吸气式斜爆轰发动机燃料掺混与燃烧组织技术研究进展

摘 要：      吸气式斜爆轰发动机采用驻定斜爆轰波组织燃烧， 实现高马赫数来流中稳定燃烧与高效快速能量转化， 具有作为高超声速吸气式动力的应用潜力与价值。 本文梳理了近年来斜爆轰发动机燃料掺混与燃烧组织技术的研究进展， 包括燃烧室流动控制、 燃料敏化、 燃料喷注技术等方面， 并对斜爆轰发动机地面试验技术进行了补充介绍。 最后， 基于当前斜爆轰发动机燃料掺混与燃烧组织技术及其地面试验技术的研究现状， 对未来技术发展方向进行了展望。

关键词：     斜爆轰发动机； 爆轰燃烧； 超声速燃烧室； 高超声速推进； 燃料掺混； 燃烧组织

中图分类号：       TJ760； V231

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2025）01-0040-11

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2024.0214

0 引  言

随着现实需求牵引与技术发展， 有动力的高超声速飞行逐渐走向实际应用， 采用吸气式动力系统的高超声速飞行器以大气中氧气作为主要氧化剂， 降低飞行器所需携带的推进剂质量， 从而提高推进系统性能。 飞行马赫数接近10状态下， 燃烧组织方式接近等压燃烧的推进系统性能下降， 受火焰传播速度与高来流总温影响， 燃烧室需要增加长度并增添稳焰结构以促进燃料充分掺混、 维持火焰驻定。 结构改变导致发动机内阻增加、 推力性能损失， 对高总温来流的压缩导致进气道出口静温增加、 发动机热管理困难与燃烧效率降低。 因此， 降低发动机内流流动损失， 降低燃烧室进气道静温以提高燃烧效率是在飞行马赫数10以上实现发动机净推力的关键。

爆轰燃烧是一种增压燃烧技术， 采用化学反应与激波耦合的物理现象——爆轰波作为燃烧组织方式。 爆轰燃烧相较于采用等压燃烧的发动机燃烧组织方式， 其放热过程接近等容燃烧， 并具有能量转换迅速、 高推力密度、 高热效率等优势。 根据爆轰波在燃烧室中的传播过程， 爆轰发动机可分为脉冲爆轰发动机^［1］（Pulse Detonation Engine，  PDE）、 旋转爆轰发动机^［2］（Rotating Detonation Engine，  RDE）、 斜爆轰发动机^［3］（Oblique Detonation Engine，  ODE）。 斜爆轰发动机主要优点包括燃烧室入口速度高且一定范围内适应性好， 来流在进气道中压缩程度降低从而减少进气总压损失以及降低进气道结构强度、 热防护指标； 燃烧室入口静温低， 提供更大升温空间以充分燃烧放热， 提高燃烧效率； 燃烧室结构简单， 斜爆轰发动机在燃烧室设置楔面诱导斜爆轰波， 燃烧放热发生在斜爆轰波后较短区域内， 因此燃烧室尺寸短且无需外部点火装置， 降低了燃烧室结构质量与摩阻损失。 由此可见， 斜爆轰发动机在来流适应性、 燃烧效率、 发动机结构等方面存在优势， 其应用具有进一步提升高超声速飞行器潜在速度极限的潜力。 因此， 研究吸气式斜爆轰发动机对于拓展高超声速飞行器速度上限、 实现低成本高超声速飞行具有重要意义。

斜爆轰发动机理论性能优势明显， 但斜爆轰波稳定性对来流状态要求苛刻， 需要应用燃烧组织技术调控燃烧室来流状态、 波系结构以维持稳定燃烧。 斜爆轰发动机内流速度高， 实现高效掺混是实现高效燃烧的保障。 在斜爆轰发动机工作的高马赫数来流状态下， 适用于斜爆轰波的燃料掺混技术与燃烧组织技术被认为是斜爆轰波发动机关键技术之一。 在有限掺混距离中， 实现高效低阻掺混是高马赫数吸气式发动机的关键共性技术。 斜爆轰现象流动与燃烧过程强耦合， 流场结构、 波面结构复杂， 其起爆与驻定机理尚未完全揭示， 斜爆轰燃烧组织技术尚处于基础研究阶段。 本文通过对当前斜爆轰燃烧组织技术研究现状开展总结分析， 展望该领域未来发展方向。

1 斜爆轰发动机结构

斜爆轰发动机满足高马赫数飞行条件下的动力需求， 其结构设计也与其适用速域相匹配。 图1为典型斜爆轰发动机示意图^［4］， 由进气道、 燃料喷注装置、 燃烧室、 喷管等部分组成。 飞行过程中， 空气由飞行器前体压缩进入进气道再次压缩， 燃料喷注装置在空气压缩过程中喷注、 掺混燃料， 经过掺混的燃料-空气进入燃烧室起爆斜爆轰波产生高温高压爆轰产物， 爆轰产物经过喷管膨胀加速产生推力。 该过程中燃烧组织技术面临两方面技术挑战， 即燃料喷注掺混与燃烧室燃烧组织。 斜爆轰发动机燃料需要在较高来流速度与静温喷注、 掺混， 降低燃料喷注造成的流动损失、 增强掺混效果、 避免提前燃烧是燃料喷注系统设计的重点。 楔面是斜爆轰发动机燃烧室典型构型， 混合后的高速可燃气体被楔面压缩偏转， 斜激波后静温升高诱导化学反应发生， 燃烧波与斜激波耦合形成驻定于楔面的斜爆轰波。 增强燃烧室起爆能力、 降低流动损失是燃烧室燃烧组织技术的发展方向。 Zhang等^［5］指出在燃烧室受限空间中， 斜爆轰波易在壁面作用下形成过驱动爆轰波， 其更强的激波强度带来较高的熵增。 除楔面燃烧室外， 研究人员也提出了应用不同起爆方式的等截面燃烧室^［6］、 汇聚斜激波燃烧室^［7］等概念， 但楔面燃烧室仍是斜爆轰燃烧室研究最常见构型。

斜爆轰发动机性能受到其关键部件构型、 参数影响， 高性能部件开发是斜爆轰发动机研发的关键。 马凯夫等^［8］基于准一维理论分析明确了斜爆轰发动机性能提升的两个主要设计方向， 燃烧室斜激波后温度应当高于1 400 K以维持斜爆轰波起爆驻定； 最佳燃料当量比约为0.5， 大于该值时增加当量比不再获得性能增益。 杨鹏飞等^［9］对斜爆轰发动机的理论分析则指出来流马赫数与喷管面积比是影响发动机比冲的关键因素。

喷管是斜爆轰发动机主要推力部件， 楔面燃烧室或等截面燃烧室中产生的燃烧产物在喷管中膨胀产生推力， 由于高超声速飞行器发动机净推力较低， 因此优化喷管设计是提高发动机性能的重要途径。 韩信等^［10］建立了一种斜爆轰发动机喷管一维理论分析方法， 研究面积比与入口马赫数对喷管推力性能影响。 结果表明喷管推力随入口马赫数增加而增加； 喷管的面积比A1/A2＞15后， 喷管推力增加变得有限。 将该方法分析结果与二维数值模拟结果进行对比， 表明斜爆轰发动机内部波系在喷管入口产生的复杂流动结构对喷管推力性能影响较小， 作为对比的单边膨胀喷管理论性能与数值模拟积分结果最大相差3.28%。

进气道与燃烧室的匹配是实现斜爆轰发动机性能优势的关键。 Ling等^［11］对飞行马赫数10斜爆轰发动机的模拟研究指出， 进气道出口马赫数对燃烧室性能影响为U型， 压缩不足会导致燃烧损失， 而过度压缩会增加进气道阻力。 陈嘉豪等^［12］对斜爆轰发动机一体化数值模拟指出， 通过适当增加进气道压缩程度， 提高燃烧室入口来流静温静压， 可增大斜爆轰波驻定窗口。 边靖等^［13］的数值模拟也表明通过改变进气道压缩方式， 提高燃烧室入口静温， 可增强低马赫数下楔面起爆能力。 Liu等^［14］对H2/煤油燃料的斜爆轰发动机性能理论分析指出， 降低燃烧室入口静温可通过降低进气道压缩比、 提高燃烧室增压比两方面提高发动机推力。 需要根据实际飞行状态， 平衡进气道出口状态对燃烧室起爆能力、 燃烧效率的影响， 因此采用可调进气道相较于固定进气道可有效提高斜爆轰发动机在不同速域工作性能。

2 燃烧室燃烧组织技术

较为理想的斜爆轰研究通常采用无限长楔的假设， 在来流速度较低时， 其诱导的斜爆轰波具有较长的化学反应诱导区， 有限空间燃烧室无法满足该状态斜爆轰波起爆所需楔面长度。 Yao等^［15］对比不同长度有限楔起爆斜爆轰波过程， 较短楔面会导致爆轰波焠灭， 而较长楔面诱导的斜爆轰波结构与无限长楔面相近， 在一定范围内诱导区长度受顶部膨胀波影响随着有限楔增长而增长。 因此， 需要采用燃烧组织技术增强燃烧室起爆能力， 扩大燃烧室斜爆轰波驻定窗口。 多数斜爆轰燃烧室研究采用有限楔面或改进构型， 多数燃烧室燃烧组织技术也基于该构型提出与验证， 下面对其研究进展进行介绍。

2.1 被动流动控制技术

被动流动控制技术不向流场添加额外的能量， 通过修改楔面结构改变附近波系结构， 从而调控斜爆轰波起爆结构， 实现斜爆轰波加速起爆、 改变位置。 常用的被动流动控制技术包括设置双楔、 连续曲面、 鼓包等。

双楔采用两道较弱激波压缩代替一道强激波起爆斜爆轰波， 降低了流动损失， 靠近上游的楔面角度较小以抑制爆轰波前传， 第二道角度较大的楔面则提高起爆能力。 张宇航等^［16］采用数值模拟方法对比了相同气流偏转角的双楔与单楔斜爆轰波起爆过程， 相较于单楔， 双楔起爆的斜爆轰波诱导区长度增加， 燃烧过程熵增减少。 Qin等^［17］则研究了与双楔流动结构相似的双锥起爆过程并与单锥进行对比， 一定速域内双锥角的总压损失与燃烧室阻力小于单锥角， 设置较大的后锥角即可在受限空间内通过其诱导激波及反射的激波提高诱导区温度， 从而加速斜爆轰波起爆。 同时， 双楔结构可以通过改变结构参数调整起爆能力， 从而实现斜爆轰起爆位置控制。 Teng等^［18］的数值模拟研究指出， 通过调整双楔的第二道楔位置与角度， 可实现斜爆轰波起爆结构的调控。

连续曲面诱导弯曲激波， 激波后曲面处存在连续的压缩波或膨胀波改变诱导区状态， 从而影响斜爆轰波起爆过程。 Xiang等^［19］采用数值模拟方法对比凹曲面、 凸曲面、 单楔三种结构斜爆轰波起爆能力， 其中凸曲面产生的膨胀波在斜爆轰波与诱导区后衰减了产物温度与压力， 导致爆轰波的解耦焠灭， 而凹曲面可以通过连续压缩波加速爆轰波起爆。

鼓包通过诱导弓形激波提高楔面局部温度， 从而加速斜爆轰波起爆。 韩信等^［20］验证H2/O2来流中楔面鼓包起爆能力， 结果表明在全速域内鼓包均可以加速斜爆轰波起爆， 诱导区中鼓包通过再次加热未反应气体提前诱导燃烧波， 从而降低诱导区长度， 其研究还指出鼓包可以抑制爆轰波失稳， 降低爆轰波面振荡幅度。 如图2所示， Xiang等^［21］与Zhang等^［22］对比了鼓包尺寸对加速起爆能力影响， 诱导区内小鼓包可以再次加热未燃烧气体降低诱导区长度， 大鼓包则可以直接在鼓包处诱导燃烧。 其研究进一步指出半球形鼓包、 半椭圆形鼓包、 半流线型鼓包三种不同形状鼓包形成的诱导区结构有所区别， 但相同尺寸下其加速起爆能力相近。