脉冲爆轰发动机的优点引起了国内外学者广泛的关注,有关PDE的研究也已经进行了几十年。PDE的研究起始于 年德国科学家Hoffmann[2]发表的一篇有关间歇式爆轰发动机的报道,该研究指出点火的位置应与爆轰管的长度相匹配,否则难以产生连续的爆轰循环。42460
1962年Krzycki[3]在美国对采用丙烷/空气的PDE进行了实验研究,获得了许多实验数据,绘制了爆轰管推力壁的压力变化曲线,得出了脉冲爆轰发动机并不适用于推进系统的结论。由于他的研究结果使得有关于PDE的实验研究被搁置了接近20年。
1986年美国海军研究院的Helman[4]等人对PDE展开了新的研究,他们采用乙烯/空气燃料,研发了一台吸气式PDE,该PDE采用两级起爆方式,提高了PDE的工作频率,使得最高工作频率可达道150 Hz,最高比冲可达到 ,这一研究成果再次激发国内外学者的研究兴趣。
进入90年代,PDE的研究重新成为热点,美国的各大研究机构都大力开展了PDE的研发计划。美国海军研究办公室(ONR)[5]于 年启动了有关PDE的多学科最优化研究创新方案(MURI)。 年Cambier和Tegner[6]等人研究了点火区对准一维数值模拟的影响,结果发现PDE一维数值模拟的难点在于如何选择出口边界条件。由于PDE出口附近的内外流场是紧密联系的,一维的数值模拟难以解决它们的相互影响问题,因此,尽管一维的数值模拟效率很高,但是却无法保证仿真的精确度,无法为PDE的结构设计和性能预测提供准确的结果。
21世纪以来,PDE进入大发展时期。美国Ebrahimi[7]等人数值模拟了2个爆轰管的PDE,结果发现,由其中一个爆轰管诱导的激波可能会引爆相邻爆轰管中的反应物,使得两管中的压力变得几乎相同。美国宾夕法尼亚大学的Ma,F.H[8-10]等人对单管和多管的PDE进行了数值模拟,研究了PDE爆轰管的动力学特性、推力性能以及吸气式脉冲爆轰发动机的系统性能。他们采用CE/SE方法中的CFD方法对PDE进行了模拟仿真,发现了爆轰管流场变化的趋势,分析了PDE的流场特性,如图1.2所示。
2008年,美国空军实验室等单位试飞了以PDE为动力的飞行器,如图1.3所示[11],该飞行器名为Rattan Long EZ,采用液态辛烷为燃料,工作频率可达80 Hz。同年,美国宾州州立大学的Ma,Fuhua[12]等人数值研究了以乙烯为燃料的无阀吸气式PDE内流场的动力学特性,计算得到的压力变化曲线和推进性能与实验数据符合的很好。
2010年,俄罗斯的Levin,VA[13]等人数值研究了爆轰波在一个轴对称通道中传播所引起的流场特性,得到了该爆轰波的最大平均冲量壁和平均比冲,它为PDE的实验研究的最大可能推力特性提供一个估计值,可以与实验研究的数据相互验证。
图1.2 PDE数值模拟流场变化图
图1.3 以PDE为动力的Rattan Long EZ飞行器
2011年美国塔斯基吉大学的Gong, ShaoWei[14]提出了一种低频脉冲爆轰发动机,该发动机将传统的PDE与固体燃料火箭结合,可以使用高能固体燃料密闭高压爆炸产生高效脉冲爆轰波,具有体积小、推力大、重量轻等优点。同年,俄罗斯的Ivanov,V S[15]等人对一个采用丙烷燃料的吸气式PDE管内非定常流场进行了数值模拟,该PDE工作在绕流马赫数为3.0,高度为16 km的高空,结果表明,该PDE可以以48 Hz的频率正常爆轰,而且其比冲约1700s,比典型的冲压发动机比冲高的多(1200-1500s),但是却远低于在海平面上零飞行速度条件下的比冲(大约2500s).
2008 年至 2012年日本 Tsuboi、Kimura 等人[16-18]数值研究了包括尖嘴式气动喷管在内的各类喷管对以氢气/氧气为燃料的 PDE 的流场和推进性能的影响,指出带收敛段的喷管可以提供更大的燃烧室压力和更长的排气时间,而带扩张段的喷管可以从废气膨胀中提炼更大动量冲量。