一种连续爆轰发动机的预爆轰管装置及其控制方法

本发明属于连续爆轰发动机，具体涉及一种连续爆轰发动机的预爆轰管装置及其控制方法。

背景技术：

1、与传统发动机中的等压燃烧不同，爆轰是近似等容燃烧的方式。由于爆轰燃烧过程中燃气体积几乎不膨胀，化学能几乎全部转变为内能，因此熵增小，热效率高。爆轰是唯一可使总压提升，从而提高做功能力的燃烧方式。爆轰波的传播速度一般在千米每秒的量级。目前，在各类爆轰发动机中，最有望实现工程应用的是连续爆轰发动机。其本身具有一次起爆，燃烧速度快、易控制、自压缩、自维持、结构简单、体积小、效率高、比冲大、推力大幅可调、可多次点火等优势。有望带来航空航天推进领域的技术革新，具有良好的工程应用前景。

2、连续爆轰发动机燃烧室的起爆方式大致分为两种：直接起爆和间接起爆。其中，直接起爆方式是指采用在环形燃烧室内设置火花塞、电爆丝等点火源直接起爆的方式点燃未燃预混气产生球面爆轰波，但这样产生的球面爆轰波受环形燃烧室特殊构型的影响不易自持传播下去，具体来说，直接起爆方式通过火花塞对燃料/氧化剂混合物进行直接点火，但火花塞点火后产生沿环形燃烧室两个相反方向周向传播的两道爆轰波在燃烧室另一侧对撞可能导致爆轰波湮灭，因此需要点火源提供较高的起爆能量才能实现成功起爆，实际点火成功率仅约40%。

3、为解决上述起爆成功率低的问题，间接起爆利用预爆轰管装置内火焰快速经历爆燃转爆轰过程形成的初始爆轰波进入环形燃烧室后点燃未燃混气，形成自持传播的旋转爆轰波。间接起爆的优势在于所需的起爆能量小、可重复性强。但是，传统的间接起爆方式是通过火花塞点燃从环形燃烧室扩散进预爆轰管内的燃料/氧化剂混合物，使燃烧在预爆轰管内经历爆燃转爆轰形成爆轰波，并利用该初始爆轰波起爆旋转爆轰波。因为在传统的间接起爆方式中，预爆轰管内的反应物来自与之相连接的环形燃烧室，当向环形燃烧室内供气时，进气喷注的初速度方向主要指向下游的引导管与真空卸爆罐方向，而预爆轰管一端与燃烧室为切向相连，且预爆轰管内的火花塞点火位置位于预爆轰管远离环形燃烧室的一端，这使得供向环形燃烧室的反应物较难在预爆轰管内的点火位置累积到足够的点火起爆浓度，导致降低了间接起爆的点火成功率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种连续爆轰发动机的预爆轰管装置及其控制方法，通过向预爆轰管内主动地喷注燃料和氧化剂，并且通过火药包点火，提高了点火成功率。

2、本发明中连续爆轰发动机的预爆轰管装置采用以下技术方案：

3、一种连续爆轰发动机的预爆轰管装置，包括预爆轰管，所述预爆轰管的一端与连续爆轰环形燃烧室切向连接，所述预爆轰管另一端设置有点火装置，所述点火装置是火花塞或与控制装置连接的火药包，所述控制装置能够控制所述火药包爆炸；

4、所述预爆轰管上还设置有供料口，所述供料口用于向所述预爆轰管内喷注燃料和气态氧化剂；

5、所述火花塞与所述火药包用于起爆预爆轰管内动态喷注掺混状态下的燃料和气态氧化剂。

6、进一步地，所述供料口包括气态氧化剂供料口和燃料供料口。

7、进一步地，所述气态氧化剂供料口和所述燃料供料口对冲设置；

8、所述燃料供料口为固体燃料粉末喷注孔或液体燃料喷注孔或气体燃料喷注口。

9、进一步地，所述气态氧化剂供料口和所述燃料供料口位于所述火花塞或所述火药包的外周侧。

10、进一步地，所述预爆轰管上还设置有泄压口和压力监测口；

11、所述泄压口用于安装泄压装置；

12、所述压力监测口用于安装压力传感器。

13、进一步地，所述泄压口、所述压力监测口、所述气态氧化剂供料口和所述燃料供料口沿所述预爆轰管的周向均布。

14、进一步地，所述预爆轰管的内壁设置有多个凸起。

15、进一步地，所述凸起为球状或方块状。

16、进一步地，所述预爆轰管呈弯曲状。

17、本发明中连续爆轰发动机的预爆轰管装置控制方法采用以下技术方案：

18、从所述气态氧化剂供料口和所述燃料供料口通入燃料和气态氧化剂，使气态氧化剂和燃料在所述预爆轰管内部进行掺混形成可爆混合物，并通过所述控制装置控制所述火药包爆炸。

19、有益效果：

20、1、预爆轰管的一端与连续爆轰环形燃烧室切向连接，预爆轰管另一端设置有点火装置，点火装置是火花塞或与控制装置连接的火药包，控制装置能够控制火药包爆炸；预爆轰管上还设置有供料口，供料口用于向预爆轰管内通入燃料和气态氧化剂；火花塞与火药包用于起爆预爆轰管内动态喷注掺混状态下的燃料和气态氧化剂。

21、如此，能够通过供料口向预爆轰管主动地通入燃料和气态氧化剂，容易保证燃料和气态氧化剂在预爆轰管内的点火位置累积到足够的点火起爆浓度，提高起爆成功率。而且，在发动机停机后，还能够通过预爆轰管上的供料口向预爆轰管通入氮气（氮气从连续爆轰环形燃烧室的尾部排出）进行管路吹除，进而吹除预爆轰管内残留的燃料、气态氧化剂或高温产物等。而且，可以采用有线或无线的控制装置控制火药包爆炸，进而利用火药包爆炸产生的瞬时高能工质起爆预爆轰管中的氧化剂/燃料混合物，火药包点火能量密度高，相比火花塞点火装置更加有利于提高预爆轰管起爆成功率。

22、2、供料口包括气态氧化剂供料口和燃料供料口。如此，相当于通过非预混供料方式向预爆轰管分开供给燃料和气态氧化剂，非预混供料方式使燃料和气态氧化剂在进入预爆轰管内前是分开的，而只在预爆轰管内掺混形成预混可爆混合物，与预混供料相比，非预混供料能够避免回火对供料管路上游造成破坏，更加安全可靠。而且，非预混供料使燃料和气态氧化剂的流量可以分别单独调节，使当量比可调，提升起爆成功率。

23、3、气态氧化剂供料口和燃料供料口对冲设置，能够使气态氧化剂和燃料在预爆轰管内部进行充分掺混形成可爆混合物，提升掺混效果，进而提升起爆成功率。燃料供料口可以为固体燃料粉末喷注孔或液体燃料喷注孔或气体燃料喷注口，当燃料供料口为固体燃料粉末（如铝粉）喷注孔时，固体燃料粉末可以被高压气体吹入预爆轰管中，固体燃料粉末与气体氧化剂充分掺混后，起爆点火源，形成气体/固体两相爆轰，当燃料供料口为液体燃料（如航空煤油、汽油）喷注孔时，液体燃料可以被高压液体/气体压入预爆轰管中，同时液体燃料由于高压作用，在被喷出后快速雾化，形成粒径几十微米的微小液滴，燃料液滴与气体氧化剂充分掺混后，起爆点火源，形成气体/液体两相爆轰。当燃料供料口为气体燃料（如甲烷、氢气等）喷注孔时，气体体燃料可以喷注进入预爆轰管中，气体燃料与气体氧化剂充分掺混后，起爆点火源。固体粉末燃料能量密度高、稳定性好，而且固体粉末和液态燃料便于储存和运输，既能使用气体燃料、液体燃料和固体燃料，拓宽了连续爆轰发动机预爆轰管燃料使用范围。

24、4、气态氧化剂供料口和燃料供料口位于火花塞或火药包的外周侧，如此，相当于使火花塞或火药包在对冲的气态氧化剂和燃料的中间位置，容易在火药包爆炸处形成满足点火起爆浓度的可爆混合物，进而提升起爆成功率。

25、5、预爆轰管上还设置有泄压口，用于安装泄压装置。如此，当预爆轰管存在因烧蚀或被污染导致管道堵塞等需要排气泄压的特殊情况时，能够通过泄压口进行泄压，更加安全可靠。

26、6、预爆轰管上还设置有压力监测口，用于安装压力传感器。如此，能够通过压力传感器实时监测预爆轰管内的压力，更加安全可靠，而且也更加便于研究压力对起爆成功率的影响。

27、7、泄压口、压力监测口、气态氧化剂供料口和燃料供料口沿预爆轰管的周向均布，如此，相当于在起爆中心附近进行压力监测，更能够反应预爆轰管内的最大压力，而且，在起爆中心附近泄压，能够提升泄压效果，进一步提高安全可靠性。