斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是一種用于吸氣式高超聲速飛行器的新型動(dòng)力系統(tǒng).它利用斜爆震波實(shí)現(xiàn)超聲速氣流中的高效燃燒,具有放熱快、比沖高、燃燒室短、運(yùn)動(dòng)部件少等科學(xué)和技術(shù)優(yōu)勢(shì),是高超聲速推進(jìn)技術(shù)的前沿方向.這種發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵是斜爆震波的起爆與波系控制,因此需要對(duì)燃燒室的流動(dòng)與燃燒機(jī)理進(jìn)行深入研究.在激波與燃燒耦合作用下,斜爆震會(huì)形成具有多波結(jié)構(gòu)的起爆區(qū),是一種受燃料性質(zhì)影響的復(fù)雜波系結(jié)構(gòu).這種波系結(jié)構(gòu)通過(guò)高速來(lái)流的作用駐定在楔面上,然而其對(duì)來(lái)流參數(shù)變化非常敏感,因此需要對(duì)可能出現(xiàn)的非定常波動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究.此外,受限空間中的斜爆震結(jié)構(gòu),即斜爆震波系結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)幾何約束的作用,也是斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研制必須面臨的問(wèn)題.本文對(duì)上述幾個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,在總結(jié)研究成就的基礎(chǔ)上,闡釋了斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研制面臨的關(guān)鍵問(wèn)題,提出了下一步研究需要重點(diǎn)關(guān)注的方向. 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2020,50(09)北大核心

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【部分圖文】：

斜爆震波結(jié)構(gòu)示意圖.(a)突變起爆;(b)漸變起爆[14]圖片已獲得授權(quán)

斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Oblique Detonation Engine,ODE)是一種很早就被提出的概念,其原理是在高速預(yù)混氣體中觸發(fā)斜爆震波,組織超聲速燃燒.這種發(fā)動(dòng)機(jī)中斜爆震波是朝向上游的,有別于脈沖爆震的向下游傳播,或者旋轉(zhuǎn)爆震的側(cè)向傳播.實(shí)現(xiàn)斜爆震波在燃燒室內(nèi)的駐定燃燒,需要根據(jù)其傳播特性,對(duì)來(lái)流進(jìn)行匹配性約束,其中高馬赫數(shù)來(lái)流是穩(wěn)定的必要條件之一.因此,這種發(fā)動(dòng)機(jī)不具備地面低速自啟動(dòng)能力,而更適用于較高馬赫數(shù)的高超聲速飛行器.國(guó)外學(xué)者提出了兩種斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)-飛行器構(gòu)型(圖2)[3],可見(jiàn)這是一種基于乘波體飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī),其構(gòu)型類(lèi)似于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(Scramjet).然而,ODE的設(shè)計(jì)理念是燃料噴射后優(yōu)先混合,達(dá)到一定均勻度后通過(guò)楔形體誘發(fā)斜爆震波實(shí)現(xiàn)混氣快速燃燒釋熱,與Scramjet邊混合邊燃燒有本質(zhì)區(qū)別.Scramjet中的燃燒,是一種超聲速來(lái)流中的燃燒,燃燒波相對(duì)于可燃?xì)獠⒉皇浅曀俚亩鳲DE中的斜爆震波本身是超聲速的,因此也有人把爆震燃燒稱(chēng)為真正的超聲速燃燒.另一種利用斜爆震波的方案是沖壓加速器(Ram Accelerator),這可以看作一種簡(jiǎn)化版的斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī),其原理是在充滿可燃?xì)獾拈L(zhǎng)管道中射入高速射彈,利用射彈誘導(dǎo)的斜爆震波推動(dòng)其自身進(jìn)一步加速.沖壓加速器實(shí)現(xiàn)加速的關(guān)鍵在于合適的斜爆震位置,為此需要對(duì)氣體的爆震波特性以及射彈外形進(jìn)行精確計(jì)算和設(shè)計(jì).沖壓加速器避開(kāi)了在高總壓超聲速氣流中混合困難的問(wèn)題,一方面用來(lái)研究斜爆震波的特性和燃燒機(jī)理,另一方面作為一種彈道靶設(shè)備,被用于開(kāi)展沖擊動(dòng)力學(xué)、氣體物理效應(yīng)的研究.斜爆震推進(jìn)的概念在20世紀(jì)50–60年代提出,并隨著沖壓加速器的探索,在20世紀(jì)80年代晚期至90年代初期迎來(lái)第一次研究高峰,美國(guó)、蘇聯(lián)、加拿大、法國(guó)、澳大利亞等紛紛開(kāi)展研究.然而,當(dāng)時(shí)的結(jié)論認(rèn)為斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)要在飛行馬赫數(shù)10甚至更高才能發(fā)揮出來(lái),同時(shí)斜爆震波駐定困難,容易向上游或下游傳播,導(dǎo)致應(yīng)用難度大.因此,斜爆震的研究陷入低谷,后續(xù)的高超聲速推進(jìn)技術(shù)發(fā)展一分為二:一方面開(kāi)展馬赫數(shù)10以上的基于火箭動(dòng)力的助推-滑翔式高超聲速飛行器研制,另一方面開(kāi)展馬赫數(shù)7以下的基于超燃沖壓的高超聲速飛行器研制.過(guò)去20年,高超聲速領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的技術(shù)進(jìn)步,助推-滑翔式的高超聲速武器進(jìn)入裝備階段,馬赫7以下超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)取得了突破.在此基礎(chǔ)上,發(fā)展適用于馬赫數(shù)10及其以上的、基于吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)的新型高超聲速飛行器成為下一步高超聲速技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì).

上述關(guān)于斜爆震的研究,主要還是從爆震物理的研究理念出發(fā),側(cè)重于斜爆震條件下的激波和燃燒導(dǎo)致的復(fù)雜現(xiàn)象,以期掌握超聲速來(lái)流中強(qiáng)間斷和放熱耦合的機(jī)制和規(guī)律.然而,對(duì)于斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研制來(lái)說(shuō),上述研究還存在明顯不足.首先,上述研究大部分都是基于簡(jiǎn)單總包反應(yīng)模型,多數(shù)是單步放熱模型,在推動(dòng)機(jī)理研究的同時(shí),導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)模型過(guò)度簡(jiǎn)化,難以對(duì)實(shí)際流動(dòng)進(jìn)行仿真的問(wèn)題.其次,上述研究基本不考慮來(lái)流的復(fù)雜性,比如非均勻混合和非定常來(lái)流,而這些因素在發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)流中是不可避免的.最后,上述研究關(guān)注的是二維半無(wú)限長(zhǎng)楔面,即二維平面流動(dòng),不考慮有限長(zhǎng)度楔面以及發(fā)動(dòng)機(jī)幾何限制造成的影響是一種簡(jiǎn)化的理想情況.針對(duì)上述三個(gè)問(wèn)題,學(xué)術(shù)界近幾年開(kāi)展了許多研究,下面對(duì)相關(guān)方向的重要進(jìn)展分別進(jìn)行介紹.圖4 斜爆震波結(jié)構(gòu)示意圖.(a)突變起爆;(b)漸變起爆[14]圖片已獲得授權(quán)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Molecular dynamics simulation of cylindrical Richtmyer-Meshkov instability[J]. Zhenhong Wu,Shenghong Huang,Juchun Ding,Weirong Wang,Xisheng Luo.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(11)
[2]Interaction of strong converging shock wave with SF6gas bubble[J]. Yu Liang,ZhiGang Zhai,XiSheng Luo.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(06)
[3]捕捉激波的群速度控制方法[J]. 李新亮,傅德薰,馬延文.  空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào). 2014(05)
[4]無(wú)波動(dòng)、無(wú)自由參數(shù)的耗散差分格式[J]. 張涵信.  空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào). 1988(02)



本文編號(hào)：3038475