噴氣發(fā)動機家族中的“小蜜蜂”

馬文杰

航空發(fā)動機家族中的渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機已為大家所熟知。在這個大家族中，還有一個名聲不響，但頗有“個性”的脈動式噴氣發(fā)動機，也稱為脈沖噴氣發(fā)動機。筆者之所以給它取個“小蜜蜂”的綽號，原因有兩點：一是它的工作原理是基于脈動燃燒，脈動燃燒過程常伴有“嗡嗡”聲，如同蜜蜂飛行的聲音，當(dāng)然比蜜蜂飛行的聲音要大幾個數(shù)量級，只是相似而已。二是其在航空發(fā)動機家族中的知名度雖不及其他成員，但它結(jié)構(gòu)緊湊、組成簡單因而突出一個相對的“小”字。

談到脈動式噴氣發(fā)動機，就不能不提到它最有名的應(yīng)用實例，那就是二戰(zhàn)期間赫赫有名的德國V-1導(dǎo)彈。它裝有一臺阿爾戈斯As 109-014脈動式噴氣發(fā)動機，單臺發(fā)動機推力約300千克，最高飛行速度約650千米／小時。英國倫敦曾經(jīng)遭受2400多枚V-I導(dǎo)彈的轟炸。V-1導(dǎo)彈是世界上最早投入使用的巡航導(dǎo)彈，它于1944年6月12日首次投入實戰(zhàn)使用，可以說v-1導(dǎo)彈是目前世界上所有巡航導(dǎo)彈的前身。V-1導(dǎo)彈所配備的脈動式噴氣發(fā)動機工作時發(fā)出嗡鳴聲，因而它還有一個綽號——“嗡嗡彈”。

工作原理和機制

通過著名的V-I導(dǎo)彈，我們初步認識了噴氣發(fā)動機家族中一個不起眼的成員——脈動式噴氣發(fā)動機。那么脈動式噴氣發(fā)動機如何得名，它的工作原理和機制究竟怎樣，它又有什么特別之處?

脈動式噴氣發(fā)動機(pulse jet engme)的名稱是來源于它工作所遵循的脈動燃燒過程。脈動燃燒過程實際上是介于緩燃燃燒和爆燃燃燒之間的一種燃燒方式。它的產(chǎn)生是需要創(chuàng)造一定的條件的。給大家舉一個脈動燃燒的經(jīng)典例子來說明，那就是“會唱歌的火焰”。早在1777年，研究者就發(fā)現(xiàn)，將氣體火焰置于圓柱形、豎立的管道中時，火焰會引起管子的自激振蕩，后來的研究顯示，聲振與燃燒存在耦合作用，而且要實現(xiàn)脈動燃燒，必須具備一定的聲學(xué)結(jié)構(gòu)。這里不詳細介紹這幾種燃燒過程的物理化學(xué)機制，只給大家簡單介紹一下它們各自在實際中的應(yīng)用對象。目前渦輪噴氣發(fā)動機、沖壓發(fā)動機及火箭發(fā)動機基于的燃燒過程都屬于緩燃模式，脈沖爆震發(fā)動機(PDE)是基于爆震燃燒模式，脈動式噴氣發(fā)動機是基于脈動燃燒模式。

那么實際中的脈動式噴氣發(fā)動機是通過什么樣的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)脈動燃燒過程的呢?

示意圖中展示了脈動式噴氣發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)和工作過程，它主要由擴壓器、單向進氣閥、燃油噴嘴、點火器、燃燒室及尾噴管所組成。有一點需要特別說明，V-I導(dǎo)彈用脈動發(fā)動機的單向進氣閥是一種由彈簧支撐的簧片式閥門，通常情況下，閥門在彈簧的作用下處于關(guān)閉的狀態(tài)。擴壓器通道是一個變截面通道，它主要對來流空氣進行減速增壓，為參與燃燒過程進行準(zhǔn)備。

當(dāng)發(fā)動機與空氣有相對運動時，在沖壓作用下，擴壓器中的空氣具備了一定的壓力，壓力值超過了燃燒室壓力與彈簧支撐力后，在壓差作用下，空氣進入燃燒室，與此同時，在燃燒室中噴入燃油，隨即啟動點火器點燃油氣混氣。油氣混氣點燃后，燃燒室的壓力迅速升高，燃燒產(chǎn)生的高溫燃氣由尾噴管高速排出，產(chǎn)生推力。高溫燃氣的高速排出使得燃燒室內(nèi)形成一定的負壓，單向閥門前的壓力又超過了燃燒室壓力，閥門開啟，新鮮空氣再次進入燃燒室，同時噴入燃油，燃燒室內(nèi)的負壓又將噴管中的一部分高溫燃氣抽回到燃燒室，利用這部分高溫燃氣點燃新進入的油氣混氣，一個新的工作循環(huán)便開始了。以上就是脈動式噴氣發(fā)動機的典型工作過程。目前總的來看，脈動噴氣發(fā)動機在每秒鐘大約可以完成50至200個這樣的工作循環(huán)。

我們知道，對于一種飛行器動力裝置，它所能高效工作的速度范圍是人們非常關(guān)心的重要參數(shù)之一，那么脈動噴氣發(fā)動機它的速度極限能達到多少呢?由于前面所述的工作過程特點，它只能在低亞聲速的范圍內(nèi)飛行，速度極限大約為640至800千米／小時。可以考慮這樣一種情況，當(dāng)飛行速度更高時，擴壓器后的；中壓壓力會進一步提高，這樣在達到一定的值時，會使得燃燒室整個工作循環(huán)內(nèi)的壓力均低于擴壓器后的值，單向閥門無法關(guān)閉，工作循環(huán)會中斷，這就是其速度范圍受限的原因。

那么脈動式噴氣發(fā)動機具有怎樣的優(yōu)缺點呢?筆者認為其優(yōu)點突出，但缺點也很明顯。優(yōu)勢是由于這種發(fā)動機基于脈動燃燒過程，而氣體的脈動會大大加強燃燒室內(nèi)混氣中的質(zhì)量、動量和能量交換，因此脈動燃燒裝置的燃燒效率很高。而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，重量輕，造價低廉。缺點是脈動燃燒本身就是較大的噪聲來源，需要根據(jù)情況對動力系統(tǒng)進行一定的降噪處理。還有非常重要的一點是，彈簧支撐的單向閥門，在發(fā)動機工作過程中開關(guān)極為頻繁，非常容易疲勞損壞，因此其可靠性受到限制。

此外，關(guān)于脈動式噴氣發(fā)動機有幾個特點，筆者要特別敘述一下，首先，雖然脈動式噴氣發(fā)動機可以實現(xiàn)原地啟動，但由于發(fā)動機靜止時，發(fā)動機擴壓器后并未建立起相對較高的沖壓壓力，大多數(shù)的脈動噴氣發(fā)動機并不具有足夠的靜推力來實現(xiàn)起飛。以V-1導(dǎo)彈為例，其實際運用的起飛方式可以有飛機投射起飛、地面彈射起飛以及火箭助推起飛。第二，根據(jù)上述的工作特點及工作模式，設(shè)計性能優(yōu)良的脈動噴氣發(fā)動機需要抓住兩個關(guān)鍵因素，那就是單向進氣閥門的設(shè)計以及整個發(fā)動機聲學(xué)系統(tǒng)的合理設(shè)計。

發(fā)展的歷程

除了用于著名的V-1導(dǎo)彈以外，脈動式噴氣發(fā)動機還曾經(jīng)被安裝于直升機旋翼端部，作為“動力旋翼”的推動裝置。

早在上世紀(jì)50年代，美國國家航空咨詢委員會(NACA)，也就是NASA的前身，它屬下的蘭利中心曾經(jīng)進行過這樣的研究，將脈動式噴氣發(fā)動機安裝于直升機旋翼末端來直接驅(qū)動旋翼轉(zhuǎn)子，當(dāng)時對這種用于直升機的動力旋翼方案的興趣著眼點，主要是因為機構(gòu)簡單，并在短程運輸時可以獲得較高的有效載荷與總重比。

在此，筆者有一點需要提及，這種將沖壓發(fā)動機置于旋翼末端的想法并不是美國人的首創(chuàng)。早在二戰(zhàn)末期，德國?？宋譅柗蚬揪鸵呀?jīng)提出了Triebflugel垂直起降機的設(shè)計方案。它就在每片旋翼的末端都安裝有一臺沖壓式噴氣發(fā)動機，從而成為一種獨特的“動力機翼”。

在對噴氣旋翼的研究成果的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了具體的實際應(yīng)用機型…美國Marquardt公司的M一14輕型直升機。以研制壓燃沖壓發(fā)動機著稱的美國Marqualzlt公司，1948年曾經(jīng)生產(chǎn)過一種以兩臺脈動式噴氣發(fā)動機為動力的直升機M－14。M－14將兩臺直徑()2米的脈動式噴氣發(fā)動機安裝于旋翼末端，用于驅(qū)動直升機的旋翼，從而為飛機提供升力。這種直升機基本上是一種簡單的鋼架結(jié)構(gòu)，主要作為Mmquardt公司脈動噴氣發(fā)動機的測試平臺來使用。它總重544千克，巡航速度104千米／小時，M－14是美國第一種采用脈動噴氣發(fā)動機驅(qū)動，并已成功試飛的直升機。此外，微小型的脈動噴氣發(fā)動機，被用作一些模型飛機的動力裝置。

本文最后要為大家特別介紹一臺精美的微型脈動噴氣發(fā)動

機，那就是美國亞利桑那州的Mike Early于1996年制作的S17微型脈動噴氣發(fā)動機。這臺發(fā)動機長僅為74厘米，推力范圍是0.25至3千克。它不同于普通航模用的微型脈動噴氣發(fā)動機，SJ7精確地模擬了v1導(dǎo)彈阿爾戈斯脈動噴氣發(fā)動機的工作過程，是一件難得的精品之作。SJ7的進氣道部分由全鋁鑄造而成，燎燒室和尾噴管由不銹鋼板制成，其制作的精細程度令人欽佩。

應(yīng)用前景

由以上示例，大家可能覺得脈動燃燒裝置的應(yīng)用范圍較窄，當(dāng)然，就目前航空領(lǐng)域來看，脈動噴氣發(fā)動機的應(yīng)用范圍遠遠不及渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，這是不可辯駁的事實。但實際上，脈動燃燒裝置在地面民用領(lǐng)域的應(yīng)用還是很廣泛的，比如燃氣渦輪、鍋爐采暖、烘干設(shè)備、吹灰設(shè)備、打井裝置等等。大家可能會問，對于航空發(fā)動機家族中這只不起眼的“小蜜蜂”，它未來的路又將如何呢?

筆者認為，隨著脈動燃燒理論的不斷完善以及工業(yè)技術(shù)的不斷進步，脈動式噴氣發(fā)動機未來之路將繼續(xù)延伸下去。雖然前景樂觀，但繼續(xù)延伸脈動式噴氣發(fā)動機的發(fā)展道路還需要付出相當(dāng)?shù)呐?，首先，需要對脈動燃燒機制有進一步的認識，以更好的控制脈動燃燒過程，揚長避短。第二，在新材料、新工藝及相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)進氣閥和發(fā)動機整體的高可靠性設(shè)計。此外，脈動式噴氣發(fā)動機所基于的脈動燃燒過程本身就是一個很大的噪聲來源，因此，先進的降噪技術(shù)對其發(fā)展也是非常關(guān)鍵的一環(huán)。

對于脈動式噴氣發(fā)動機的發(fā)展應(yīng)用，早在大約二十年前，就有學(xué)者提出一種用于空天飛行器的三模態(tài)熱管式噴氣發(fā)動機的設(shè)想，簡而言之，就是在飛行器不同的飛行階段，在動力裝置的同一燃燒室中，依次實現(xiàn)脈動式、沖壓式及火箭模式的轉(zhuǎn)換。在這種設(shè)想中，很有特色的一方面就是在低空低速階段，采用脈動式噴氣發(fā)動機替代復(fù)雜的渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機。

在此，筆者也有一個不成熟的想法，與大家共同討論，我們知道著名的SR-71“黑鳥”的動力裝置J58是一種由渦輪噴氣發(fā)動機和；中壓發(fā)動機組成的組合式發(fā)動機，或許我們可以將脈動式噴氣發(fā)動機與沖壓發(fā)動機組合使用(但不一定共用一個燃燒室)，將其分別在低速段和高速段使用。由于這兩種發(fā)動機都具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無旋轉(zhuǎn)部件的優(yōu)點，以此為動力的飛行器也許能夠在未來航空器家族中占得一席之地。

責(zé)任編輯：偉翼