CN114893322A - 一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置及操作方法，将传统射流对撞激波聚焦的爆震激励结构中径向进气改为切向于凹面腔边缘进气并将进气部分前一段区域设置为多个预爆震管，周向均匀布置于主爆震管外围。工作时，预爆震管内气体方向逆于主爆震管内气体方向。预爆震管在点火间隙作为主爆震管进气部分将新鲜燃料经由预爆震管和凹面腔导入主爆震管。

Description

一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置及 操作方法

技术领域

本发明涉及脉冲爆震发动机中的缓燃转爆震技术，具体是一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置及操作方法。

背景技术

脉冲爆震发动机(PDE)是通过脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气提供推力的非定常推进系统。与传统的涡轮喷气发动机相比，脉冲爆震发动机不仅具有高热效率及其迅速的能量转化机制，还具有以下优势：1、不需要压缩机和涡轮，没有旋转部件，结构简单，因此可以做得很小，降低成本并增加可靠性；2、PDE通过调节工作循环频率来调节推力大小，二者成正比。推力很容易在0到最大值之间调节，非常适用于导弹的突防；3、虽然爆震产物的压力和温度很高，但是由于作用于发动机的时间非常短，因此可以降低对发动机材料性能的要求，降低成本；4、可以通过多个组成的阵列来产生矢量推力，其中的每一个可以单独控制，因此可以增加飞行器的机动性能；5、对航天飞行器来讲，既可作为推力发动机，又可作为变轨发动机；6、使用自由来流或机载氧化剂，能分别以吸气式发动机或火箭发动机方式工作。

以俄罗斯的Levin V.A.为代表的研究小组提出的两级脉冲爆震发动机(2-stagepulse detonation engine)的概念，首次采用了射流对撞产生激波反射会聚起爆爆震的方法(如图1所示)，对于缩短脉冲爆震发动机尺寸，提供接近连续的推力输出具有重要的意义。该方法无机械阀门，可使用常规液体燃料，避免了障碍物对PDE性能的影响。通过一级富油燃烧将大分子液体燃料裂解为富含活性粒子的高温小分子混合气，经过环形射流入口入射到凹面腔中，由射流碰撞产生的激波在凹面腔内反射会聚起爆爆震波。该起爆方式同时结合利用了热射流起爆、射流碰撞增加紊流度加速DDT、增加活性粒子加速DDT、腔体加速DDT以及激波会聚起爆等多种起爆方式的优点，形式新颖，能实现极高的工作频率。

激波会聚(或称激波聚焦)是指在介质中较小区域内能量迅速集中导致在气体动力学焦点区域产生极高温度和压力的一种特别的流体现象。根据气体动力学原理，激波会聚可归结为两个三波点的碰撞。在可燃气体作为介质时，激波会聚产生的高温、高压区域，如果温度和压力足够高就能诱导可燃气体发生爆燃，甚至爆震。激波会聚用于爆震起爆可以简化PDE的点火系统，提高其性能。

但是到目前为止，成功连续起爆的2-stage PDE经验依旧比较少，相关数据与仿真结果依旧不足，缺乏数据资料和仿真结果，对于下一步优化和改良2-stage PDE结构缺乏数据支撑。本发明通过对已有试验结构的改进结构进行数值仿真，试图为脉冲爆震爆震DDT过程寻找新的思路。主要为解决脉冲爆震发动机以下结构问题：

(1)激波聚焦结构方法不成熟

目前2-stage PDE结构采用的射流对撞凹面腔聚焦和激波聚焦凹面腔结构都存在聚焦产生的高压高温热点无法有效利用，以激发爆震。尤其在爆震管内未预先填充可燃混合气的情况下激波传播快于混合气，其聚焦产生高温位置无可燃混合气，而聚焦产生高温又在很短时间内随高压点消退而消失，既无法在聚焦点点燃产生爆震，也无法及时将温度传播到可燃气体位置。利用凹面腔聚焦能量的方式起爆本质上是利用进气处和原先填充在爆震管内的气体总温汇聚产生高压高温，该过程一旦未成功，则只能利用下次脉冲。因此改善现有激波聚焦结构是推进脉冲爆震发动机实用化的必然过程。

(2)新鲜混合气再填充和激波聚焦结构不适应

单次爆震后，需要将燃烧废气吹除出爆震管，并让新鲜混合气重新填充进爆震管。如今许多2-stage PDE试验器为简化结构和控制复杂度，其爆震管填充气体和聚焦压力脉冲的激波或射流入口一般都为同一入口。而其所担负的两种职责间存在矛盾。填充所需要的大流量快速填充要求其进口截面积应尽量更大，而射流和激波入口为提高进入的压力脉冲更大，从而产生更好的聚焦效果，所需的入口截面积较小。

而另一方面，若将填充入口与压力脉冲入口做成两个分别入口，则再填充时流场会非常复杂，混合气填充的可靠性需要再次评估，而聚焦所能提供的压力脉冲能量将相对减少，且在爆震点爆后填充入口对爆震可靠性的影响也需要进行研究。因此，如何将新鲜混合气的填充结构与脉冲爆震的聚焦结构进行综合考虑，以达到两者的最佳，需要进一步深化研究。

(3)高频次点火与可靠起爆难实现

由于脉冲爆震结构需要利用高频次实现增大平均推力和稳定推力，因此实现高频点火也是脉冲爆震发动机发展至关重要的发展方向。但由于爆震起爆受可燃气体当量比，流场状态等多方面因素影响，因此在极短时间内实现可靠地爆震起爆较为困难，因此需要优化短时间内流场稳定能力，提高可燃气体中组分的均匀程度，以此提高短时间内点燃起爆的可靠性。

由于上述三种局限，目前脉冲爆震发动机向激波聚焦方向发展的前景上不理想，本发明就将针对以上三个问题对脉冲爆震DDT结构进行改进。

发明内容

解决现有技术中激波聚焦结构聚焦效果不理想，工作频率较低，新鲜燃气填充时间较长的问题，本发明提出一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置。

本发明采用的技术方案：

一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置，该爆震装置包括陀螺状激励壳体，所述陀螺状激励壳体内部设置有同轴的半球形凹面腔和主爆震管，所述半球形凹面腔位于主爆震管底部，在主爆震管外侧沿其周向布置预爆震管，且所述预爆震管切向于半球形凹面腔入口，所述陀螺状激励壳体的侧壁上设置有与预爆震管相配合的点火嘴，且所述点火嘴位于预爆震管的后部。

优选的，所述主爆震管的直径≤100mm，在主爆震管外部沿其周向布置多个均匀分布的独立的预爆震管。

优选的，所述主爆震管的直径＞100mm，在主爆震管外部布置一整体的环管。

优选的，所述半球形凹面腔的半径为预爆震管直径与主爆震管半径之和，以聚焦预爆震管点火产生的压力波。

一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置的操作方法，该操作方法包括：

步骤1：空气燃气混合物从预爆震管尾部送入，经过半球形凹面腔边缘切向射入主爆震管，空气燃气混合物快速填充半球形凹面腔及主爆震管内空间；

步骤2：然后按好点火顺序，依次点燃点火嘴，燃烧波在预爆震管内发展畸变，若在预爆震管内发生DDT过程，燃烧波进入半球形凹面腔时已经发展为爆震波，则可依据爆震强度使用单爆震管点火模式；

步骤3：若在预爆震管内未发生DDT过程，则利用燃烧气体对称射入的半球形凹面腔在表面聚焦点火后产生的压力波和燃烧波，在其底部聚焦为高温高压原爆点，点燃主爆震管，爆震波从主爆震管后部排出；

步骤4：高温高压的燃烧后气体向后喷出主爆震管，新鲜可燃气体重新从预爆震管后部进入，并在预爆震管内与管壁换热，保证结构温度在连续循环中保持稳定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用预爆震管切向于凹面腔点火，改进于射流对撞激波聚焦，过程更简单，利用半球形凹面腔聚焦激波，在凹面腔底部中心位置产生高温高压原爆点，点火能量大，DDT(爆燃向爆震的转换)过程可靠；

2、本发明利用周向布置的预爆震管点火，可将点火器分组进行点火，增加点火频率，降低点火器负荷，提高可靠性；

3.本发明利用逆向于主爆震管流向的预爆震管进气，主爆震管内状态受进气条件影响较少，在进气过程中预爆震管气体有助于主爆震管壁冷却，并预热燃气，提高高频率工作过程中的温度控制效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是俄罗斯的Levin V.A.为代表的研究小组提出的两级脉冲爆震发动机激波聚焦脉冲爆震激励结构工作过程。

图2是本发明提出的一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置工作过程。

图3是本发明的预爆震管进行编号。

图4是本发明的小尺寸方案的斜视图(a)、后视图和剖面图(b)。

图5是本发明的大尺寸方案的斜视图(a)、后视图和剖面图(b)。

图中：1.半球形凹面腔；2.预爆震管；3.点火嘴；4.主爆震管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例具体提供了一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置，如图2-4所示，该爆震装置包括陀螺状激励壳体，所述陀螺状激励壳体内部设置有同轴的半球形凹面腔1和主爆震管4，所述半球形凹面腔1位于主爆震管4底部，在主爆震管4外侧沿其周向布置预爆震管2，且所述预爆震管2切向于凹面腔1入口，所述陀螺状激励壳体的侧壁上设置有与预爆震管2相配合的点火嘴3，且所述点火嘴3位于预爆震管2的后部。

在本实施例中，半球形凹面腔1边缘与预爆震管2外边缘相切，以便于点火后压力波和火焰沿凹面腔逐渐会和聚焦，以及新鲜燃气进入时更好填充。一周预爆震管2中心为主爆震管4，在预爆震管2后侧，布置一组点火嘴安装口3。

在本实施例中，主爆震管的直径≤100mm(属于小尺寸)，在主爆震管外部沿其周向布置多个均匀分布的独立的预爆震管。以六个预爆震管为例(图3)，以顺时针依次命名为1号、2号、3号、4号、5号、6号。

其操作方法如下，如图2所示，包括：

首先首先为空气燃气混合物从预爆震管2进入，经过半球形凹面腔1边缘切向射入主爆震管4，快速填充半球形凹面腔1及主爆震管4内空间。而后点火嘴3依照工作条件，可1号-2号-3号-4号-5号-6号依次点燃，可1号-4号、2号-5号、3号-6号或1号-3号-5号、2号-4号-6号分别编组进行点火，以适应不同工作环境和燃料。后燃烧波在预爆震管2内发展畸变，若燃烧条件很好，发生DDT过程，燃烧波进入凹面腔1时已经发展为爆震波，则可依据爆震强度使用单爆震管点火模式。若在预爆震管内未发生DDT过程，则利用燃烧气体对称射入的凹面腔1在表面聚焦点火后产生的压力波和燃烧波，在其底部聚焦为高温高压原爆点，点燃主爆震管4。爆震波从主爆震管1后部排出后，高温高压的燃烧后气体向后喷出主爆震管4，新鲜可燃气体重新从预爆震管2后部进入，并在预爆震管内与管壁换热，保证结构温度在连续循环中保持稳定。

在本实施例中，小尺寸方案尺寸较小，点火嘴安装空间相对主爆震管4较大，导致预爆震管2周向空间相对较大，且其可安装数量较少，因此预爆震管2整体排布相对分散，采用单管分隔结构，有利于较短空间内DDT过程发生。

实施例2

在本实施例中，如图5所示，所述主爆震管的直径＞100mm(属于大尺寸)，则在主爆震管外部布置一整体环管，其一周均匀分布几个点火器。点火时，根据需要，将点火嘴分为数组(可参考实施例1)，每组几个点火嘴在周向均匀分布。点火时依次按组启动点火嘴。

在本实施例中，大尺寸方案空间充足，在预爆震管2内点火产生的火焰有更充足的发展空间，点火嘴可安装数量更多，点火方案更加灵活，但结构较重，因此选择环管形的预爆震管，减少整体结构重量。

本实施例的操作方法与实施例1过程完全相同，这里就不再一一赘述。

在实施例1和实施例2中，半球形凹面腔的半径为预爆震管直径与主爆震管半径之和，用于聚焦预爆震管点火产生的压力波。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制,凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置，其特征在于，该爆震装置包括陀螺状激励壳体，所述陀螺状激励壳体内部设置有同轴的半球形凹面腔和主爆震管，所述半球形凹面腔位于主爆震管底部，在主爆震管外侧沿其周向布置预爆震管，且所述预爆震管切向于半球形凹面腔入口，所述陀螺状激励壳体的侧壁上设置有与预爆震管相配合的点火嘴，且所述点火嘴位于预爆震管的后部。

2.根据权利要求1所述的一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置，其特征在于，所述主爆震管的直径≤100mm，在主爆震管外部沿其周向布置多个均匀分布的独立的预爆震管。

3.根据权利要求1所述的一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置，其特征在于，所述主爆震管的直径＞100mm，在主爆震管外部布置一整体的环管。

4.根据权利要求1所述的一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置，其特征在于，所述半球形凹面腔的半径为预爆震管直径与主爆震管半径之和，以聚焦预爆震管点火产生的压力波。

5.根据权利要求1-4任一一项所述的一种周向均布的若干微激波管轴向激波入射起爆爆震装置的操作方法，其特征在于，该操作方法包括：

步骤1：空气燃气混合物从预爆震管尾部送入，经过半球形凹面腔边缘切向射入主爆震管，空气燃气混合物快速填充半球形凹面腔及主爆震管内空间；

步骤2：然后按好点火顺序，依次点燃点火嘴，燃烧波在预爆震管内发展畸变，若在预爆震管内发生DDT过程，燃烧波进入半球形凹面腔时已经发展为爆震波，则可依据爆震强度使用单爆震管点火模式；

步骤3：若在预爆震管内未发生DDT过程，则利用燃烧气体对称射入的半球形凹面腔在表面聚焦点火后产生的压力波和燃烧波，在其底部聚焦为高温高压原爆点，点燃主爆震管，爆震波从主爆震管后部排出；

步骤4：高温高压的燃烧后气体向后喷出主爆震管，新鲜可燃气体重新从预爆震管后部进入，并在预爆震管内与管壁换热，保证结构温度在连续循环中保持稳定。

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