Operation of a Rotary-valved Pulse Detonation Rocket Engine Utilizing Liquid-kerosene and Oxygen

The pulse detonation rocket engine （PDRE） requires periodic supply of oxidizer, fuel and purge gas. A rotary-valve assembly is fabricated to control the periodic supply in this research. Oxygen and liquid aviation kerosene are used as oxidizer and fuel respectively. An ordinary automobile spark plug, with ignition energy as low as 50 mJ, is used to initiate combustion. Steady operation of the PDRE is achieved with operating frequency ranging from 1 Hz to 10 Hz. Experimentally measured pressure is lower than theoretical value by 13% at 1 Hz and 37% at 10 Hz, and there also exists a velocity deficit at different operating frequencies. Both of these two phenomena are believed mainly due to droplet size which depends on atomization and vaporiza-tion of liquid fuel.

煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机试验

为了研究煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机(简称PDE)的爆震波特性,建立了一整套试验系统,在进气加温和燃油加温的条件下,以液态煤油为燃料、以空气为氧化剂,在内径100 mm、长为2000 mm的爆震管内进行了大量的多循环爆震试验。研究了液态煤油和低污染空气(接近纯空气)形成的可爆混气的爆震波特性,研究了气动阀和空气加热器的设计方法等。研究结果为进一步研究液态燃料和高污染空气形成可爆混气的爆震燃烧机理提供了依据,为研制工程应用的PDE提供理论和实践基础。

煤油气动阀式脉冲爆震发动机爆震波压力特性试验

为研究煤油(C12H24)气动阀式脉冲爆震发动机的爆震波压力特性,通过进气加温和燃油加温,实现了以液态煤油为燃料,以空气为氧化剂,在内径0.1 m,长2 m的爆震管中产生了连续稳定的爆震波。分析了不同进气温度和不同燃油温度对气动阀出口流场和油雾场的影响,进而研究了不同进气温度和不同燃油温度对爆震波压力特性影响。结果表明,试验选定的双旋流加直流气动阀,当进气温度为373 K和燃油温度为363 K时,能够形成比较均匀的可爆混气,在爆震管内成功地产生了连续稳定的爆震波,爆震波压力峰值最大。获得进气温度和燃油温度对气动阀式PDE爆震波特性影响,为深入研究以液态煤油为燃料,空气为氧化剂的气动阀式脉冲爆震发动机工作性能提供了依据。

脉冲爆震发动机气动阀阻力特性

利用风机出口速度模拟脉冲爆震发动机(PDE)的不同飞行状态,采用力传感器研究不同进气动压(飞行速度)下,气动阀关闭和开启时PDE的阻力。试验表明:PDE阻力随进气动压增加线性增加,与飞行速度成平方关系。气动阀关闭时阻力最大,对不同结构型式的气动阀,在其开启时阻力不同。PDE爆震室装扰流器时阻力增加,不同气动阀在装同种扰流器时,其对PDE的阻力影响程度不同,安装整流栅有利于降低阻力。试验结果在保证PDE正常工作和产生一定推力的条件下,对研究减小PDE阻力和提高有效推力及预估高速飞行时的阻力有重要参考价值。

当量比对脉冲爆震火箭发动机爆震特性影响的实验研究

简述了脉冲爆震火箭发动机的实验系统,利用电磁阀控制煤油,氧气和隔离气体,避免了连续燃烧.分析了实验结果,总结出爆震波压力、传播速度和爆燃向爆震转变(DTD)距离与当量比的关系,指出在当量比为1.2～1.8时爆震特性较好,与理论计算结果趋势一致.研究表明:本实验系统能够成功地进行煤油/氧气脉冲爆震火箭发动机原理试验,能产生频率可控的、充分发展的两相爆震波.

基于旋转阀的脉冲爆震火箭发动机实验

针对现有条件下电磁阀高频与大流量不可兼得的矛盾,设计了一种凸轮式旋转阀,以此来控制脉冲爆震火箭发动机氧化剂、燃料和隔离气体的间歇式供给。基于该旋转阀,以汽油和富氧空气为推进剂,进行了不同频率下的实验。实验结果表明,推进剂和隔离气供给压力与点火相位直接影响到能否稳定起爆。随着频率的增加,在1～10 Hz范围内,降低隔离氮气压力、调整点火相位可实现发动机的稳定工作;10 Hz以上时,仅需要提高油气的供给压力。基于该旋转阀控制技术,脉冲爆震火箭发动机实现了工作频率30 Hz的稳定工作。

煤油/空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究

探索脉冲爆震-涡扇组合发动机的可行性,建立了煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机PDE试验系统,设计、加工了收敛型尾喷管和收敛-扩张型尾喷管,在三个内径100 mm,长2 000 mm的爆震管内获得了充分发展的爆震波,成功实现总工作频率30 Hz稳定时序工作,研究了三管PDE各爆震管之间爆震燃烧特性的相互影响规律.三管PDE安装共用尾喷管能够提高爆震室内压力,提高三管PDE的工作性能.研究结果为研制多管脉冲爆震发动机原理样机提供了理论依据.

脉冲爆震发动机气动阀性能分析

通过数值模拟和试验对两种不同结构的脉冲爆震发动机(PDE)气动阀进行了研究.结果表明,两种气动阀都能在PDE工作中起到单向阀功能,双旋流气动阀由于切向旋流作用,其雾化、掺混作用优于锥形气动阀,而锥形气动阀阻力损失小.同时,还数值模拟了锥形气动阀关闭后的流场结构,得到了进气过程中及气动阀关闭后PDE内的流场分布,结果显示,气动阀关闭后,大涡很快脱落形成一系列小涡,大大增强了流场内的紊流度.

钝体/阻流孔式气动阀工作机理及流阻特性研究

针对脉冲爆震发动机的工作特点构思了一种钝体-阻流孔式气动阀,对该气动阀的工作机理进行了分析,通过二维数值方法初步研究了该气动阀的流场分布情况及流阻特性.结果表明:该气动阀具有良好的单向性,出口压力为100 kPa时,该气动阀在来流压力100 kPa<p<500 kPa工作条件下正向流动顺畅,反向流动时,流动阻力随来流压力的升高线性增大.真实爆震环境的数值模拟结果显示,该气动阀的单向性、掺混效果、出口流场均匀度明显提高,反向流动阻力显著增大.

脉冲爆震发动机旋转阀技术研究

为解决脉冲爆震发动机高频稳定连续燃烧推进剂间歇式供应难题,开展了旋转阀技术研究。通过采用伺服电机驱动二阶凸轮特殊结构设计,将电机轴的旋转运动转换为控制阀芯的直线开关运动,并放大电机旋转频率特性,实现最大200 Hz的高频控制。突破了高频响应、长寿命驱动和氧气安全性保障关键技术,完成旋转阀鉴定试验和脉冲爆震发动机地面点火试车考核。研究结果表明,与传统电磁阀相比,旋转阀能够有效提高响应频率,实现了爆震波的稳定连续输出,满足工程应用要求。

煤油/空气脉冲爆震发动机激波反射起爆研究

为了研究煤油/空气脉冲爆震发动机爆震室内激波遇到障碍物发生反射促使PDE通常完成爆燃向爆震转变的起爆技术,设计加工了环型孔板和双半V型楔面体,并安装在内径100 mm的爆震管内,进行了多循环爆震试验,成功实现了煤油/空气脉冲爆震发动机工作频率30 Hz稳定工作,获得稳定传播的爆震波．研究结果表明：在爆震室内安装合理结构的障碍物能够有效提高激波反射,缩短爆燃向爆震转变的距离(时间),成功获得稳定传播的爆震波．研究结果为优化设计煤油/空气脉冲爆震发动机原理样机提供了初步理论基础．

气动阀式脉冲爆震发动机部分充填机理研究

研究了不同部分充填比例对煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)的爆震波压力特性影响,初步分析了部分充填的爆震管内一系列波相互作用的机理。研究结果表明,在气动阀选定、爆震管长度和爆震管内部结构一定条件下,随着脉冲爆震发动机可爆混气充填爆震管比例的降低,虽然爆震波压力峰值略有下降,但是,单位体积可爆混气获得的冲量线性增加,提高了脉冲爆震发动机的工作性能。研究结果对于煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机的总体优化设计,提高PDE的工作性能具有重要的参考价值。

多循环脉冲爆震发动机工作过程中的延迟时间研究

为了提高两相脉冲爆震发动机(PDE)工作的协调性,运用离子传感器、动态压力传感器,对爆震燃烧的几个延迟时间以及供油电磁阀工作性能进行研究.研究表明:以汽油为燃料、空气为氧化剂的气动阀式PDE,点火延迟时间为3.0-4.5 ms,气动阀关闭滞后点火信号发出4.9-6.4 ms,供油电磁阀开、关延迟分别为2.4ms和3.4 ms左右.缓燃向爆震转捩时间为3.0-3.8 ms.PDE工作频率大于20 Hz时,电磁阀不能按设定时间工作.研究成果对PDE工作过程的协调及有效控制具有参考价值.

脉冲爆震发动机孔板型气动阀工作特性实验研究

采用流动显示和压力测量两种手段对应用于脉冲爆震发动机的三种不同阻塞比孔板型气动阀进行了试验研究。研究结果表明,在不存在燃烧的流场里,孔板型气动阀具有较强的阻隔压力波动的能力;然而对于采用自适应供油的脉冲爆震发动机,发动机点火后,由于压差,燃油液雾必然向上游流动,孔板型气动阀将处于可燃混合物中,较强的燃烧火焰穿越孔板时,孔板将担当起射流点火的作用,从而加速火焰的传播,最终破坏孔板阻隔压力回传的作用;增大孔板阻塞比可以减少燃油液雾的反流量,这有助于爆震室对进气系统的影响。

煤油/空气脉冲爆震发动机强化燃烧装置

为了研究不同结构强化燃烧装置对煤油/空气混合物爆震起爆过程的影响,选择适应于煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机使用的强化燃烧装置,设计加工了几种不同结构的强化燃烧装置,在内径100mm的爆震管内进行大量爆震试验.分析了不同结构强化燃烧装置的工作机理,比较了不同强化燃烧装置对煤油/空气混合物爆震起爆过程的影响.研究结果为优化设计强化燃烧装置,优化设计煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机原理样机提供了初步理论基础.

脉冲爆震涡轮发动机气动阀特性数值模拟研究

为减小脉冲爆震燃烧室爆震波压力前传,确保爆震室与压气机匹配成功,在爆震室头部设计了气动阀,并建立其数值有限元模型,研究气动阀对爆震前传压力波的详细作用和气动阀关闭时间对前传压力波衰减特性的影响。结果表明:爆震前传压力波透过气动阀在上游所形成的压缩波会扰乱气流,导致压缩波和膨胀波在压气机和气动阀之间来回震荡,不利于发动机爆震室填充;所设计的气动阀对爆震前传压力波具有很好的抑制作用,压力峰值衰减达72.9%,而无阀时压力峰值衰减仅为47.3%;气动阀对前传压力波的衰减效果随阀体关闭时间的缩短而提高,但当阀体关闭时间缩短到0ms时,其衰减效果突然下降,为69.819%。

脉冲爆震发动机倒旋流气动阀性能实验

为了得到高性能的脉冲爆震发动机气动阀,根据以前研究者气动阀设计的经验,提出倒旋流气动阀设计思想,以此设计思想设计了五种结构不同的气动阀,并分别对五种气动阀性能进行了冷态和热态试验研究。试验结果表明:倒旋流数越大气动阀的单向性能越好;在进气道进口加装长1.5D(D为进气道进口直径)的直管,可获得最佳的气动阀单向性;综合考虑进气总压损失和气动阀单向性等因素,认为轴向倒旋流气动阀更适合PDE应用。通过轴向气动阀的热态试验结果表明:采用倒旋流设计的气动阀,可有效抑制前传压力约70%。

脉冲爆震发动机扩焰器试验研究

为使燃用液体燃料的大管径气动阀式脉冲爆震发动机点火及起爆成功,设计了多种结构的强化燃烧装置。包括半V型扩焰器、环型扩焰器和环型+径向扩焰器。通过多种不同结构扩焰器在脉冲爆震发动机上的试验结果表明,采用各种强化燃烧装置后,能显著提高点火成功率,加速紊流火焰的传播,且带径向的扩焰器较之环型的扩焰器,更能有效缩短DDT距离,但带来的阻力损失增加。

吸气式汽油/空气脉冲爆震发动机组合气动阀研究

研究了一种高性能吸气式脉冲爆震发动机(PDE)气动阀。将钝体和旋流两种气动阀串联安装在PDE进气道内,通过改变气动阀和喷嘴位置,构成多种组合气动阀。实验表明:组合气动阀能够产生连续的爆震波;上游钝体气动阀和下游旋流气动阀的组合效果最好;组合气动阀的爆震燃烧性能优于单个气动阀;钝体气动阀优于旋流气动阀。研究结果对开发新式的气动阀结构和燃油雾化蒸发掺混装置有重要指导意义。

吸气式脉冲爆震发动机钝体气动阀的设计与实验研究

在吸气式液体燃料脉冲爆震发动机(PDE)协调工作基础上,为了保证进气效率、减小阻力、提高爆震性能、增加推力,设计了一种钝体气动阀。该钝体气动阀的进气道和钝体推力壁直径与爆震管直径相同,推力壁设置圆柱形凹槽,在钝体外侧设置环形通道,钝体与环形通道出口保持合理间隙。实验证明:不同爆震管直径的钝体气动阀PDE能够协调工作,其爆震燃烧性能优于旋流气动阀,在气动阀前方供油的爆震燃烧性能优于后方供油。