脈沖爆震發動機 (Pulse 爆轟 Engine，PDE) 是一種利用脈沖式爆震波產生推力的新概念發動機。一般由進氣道、爆震室、尾噴管組成。具有熱循環效率高、 燃料消耗率低、 結構簡單、 尺寸小 、 推重比高 、 比沖大 、 適用范圍廣等優點。
早在1940年德國Hoffmann等人就對脈沖爆震發動機進行過試驗研究。20世紀80年代中期，PDE進入了實質性發展階段。90年代，PDE進入了全面發展時期。在2016年8月，俄羅斯率先成功完成新一代采用生態環保液體燃料的脈沖爆震航天發動機測試。
脈沖爆震發動機近期可作為微型動力系統、 靶機、 誘餌機、 小型空中機器人、 低成本導彈、 精確制導導彈的動力裝置； 中期可作為巡航導彈動力裝置、 高超聲速隱身偵察機， 以及空間作戰平臺的姿軌控發動機； 遠期可以作為戰略飛機、 空天飛機的組合動力裝置及登月飛行器、 星際旅游飛行器或入軌飛行器的動力， 將給空間運輸帶來一次革命。
簡史
早期發展階段
1940年蘇聯科學家亞科夫·澤利多維奇首次提出可以使用爆震燃燒能量的可能性理論，而德國人隨后對間歇爆震的應用進行了早期研究。20世紀50年代，美國的Nicholls等開展了脈沖爆震推進的可行性試驗研究。但由于缺少經費，20世紀60年代末終止了將爆轟燃燒作為替換火箭推進裝置的探索性研究。70年代，原蘇聯Korovin研究過工業型脈沖爆震反應器。頻率為100 Hz，證明該脈沖爆震反應器工作是可靠的。
實質性發展階段
1980年，蘇聯報道了將脈沖爆震裝置用于非推進領域。1981年Korovin等人研究了在脈沖爆震反應器中進行氮氣的氧化反應的效率。起爆頻率為2~16Hz，反應器工作了 2000h。
在20世紀80年代美國海軍研究生院對PDE進行了新的探索， 在進氣方式方面有了新的改進， 使PDE用于飛行器邁出重要的一步。80年代末， 90年代初， 美國NASA AMES研究中心， 美國國際科學應用公司 (SAIC)對脈沖爆震發動機熱力循環， 內外流場進行了數值模擬， 為PDE的設計和試驗提供了有力的工具
全面發展時期
20世紀90年代，PDE進入了全面發展時期。
中國
中國從事PDE研究的單位主要有西北工業大學、南京航空航天大學、中科院力學所、南京理工大學等單位。西北工業大學從1994年起，在國家自然科學基金資助下，開始PDE 的探索性研究，到目前為止，在PDE基礎理論研究和實驗研究兩方面均取得了一定的進展和研究成果。南京航空航天大學自1996年開始致力于脈沖爆震發動機(PDE)方面的研究，經過幾年的努力，課題組在2000年就初步建立一套PDE理論及實驗研究體系。
美國
在1996年和1997年召開的第32屆和第33屆AIAA、 ASME、 SAE、 ASEE聯合推進會議上， 美國航空航天局蘭利研究中心和洛克希德·馬丁公司提出用PDE代替渦輪沖壓噴氣發動機的思路， 美國國際科學應用公司也提出了PDE的發展戰略， 并指出PDE將對21世紀的航天和航空飛行器產生深遠影響。
美國空軍從1998—1999財年共投入156萬美元研究用于下一代偵察/攻擊飛行器 (有人和無人) 及吸氣式推進器的PDE技術。 主要研究在渦輪風扇發動機的外函采用脈沖爆轟燃燒， 以去掉發動機的加力燃燒室。 1999年5月， 美國海軍研究辦公室 ( Office of Naval Research， ONR) 啟動了為期五年的有關PDE的核心研究計劃和大學多學科研究創新計劃 (MURI)， 投入1269萬美元， 研究使用一般液體燃料的、 能從亞音速到馬赫5的低成本、 結構簡單的戰術導彈用PDE推進系統， 參與該計劃的有六所大學， 每年約獲得260萬美元的研究經費。
進入21世紀， 美國更是動用政府機構、 軍方、 私營公司和大學等20多家單位參與了PDE的研究。 通用電氣已經于2002年6月運行了一臺PDE ， 并產生了推力， 2003年確定PDE驗證機的結構， 2003—2004年進行了設計工作和早期的部件實驗， 2005—2006年運行了全尺寸的驗證機。2004年， 美國空軍研究實驗室使用一種超臨界燃料噴射系統實現了JP-8燃料在空氣中的爆轟， 該噴射系統不但結構簡單， 而且燃燒不會積碳， 并于同年秋， 成功完成了世界上第一架以PDE為動力的有人駕駛飛機的地面聲學和振動試驗。 同年， 美國還將PDE裝在F-15B研究型飛機上做冷流試驗， 試驗進氣道、 吸氣閥和噴管等重要部件。 美國空軍于2008年1月31日首次以PDE為動力， 在改進型的Long-EZ飛機上進行了成功的飛行演示試驗。 2009年初， 由惠普和波音公司聯手推出的PDE樣機ITR-2在海軍航空武器中心進行了實用性驗證。
俄羅斯
俄羅斯在PDE基礎研究領域進行了大量研究，1998年9月，在俄羅斯舉辦了爆轟實驗與計算國際討論會，就起爆、爆震波結構和傳播、爆震現象應用以及先進燃料的爆震性等問題進行了討論，會上俄專家發表了大量文章。2016年8月，俄羅斯率先成功完成新一代采用生態環保液體燃料的脈沖爆震航天發動機測試。俄羅斯留里卡試驗設計局于2017年研制出兩級燃燒脈沖爆震發動機并已完成試驗， 發動機功率比傳統的噴氣發動機提高了1.5倍。
法國
2000年，法國開始了用于低成本的導彈、空中機器人或無人戰斗機的液體燃料PDE的研究。計劃用幾年時間開始全尺寸的PDE實驗，預計研制這種PDE的費用不超過800萬~1000萬歐元。
加拿大
加拿大的研究集中在采用JP-10液體燃料的多循環吸氣式PDE的理論和試驗評估上， 發展低成本導彈、 無人偵察機用PDE。
日本
2000年，日本開展了以氫和碳氫燃料在內的多種燃料的PDE的數值模擬和實驗研究。日本筑波大學于2007年研制的一臺脈沖爆震火箭發動機已在導軌上成功試車。
工作原理
脈沖爆轟發動機通常由進氣裝置、爆震室、尾噴管、推力器、爆震起爆及頻率控制系統、燃料供給和噴射系統及控制系統組成。從爆震室前段 (封閉端) 噴入燃料， 與從進氣裝置進入的空混合形成可爆混氣， 通過靠近爆震室后端的各單個“爆震管”激發產生爆震波。
工作過程
為PDE 循環的工作過程示意，主要分為 4 個階段：
1、進氣過程：PDE 進氣閥門開啟，可燃混氣填充進入爆震管，此階段通常也會與掃氣過程同時進行；
2、爆轟波的形成與傳播：進氣過程結束后通常在 PDE 的封閉端進行點火，典型的 PDE 采用緩燃向爆震轉捩的方式完成爆震波的觸發(下圖第 3、4 階段所示)，爆震波傳播階段爆震室中充滿高溫高壓燃氣；
3、膨脹與排氣過程：當爆震波到達 PDE的出口，由于燃燒產物壓力與環境大氣壓力的不同會產生一系列的稀疏波向爆震管封閉端傳播，同時高溫高壓燃氣從開口端排出（下圖第 5、6 階段），膨脹波反射后爆震產物排出、大部分燃氣排出后封閉端反射膨脹波排出爆震室；
4、掃氣過程：膨脹波排出后，爆震室處于低壓狀態，為防止下一循環中新鮮混氣與高溫殘留燃氣接觸發生自燃，可以填充一部分純空氣或者惰性氣體（即隔離氣體）來吹除殘余燃氣，接著重新補充可爆混合物，開始新的循環；但實際 PDE 工作中經常把此過程與進氣過程同時進行，最典型的如采用自適應進氣控制的氣動閥式 PDE。
基本分類
采用脈沖爆轟技術的推進系統有不同結構形式，根據側重點不同，可以分為不同類型：
①按照爆震管的數目可分為單管/多管脈沖爆震發動機。
②按照燃料形式可分為氣相/液相燃料爆震發動機。
③按照氧化劑的來源可分為自吸氣式/火箭式脈沖爆震發動機。
④按照用途大致可以分為“純”脈沖爆震發動機——由爆震管、進氣道、尾噴管組成的最簡單的系統；組合循環脈沖爆震發動機——在相同的流道里安裝不同循環方式的脈沖爆震發動機與渦輪噴氣發動機、沖壓噴氣發動機、超燃沖壓發動機、火箭發動機等動力裝置組合而成，在不同的速度范圍內工作，以優化整個系統性能；混合脈沖爆震發動機——通常是把脈沖爆震發動機與渦噴或渦輪風扇發動機相結合，如在外涵道或加力段使用爆震燃燒室，用爆震燃燒代替定壓爆燃燃燒。
性能特點
脈沖爆震發動機是利用間歇式或脈沖式爆震波產生的高溫、高壓燃氣來產生推力的一種新概念發動機。因此，脈沖爆震發動機的性能特點在很大程度上是由爆震波的特性所決定的。爆轟是一種具有比爆燃能量更高和猛烈的燃燒現象，以超音速傳播的爆震波，與一般噴氣發動機中使用的以亞聲速傳播的爆燃波不同，它能產生高溫 (高于2 000℃) 、高壓 (大于10～100 atm) 、高速燃燒與釋熱 (M>4) 的燃氣。同時，由于爆震波傳播的高速特點，其燃燒過程可看作是等容燃燒過程，因此熱效率高。據此，脈沖爆震發動機具有如下性能特點：
1、 脈沖爆震發動機的推重比高 (大于20)，單位體積的發動機推力大。由于爆轟波能產生高溫、高壓氣體，因此，就不需要像在傳統的渦輪噴氣發動機中的那樣用壓氣機來壓縮空氣以提高壓力，所以脈沖爆震發動機不需要壓氣機，自然也就不需要渦輪，而且供燃料時燃燒室內仍為低壓，故也不用渦輪泵。由于沒有高速旋轉部件，在同樣的推力下，脈沖爆震發動機比火箭與沖壓噴氣發動機還要輕，比渦噴發動機更輕，而且結構簡單，制造成本也低得多。
2、循環熱效率高，燃料消耗率低，而且比沖高。由于脈沖爆震發動機的工作循環為等容循環，因此，循環熱效率高，燃料消耗率低。如在壓比為6時，等容循環的熱效率比等容循環的熱效率高30%～50%。假定在同樣的推進效率下，在發動機中用爆轟反應代替爆燃過程，能降低燃料消耗率30%～50%。脈沖爆震發動機的比沖可大于2 000 s，而脈動噴氣發動機雖然省燃料，但熱效率低，比沖不高。
3、工作范圍寬廣，且推力可調。脈沖爆震發動機可在M0=0～10，H=0～ (30～50) km的飛行范圍內工作，且推力可調。PDE是惟一一種能以雙模式工作的發動機概念，它可以吸氣式和火箭式兩種模式工作。例如在M數0~3和更高的范圍內以有效的吸氣式推進，然后以脈沖爆震火箭模式工作。由于它能在寬廣的速度、高度范圍內工作，所以脈沖爆震發動機是組合式推進系統的理想候選者。
4、熵[shāng]增低。以天然氣為例，爆轟等容燃燒的熵增比爆燃等容燃燒 (脈動燃燒) 低9%，比等壓燃燒低35%。熵增低意味著不可逆過程的做功能力大，使得接近等容的燃燒過程有較高的熱力學效率。
技術難點
盡管脈沖爆震發動機已經歷了幾十載的發展，并研制出了性能優異的試驗驗證機，但距離投入到實際應用，研制出基于PDE的成熟飛行器仍有較大的距離，主要是因為脈沖爆震技術的推進系統要進入實用階段還面臨著諸多技術挑戰。主要關鍵技術如下：
1、爆轟的起爆、 控制和保持
脈沖爆震波的高頻觸發與起爆是PDE工作的關鍵，如何以小的點火能量在液體燃料和空氣混合物的高速流動中產生頻率可調的爆震波是首先要解決的難題。在實際尺寸推力管中，爆震的起爆和保持非常困難，利用爆燃向爆震轉變 (滴滴涕) 過程是近期PDE研究的最佳方案。過去的研究及數據是在濃度均勻、 無溫度梯度的靜止混合物中單次爆震的結果，與多次爆震的情況差異極大。另外，PDE的工作頻率達到100 Hz以上才能投入到實際應用中，而過去的試驗都是在低頻下進行的，其結果很難作為高頻下的設計依據。因此，要發展實用的PDE，必須解決爆轟的起爆、 控制和保持這個技術難題，包括起爆能量、 滴滴涕的方法、 DDT的強化、 爆震從受限環境向非受限環境的過渡等。
2、燃料與氧化劑的選擇、 噴射與摻混。
考慮到燃料的安全儲備條件，必須對PDE燃料進行精心選擇，以滿足其特殊的性能要求，典型的航空燃料 (如JP-10) 及碳氫化合物燃料是目前的主要選擇。而液體燃料和氧化劑的噴射、 摻混和點火也是PDE面臨的關鍵難題之一。具有快速反應時間、 大質量流率和高度可控性的噴射系統對滿足PDE的高頻運行十分重要。噴射系統必須滿足成本、 質量、 體積和功率等多方面的要求。應研究與氣體和液體燃料噴射、 摻混有關的物理、 化學和熱力特性。其關鍵問題包括： 燃料與氧化劑的噴射與混合方式及有效性； 燃料與氧化劑的噴射速度與爆轟起爆頻率的匹配與控制； 爆震燃燒對液滴尺寸、 燃油濃度分布的要求等。
3、PDE輔助系統的設計
由于推力不穩定，實際應用的PDE需要采用多管結構，多個爆震室并聯來產生強大的推力。多個爆震室使用共同的進氣道和噴管，而多管爆震燃燒室間存在動力耦合的問題，且爆震過程對化學計量、粒子液滴尺寸、當地混合度等非常敏感，因此進氣道設計存在巨大的困難，需要研究進氣道與多管爆震室高效一體化的方法。而且實際應用PDE系統還包括增壓燃油儲存和供應系統、 燃油/空氣噴射系統和起爆系統以及推進劑噴射系統。此外，PDE還需要設計快速動作、 具有飛行質量的推進閥、 燃料閥和控制系統部件，以及先進的燃燒控制系統、 有效的進口與噴管、 考慮系統特殊零件綜合設計方案。
4、脈沖爆轟間歇式燃燒方式與供油、 供氣、 排氣之間的匹配
脈沖爆震發動機的工作特點是間歇式的、 周期性的。燃料與空氣間歇式供給，點火系統適時點火，閥門準確地開和關需要有效匹配。匹配好壞直接影響脈沖爆震發動機的可靠工作和性能優劣。
5、計算機仿真及熱力循環分析 (有效循環分析)
發動機內的流動過程非常復雜，在惡劣的高溫、 高壓環境下，燃燒和工作過程不易穩定，而目前還缺乏可靠的模擬計算方法對其進行深入、 精確的理論研究與熱力循環分析。對PDE的研究主要依靠CFD仿真方法，可較為深入地研究起爆能量、 點火位置、 噴管形式、 填充比等參數的影響規律。在對爆震波的物理實質研究取得突破之前，還需進一步研究并改進各種CFD模型[14]。
6、飛行器整體性
PDE是非穩態工作的，在工作期間會產生強烈震動，若要使PDE真正投入實際應用，必須研究在強振動環境下，保證PDE與飛行器及其它設備 (如導航系統或光學偵察設備) 具有良好的兼容性。要根據預計的傳感器分辨力、 設備穩定性以及采樣延遲等因素仔細確定阻尼系統，仔細研究這些關鍵問題以確定全尺寸樣機。
應用領域
在軍用方面，PDE近期可作為空中機器人、靶機、誘餌機、靶彈、精確制導彈藥的動力裝置，以及小運載的上面級發動機；中期可作為高超聲速隱身偵察機、巡航導彈動力裝置，以及空間作戰平臺的變軌發動機和姿態控制發動機；遠期可以作為戰略飛機、空天飛機組合動力裝置。
發展趨勢
PDE作為一種新概念發動機， 具有循環熱效率高、 結構簡單、 質量輕、 推重比高、 適用范圍廣等性能優點， 從已經取得的試驗成果來看， 有良好的發展與應用前景。 其中， 純脈沖爆震發動機主要用于軍用一次性或高性能的飛行裝置； 混合式脈沖爆震發動機可應用于超聲速飛行器； 組合式脈沖爆震發動機可應用于航天和其它高超聲速飛行器。
參考資料 >
俄宣布劃時代發動機測試成功 與中美競爭獲勝.人民網.2023-11-16