斜爆震推进技术发展现状与未来展望

摘要：斜爆震发动机可适应Ma16以上的飞行速度，具备巨大发展潜力。斜爆震概念提出至今，经过几十年的发展，斜爆震的原理研究更加深入、试验技术不断提升，但还需开展斜爆震波结构、起爆与驻定、热防护设计、燃料预混和超高速试验等方面进一步研究。

关键词：斜爆震发动机、斜爆震波、起爆与驻定

1.引言

近乎于等容循环的爆震燃烧，具备高速、高效的特点，使爆震发动机相比于超燃冲压发动机比冲可提高30%以上[1]。爆震发动机主要包括脉冲爆震发动机、旋转爆震发动机以及斜爆震发动机。其中斜爆震发动机（ODE）在前体或进气道中提前喷注燃料，提前与空气预混，通过斜劈等装置产生的驻定斜爆震波，使混合燃料在斜爆震波面附近发生微秒量级爆震燃烧，高温高压燃烧产物膨胀排出产生推力，其结构如图１所示。

ODE主要具有以下特点：总压损失小，燃烧熵增高，长度短、重量小，结构紧凑，具有Ma16以上应用潜力[2， 3]。基于以上特点，ODE有望将超燃冲压速度上限进一步扩展，具有重要应用前景和发展潜力。

2.发展现状

在上世纪早期，Dunlap等[4]首次提出斜爆震燃烧的动力形式，利用斜劈诱导产生稳定在特定位置的斜爆震波可实现驻定爆震燃烧。Morrison[3]开展了斜爆震发动机整机性能的一维理论评估和方案设计，其中涉及内外弹道匹配、斜爆震起爆和驻定等技术研究。Pratt等[5]借鉴激波极曲线理论，对斜爆震波的驻定窗口进行了进一步阐述。

在现代近期，加拿大多伦多大学[6]进行了以氢气为燃料Ma11下的ODE数值模拟，但由于燃料掺混效率过低，燃料比冲只有1109 s，低于相同工况下设计的超燃冲压发动机。

美国海军与中佛罗里达大学合作进行了以氢气为燃料的斜爆震燃烧试验和仿真计算，在试验中通过控制来流总温、总压和当量比，分别得到了斜激波、振荡的马赫盘和稳定的斜爆震波诱导的3中燃烧模式，验证了斜爆震波长时间驻定燃烧的可行性，但试验来流工况与实际工况相差较大[7]；通过仿真计算，研究了斜爆震燃烧的起爆特性，结果可预测无粘楔形平面上斜爆震波的形成[8]。

日本各高校也较早开展了斜爆震相关的基础研究工作。筑波大学、庆应义塾大学等高校[9]开展了相应数值仿真和实验研究，通过弧形诱导斜爆震波，对斜爆震波的起爆和驻定问题进行了探索。东京大学、日本大学等[10]以氢气为燃料开展斜ODE数值研究，结果表明燃料的非预混状态对ODE工作状态有较大影响。

国内北京动力机械研究所[11]以氢气为燃料开展了爆震燃烧直连试验，通过钝楔诱导实现了斜爆震波的起爆与驻定燃烧，获得了长达2s的高速摄影和纹影结果。中科院力学所[12]基于JF-12爆轰驱动风洞，以煤油为燃料开展了斜爆震燃烧试验，成功实现了毫秒量级的强爆震和斜爆震两种驻定燃烧模态。北京理工大学通过数值模拟研究了双楔诱导斜爆震波的相互作用[13]和氢气对甲烷-空气混合物诱导斜爆震的影响[14]。

3.结论与展望

经过数十年的发展，从上世纪早期的斜爆震概念提出，到现代近期随着仿真能力的提升和试验设备的发展，斜爆震基础原理得到深入研究，发动机原理完成可行性验证。与此同时，面对ODE的工程化应用还有许多问题和挑战，如：超高速工况试验系统还不够完善、燃料的非均匀掺混对斜爆震燃烧影响、高超声速流动及爆震燃烧热载荷的防护、斜爆震反射及其与边界层相互作用以及复杂来流条件下斜爆震起爆与驻定等，因此未来的主要工作可集中以下几方面：

1 开展更加接近真实条件下的斜爆震试验研究；

2 开展发动机关键部件热环境评估，构建可靠高效的热防护方案；

3 开展受限超声速流道中的斜爆震反射与驻定特性研究；

4 通过进气道压缩、斜劈角度和边界层控制等主动手段控制斜爆震波的驻定和起爆。

参考文献

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作者简介：姓名：黎帆；性别：男；出生年月：1198.11；籍贯：江西南丰；民族：汉族；最高学历：硕士研究生；目前职称：助理工程师；研究方向：冲压发动机