[转帖]脉冲爆震发动机技术的最新进展

Stanley W. Kandebo
　　脉冲爆震发动机技术不仅可简化推进系统结构和降低其成本，而且还能降低燃气涡轮发动机的耗油率。GE、普惠和罗-罗公司都在研究这项技术，并取得了较大进展。这项技术可用在军用发动机的加力燃烧室、军民用发动机的核心机和导弹上
　　由GE、普惠和罗-罗公 司正在研究的脉冲爆震技术在简化推进系统结构和降低其成本的同时，可能使燃气涡轮发动机的耗油率降低2位数。如果这项技术用到燃气涡轮发动机上，它将导致研制出一种混合式发动机，即传统意义上的核心机（高压压气机、燃烧室和高压涡轮）将被脉冲爆震系统取代。
　　据普惠公司的西雅图航空研究中心的总经理说，脉冲爆震技术除可以简化发动机的系统外，还可减少发动机的排气污染，因为它具有燃烧时间很短的特点。
　　 GE全球研究中心的先进推进技术的先进技术计划负责人说，基于压力不变的布莱顿循环（定义传统燃气涡轮发动机工作循环）的推进系统是低效率的推进系统，但现在通过材料和三维气动等方面的成功发展能使之得到改善。遗憾的是"我们正开始处于燃气涡轮系统改进的平稳时期，我们如何获得更大改进？答案可能是脉冲爆震技术。"
　　罗-罗公司的艾利逊先进发展公司用静态管道系统探索脉冲爆震技术。该公司的下一步计划是在一个气缸中将脉冲爆震技术与多个旋转的管道结合，组装成一台可以旋转的发动机。据艾利逊先进发展公司称，在该结构旋转时产生爆震，气流在管道中上下稳定地流动。这种旋转部件称为波转子，罗-罗公司在20多年前作为一种增压器就研究了这种部件。据罗-罗公司称，将波转子技术与脉冲爆震技术结合在一起就可使燃气流像传统燃气涡轮发动机的一样稳定。这样冷却要求减少。公司解释说，为进行燃烧而进入旋转管道的空气有助于冷却它们，特别是由于爆震不会反复在同一管道的同一地方进行。在传统的爆震发动机中爆震总是出现在管道的同一个地方。
　　按照印第安拉州的建议（该州为艾利逊先进发展公司早期的脉冲爆震发动机研究工作投资），一项2年的波转子脉冲爆震发动机计划将在近期开始。印第安拉州从它的21世纪研究和技术资金中继续拿出一部分投入到该项目中，与此有关的试验件试验将在2005年后半年在普度大学进行。
　　作为拟议中的试验的一部分，研究人员将要验证爆震的质量（包括燃料-空气混合和管道几何的影响）、探索波的形成和研究点火时间和空气喷射的特性。在试验中采用的燃料可能是预蒸发或直按喷射的喷气A燃料。为了简化试验设备的要求，艾利逊先进发展公司在早期用脉冲爆震管道进行的试验中采用了乙烯和丙烷。丙烯在产生爆震方面并不比喷气燃料A差，在以前试验中能可靠和反复地产生爆震，在一些试验中达到50赫兹的频率。
　　 GE公司与国防先进研究计划局一起进行脉冲爆震技术的研究已有4年时间。早期的工作是集中在为微型无人飞行器研究脉冲爆震系统，然而，最后发展成用一种能产生0.045～0.089千牛推力的发动机来研究脉冲爆震的计划。
　　 GE公司在与国防先进研究计划研究局合作的头2年工作期间，GE公司验证了部件技术，采用的燃料是气态氢、乙烯和丙烷。另外，该公司还验证了爆震可能在多大尺寸的发动机上产生。
　　后来GE公司将脉冲爆震技术的研究工作扩大到大的发动机上。去年末结束的工作包括2个部件，一是旨在用脉冲爆震系统取代军用发动机的加力燃烧室，另一个是用脉冲爆震系统取代常规的军民用发动机的核心机。
　　据GE公司称，他们研究脉冲爆震技术的方法与其竞争对手的大不相同。其他公司采用限制爆震频率的机械活门系统，而GE公司则采用气动活门系统。其他的区别是脉冲爆震系统采用液态燃料，如喷气A，而不是气态燃料。这是一项重大突破，因为这允许可能的用户使用现有燃料的基本结构。
　　按照国防先进研究计划局的计划，GE公司已取得了重大进展。据称，GE公司已获得了可用液态燃料喷气A工作的产生推力在0.45千牛以上的合适尺寸的试验件，这种方法似乎是可行的。GE公司的下一步工作是从部件发展到系统，这将有更多的具体应用。GE全球研究分部正负责GE公司脉冲爆震技术研究工作，由于该技术没有飞机应用，所以用作地面动力系统。
　　 GE公司还参加了NASA的脉冲爆震发动机涡轮相互影响计划（PDE TIP），这是一项2年的计划，NASA投资50万美元用于获取小尺寸的脉冲爆震发动机，并在现有的涡轮发动机设备上试验它，以便研究系统的特点。NASA做了许多脉冲爆震发动机如何影响涡轮的模拟试验，并得到了一些答案。PDE TIP 能使研究人员获得能用于验证NASA的答案是否正确的部件性能数据。
　　三家发动机公司还在进行的工作是固定容积的燃烧循环发动机研究（CVCCE）计划，这项计划是NASA低污染备选动力（LEAP）计划的一部分。这是一项旨在验证混合式发动机的6年计划，其第一阶段正在由罗-罗、GE和普惠公司进行。然而，2年后将选一家公司继续研究，预计2009年进行混合系统的试验。
　　 2000年初，普惠公司认识到脉冲爆震推进系统潜在的优点，并于2001年采购了自1992年就在研究脉冲爆震发动机的西雅图航空科学研究中心。该公司安排的研究计划是从部件技术开始研究，并以流路验证机结束。
　　普惠公司除参加NASA的LEAP计划外，目前，还与波音公司在美海军旨在为M2～4、几百英里射程的远距武器合作研制一种纯PED。根据这项计划，普惠公司在美海军的中国湖空战中心的试验站试验了一种全尺寸的飞行频率的流路验证机。在一年时间里(2003年末结束)试验了5管的PDE，每个管的燃烧频率为80赫兹。这种发动机的管道直径为10.16厘米，长76.2厘米。发动机在15240米高度上产生的推力约6.7千牛。
　　普惠公司最近还完成了新的PDE喷管试验件试验。今年该公司还将在中国湖采用相同的试验件继续研究这种喷管，以使之最佳化。在今后2年里的其他工作将集中降低系统的风险。
　　普惠公司认为采用碳氢化合物类燃料时，纯PDE的速度上线约为M4。但如果采用氢燃料，其速度可能提高。该公司还指出，纯PED的许多所需技术与可能的混合式系统所需技术是完全相同的。这两种发动机系统需采用有效的激发爆震的方法，两种系统之间采用的多管结构、活门、封严装置、喷管和热管理方式都是通用的。用于海军导弹计划的纯PDE可能在2010年初试飞，但时间将取决于海军的需要和财政状况。Stanley W. Kandebo
　　脉冲爆震发动机技术不仅可简化推进系统结构和降低其成本，而且还能降低燃气涡轮发动机的耗油率。GE、普惠和罗-罗公司都在研究这项技术，并取得了较大进展。这项技术可用在军用发动机的加力燃烧室、军民用发动机的核心机和导弹上
　　由GE、普惠和罗-罗公 司正在研究的脉冲爆震技术在简化推进系统结构和降低其成本的同时，可能使燃气涡轮发动机的耗油率降低2位数。如果这项技术用到燃气涡轮发动机上，它将导致研制出一种混合式发动机，即传统意义上的核心机（高压压气机、燃烧室和高压涡轮）将被脉冲爆震系统取代。
　　据普惠公司的西雅图航空研究中心的总经理说，脉冲爆震技术除可以简化发动机的系统外，还可减少发动机的排气污染，因为它具有燃烧时间很短的特点。
　　 GE全球研究中心的先进推进技术的先进技术计划负责人说，基于压力不变的布莱顿循环（定义传统燃气涡轮发动机工作循环）的推进系统是低效率的推进系统，但现在通过材料和三维气动等方面的成功发展能使之得到改善。遗憾的是"我们正开始处于燃气涡轮系统改进的平稳时期，我们如何获得更大改进？答案可能是脉冲爆震技术。"
　　罗-罗公司的艾利逊先进发展公司用静态管道系统探索脉冲爆震技术。该公司的下一步计划是在一个气缸中将脉冲爆震技术与多个旋转的管道结合，组装成一台可以旋转的发动机。据艾利逊先进发展公司称，在该结构旋转时产生爆震，气流在管道中上下稳定地流动。这种旋转部件称为波转子，罗-罗公司在20多年前作为一种增压器就研究了这种部件。据罗-罗公司称，将波转子技术与脉冲爆震技术结合在一起就可使燃气流像传统燃气涡轮发动机的一样稳定。这样冷却要求减少。公司解释说，为进行燃烧而进入旋转管道的空气有助于冷却它们，特别是由于爆震不会反复在同一管道的同一地方进行。在传统的爆震发动机中爆震总是出现在管道的同一个地方。
　　按照印第安拉州的建议（该州为艾利逊先进发展公司早期的脉冲爆震发动机研究工作投资），一项2年的波转子脉冲爆震发动机计划将在近期开始。印第安拉州从它的21世纪研究和技术资金中继续拿出一部分投入到该项目中，与此有关的试验件试验将在2005年后半年在普度大学进行。
　　作为拟议中的试验的一部分，研究人员将要验证爆震的质量（包括燃料-空气混合和管道几何的影响）、探索波的形成和研究点火时间和空气喷射的特性。在试验中采用的燃料可能是预蒸发或直按喷射的喷气A燃料。为了简化试验设备的要求，艾利逊先进发展公司在早期用脉冲爆震管道进行的试验中采用了乙烯和丙烷。丙烯在产生爆震方面并不比喷气燃料A差，在以前试验中能可靠和反复地产生爆震，在一些试验中达到50赫兹的频率。
　　 GE公司与国防先进研究计划局一起进行脉冲爆震技术的研究已有4年时间。早期的工作是集中在为微型无人飞行器研究脉冲爆震系统，然而，最后发展成用一种能产生0.045～0.089千牛推力的发动机来研究脉冲爆震的计划。
　　 GE公司在与国防先进研究计划研究局合作的头2年工作期间，GE公司验证了部件技术，采用的燃料是气态氢、乙烯和丙烷。另外，该公司还验证了爆震可能在多大尺寸的发动机上产生。
　　后来GE公司将脉冲爆震技术的研究工作扩大到大的发动机上。去年末结束的工作包括2个部件，一是旨在用脉冲爆震系统取代军用发动机的加力燃烧室，另一个是用脉冲爆震系统取代常规的军民用发动机的核心机。
　　据GE公司称，他们研究脉冲爆震技术的方法与其竞争对手的大不相同。其他公司采用限制爆震频率的机械活门系统，而GE公司则采用气动活门系统。其他的区别是脉冲爆震系统采用液态燃料，如喷气A，而不是气态燃料。这是一项重大突破，因为这允许可能的用户使用现有燃料的基本结构。
　　按照国防先进研究计划局的计划，GE公司已取得了重大进展。据称，GE公司已获得了可用液态燃料喷气A工作的产生推力在0.45千牛以上的合适尺寸的试验件，这种方法似乎是可行的。GE公司的下一步工作是从部件发展到系统，这将有更多的具体应用。GE全球研究分部正负责GE公司脉冲爆震技术研究工作，由于该技术没有飞机应用，所以用作地面动力系统。
　　 GE公司还参加了NASA的脉冲爆震发动机涡轮相互影响计划（PDE TIP），这是一项2年的计划，NASA投资50万美元用于获取小尺寸的脉冲爆震发动机，并在现有的涡轮发动机设备上试验它，以便研究系统的特点。NASA做了许多脉冲爆震发动机如何影响涡轮的模拟试验，并得到了一些答案。PDE TIP 能使研究人员获得能用于验证NASA的答案是否正确的部件性能数据。
　　三家发动机公司还在进行的工作是固定容积的燃烧循环发动机研究（CVCCE）计划，这项计划是NASA低污染备选动力（LEAP）计划的一部分。这是一项旨在验证混合式发动机的6年计划，其第一阶段正在由罗-罗、GE和普惠公司进行。然而，2年后将选一家公司继续研究，预计2009年进行混合系统的试验。
　　 2000年初，普惠公司认识到脉冲爆震推进系统潜在的优点，并于2001年采购了自1992年就在研究脉冲爆震发动机的西雅图航空科学研究中心。该公司安排的研究计划是从部件技术开始研究，并以流路验证机结束。
　　普惠公司除参加NASA的LEAP计划外，目前，还与波音公司在美海军旨在为M2～4、几百英里射程的远距武器合作研制一种纯PED。根据这项计划，普惠公司在美海军的中国湖空战中心的试验站试验了一种全尺寸的飞行频率的流路验证机。在一年时间里(2003年末结束)试验了5管的PDE，每个管的燃烧频率为80赫兹。这种发动机的管道直径为10.16厘米，长76.2厘米。发动机在15240米高度上产生的推力约6.7千牛。
　　普惠公司最近还完成了新的PDE喷管试验件试验。今年该公司还将在中国湖采用相同的试验件继续研究这种喷管，以使之最佳化。在今后2年里的其他工作将集中降低系统的风险。
　　普惠公司认为采用碳氢化合物类燃料时，纯PDE的速度上线约为M4。但如果采用氢燃料，其速度可能提高。该公司还指出，纯PED的许多所需技术与可能的混合式系统所需技术是完全相同的。这两种发动机系统需采用有效的激发爆震的方法，两种系统之间采用的多管结构、活门、封严装置、喷管和热管理方式都是通用的。用于海军导弹计划的纯PDE可能在2010年初试飞，但时间将取决于海军的需要和财政状况。