一种侧排气的脉冲爆震发动机的制作方法

本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种侧排气的脉冲爆震发动机。

背景技术：

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine简称PDE)是以爆震波为主推力的一种新概念发动机，发动机工作时, 燃料在发动机的爆震室里以剧烈的爆震方式燃烧，极短时间内产生很高的温度和压力（压力可高达100个大气压，温度可达2000℃）,同时产生的爆震波(属冲击波)以超音速传播（数千米/秒）作用于发动机的推力壁上产生推力,高温高压的燃烧产物高速喷出发动机时产生额外的推力;因爆震燃烧为间歇性脉冲式燃烧,所以该发动机是一种非定常推进系统。相对于传统推进系统，PDE具有一系列独特的优点, 由于爆震波能在极短时间内将爆炸混合物的压力和温度升高到非常高的程度，因此省去了传统发动机用来增压的部件(如压气机)，使发动机的结构变得非常简单，零部件数量大大减少,因此脉冲爆震发动机尺寸小，重量轻， 另外PDE的燃烧过程近似为等容燃烧，热效率最高可达49%,远高于传统发动机的热效率(27%)。PDE的这些特点使其在航空、航天领域有着广泛的应用前景，据估计，PDE的推重比可达20，马赫数范围0~10（吸气式为0~ 5），飞行高度范围0~50km，推力范围0.5kg~50000kg。PDE没有容易损坏的旋转部件，因此结构更简单、维护更容易。它可作为导弹、靶机、诱饵机、无人驾驶飞机、无人战斗机的动力，也可用于载人飞机的动力装置，实现高速洲际航行；将来还可能用于太空飞行器推进，作为登月飞行器、星际旅游飞行器或入轨飞行器的动力，将给空间运输带来一次革命；近年来其在民用领域的应用，也引起了重视，如用于高效率发电等。可以预见，爆震发动机一旦技术成熟，必将对航空航天及能源领域产生革命性的影响。

按照PDE爆震管的数目，PDE可分为单管/多管PDE，按照燃料形式可分为气相/液相燃料PDE，按照氧化剂的来源可分为自吸气式/火箭式PDE；按照进气方式可分为无阀式（气动式）与有阀式（如旋转阀）PDE。根据应用方式，PDE可分为纯PDE(pure PDE)、组合循环PDE(combined PDE)，混合PDE(hybrid PDE)三大类。纯PDE主要由爆震管、进气道、尾喷管组成；混合PDE是由PDE与涡喷或涡扇发动机相结合，如在外涵道或加力段使用PDE；组合PDE是由PDE与传统发动机如冲压发动机、超燃冲压发动机、火箭发动机等动力装置组合而成，在不同的速度范围内，运行不同的工作循环；其共同点在于，燃料与空气混合物均以爆震的方式燃烧，这种剧烈的反应过程产生高温高压气体，循环频率达到一定程度后（约100赫兹），便可提供近似连续的推力。

燃料与空气的混合物快速而可靠的起爆，是PDE正常工作的重要前提，起爆方式有两种，一种是直接起爆，一种是间接起爆，即由爆燃发展到爆震（DDT）；前一种方式需要极高的点火能量，对点火设备的要求很高，不具备实用性，故一般采用后一种方式；所以,燃料空气混合物的起爆问题就集中在如何快速实现爆燃向爆震的转化上。

空气来流与燃料的良好掺混是DDT前必须完成的动作，目前PDE的进气道均设在发动机的最前端，空气从前端流入爆震室，与喷入的燃料充分掺混后形成燃料空气混合物，然后经过DDT在主爆室起爆，为防止爆震波或燃烧产物进入进气道导致进气异常，PDE通常需要在进气道与爆震室之间设置一个隔离区；按照隔离方式，将PDE分为机械阀式PDE和气动阀式PDE；机械阀在起爆、爆震传播及排气过程中，阀门关闭，进气时阀门打开；机械阀的问题在于阀门关闭时会给进气道造成很大的迎风面，空气来流的滞止会产生很大的阻力损失；目前比较成熟的机械阀为旋转阀，需要专门的电力驱动，而且旋转阀的密封很困难，磨损严重，另外旋转阀只局限于多管PDE场合；气动阀则利用空气动力学原理，实现正向流阻小，反向流阻大的功能，形成近似于封闭的效果，有利于形成爆震波，但现有的气动阀型式尚无法达到完全封闭的效果，仍有少量的燃烧产物从进气道反向流出进气道形成负推力，同时，气动阀的存在不可避免地影响到推力壁的设计，使其不能处于最佳的工作状态。此外，为了缩短DDT距离，目前PDE均采用一些强化起爆的措施，如采用Shchelkin螺旋、金属环、孔板、中心体等；这些措施虽然有利于燃料掺混及缩短DDT距离，但同时也影响了正向爆震波的传播，造成很大的推力损失，这是不容忽视的问题。

另外，爆震后爆炸气体产物的喷出，对脉冲爆震发动机的工况也有重要影响；排气时间过短，导致爆震管内残留爆炸气体产物过多，影响新鲜空气的充填效果，严重时会使管内氧含量不足而致无法引爆燃气混合物；排气时间过长，则降低发动机的爆震频率从而降低推力；传统脉冲爆震发动机的爆震管均较长，内径较小，高温高压的爆炸气体产物在狭长的爆震管内向尾喷口运动，容易产生气流壅塞，严重影响发动机的正常工作。

针对目前PDE存在的各种缺陷，本发明提供了一种侧排气的脉冲爆震发动机，其主要特点在于，沿轴向每隔一段距离在爆震管的管壁上排布多个侧排气阀，爆震过程中侧排气阀处于关闭状态，爆震结束后侧排气阀瞬间被打开，爆炸气体产物沿专门设计的侧排气口斜向后喷出，产生辅助推力；由于侧排气口数目多，排气速度比传统尾喷口排气方式高出许多倍，从而大大缩短了排气时间，对提高发动机的爆震频率进而提高发动机的推力非常有益。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服传统脉冲爆震发动机尾喷管排气方式存在的气流雍塞，排气时间长、爆震频率低的缺陷，提供一种可多点同时排气的侧排气脉冲爆震发动机，能显著缩短排气时间，大幅度提高爆震频率，从而大幅提高发动机推力。

一种侧排气的脉冲爆震发动机，至少由头锥1、爆震管2、侧进气阀3、侧排气阀4、主燃料喷嘴5、起爆燃料喷嘴6及点火器7组成；爆震管2为两端封闭的圆管，前端盖为平板端盖，起推力壁作用，后端盖为半球形端盖；爆震管2被一块筛板202分成主爆室201与起爆室203；主爆室201在前，起爆室203在后；起爆室203包含一个管壁开孔的敞口圆管2031,圆管2031内填充一个鼠笼构件2032；侧进气阀3与侧排气阀4沿轴向交替排布于爆震管2的管壁上；主燃料喷嘴5沿轴向装在主爆室201管壁上；起爆燃料喷嘴6装于起爆室203内圆管2031的管壁上；发动机工作时，多个主燃料喷嘴5向主爆室201中喷入雾化燃料，同时起爆燃料喷嘴6向起爆室203内喷入气化燃料，起爆室203内的点火器7点火，引爆其中的燃气混合物，爆炸产生的高温高压气体沿筛板202上的孔汇集后进入主爆室201，进而引爆主爆室201中的云雾状混合物；产生的激波向前传播时首先作用于侧进气阀3及侧排气阀4的阀片上，将侧进气阀3及侧排气阀4关闭，最终在前封闭端产生脉冲推力；当激波在前封闭端面上产生反射沿爆震管2向后折反时，在反射激波及膨胀气流冲击下，侧排气阀4被打开，爆炸产物气体斜向后喷出，产生辅助推力；主爆室201及起爆室203内的爆炸气体产物被排出的同时，爆震管2内压力随之降低，当管内压力降低到一定程度,侧进气阀3被打开，管外新鲜空气进入主爆室201及起爆室203，主燃料喷嘴5与起爆燃料喷嘴6再次分别向主爆室201及起爆室203内喷入燃料，点火器7再次点火，脉冲爆震发动机进入下一轮爆震循环。

所述的主爆室201的管内壁沿轴向刻有凹槽，凹槽的数量不少于3条。

所述的筛板202上的孔分布在一组同心圆上，每个孔的中心线方向与爆震管轴线相交，同一圆上孔的中心线方向交于一点，外圆上孔的中心线的交点离筛板的距离较内圆上孔的交点为远。

所述的起爆室203近端盖处管壁上装有至少一个进排气一体阀2034。

进一步地，所述的进排气一体阀2034进气时进气口与排气口同时打开，可排出残留的爆炸产物气体；爆震过程中，进排气一体阀2034处于关闭位置。

所述的起爆室203上至少装有一个侧进气阀3与一个侧排气阀4。

所述的鼠笼构件2032由数个同轴的圆筒形鼠笼与支架组合而成，为刚性构件。

所述的侧进气阀3与管壁上的一个进气道301连接；进气道301可以是超音速进气道,也可以是亚音速进气道。

所述的侧排气阀4包含两个阀片，一个管内的阀片401 ，一个管外的阀片402 ，管内阀片401可前后摆动，从而关闭或开启排气阀。

所述的爆震管2可加装外涵道8，外涵道8包括进气道801、环腔801与尾喷管803。

本发明的有益之处在于：1，侧进气阀可实现多点同时进气，显著减少了进气时间；侧排气阀可实现多点同时排气，克服了管内高温高压气体产物的壅塞，显著减少了排气时间，从而显著提高发动机的爆震频率，大幅提高发动机的推力；2，起爆室填充鼠笼构件，显著增加气流的湍动，其巨大的表面积提供了数量巨大的热点，同时作为传热构件，显著增加空气与起爆燃料的温度，均有助于快速产生爆轰；3，特殊设计的多孔筛板，可产生聚能效应，形成高压高速射流，明显增强起爆能力；4，主爆室管壁上的凹槽，可明显加强空气与起爆燃料的混合，形成充分的湍流，使管内的爆轰更易稳定传播；5，进气阀与排气阀的启闭均是由爆震产生的激波及压力自动进行，响应迅速,无须专门的控制系统及做动装置，发动机运行更加可靠，耐久；6，爆震管结构简单，内含构件极少，特别在正向爆震波传播时，不产生有害的激波折射或反射，将推力的损失减少到最低程度。

附图说明

图1是本发明侧排气脉冲爆震发动机的结构剖面图。

图2为图1旋转90度的剖面图。

图3是本发明侧排气爆震发动机加装外涵道后的结构剖面图。

图4是图1中A-A剖面图。

图5是图2中B-B剖面图。

图6是图2中C-C剖面图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1~6所示，侧排气的脉冲爆震发动机主要由以下部分组成：头锥1、爆震管2、侧进气阀3、侧排气阀4、主燃料喷嘴5、起爆燃料喷嘴6及点火器7，加装外涵道8的发动机还包括进气道801，环腔802及尾喷管802；所述的爆震管2两端均封闭，前端盖为平板端盖，起推力壁作用，后端盖为半球形端盖,爆震管2被一块筛板202分成主爆室201与起爆室203，主爆室201在前，起爆室203在后；主爆室201的管内壁上刻有凹槽，凹槽沿周向均布；凹槽的数量根据爆震管2的内径大小来确定，但不得少于3条,本实例中选用16条；凹槽可明显加强空气与主燃料的混合，形成充分的湍流，使管内的爆轰更易稳定传播；筛板202上的通孔分布在一组同心圆上，每个通孔的中心线方向与爆震管的轴线相交，同一圆上通孔的中心线方向交于一点，外圆上通孔的中心线的交点离筛板的距离较内圆上通孔的交点为远，这样设计的通孔可以将爆炸产物汇集为一道高速高压的射流，对引爆主爆室201内的云雾状燃料混合物非常有利；起爆室203包含一个管壁开孔的圆管2031，圆管2031内填充一个鼠笼构件2032, 该构件由数个同轴的圆筒形鼠笼与支架组合而成，为刚性构件，有巨大的表面积，可形成数量巨大的热点，可加速爆震的产生，圆管2031通过管状支架2033固定在起爆室203的管壁上；起爆室203近端盖处管壁上装有至少一个进排气一体阀2034，进气时进排气一体阀2034的进气口与排气口同时打开，可排除残留的爆炸产物气体；爆震过程中，进排气一体阀2034处于关闭位置；侧进气阀3与侧排气阀4沿轴向交替排布于爆震管2管壁上，侧进气阀3为单向阀，进气时朝管内开启且开口朝向头锥；爆震过程中在激波及爆炸气体产物的压力作用下处于关闭状态；每个侧进气阀3均与一个管壁上的进气道301连接，进气道301的进口可以根据发动机的使用要求，设计成超音速进气道或亚音速进气道；侧排气阀4包含两个阀片，一个管内的阀片401与一个管外的阀片402，在进气及爆震过程中，侧排气阀4处于关闭状态，在反射激波及膨胀气流冲击下，侧排气阀4打开，斜向后排气；主燃料喷嘴5每隔一段距离安装在主爆室201管壁上，起爆燃料喷嘴6安装于起爆震室203内圆管2031的管壁上，起爆燃料的输送管从管状支架2033的管内穿过；主燃料喷嘴5的数量可根据主爆室201的长度及单个喷嘴正常压力下的喷雾量来确定，起爆燃料喷嘴6的数量根据起爆室203的容积与单个喷嘴的正常喷射量来确定；点火器7可以采用常规低能量的火花塞，也可以采用高能电弧点火装置，本实施例用3个点火器7同时实施点火，3个点火器7均伸入起爆室203的鼠笼构件2032中且在同一个与轴线垂直的平面上。

脉冲爆震发动机开车时，由于主爆室201及起爆室203均处于冷管状态，主燃料温度低，粘度大，喷雾效果较差，起爆燃料的气化也较困难，再加上爆震管2内的空气为常压，起爆室203中爆炸混合物的爆能及爆压均较低，不易产生稳定的起爆效果，故本实施例中，采用压缩空气与快速电加热气化起爆燃料的方式起动发动机；首先打开压缩空气阀门使之进入起爆室203，然后充填到主爆室201，同时将用中高频感应加热器气化的起爆燃料喷入起爆室203中的鼠笼构件2032内，使之也扩散到主爆室201中，点火器7点火引爆起爆室203及主爆室201中的爆炸气体混合物，如此循环多个回合，待主爆室201与起爆室203温度升高到一定程度后，断开压缩空气供应，同时关闭中高频感应加热器的电源；爆震管2管壁预热的主燃料通过多个主燃料喷嘴5向主爆室201喷入雾化燃料，与主爆室201中的空气形成云雾状混合物，同时被爆震管2管壁加热的起爆燃料通过起爆燃料喷嘴6向起爆室203内喷入气化起爆燃料，与起爆室203中的空气形成爆炸气体混合物；此时点火器7点火，使爆炸混合物产生爆炸，爆炸产生的高温高压气体沿筛板202聚能后进入主爆室201，进而引爆主爆室201中的云雾状混合物；爆炸产生的激波向头锥方向传播，最终在爆震管2的前端盖上产生向前的推力；激波在端盖上产生反射波沿主爆室201向后折反，对侧排气阀4的管内阀片401产生冲击力，,侧排气阀4被打开，爆炸气体产物斜向后喷出，产生进一步的推力；随着爆震管2内的爆炸气体产物排出，管内压力迅速降低，当管内压力低于管外，多个侧进气阀3被打开，管外新鲜空气从阀的进口分别进入主爆室201及起爆室203，残余爆炸产物与部分新鲜空气一起从起爆室203上的进排气一体阀2034的排气口排出；主燃料喷嘴5与起爆燃料喷嘴6再次分别向主爆室201与起爆室203内喷入主燃料与起爆燃料，点火器7再次点火，脉冲爆震发动机进行下一轮爆震循环。

发动机进入正常工作状态时，随着来流空气速度的增加，进气流量随之增加，主燃油喷入量也相应增加，点火频率可随之提高，从而提高爆震频率，进一步提高发动机推力，直至达到设定值；主燃料的喷入量需根据空气流量适时调整，使每一次爆震过程尽可能做到零氧平衡；推力可以通过改变起爆频率来调节,而起爆频率可用点火频率来方便地控制,频率越高，推力越大，反之亦然。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改和调整，这些改进和调整应视为本发明的保护范围。