PDE可以在零速度下启动,到达高空高速后再启动火箭模式,无缝切换,发动机只需一台就能完成从地面起飞到近地轨道,空天飞机的理想动力。而另一种优势则是它可以搭配目前的发动机改善推重比:
- 涡扇外涵道使用PDE;
- 涡喷的加力燃烧室用PDE;
这种工况将大幅改善目前发动机的推重比,也是PDE的一个重要应用,还有则是和冲压发动机以及超燃冲压发动机或者火箭等形成组合动力,类似于RBCC或者TBCC以及TRRE一类组合动力的应用。
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涡扇发动机外涵道多管爆震
关于PDE的研究全球多国均有涉入,比如NASA将PDE列为革命性发动机加以大力发展,DARPA以及美国空军、海军也都制订了相应计划支持各研究机构和公司开展PDE研究,海军研究局(ONR)与众多大学开展了PDE的多学科研究创新计划(MURI)。
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日本和俄罗斯也同样投入资金予以研究,我国也不落后,西北工业大学、空军工程大学、南京航空航天大学、航天科工31所、中科院力学所、南京理工大学等都有相关研究项目,到目前为止,各国的PDE仍然没有达到实用化的程度。
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旋转爆震发动机RDE
这个结构和PDE其实有些相似,不过这个燃烧室是一个环形,相互之间不隔离,以一定频率环形燃烧,一次点火后会产生一个或多个爆震波在燃烧室头部旋转传播,燃烧产物从另一端高速排出,从而产生推力。
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旋转爆震发动机是目前最有前途的应用方向,它避免了高频重复起爆的问题,并且RDE是爆震循环,和PDE类似,它可以工作在火箭以及冲压模式下,也可以和压气机的涡轮配合,形成零速度启动的工况,并且还可以使涡轮压气机从近10级压气机减为3-4级,减轻重量,提高推重比,甚至比PDE还要有优势。
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从PDE和RDE的原理来看,两者都是涵盖航空到航天领域的,目前的涡扇发动机过于复杂,造价极高,假如未来能用结构极其简单的PDE或者RDE来代替的话,那么飞行器的成本将会大幅下降(发动机甚至占到飞机总成本的一半),相信运营成本也会大幅下降,以后的飞机票价真要比高铁票价便宜得多,而且由于成本降低,座位也不会那么拥挤,舒适度也会大幅提高。
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相对于PDE的研究稍稍落后于各国,但ODE却基本与全球持平,国内多个高校发挥其理论分析和基础研究的优势,在爆震机理研究方面,开展了大量的基础研究,部分研究领域处于世界领先地位。2021年1月24日,清华航天公开测试的就是一种旋转爆震发动机。
斜激波爆震发动机ODE
这种发动机和超燃冲压发动机很相似,它的原理是利用超音速的激波在燃烧室前混入燃料,在燃烧内点燃爆震,只是这种爆震模式的启动条件比较极端,目前测试过的只有中国的姜宗林团队。
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但斜激波爆震发动机的应用非常诱人,当然就如上文所述,测试太困难,此前曾报道因为难以实现,全球进展寥寥,只有姜宗林高超音速团队仍然在持续跟进。
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高超音速领域除了爆震类发动机外还有超燃冲压发动机,这种类型的发动机燃烧有些类似与爆轰燃烧,否则超音速燃烧室的燃烧速度根本赶不上气流穿过的速度。超燃冲压发动机的优势是相当明显的,只是它无法自持启动,所以只能和涡轮或者火箭等搭配形成组合动力。