内螺旋导流条（14），这样的结构引导混乱的气流构成涡旋可爆混合气流，该气流在穿过预引爆燃烧管后端固定架（17）再次被扰动，这一过程使得来流空气与雾化燃料进行了充分的混合，并构成了涡旋气流，在预引爆燃烧管（1）的尾端进行会合，与此同时，燃气喷口（18）中喷出的燃烧中气体喷射到汇合点，在爆震喷管（22）的前端引爆已混合充分的可爆混合气，产生暴震，爆震波在爆震喷管（22）内传播做工，燃烧后的气体从爆震喷管（22）尾端排出，这样就构成一个完整的周期。

该发明相对于过去的爆震发动机而言，具有如下特点

1）在整个工作过程中，直接利用预引爆燃烧管（1）内燃烧气体的流动迫使螺旋叶片（2）转动，来实现预引爆燃烧管进气门（7）的开启关闭，因此无需增加额外的传动机构，大大简化了结构；

2）螺旋叶片（2）每转动一圈，点火一次，与此同时，预引爆燃烧管进气门（7）的开启一次，在点火的时候，通过正极转动增压基垛（13）与负极增压基垛（10）曲面的顶端嵌入有螺旋条状的负极点火金属条（12）实现点火，直接通过彼此之间的距离来下实现点火，使得点火是在高频条件下可控，更重要的是高压静电发生器（20）连接高压点火控制ecu（19），可以控制高压电点火频率和电压，这种设计使得点火变得可控；

3）预混室内螺旋导流条（14）与预引爆燃烧管外螺旋导流条（15）使得可爆混合气能够充分混合并形成涡旋气流，并在汇聚点被燃烧中的气流点燃，发生爆震。燃烧中的气体从燃气喷口（18）中喷出，具有极高的温度，相比电子点火的点火能量要高几个数量级，确保可爆混合气万无一失发生爆震，从工作原理上解决了脉冲爆震发动机稳定不工作的世纪难题；

4）为了减少耗能，可采用一个耐高压的大电容c吸收高压脉冲电流，然后放电给电源（21），回收电能。

本发明的有益效果是:（1）能够解决爆震的起爆、控制和快速保持；（2）能够实现液体燃料与氧化剂的雾化、喷射、掺混；（3）可以产生稳定推力，并可以实现高频（大于80赫兹）工作。但对于冷却问题和爆震燃烧时会产生强烈的震动和巨大的噪音有待于进一步解决。该发明同时解决了脉冲爆震发动机的所面临的主要困难，具有良好的市场前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的整体工作示意图。

图1-2中：1.预引爆燃烧管，2.螺旋叶片，3.燃料空气预混室，4.进气口，5.燃料喷注头，6.单向膜预引爆燃烧管前端固定架，7.预引爆燃烧管进气门，8.预引爆燃烧管进气口，9.燃料空气预混室外壳，10.增压基垛，11.绝缘管，12.负极点火金属条，13.正极转动增压基垛，14.预混室内螺旋导流条，15.预引爆燃烧管外螺旋导流条，16.预引爆燃烧管螺旋叶片转轴，17.预引爆燃烧管后端固定架，18.燃气喷口，19.高压点火控制ecu，20.高压静电发生器，21.电源，22.爆震喷管，23.电容，24.单向膜。

具体实施方式

下面结合附图1和实施例对本发明作进一步说明。

在燃料空气预混室（3）内置入预引爆燃烧管（1），在燃料空气预混室（3）内置入预引爆燃烧管（1），并设有单向膜预引爆燃烧管前端固定架，用于固定预引爆燃烧管（1），单向膜预引爆燃烧管固定架（3）设有单向膜（24），防止气流反流，该预引爆燃烧管（1）前端设有预引爆燃烧管进气口（8），预引爆燃烧管进气口（8）外侧设有预引爆燃烧管进气门（7），该预引爆燃烧管进气门（7）通过转动实现预引爆燃烧管进气口（8）的开启与关闭，预引爆燃烧管进气门（7）焊接预引爆燃烧管螺旋叶片转轴（16），该转轴设有螺旋叶片（2），在预引爆燃烧管螺旋叶片转轴（16）的螺旋叶片（2）中段上焊接条状的正极转动增压基垛（13），该条状正极转动增压基垛（13）的形状为螺旋状，螺旋结构与螺旋叶片（2）相同，预引爆燃烧管螺旋叶片转轴（16）的连接高压静电发生器（20）的高压输出端，高压静电发生器（20）连接高压点火控制ecu（19），用于控制高压电点火频率和电压，使得正极转动增压基垛（13）带高压静电，与正极转动增压基垛（13）相对应的位置也同样设有螺旋状的负极增压基垛（10），该负极增压基垛（10）为耐高温绝缘材料，具体可以选用陶瓷材料，嵌入固定在预引爆燃烧管（1）内壁内，在负极增压基垛（10）曲面的顶端嵌入有螺旋条状的负极点火金属条（12），该负极点火金属条（12）与负极增压基垛（10）通过绝缘管（11）将负极导线引出，该负极导线串接一个电容（23）后连接电源（21）负极，电容与电源并联，预引爆燃烧管（1）设置有预引爆燃烧管外螺旋导流条（15），预引爆燃烧管（1）通过单向膜预引爆燃烧管前端固定架（6）和预引爆燃烧管后端固定架（17）固定于燃料空气预混室（3）腔体内，该预引爆燃烧管（1）的外径小于燃料空气预混室（3）内径的1/2，燃料空气预混室（3）腔体内壁设置有预混室内螺旋导流条（14），燃料空气预混室（3）的后端为爆震喷管（22），燃料空气预混室（3）的顶端设置有燃料喷注头（5），燃料空气预混室外壳（9）的前端设有圆形进气口（4）。