一种高频脉冲爆震发动机的爆震管及其控制方法

摘要

本发明提出了一种高频脉冲爆震发动机的爆震管及其控制方法，其特征在于：在爆震管燃料进口处连接有两个燃料进口电磁阀，在爆震管氧化剂进口处连接有两个氧化剂进口电磁阀，在爆震管隔离气进口处连接有两个隔离气进口电磁阀，爆震管上还装有两路点火器。在一个控制周期内，前半个周期由一套电磁阀工作，一路点火器点火；后半个周期则由另一套电磁阀工作，另一路点火器点火。本发明可以有效提高脉冲爆震发动机的工作频率，大大降低对电磁阀响应频率的要求，可以采用响应频率为发动机工作频率一半的电磁阀，降低了电磁阀的负荷，有利于电磁阀寿命的延长。

说明书

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体为一种高频脉冲爆震发动机的爆震管及其控制方法。 

背景技术

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)是一种利用脉冲爆震波产生周期性冲量的非定常推进系统。与传统发动机不同的是，脉冲爆震发动机是基于爆震燃烧基础上的间歇性工作的动力装置。因此如何在爆震管内迅速可靠地产生爆震波是脉冲爆震发动机设计的核心问题，同时也是决定脉冲爆震发动机性能好坏的关键因素。 

研究表明，脉冲爆震发动机的工作频率对脉冲爆震发动机的性能参数有重要影响。理想情况下，脉冲爆震发动机的推力随着工作频率的增大而线性增加。因此，增大脉冲爆震发动机的工作频率对脉冲爆震发动机的实际应用有重要意义。当脉冲爆震发动机的工作频率达100Hz时，发动机产生的推力可视为连续。 

为了提高脉冲爆震发动机的工作频率，目前实验室中广泛使用的是电磁阀。电磁阀的开启和闭合需要一定的响应时间，这就决定了电磁阀的工作频率有一个上限，普通的脉冲爆震发动机的工作频率无法超越甚至是达到该频率上限。因此，脉冲爆震发动机的工作频率都存在频率过低的缺点。在脉冲爆震发动机研制初期，国内外多以高频电磁阀作为脉冲爆震发动机推进剂供应的控制元件，响应频率可达60Hz或者更高。但目前国内外高频电磁阀的研究水平决定了高频电磁阀只能做到通径Φ2mm以下，无法满足大流量下脉冲爆震发动机的工作需要。而能满足脉冲爆震发动机工作流量要求的电磁阀所能达到的频率普遍不高，这已成为限制脉冲爆震发动机研究的瓶颈因素，严重制约了脉冲爆震发动机的后续发展。 

发明内容

要解决的技术问题 

为了提高脉冲爆震发动机的工作频率，本发明提出了一种高频脉冲爆震发动机的 爆震管及其控制方法，可以在不改进电磁阀的前提下，有效提高脉冲爆震发动机工作频率。 

技术方案 

本发明采用的技术方案为： 

所述一种高频脉冲爆震发动机的爆震管，其特征在于：在爆震管燃料进口处连接有两个燃料进口电磁阀，在爆震管氧化剂进口处连接有两个氧化剂进口电磁阀，在爆震管隔离气进口处连接有两个隔离气进口电磁阀，爆震管上还装有两路点火器。 

所述一种高频脉冲爆震发动机爆震管的优选方案：其特征在于：两路点火器相对安装在爆震管水平两侧，且距离爆震管封闭端距离均为爆震管内径的1～3倍。 

所述一种高频脉冲爆震发动机爆震管的优选方案：其特征在于：爆震管氧化剂进口和隔离气进口相对安装，且均处于点火器与爆震管封闭端中间，距离爆震管封闭端距离为爆震管内径的0.5～1倍，周向进气；燃料进口位于爆震管封闭端中心，轴向进气。 

所述一种高频脉冲爆震发动机爆震管的控制方法，其特征在于：在一个控制周期的前半个周期内，第一燃料进口电磁阀、第一氧化剂进口电磁阀、第一点火器和第一隔离气进口电磁阀工作，且第一燃料进口电磁阀和第一氧化剂进口电磁阀的占空比为0.1～0.3，相位为0°，第一点火器的占空比为0.01～0.04，相位为360°乘以第一燃料进口电磁阀的占空比，第一隔离气进口电磁阀的占空比为0.1～0.3，相位为180°减去第一隔离气进口电磁阀的占空比乘以360°；且第一燃料进口电磁阀、第一点火器和第一隔离气进口电磁阀的占空比之和小于0.5；在一个控制周期的后半个周期内，第二燃料进口电磁阀、第二氧化剂进口电磁阀、第二点火器和第二隔离气进口电磁阀工作，且第二燃料进口电磁阀和第二氧化剂进口电磁阀的占空比与第一燃料进口电磁阀的占空比相同，相位为180°，第二点火器的占空比与第一点火器的占空比相同，相位为第一点火器相位加上180°，第二隔离气进口电磁阀的占空比与第一隔离气进口电磁阀的占空比相同，相位为第一隔离气进口电磁阀的相位加上180°。 

有益效果 

采用本发明提出的一种高频脉冲爆震发动机的爆震管及其控制方法，在同一根爆震管的燃料进口、氧化剂进口、隔离气进口上分别采用双路电磁阀控制，并且采用了两路点火器，通过将控制周期分为前后各半个周期，在每半周期内各由一组电磁阀和一路点火器工作，可以有效提高脉冲爆震发动机的工作频率，大大降低对电磁阀响应频率的要求，可以采用响应频率为发动机工作频率一半的电磁阀，降低了电磁阀的负荷，有利于电磁阀寿命的延长。 

附图说明

图1：本发明的结构示意图； 

图2：双套电磁阀和双路点火器工作时序图； 

图3：电磁阀控制频率为6Hz时的压力波形图； 

图4：电磁阀控制频率为8Hz时的压力波形图； 

图5：电磁阀控制频率为10Hz时的压力波形图； 

图6：不同控制频率下三个压力测点处的压力图； 

图7：不同控制频率下p1-p2和p2-p3间的平均波速图； 

其中：1、第一燃料进口电磁阀；2、第二燃料进口电磁阀；3、第一隔离气进口电磁阀；4、第二隔离气进口电磁阀；5、第一点火器；6、第二点火器；7、第一氧化剂进口电磁阀；8、第二氧化剂进口电磁阀；9、爆震管。 

具体实施方式

下面结合实施例具体说明本发明： 

实施例1： 

参照附图1，所述的一种高频脉冲爆震发动机的爆震管9，在爆震管9的燃料进口处连接有第一燃料进口电磁阀1和第二燃料进口电磁阀2，在隔离气进口处连接有第一隔离气进口电磁阀3和第二隔离气进口电磁阀4，在氧化剂进口处连接有第一氧化剂进口电磁阀7和第二氧化剂进口电磁阀8，而且在爆震管9上还有第一点火器5和第二点火器6水平相对安装在爆震管上。爆震管9的氧化剂进口和隔离气进口相对安装，且均处于点火器与爆震管封闭端中间，距离爆震管封闭端距离为爆震管内径的0.5倍，周向进气；燃料进口位于爆震管封闭端中心，轴向进气。 

本实施例中，采用的燃料为航空煤油，氧化剂为压缩氧气，隔离气为压缩氮气， 点火器为汽车火花塞。其中爆震管内径30mm，长0.76m，发动机推进剂供应系统为爆震管提供两路煤油、氧气和隔离氮气，爆震管上布有2个火花塞安装座，火花塞距离爆震管9封闭端距离为75mm，即爆震管内径的2.5倍。采用普通汽车火花塞进行点火，点火能量为50mJ。爆震管上的三个压力测点为p1、p2、p3，分别距点火位置450mm、530mm和610mm。 

本实施例中，压缩氧气和煤油的供给压力分别为1.5MPa和0.5MPa。液态煤油/氧气混合物的当量比约为1.0。环境压力和环境温度分别为1.01325×105Pa和288.15K。在该实验条件下，由爆震通用计算软件CEA程序(Chemical Equilibrium and Applications)计算出的煤油/氧气气相爆震压力P₀和速度V₀分别为4.36MPa和2357.5m/s。 

将本实施例在脉冲爆震发动机上进行试验，控制系统输出八路方波信号控制两套电磁阀和两路点火器，如附图2所示。在一个控制周期的前半个周期内，第一燃料进口电磁阀1、第一氧化剂进口电磁阀7、第一点火器5和第一隔离气进口电磁阀3工作，且第一燃料进口电磁阀1和第一氧化剂进口电磁阀7的占空比为0.15，相位为0°，第一点火器5的占空比为0.01，相位为54°，第一隔离气进口电磁阀3的占空比为0.2，相位为108°。在后半个周期内，第二燃料进口电磁阀2、第二氧化剂进口电磁阀8、第二点火器6和第二隔离气进口电磁阀4工作，且第二燃料进口电磁阀2和第二氧化剂进口电磁阀8的占空比为0.15，相位为180°，第二点火器6的占空比为0.01，相位为234°，第二隔离气进口电磁阀4的占空比为0.2，相位为288°。 

本实施例中采用了3组控制频率，分别为6Hz、8Hz、10Hz，在p1、p2、p3三个压力测点采集到的压力随时间的变化曲线为分别如图3、图4、图5所示，截取的时间长度为1s，从图中压力随时间的脉动曲线可以看出，压力脉动频率为发动机控制频率的两倍。当控制频率为6Hz、8Hz、10Hz时，发动机的工作频率依次为12Hz、16Hz、20Hz。 

根据实验压力数据，统计出不同控制频率下三个压力测点处的压力平均峰值，如图6所示。根据每个周期测点间的压力波传播速度，统计得出不同控制频率下p1-p2和p2-p3间的平均波速，如图7所示。当控制频率为6Hz、8Hz和10Hz时，p3处压 力峰值平均值分别为前述理论计算值的97％、79.7％和70.2％，p2-p3间平均波速分别为理论计算值的74.6％、71.0％和71.8％。根据试验得到的压力峰值以及平均波速的大小，可以判断在这三种控制频率下，点火后在爆震管内均得到了充分发展的爆震波，充分发展的爆震发生在p2～p3之间，爆震频率为控制频率的2倍。而且只要电磁阀能够满足控制频率的要求，本方法都可以得到爆震频率为控制频率的2倍的爆震。 

上述实验结果表明，该新型爆震管及其控制方法是完全可行的，单个电磁阀工作频率仅为爆震频率的一半，大大降低脉冲爆震发动机工作频率对电磁阀响应频率的依赖。 

实施例2： 

爆震管9的结构与实施例1区别在于：氧化剂进口和隔离气进口距离爆震管封闭端距离为爆震管内径的1倍；火花塞距离爆震管9封闭端距离为90mm，即爆震管内径的3倍。 

将本实施例在脉冲爆震发动机上进行试验，控制系统输出八路方波信号控制两套电磁阀和两路点火器。在一个控制周期的前半个周期内，第一燃料进口电磁阀1、第一氧化剂进口电磁阀7、第一点火器5和第一隔离气进口电磁阀3工作，且第一燃料进口电磁阀1和第一氧化剂进口电磁阀7的占空比为0.3，相位为0°，第一点火器5占空比为0.04，相位为108°，第一隔离气进口电磁阀3占空比为0.1，相位为144°。在后半个周期内，第二燃料进口电磁阀2、第二氧化剂进口电磁阀8、第二点火器6和第二隔离气进口电磁阀4工作，且第二燃料进口电磁阀2和第二氧化剂进口电磁阀8的占空比为0.3，相位为180°，第二点火器6的占空比为0.04，相位为288°，第二隔离气进口电磁阀4的占空比为0.1，相位为324°。 

本实施例中同样采用了3组控制频率，分别为6Hz、8Hz、10Hz，在p1、p2、p3三个压力测点采集到了压力随时间的变化曲线，结果显示压力脉动频率为发动机控制频率的两倍。 

实施例2表明，该新型爆震管及其控制方法是完全可行的，单个电磁阀工作频率仅为爆震频率的一半，大大降低脉冲爆震发动机工作频率对电磁阀响应频率的依赖。