OTHERS 进 气 道 起 爆 器 进 气 阀 爆 震 室 外 涵 道 尾 喷 管 风 扇 赫 数 为 0.85 时, 采 用 脉 冲 爆 震 主 燃 烧 室 的 大 涵 道 比 涡 扇 发 动 机 的 耗 油 率 能 降 低 8%~10% (4) 增 推 效 果 好 与 传 统 加 力 燃 烧

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1 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 / 加 力 燃 烧 室 的 最 新 进 展 Recent Development of Pulse Detonation Combustion and Afterburner 中 航 工 业 沈 阳 发 动 机 设 计 研 究 所 杨 东 丹 梁 春 华 孙 明 霞 [ 摘 要 ] 近 10 年 来, 脉 冲 爆 震 作 为 一 项 具 有 研 究 和 应 用 潜 力 的 新 技 术, 成 为 国 外 航 空 发 动 机 燃 烧 室 研 究 的 一 个 焦 点 脉 冲 爆 震 发 动 机 因 为 其 结 构 简 单 推 重 比 高 和 推 进 效 率 高 的 理 论 性 能 以 及 较 低 的 耗 油 率 等 优 点, 其 脉 冲 爆 震 技 术 被 研 究 应 用 在 涡 轮 发 动 机 燃 烧 室 上, 其 中 一 些 研 究 方 案 已 经 进 行 了 试 验 验 证, 在 未 来 有 很 大 的 应 用 潜 力 本 文 综 述 了 脉 冲 爆 震 技 术 在 涡 轮 机 上 作 为 加 力 燃 烧 室 应 用 的 原 理 优 势 以 及 进 展 关 键 技 术 关 键 词 : 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 涡 轮 发 动 机 [ABSTRACT] In the past decade, pulse detonation as a new technology which has research and application potentials has become a focus for aero combustion study in abroad. Pulse detonation technology is applied to the combustion of turbine because its advantages such as simple construction, high thrust and weight ratio and propulsive efficiency, high theoretical performance and low specific fuel consumption. Some of the research concepts are experimentally demonstrated and have great application potentials in future. The principles, advantages, progress and critical technologies of pulse detonation technology is reviewed while it s applied as pulse detonation combustor or pulse detonation afterburner on turbine. Keywords: Pulse detonation Combustion Turbine DOI: /j.issn x 脉 冲 爆 震 发 动 机 (PDE) 的 研 究 已 经 有 近 80 年 的 历 史, 其 技 术 已 经 得 到 了 较 充 分 的 试 验 验 证, 研 究 发 展 日 趋 成 熟 此 外, 由 于 其 具 有 多 项 优 点, 应 用 范 围 较 广 泛, 且 21 世 纪 美 国 空 军 VAATE 计 划 的 主 要 目 标 就 要 求 未 来 战 斗 机 必 须 降 低 成 本, 提 高 经 济 可 承 受 性 因 此, 为 满 足 以 上 要 求, 从 20 世 纪 90 年 代 后 期, 工 业 界 纷 纷 开 始 利 用 PDE 技 术 来 探 索 研 究 先 进 推 进 系 统 方 案, 随 后 将 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 与 涡 轮 发 动 机 相 结 合, 形 成 基 于 PDE 的 燃 气 涡 轮 组 合 发 动 机 ( 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 / 加 力 燃 烧 室 ) 的 方 案 [1-5], 因 而, 总 结 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 / 加 力 燃 烧 室 的 技 术 特 点 和 优 势, 综 述 其 目 前 进 展 和 关 键 技 术, 对 相 关 研 究 人 员 具 有 重 要 的 参 考 与 借 鉴 意 义 1 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 / 加 力 燃 烧 室 的 特 点 和 优 势 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 (PDC)/ 加 力 燃 烧 室, 是 指 涡 轮 发 动 机 定 压 燃 烧 主 燃 烧 室 或 者 加 力 燃 烧 室 采 用 爆 震 燃 烧 技 术 形 成 的 燃 烧 室 根 据 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 在 涡 轮 发 动 机 的 位 置 可 以 分 为 3 种 : 涡 喷 或 涡 扇 发 动 机 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室, 如 图 1 所 示 [6] ; 涡 喷 或 涡 扇 或 涡 轴 发 动 机 脉 冲 爆 震 燃 烧 室, 如 图 2 所 示 [6] ; 涡 扇 发 动 机 外 涵 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室, 如 图 3 所 示 [6] 脉 冲 爆 震 燃 烧 技 术 优 势 包 括 以 下 : (1) 循 环 的 热 效 率 高 等 压 循 环 热 效 率 为 0.27, 等 容 循 环 热 效 率 为 0.47, 爆 震 循 环 热 效 率 为 0.49 (2) 结 构 简 单, 质 量 轻, 推 重 比 高 爆 震 燃 烧 具 有 自 增 压 能 力, 可 使 高 压 部 件 级 数 大 大 减 少, 甚 至 直 接 替 代 核 心 机, 从 而 使 发 动 机 质 量 大 大 减 轻, 推 重 比 提 高 (3) 单 位 耗 油 率 低 在 飞 行 高 度 为 10668m, 飞 行 马 进 气 道 燃 烧 室 起 爆 器 进 气 阀 压 气 机 涡 轮 爆 震 室 尾 喷 管 图 1 涡 喷 或 涡 扇 发 动 机 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 Fig.1 Pulse detonation afterburner in turbine-jet or turbine-fan 进 气 道 起 爆 器 进 气 阀 爆 震 室 混 合 室 尾 喷 管 风 扇 压 气 机 高 压 涡 轮 低 压 涡 轮 加 力 燃 烧 室 图 2 涡 喷 或 涡 扇 或 涡 轴 发 动 机 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 Fig.2 Pulse detonation combustion in turbine-jet or turbine-fan or turbine-shaft 113

2 OTHERS 进 气 道 起 爆 器 进 气 阀 爆 震 室 外 涵 道 尾 喷 管 风 扇 赫 数 为 0.85 时, 采 用 脉 冲 爆 震 主 燃 烧 室 的 大 涵 道 比 涡 扇 发 动 机 的 耗 油 率 能 降 低 8%~10% (4) 增 推 效 果 好 与 传 统 加 力 燃 烧 室 相 比, 采 用 脉 冲 爆 震 外 涵 加 力 燃 烧 室 的 涡 扇 发 动 机 推 力 可 增 大 1 倍 (5) 排 气 污 染 少 爆 振 波 是 超 声 速 传 播 的, 所 以 爆 震 燃 烧 快, 效 率 高, 产 物 在 高 温 区 停 留 时 间 短, 污 染 物 尤 其 是 氮 氧 化 物 的 排 放 大 大 减 少 但 是, 仍 然 面 临 着 多 管 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 适 用 性 与 压 气 机 / 涡 轮 的 相 互 影 响 系 统 级 性 能 估 算 方 法 周 期 性 的 高 压 脉 冲 对 涡 轮 效 率 及 寿 命 的 影 响 脉 冲 爆 震 燃 烧 噪 声 等 多 项 难 题 2 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 / 加 力 燃 烧 室 的 发 展 [7] 20 世 纪 40 年 代, 德 国 Hoffmann 等 进 行 了 脉 冲 爆 震 点 火 试 验 研 究, 试 图 寻 求 最 佳 点 火 频 率 20 世 纪 50 年 代, 很 多 学 者 对 脉 冲 爆 震 发 动 机 进 行 探 索 研 究 其 中, 美 国 Michigan 大 学 Nicholls 教 授 等 [7] 将 脉 冲 爆 震 发 动 机 作 为 推 力 发 动 机, 进 行 可 行 性 试 验 研 究 ;20 世 [8] 纪 60 年 代 初, 美 国 海 军 Krzycki 等 利 用 与 Nicholls 相 类 似 的 试 验 设 备, 开 展 了 丙 烷 / 空 气 爆 震 的 试 验 研 究, 并 且 重 复 了 Nicholls 的 试 验, 积 累 了 大 量 试 验 数 据 ;20 世 纪 70 年 代, 苏 联 的 Korovin [9] 研 究 用 于 磁 流 体 发 电 和 化 肥 制 造 的 工 业 型 脉 冲 爆 震 反 应 器, 在 无 重 大 维 修 下 工 作 2000h ;20 世 纪 80 年 代 后 期, 美 国 海 军 研 究 生 院 的 Helman 等 压 气 机 [10] 燃 烧 室 图 3 涡 扇 发 动 机 外 涵 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 Fig.3 Pulse detonation combustion in bypass duct of turbine-fan 高 压 涡 轮 低 压 涡 轮 尾 喷 管 提 出 了 吸 气 式 脉 冲 爆 震 发 动 机 概 念, 使 PDE 作 为 未 来 飞 行 器 的 动 力 装 置 迈 出 了 重 要 一 步 这 大 大 激 发 了 业 界 对 脉 冲 爆 震 发 动 机 的 研 究 兴 趣, 除 美 国 政 府 研 究 机 构 和 PW GE 波 音 和 洛 克 西 德 马 丁 等 公 司 以 外, 日 本 加 拿 大 法 国 比 利 时 俄 罗 斯 以 及 以 色 列 等 国 的 研 究 与 学 术 界 也 积 极 开 展 脉 冲 爆 震 发 动 机 技 术 研 究 特 别 是, 作 为 实 现 涡 轮 发 动 机 推 力 增 大 新 方 案, 涡 轮 发 动 机 用 外 涵 道 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 等 概 念 在 21 世 纪 得 到 美 国 政 府 研 究 机 构 工 业 部 门 和 大 学 的 一 致 认 可, 在 理 论 与 试 验 研 究 方 面 开 展 了 大 量 的 探 索 与 研 究, 目 前 已 经 成 为 未 来 高 性 能 轻 质 量 低 成 本 航 空 发 动 机 的 潜 在 方 案 2.1 外 涵 道 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 20 世 纪 90 年 代 后 期, 美 国 空 军 开 始 投 资 开 发 和 验 证 脉 冲 爆 震 燃 烧 发 动 机 技 术,1998~1999 年 共 投 入 156 万 美 元, 研 究 用 于 下 一 代 有 人 和 无 人 侦 察 / 攻 击 飞 行 器 及 吸 气 式 推 进 器 的 脉 冲 爆 震 燃 烧 发 动 机 技 术, 特 别 是 研 究 涡 扇 发 动 机 脉 冲 爆 震 外 涵 加 力 燃 烧 室 [11] 2000 年, 空 军 研 究 试 验 室 Mawid 等 研 究 了 在 涡 扇 发 动 机 外 涵 道 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 ( 见 图 4) 与 传 统 加 力 燃 烧 室 的 性 能 变 化 研 究 将 环 形 外 涵 分 为 18 个 扇 形 区, 每 个 扇 形 区 为 20, 爆 震 燃 烧 在 这 些 区 域 内 交 替 进 行, 在 哪 个 时 间 点 上 需 要 闭 合 的 扇 形 区 取 决 于 脉 爆 震 频 率 和 循 环 时 间, 并 采 用 转 动 阀 门 控 制 填 充 和 吹 熄 过 程 Mawid 将 带 常 规 加 力 燃 烧 室 的 涡 扇 发 动 机 与 这 种 新 的 脉 冲 爆 震 / 涡 扇 组 合 发 动 机 方 案 的 推 力 耗 油 率 以 及 单 位 推 力 进 行 了 计 算 和 对 比 采 用 多 维 CFD 分 析, 获 得 外 涵 脉 冲 爆 震 装 置 的 性 能 数 据 结 果 表 明, 相 比 常 规 带 加 力 的 涡 扇 发 动 机, 外 涵 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 涡 扇 发 动 机 的 性 能 显 著 提 高 特 别 是, 当 外 涵 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 的 爆 震 频 率 为 100Hz 或 者 更 高 时, 其 推 力 和 单 位 推 力 比 常 规 加 力 式 涡 扇 发 动 机 的 增 大 1 倍, 同 时 耗 油 率 有 所 降 低 风 扇 2.2 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 2001 年,Mawid 等 [12-13] 爆 震 管 图 4 涡 扇 发 动 机 外 涵 道 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 Fig.4 Pulse detonation Afterburner in bypass duct of turbine-fan 在 现 有 涡 扇 发 动 机 基 础 上 对 加 力 燃 烧 室 进 行 了 改 造, 采 用 环 形 混 合 器 沿 周 向 均 匀 分 布 18 个 多 层 脉 冲 爆 震 管, 如 图 5 所 示 该 研 究 在 确 定 的 海 平 面 静 态 推 力 条 件 和 确 定 的 发 动 机 尺 寸 下 进 行 根 据 流 经 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 的 发 动 机 核 心 气 流 比 例, 同 样 通 过 采 用 多 维 CFD 和 循 环 分 析, 进 行 带 有 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 的 涡 扇 发 动 机 性 能 的 计 算 然 而, 结 果 显 示 相 比 常 规 加 力 涡 扇 发 动 机, 其 推 力 略 微 降 低 Mawid 将 这 种 性 能 降 低 的 原 因 归 结 为 :(1) 通 过 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 内 部 核 心 气 流 增 加, 导 致 初 始 混 合 油 气 比 的 降 低 ;(2) 在 推 力 分 析 中 忽 略 了 脉 冲 爆 震 排 气 流 动 量 2002 年,Mawid 进 一 步 进 行 试 验 及 CFD 模 拟 [14], 通 过 增 加 适 当 的 扩 张 喷 管 ( 喷 管 出 口 面 积 与 吼 道 处 面 积 比 114 航 空 制 造 技 术 2015 年 第 15 期

3 外 涵 空 气 1.71) 获 得 良 好 的 性 能, 但 是 由 于 缺 乏 试 验 数 据, 无 法 量 化 具 有 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 的 涡 扇 发 动 机 的 理 想 计 算 性 能, 该 项 研 究 未 得 到 很 好 的 持 续 2.3 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 进 入 21 世 纪 后, 对 脉 冲 爆 震 / 涡 轮 组 合 发 动 机 的 研 究 以 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 为 主, 其 中 GE 公 司 和 AFRL 的 研 究 较 多 GE 公 司 风 扇 空 气 燃 油 混 合 物 喷 杆 核 心 气 流 图 5 具 有 脉 冲 爆 震 加 力 燃 烧 室 的 涡 扇 发 动 机 Fig.5 Turbine-fan with pulse detonation afterburner [15-17] 2007~2011 年,GE 公 司 全 球 研 究 中 心 Venkat 等 建 立 了 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 模 型 ( 见 图 6), 对 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 进 行 了 试 验 该 研 究 目 的 是 :(1) 研 究 多 管 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 的 适 用 性 ;(2) 评 估 涡 轮 的 效 率 ;(3) 量 化 多 管 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 与 涡 轮 的 相 互 影 响 ;(4) 定 量 涡 轮 的 力 学 响 应 ;(5) 获 取 验 证 计 算 方 法 的 试 验 数 据 低 压 和 高 压 压 气 机 转 动 活 瓣 外 涵 LPC HPC HPT LPT 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 脉 冲 爆 震 管 通 道 核 心 机 气 流 通 道 图 6 GE 公 司 具 有 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 的 发 动 机 结 构 Fig.6 Engine construction with pulse detonation combustion of GE company 高 压 和 低 压 涡 轮 该 试 验 研 究 是 在 GE 公 司 全 球 研 究 中 心 大 型 缩 比 多 管 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 / 涡 轮 组 合 系 统 上 进 行 的 该 系 统 由 环 形 排 列 的 8 个 脉 冲 爆 震 燃 烧 管 和 1 台 单 级 轴 流 涡 轮 组 成 单 级 轴 流 涡 轮 额 定 流 量 转 速 和 功 率 分 别 为 3.63kg/s,25000r/min,746kW Adam 利 用 高 频 压 力 传 感 器 研 究 了 流 路 内 压 力 波 间 的 相 互 干 扰 和 流 经 涡 轮 时 的 衰 减 变 化, 以 及 多 管 脉 冲 燃 烧 室 在 单 管 点 燃 所 有 管 同 时 点 燃 所 有 管 依 次 点 燃 等 3 种 不 同 点 火 条 件 下 的 工 作 情 况 试 验 数 据 分 析 显 示, 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 出 口 与 涡 轮 进 口 面 的 过 渡 增 压 波 之 间 的 相 互 干 扰, 对 多 管 脉 冲 燃 烧 室 的 工 作 具 有 一 定 的 影 响 ; 另 外, 气 流 通 过 单 级 轴 流 涡 轮 时, 峰 值 压 力 脉 冲 减 少 2dB, 宽 频 噪 声 减 少 10dB ; 最 终 试 验 表 明, 如 果 对 低 于 预 期 的 燃 油 设 计 进 行 改 进, 脉 冲 爆 震 / 涡 轮 组 合 发 动 机 结 构 的 效 率 可 以 提 高 25% 美 国 空 军 研 究 试 验 室 [18-21] 2002~2003 年, 美 国 空 军 研 究 试 验 室 的 Sivarai 等 将 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 与 涡 轮 增 压 器 联 合 进 行 试 验, 并 且 通 过 高 速 压 力 转 换 器 确 定 在 爆 震 和 放 气 过 程 中 放 置 涡 轮 的 影 响 试 验 采 用 自 吸 气 式 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 和 Garrett T3 涡 轮 增 压 器 2 个 同 时 点 燃 的 脉 冲 爆 震 管 驱 动 涡 轮, 连 续 工 作 25min, 没 有 发 现 任 何 明 显 性 能 损 失 和 损 坏, 从 而 证 明 了 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 与 涡 轮 组 合 方 案 的 可 行 性 ; 且 平 均 热 效 率 提 高 至 6.8% ; 研 究 还 发 现, 涡 轮 能 够 衰 减 爆 震 波 引 发 的 震 动, 因 而 有 利 于 降 低 噪 声 2010~2013 年, 空 军 研 究 试 验 室 Rouser 等 [22-24] 行 了 涡 轮 转 速 涡 轮 压 比 气 流 温 度 速 度 和 离 开 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 驱 动 的 涡 轮 增 压 器 不 稳 定 排 气 密 度 的 研 究, 以 及 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 驱 动 径 向 涡 轮 的 能 力 和 其 适 用 性 的 研 究, 确 定 了 涡 轮 进 出 口 流 场 特 性 时 间 分 辨 涡 轮 功 率 循 环 平 均 单 位 推 力 以 及 等 焓 涡 轮 效 率 之 间 的 关 系 研 究 还 提 出 并 评 估 了 不 稳 定 涡 轮 效 率 的 表 述, 计 算 出 热 传 递 影 响, 以 及 包 括 扩 展 加 权 的 总 压 比 和 统 计 的 多 个 循 环 平 均 值 目 的 是 设 计 试 验 设 备, 将 脉 冲 和 稳 定 状 态 下 涡 轮 的 性 能 进 行 对 比, 整 个 试 验 设 备 侧 视 图 如 图 7 所 示 此 项 研 究 最 终 采 用 压 缩 空 气 代 替 燃 烧 燃 气 驱 动 轴 向 涡 轮, 模 拟 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 循 环 通 过 随 电 机 旋 转 的 球 状 阀 门 模 拟 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 冷 气 流, 转 动 阀 放 置 在 增 压 室 上 游, 并 将 气 流 分 为 6 股 2 个 带 有 控 制 装 置 的 高 压 电 动 机 驱 动 阀 门 在 所 需 频 率 下 转 动 此 项 研 究 前 期 表 明, 采 用 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 比 采 用 等 压 燃 烧 室 的 单 位 推 力 增 大 41.3%, 耗 油 率 降 低 27.8% 这 意 味 着, 通 过 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 驱 动 涡 轮 增 压 器 增 大 单 位 推 力 是 发 展 趋 势 然 而, 此 项 研 究 的 后 期 表 明, 循 环 平 均 涡 轮 效 率 比 制 造 商 报 告 的 常 规 稳 定 涡 轮 的 最 大 效 率 低 30% 但 是, 爆 震 燃 烧 获 得 的 性 能 提 高 在 一 定 程 度 上 比 涡 轮 性 能 衰 减 要 多 稳 定 与 非 稳 定 涡 轮 工 作 的 对 比 表 明, 产 生 相 同 推 力 时, 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 驱 动 的 非 稳 定 状 态 工 作 涡 轮 效 率 较 低 因 此, 未 来 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 驱 动 涡 轮 的 潜 力 在 于 产 生 比 稳 定 燃 烧 驱 动 涡 轮 更 大 的 推 力 3 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 / 加 力 燃 烧 室 关 键 技 术 虽 然 国 内 外 在 性 能 计 算 数 值 模 拟 以 及 试 验 等 方 面 对 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 进 行 了 广 泛 的 研 究, 但 仍 处 于 初 步 阶 段, 还 存 在 很 多 关 键 技 术 难 题, 主 要 包 括 以 下 方 面 : (1) 稳 定 可 靠 的 高 频 短 距 起 爆 技 术 直 接 起 爆 需 进 115

4 OTHERS 气 流 方 向 进 口 过 渡 段 涡 轮 增 压 器 涡 轮 排 气 出 口 模 拟 技 术, 包 括 流 场 测 量 与 诊 断 技 术 非 稳 态 循 环 参 数 与 性 能 参 数 测 量 等 (6) 脉 冲 爆 震 涡 轮 发 动 机 的 降 噪 技 术 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 工 作 时 产 生 巨 大 的 非 线 性 噪 声, 需 要 研 究 主 动 噪 声 控 制 技 术 等 爆 震 管 52.5mm 52.5mm 52.5mm 77.9mm 1092mm 178mm 178mm 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 涡 轮 图 7 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 涡 轮 试 验 段 布 局 侧 视 图 Fig.7 Side view of turbine test section configuration of pulse detonation combustion 要 巨 大 的 能 量, 因 此, 脉 冲 爆 震 涡 轮 发 动 机 的 发 展 需 要 解 决 高 频 短 距 起 爆 问 题, 需 要 研 究 的 问 题 包 括 : 先 进 的 点 火 方 法, 如 预 爆 管 点 火 瞬 态 等 离 子 体 点 火 分 布 式 点 火 源 点 火 等 ; 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 内 障 碍 物 的 结 构 优 化 ; 液 态 燃 料 的 喷 射 与 混 合 以 及 起 爆 等 (2) 液 体 燃 料 与 氧 化 剂 的 雾 化 喷 射 掺 混 对 于 使 用 液 体 燃 料 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 来 说, 燃 料 的 喷 射 掺 混 和 点 火 是 最 困 难 的 问 题 之 一, 具 有 快 速 反 应 时 间 大 质 量 流 率 和 有 高 度 可 控 性 的 喷 射 系 统 对 满 足 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 高 频 运 行 十 分 重 要 (3) 脉 冲 爆 震 涡 轮 发 动 机 控 制 技 术 多 管 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 工 作 过 程 相 互 影 响, 因 此 要 合 理 设 计 多 管 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 头 部 的 进 气 结 构 ( 有 阀 无 阀 ) (4) 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 与 压 气 机 涡 轮 的 匹 配 爆 震 波 形 成 后, 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 是 高 压 燃 气, 所 以 必 须 在 压 气 机 与 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 之 间 设 计 合 适 的 气 动 阀 或 者 机 械 阀, 以 防 止 其 高 压 燃 气 倒 流 进 入 压 气 机, 引 起 压 气 机 喘 振 合 理 的 机 械 阀 或 气 动 阀 的 结 构 设 计 与 优 化 是 未 来 一 个 重 大 挑 战 需 要 研 究 的 问 题 包 括 : 机 械 阀 / 气 动 阀 / 旋 转 阀 的 结 构 设 计 ; 脉 动 出 口 条 件 下 压 气 机 的 效 率 稳 定 性 ; 压 气 机 与 多 管 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 之 间 的 协 调 工 作 等 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 出 口 同 涡 轮 的 连 接 结 构 将 是 未 来 研 究 的 重 点 其 出 口 存 在 涡 轮 转 动 部 件, 工 作 循 环 也 会 受 涡 轮 的 影 响 ; 另 一 方 面, 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 出 口 气 流 是 高 幅 值 脉 动 的 非 定 常 流 动, 涡 轮 进 口 的 参 数 变 化 剧 烈 现 有 的 涡 轮 设 计 方 法 很 难 保 证 这 种 高 幅 值 脉 动 气 流 作 用 下 涡 轮 的 功 率 提 取 效 率, 因 此 需 要 研 究 的 问 题 包 括 : 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 与 涡 轮 的 相 互 作 用 ; 涡 轮 的 非 定 常 效 率 以 及 功 率 输 出 ; 适 合 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 的 涡 轮 结 构 强 度 设 计 等 (5) 脉 冲 爆 震 涡 轮 发 动 机 的 性 能 分 析 方 法 与 数 值 116 航 空 制 造 技 术 2015 年 第 15 期 4 结 束 语 提 高 飞 机 机 动 性 能 和 增 大 喷 气 发 动 机 短 时 间 推 力 的 需 求, 带 动 了 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 / 加 力 燃 烧 室 技 术 的 蓬 勃 发 展 在 传 统 燃 烧 室 得 到 不 断 改 进 和 完 善 的 同 时, 国 内 外 学 术 界 研 究 界 与 工 业 界 正 在 创 新 地 研 究 和 试 验 脉 冲 爆 震 燃 烧 室 / 加 力 燃 烧 室, 并 且 已 经 取 得 了 显 著 的 进 展 但 是, 研 究 与 试 验 结 果 表 明, 采 用 脉 冲 爆 震 技 术 的 推 进 系 统 要 进 入 使 用 阶 段, 要 面 临 诸 多 技 术 挑 战, 还 有 很 多 工 程 实 际 问 题 需 要 解 决 参 考 文 献 [1] 吴 川. 涡 扇 - 脉 冲 爆 震 组 合 发 动 机 内 外 涵 掺 混 研 究 [D]. 南 京 : 南 京 航 空 航 天 大 学,2008. [2] 李 慎 佩. 旋 转 阀 式 扇 环 形 脉 冲 爆 震 - 涡 扇 组 合 发 动 机 关 键 技 术 研 究 [D]. 南 京 : 南 京 航 空 航 天 大 学, [3] 张 华, 范 玮, 叶 斌, 等. 雾 化 效 果 对 脉 冲 爆 震 室 性 能 影 响 的 实 验 研 究. 航 空 发 动 机, 2007,33(1): [4] 李 建 玲, 范 玮, 李 强, 等. 脉 冲 爆 震 火 箭 发 动 机 喷 管 构 型 数 值 研 究. 航 空 发 动 机,2010, 36(3):5-9. [5] 李 娜. 2 相 多 循 环 脉 冲 爆 震 发 动 机 燃 烧 噪 声 辐 射 特 性 试 验 研 究. 航 空 发 动 机,2010,36(6): [6] 卢 杰, 郑 龙 席, 王 治 武, 等. 采 用 脉 冲 爆 震 外 涵 加 力 燃 烧 室 的 涡 扇 发 动 机 性 能 研 究. 推 进 技 术,2014,35(6): [7] Nicholls J A, Wilkinson H R, Morrison R B. Intermittent Detonation as a thrust-producing mechanism. Jet Propulsion, 1957(5): [8] Krzycki L J.Performance characteristic on an intermittentdetonation device. U.S. Naval Ordnance Test Station, China lake, 7655ASTIA ,1962. [9] Korovin L N, Losev A, Ruban S G. Combustion of natural gas in a commercial detonation reactor. Fizik Gor.Vztyva,1981, 17(3):86. [10] Eidelman S, Grossmann W. Pulsed detonation : experimental and theoretical review. AIAA [11] Mawid M A, Park T W. Performance analysis of a pulse detonation device as an afterburner. AIAA [12] Mawid M A, Park T W. Application of pulse detonation combustion to turbofan s GT [13] Mawid M A, Park T W.Towards replacement of turbofan s afterburners with pulse detonation devices. AIAA [14] Mawid M A, Park T W. Turbofan thrust augmentation with pulse detonation afterburners. AIAA [15] Venkat E T, Adam R, Anthony J D. Performance of a Pulse ( 下 转 第 119 页 )

5 发 成 本 高 (0.5~5 亿 美 元 ) 生 物 制 品 相 对 简 单 等 挑 战 3 自 适 应 制 造 的 主 要 方 法 与 工 具 AM 计 划 的 重 点 投 资 领 域 虽 涉 及 诸 多 不 同 的 科 学 技 术 及 应 用 领 域, 但 大 多 数 研 发 项 目 所 采 用 的 主 要 方 法 和 工 具 都 是 相 同 的 目 前, 自 适 应 制 造 计 划 中 研 究 应 用 较 多 的 方 法 与 工 具 包 括 : (1) 铸 造 式 基 于 平 台 的 设 计 由 DARPA 在 20 世 纪 80 年 代 参 与 投 资 开 发, 至 今 已 发 展 成 为 集 成 电 路 产 业 的 基 石 1980 年, 卡 佛 米 德 和 林 恩 康 威 在 DARPA 的 资 助 下 开 发 了 超 大 规 模 集 成 (VLSI) 系 统 设 计 工 具, 教 大 学 生 如 何 在 无 半 导 体 生 产 设 备 的 情 况 下 自 行 设 计 计 算 机 电 路 采 用 这 种 设 计 工 具 能 够 通 过 可 升 级 的 基 于 模 型 的 设 计 与 验 证 来 梳 理 制 造 产 生 的 设 计 问 题, 并 由 不 同 的 小 组 各 自 独 立 解 决, 最 后 再 集 成 起 来 用 于 产 品 生 产 这 些 计 算 机 芯 片 自 适 应 制 造 技 术 研 发 的 经 验 对 后 续 的 项 目 研 究 都 有 所 借 鉴, 尤 其 是 在 开 放 式 体 系 结 构 可 共 享 的 基 础 结 构 及 设 计 分 析 工 具 等 方 面 目 前, 该 方 法 在 自 适 应 车 辆 制 造 开 源 制 造 生 命 铸 造 厂 及 梯 度 折 射 率 光 学 组 件 制 造 等 项 目 中 都 有 所 应 用 (2) 奖 金 挑 战 赛 为 了 更 好 地 激 发 人 的 潜 能, 攻 坚 克 难,DARPA 设 立 了 基 于 创 业 精 神 的 奖 金 挑 战 赛 机 制, 其 中 包 括 DARPA 挑 战 大 赛 城 市 挑 战 赛 网 络 红 气 球 挑 战 赛 粉 碎 机 挑 战 赛, 以 及 面 向 未 来 发 展 的 新 的 自 适 应 制 造 挑 战 赛 FANG 项 目 中 延 续 了 这 种 奖 金 挑 战 赛 机 制, 旨 在 开 发 满 足 美 国 海 军 陆 战 队 需 求 的 两 栖 战 车 (3) 研 发 游 戏 化 针 对 一 些 复 杂 的 设 计 问 题,DARPA 将 其 转 化 成 解 谜 形 式, 把 这 些 问 题 放 在 互 联 网 上 的 大 型 多 人 游 戏 系 统 中, 通 过 强 大 的 计 算 机 工 具 与 大 量 创 新 者 之 间 的 合 作 来 解 决 这 种 技 术 被 称 为 众 源, 能 够 更 好 地 利 用 人 类 天 生 的 问 题 解 决 能 力, 比 只 运 用 计 算 机 分 析 快 捷 得 多 比 如, 运 用 计 算 机 分 析 一 个 感 染 HIV 的 猕 猴 的 蛋 白 质 长 达 15 年 仍 没 有 得 到 答 案, 但 是 最 近 却 在 网 上 被 Foldit( 由 DARPA 资 助 的 一 款 基 于 物 理 学 设 计 的 游 戏 ) 的 游 戏 玩 家 破 解, 并 已 通 过 X 射 线 晶 体 学 确 认 (4) 快 速 验 证 方 法 及 工 具 工 程 人 员 通 过 实 际 经 验 已 经 认 识 到, 计 算 机 虽 然 先 进, 但 是 分 析 能 力 并 不 强 大, 除 非 分 析 结 果 和 设 计 预 测 正 好 匹 配 自 适 应 制 造 计 划 也 支 持 快 速 验 证 方 法 及 工 具 的 开 发, 比 如, 开 源 制 造 项 目 正 在 开 发 新 的 设 计 和 可 通 过 经 验 数 据 验 证 的 具 有 仿 真 功 能 的 生 产 力 分 析 工 具 (5) 协 作 工 具 自 适 应 制 造 计 划 正 在 开 发 协 作 方 法, 打 造 可 靠 安 全 以 及 可 信 的 基 础 结 构 分 享 环 境, 知 识 产 权 共 享 环 境, 设 计 验 证 以 及 产 品 物 流 计 划 类 似 UAVForge vehicleforge.mil 等 网 站 为 参 与 人 员 提 供 了 在 线 沟 通 平 台, 可 以 共 同 合 作 开 发 评 估 提 交 并 且 评 论 新 的 系 统 概 念 (6) 可 计 算 的 设 计 工 具 链 DARPA 正 在 利 用 高 性 能 计 算 机 推 动 全 新 种 类 材 料 的 设 计, 并 且 采 用 这 些 新 材 料 来 设 计 可 生 产 的 组 件 自 适 应 制 造 对 系 统 性 能 进 行 多 域 分 析, 从 而 实 现 一 次 性 生 成 即 保 证 无 误 的 设 计, 即 不 仅 要 在 第 一 时 间 建 立 正 确 的 设 计, 同 时 需 确 保 其 在 本 质 上 的 可 生 产 性 4 结 束 语 近 50 年 来,DARPA 通 过 有 效 的 自 适 应 制 造, 已 经 在 开 发 更 小 更 轻 更 快 的 技 术 方 法 生 产 工 艺 流 程 和 工 具, 重 塑 全 球 工 业 格 局 的 过 程 中 取 得 了 显 著 的 成 绩 自 适 应 制 造 计 划 正 在 对 可 能 的 技 术 进 行 重 新 定 义, 并 重 新 确 立 未 来 军 事 系 统 的 制 造 模 式, 这 将 彻 底 改 革 美 国 未 来 的 作 战 方 式 未 来 DARPA 将 继 续 与 美 国 国 防 部 及 美 国 政 府 的 研 发 机 构 保 持 通 力 协 作, 为 重 振 美 国 制 造 业, 确 保 美 军 的 技 术 优 势 地 位, 从 战 略 高 度 保 障 国 家 安 全 不 懈 努 力 ( 责 编 玲 犀 ) ( 上 接 第 116 页 ) Detonation Combustor-Based Hybrid Engine. ASME 2007-GT [16] Venkat E T, Narendra D J. Systems level performance estimations for a pulse detonation combustor based hybrid. ASME 2008-GT [17] Anthony J D,Adam R,Venkat T. Operation and noise transmission of an axial turbine driven by a pulse detonation combustor. ASME 2005-GT [18] Sivarai A K. Parametric and performance analysis of a hybrid pulse detonation/turbofan [D]. Arlington: University of Texas, [19] Sudip B, Hao T. Comparative performance analysis of combined- cycle pulse detonation turbofan s (PDTEs). Propulsion and Power Research, 2013,2(3): [20] Nicholas C L. Heat transfer experiments of a pulse detonation driven combustor[d]. Wright-Patterson Air Force Base, Ohio: Airforce Institute of Technology, [21] Aaron J G, Nicholas C, Ephraim G. Performance of an axial flow turbine driven by multiple pulse detonation combustors. AIAA [22] Rouser K P, King P I. Unsteady performance of a turbine driven by a pulse detonation. AIAA [23] Rouser K P. Unsteady specific work and insentropic efficiency of a radical turbine driven by pulsed detonations[d]. Wright-Patterson Air Force Base, Ohio: Airforce Institute of Technology, [24] Mark H F, Steven E G. Design and fabrication of an experimental test facility to compare the performance of pulsed and steady flow through a turbine. AIAA ( 责 编 玲 犀 ) 119