CN104500272A - 一种低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，包括脉冲爆震发动机、点火系统和进料系统。脉冲爆震发动机包括主爆震室和封闭罩，封闭罩与主爆震室室壁之间形成环形近壁空间通道。本发明的起爆装置结构简单，不会额外增加脉冲爆震发动机长度；以环形激波聚焦所产生的高温高压热点做为主爆震室的点火源， 能有效地缩短脉冲爆震发动机爆燃向爆震转捩的长度，并降低主爆震室内的流阻；起爆装置的环形近壁空间通道面积小、长度短，对安装空间要求低，并能在较短的距离内产生强度较大的激波，有效地控制了脉冲爆震发动机的阻力损失，并可根据不同燃料起爆极限的不同对环形近壁空间通道面积进行更改。

Description

一种低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置

技术领域

本发明涉及高能点火技术领域，具体是一种低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置。

背景技术

脉冲爆震发动机典型的工作循环包括四个基本过程：①爆震室充填新鲜可燃混气（包括充填隔离气体）。②点火起爆。③爆震波向爆震管敞口端传播。④膨胀排气过程。爆震波是前导激波和化学反应耦合体，具有自持传播和强间断特征，爆震波形成的过程非常复杂，一直都是爆震（或爆轰）研究领域的热点。点火起爆是PDE（脉冲爆震发动机）工作循环中最重要的环节，也是PDE迈向工程化必须解决的科学问题。PDE起爆方法包括间接起爆和直接起爆，大量的研究结果验证了两种方法都能够成功起爆，获得稳定自持传播的爆震波，但是，两种方法所带来的负面影响都是非常严重的，比如，阻力损失显著增加或者需要庞大的辅助设备。直接起爆需要巨大的、以高速率发展的初始能量，并且要求压力脉冲持续时间和化学反应的感应时间相当或者超过，才有可能在光滑爆震管中直接起爆形成稳定传播的爆震波，根据Kaneshige的爆震相关特征参数数据库，给出了不同种类燃料/氧气混合物及燃料/空气混合物的爆震胞格尺寸和直接起爆的临界能量之间关系，除乙炔外，其它碳氢燃料和空气混合物直接起爆需要的能量和积累能量的释放率都是不切实际的，尤其对于两相PDE直接起爆需要能量更大，如液态丙烷和空气形成的两相混合物的临界起爆能量大概为200gTNT，在实际的推进装置中无法保证长时间、脉冲式提供这么大的能量，作为实际应用的爆震燃烧推进装置，这种方法很难直接实现。间接起爆是利用较弱的起始能量产生火焰或爆燃波，在适当条件下，高速火焰或爆燃波能够转变为爆震波。通常是在爆震室内安装不同结构的障碍物加速火焰传播和激波反射，促进爆燃向爆震转捩，实现PDE的起爆。这些强化燃烧和激波反射装置在加速DDT（爆燃向爆震转捩）完成的同时，也不可避免地带来非常严重的负面影响，即PDE的阻力损失大大增加。另外，两相PDE的DDT距离较长，增加了发动机的总长度，导致PDE实际应用受到结构尺寸的限制。因此，无论采取直接起爆还是间接起爆方式，对于实际应用的PDE都不是理想的方案，迫切需要发展一种新型的直接起爆和间接起爆组合式的起爆技术，满足未来工程应用PDE低能量点火、短距离和快速起爆技术要求。

在爆震（或爆轰）物理的研究中，可以通过电熔丝熔断点火、火花放电点火和高能起爆炸药点火等方法实现直接起爆。在超临界起爆条件下，初始反应阵面与前导激波阵面耦合，直接形成CJ爆震波，在亚临界起爆条件下，这两个阵面解耦，前导激波不断衰减，在临界条件下，初始反应阵面与前导激波阵面是分离的，经过一段过渡调整时期，反应阵面赶上激波阵面迅速形成过驱动爆震波。在临界起爆过程中，其物理机制与爆燃向爆震转捩的过程非常类似，即在合理的化学反应梯度场内，由于能量释放而形成激波或压缩波的相干放大。通过激波聚焦能够产生高温高压的“热点”，“热点”具有很高的能量密度，理论上可以作为高能点火区实现爆震波的直接起爆。Gelfand和Bartenev等利用激波聚焦实现了爆震波的点火，在激波管道末端设置具有不同形状的反射面，研究了激波在反射后聚焦产生高温、高压“热点”并点燃可燃气体的情况，观察到了点火后爆震波和爆燃波分别形成和传播的过程，并分析了反射面形状和初始条件等因素对聚焦点火的影响。公开号为2723978的中国专利公开了一种用于爆轰驱动激波风洞的引爆装置，该引爆装置克服现有引爆技术中点火能量不足的缺点，提供了一种能够安全、高效引爆的引爆装置。 大量研究结果表明：通过激波的聚焦能够有效地获得高温高压点火区，满足直接起爆需要巨大初始能量的要求，验证了激波聚焦直接起爆的可行性，但是，该专利主要研究环形激波或环形爆震波会聚直接起爆气动力学特性，环形激波或环形爆震波由环形圆柱形通道直接产生，没有考虑实际应用脉冲爆震发动机环形激波或环形爆震波的产生和主爆震室可燃混气的形成等关键技术，并且，发动机的流阻特性和燃料的应用范围都没有考虑，该专利主要针对环形激波或环形爆震波直接起爆的过程开展研究。为了保证PDE推进性能高的优势以及实现PDE快速、短距离起爆，直接起爆将会是未来起爆技术的发展方向。目前，面临的困难是如何产生脉冲式高能量密度区的“热点”，既要满足直接起爆要求的能量，又要满足PDE高频稳定起爆要求，同时满足低流阻要求。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，克服脉冲爆震发动机间接起爆过程中，由于点火能量低导致的爆燃向爆震转捩距离长、流阻损失大的缺点。激波聚焦产生的高温高压热点可有效地提高脉冲爆震发动机主爆震室的点火能量，实现脉冲爆震发动机在低流阻、短距离内成功起爆。

一种低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，包括脉冲爆震发动机，所述脉冲爆震发动机包括主爆震室和封闭罩，所述封闭罩罩在主爆震室一端，并且延伸到主爆震室室壁外侧，位于主爆震室室壁外侧的封闭罩端口与主爆震室室壁外表面密封，封闭罩与主爆震室室壁之间形成环形近壁空间通道。

作为上述技术方案的进一步改进，所述环形近壁空间通道内设置第一扰流片。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述第一扰流片安装在主爆震室室壁外表面上。

作为上述技术方案的另一种改进，所述安装在环形近壁空间通道内的第一扰流片堵塞比为43%，间距为40mm。

作为上述技术方案的另一种改进，所述主爆震室室壁内表面安装第二扰流片。

作为上述技术方案的另一种改进，所述位于主爆震室室壁外侧的封闭罩端口与主爆震室室壁外表面用法兰连接，形成密封。使用法兰安装，可以实现封闭罩的拆换，从而改变环形近壁空间通道截面积。

作为上述技术方案的另一种改进，所述封闭罩另一端具有封闭端，所述封闭端可拆卸。封闭端通过法兰安装在环形近壁空间通道出口将发动机封闭，同时可强化环形近壁空间内产生的激波向主爆震室聚焦。

作为上述技术方案的另一种改进，所述封闭端型面为半球型、锥角为°的锥型或者平板型。

作为上述技术方案的另一种改进，所述环形近壁空间通道截面积为主爆震室截面积的1/50，长度为400mm。

本发明的低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置与现有技术相比的有点如下：

1、本发明的起爆装置结构简单，不会额外增加脉冲爆震发动机长度；

2、本发明的起爆装置以环形激波聚焦所产生的高温高压热点做为主爆震室的点火源， 能有效地缩短脉冲爆震发动机爆燃向爆震转捩的长度，并降低主爆震室内的流阻；

3、本发明的起爆装置所涉及的环形近壁空间通道面积小、长度短，对安装空间要求低，并能在较短的距离内产生强度较大的激波，有效地控制了脉冲爆震发动机的阻力损失；

4、本发明的起爆装置所涉及的环形近壁空间通道可拆换，可根据不同燃料起爆极限的不同对环形近壁空间通道截面积进行更改。

附图说明

图1是本发明起爆装置结构示意图；

图2是半球型封闭端示意图；

图3是锥型封闭端示意图；

图4是平板型封闭端示意图；

图5是脉冲爆震发动机整体结构示意图；

图6是脉冲爆震发动机局部剖视图。

图中：1封闭端，2环形近壁空间通道，3主爆震室，4第一扰流片，5法兰，6第二扰流片，7膜片，8真空泵，9阀门，10燃料入口，11空气入口，12循环泵，13点火系统。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置行详细说明。

如图1所示，一种低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，包括脉冲爆震发动机、点火系统13和进料系统。如图5和6所示，脉冲爆震发动机采用近壁空间结构与主爆震室并联连接，包括主爆震室3和封闭罩，所述封闭罩罩在主爆震室3一端，并且延伸到主爆震室3室壁外侧，位于主爆震室3室壁外侧的封闭罩端口与主爆震室3室壁外表面用法兰5连接，形成密封。封闭罩与主爆震室3室壁之间形成环形近壁空间通道2，环形近壁空间通道2截面积 为主爆震室3截面积的1/50，长度为400mm。主爆震室3另一端（尾部）用膜片7封闭。

环形近壁空间通道2内设置第一扰流片4，第一扰流片4安装在主爆震室3室壁外表面上，环形近壁空间通道2内的第一扰流片4堵塞比为43%，间距为40mm。主爆震室3室壁内表面安装有第二扰流片6，第二扰流片6堵塞比为30%。

所述封闭罩另一端具有封闭端1，所述封闭端1可拆卸。封闭端1通过法兰5安装在环形近壁空间通道2出口将发动机封闭，同时可强化环形近壁空间通道2内产生的激波向主爆震室3聚焦。如图2、3和4所示封闭端1型面可采用半球型、锥角为42°的锥型或者平板型。

所述进料系统包括真空泵8，阀门9，燃料入口10，空气入口11和循环泵12。

本发明的起爆装置的工作过程为：首先使用真空泵8将脉冲爆震发动机内抽至真空状态，燃料从燃料入口10、空气从空气入口11进入进料系统，然后分别通过阀门9填充至发动机内，燃料与空气的当量比可根据化学反应方程计算。关闭阀门9，打开循环泵12，使混气在发动机内充份掺混。在环形近壁空间通道2内，使用点火系统13的火花塞点燃充分掺混的混气，使火焰沿着环形近壁空间通道2传播，在环形近壁空间通道2内的第一扰流片4的作用下，火焰不断加速，产生压缩波，压缩波不断叠加，在环形近壁空间通道出口产生较强的激波。激波由环形近壁空间通道2向主爆震室3传播过程中首先发生衍射，激波能量有所降低，但环形近壁空间通道2出口所对着的封闭端1对激波产生反射作用并促进激波向主爆震室3汇聚，在主爆震室3内产生较高的点火能量点燃主爆震室3内的可燃混气，火焰在主爆震室3内向下游继续发展，在第二扰流片6的作用下，最终形成稳定传播的爆震波。

Claims (9)

1.一种低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，包括脉冲爆震发动机，所述脉冲爆震发动机包括主爆震室（3），其特征在于：所述脉冲爆震发动机还包括封闭罩，所述封闭罩罩在主爆震室（3）一端，并且延伸到主爆震室（3）室壁外侧，位于主爆震室（3）室壁外侧的封闭罩端口与主爆震室（3）室壁外表面密封，封闭罩与主爆震室（3）室壁之间形成环形近壁空间通道（2）。

2.根据权利要求1所述的低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，其特征在于：所述环形近壁空间通道（2）内设置第一扰流片（4）。

3.根据权利要求2所述的低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，其特征在于：所述第一扰流片（4）安装在主爆震室（3）室壁外表面上。

4.根据权利要求2所述的低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，其特征在于：所述安装在环形近壁空间通道（2）内的第一扰流片（4）堵塞比为43%，间距为40mm。

5.根据权利要求1所述的低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，其特征在于：所述主爆震室（3）室壁内表面安装第二扰流片（4）。

6.根据权利要求1所述的低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，其特征在于：所述位于主爆震室（3）室壁外侧的封闭罩端口与主爆震室（3）室壁外表面用法兰（5）连接，形成密封。

7.根据权利要求1所述的低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，其特征在于：所述封闭罩另一端具有封闭端（1），所述封闭端（1）可拆卸。

8.根据权利要求7所述的低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，其特征在于：所述封闭端（1）型面为半球型、锥角为42°的锥型或者平板型。

9.根据权利要求1所述的低流阻近壁小空间环形激波聚焦直接起爆装置，其特征在于：所述环形近壁空间通道（2）截面积为主爆震室（3）截面积的1/50，长度为400mm。