李自然，林志勇，韓 旭

（國防科學技術大學航天科學與工程學院，湖南長沙410073）

0 引言

近年來，以高超聲速技術為基礎、吸氣式發(fā)動機及組合循環(huán)發(fā)動機為動力的高超聲速飛行器作為21世紀空天飛行器的一個重要發(fā)展方向，得到了各主要軍事強國的普遍關注。超燃沖壓發(fā)動機作為高超聲速技術動力系統(tǒng)的一種重要方案，得到了各研究國家的普遍重視。

目前采用的超燃沖壓發(fā)動機中的燃燒通常是以擴散燃燒為主的部分預混的等壓燃燒過程。這種燃燒方式需要較長燃燒室來完成燃燒，不可避免地加大了氣流內阻，增大了發(fā)動機的結構重量和熱防護難度。此外，當超燃沖壓發(fā)動機飛行馬赫數(shù)增加到一定值后（一般認為Ma>8），性能開始急劇下降。解決以上問題的方法主要有兩類：1）增強燃料與來流空氣混合，主要以化學動力學和火焰?zhèn)鞑砜刂迫紵^程；2）改變燃燒組織循環(huán)過程。

爆震燃燒能在微秒時間量級內完成燃料能量的釋放，同時爆震波傳播速度可達到每秒千米量級，因此比等壓燃燒方式具有更高的熱循環(huán)效率，非常適用于新一代高超聲速推進系統(tǒng)[1]。目前國內外開展了大量基于爆震燃燒的推進系統(tǒng)研究，比如連續(xù)旋轉爆震發(fā)動機和脈沖爆震發(fā)動機等。其中斜爆震發(fā)動機以駐定的斜爆震形式組織燃燒，與普通的超燃沖壓發(fā)動機相比，能在更高的飛行馬赫數(shù)下（Ma>10）保持較高的燃燒效率，另外還具有燃燒室長度短、重量輕、飛行阻力小及易于重復啟動等優(yōu)點[2-6]。

1 超聲速斜爆震發(fā)動機起爆關鍵技術

爆震波的起爆方式通常包括直接起爆（Direct Initiation of Detonation）和爆燃轉爆震（DDT,Deflagration-to-Detonation Transition）起爆兩種[7－8]。爆燃轉爆震方式不需要很高點火能量，通過湍流火焰的加速以及火焰和壓力的相互作用，使局部形成熱點而得到。直接起爆則一般通過瞬間注入很強的能量以產(chǎn)生強激波，波后的高溫高壓使燃氣混合物發(fā)生自燃，沒有明顯的火焰加速過程而導致激波和燃燒波的強烈耦合。對于一般的高超聲速應用，超聲速可燃氣在燃燒室里駐留時間可能比爆燃轉爆震時間要短很多，因此只能采取直接起爆的方式。目前的直接起爆方式有強激波誘導起爆、高能激光誘導起爆及高能爆炸絲起爆、高能火藥起爆、爆震管（熱射流管）起爆等。斜爆震發(fā)動機是一種采用直接起爆方式的超聲速發(fā)動機，通常采用激波誘導起爆或者高能激光聚焦直接起爆的方式。

目前，實現(xiàn)斜爆震的主要方式是在燃燒室入口處加入斜劈產(chǎn)生斜激波 (結構如圖1所示)來誘導斜爆震[5]。這種方式必須解決斜爆震的可靠起爆和氣流損失之間的矛盾。為了實現(xiàn)斜爆震可靠起爆必須采用較大斜劈角度誘導出較強的斜激波。然而，過大的斜劈角度會導致爆震波處于過驅狀態(tài)，會帶來脫體斜爆震振蕩燃燒等問題，同時導致熵增明顯加大，產(chǎn)生更大的氣動阻力。當斜劈角度小于CJ斜爆震所對應的斜劈角時，斜爆震將保持熵增最小的CJ狀態(tài)不變，爆震波處于欠驅狀態(tài)，超聲速氣流的氣動阻力和總壓損失都明顯減小，如果能保證可靠的起爆及斜爆震波的穩(wěn)定，將實現(xiàn)超聲速斜爆震發(fā)動機在實際應用中的最佳狀態(tài)。

采用斜劈實現(xiàn)斜爆震是一種嵌入式的起爆方式，需要在超聲速氣流中直接加入物理介質，如果能發(fā)展非接觸式起爆則可進一步減少損失，提高發(fā)動機性能。Carrier提出一種采用脈沖強激光的方式在超聲速氣流中形成圓柱斜爆震[7]，這種方式可在超聲速可燃氣中任何位置實現(xiàn)非接觸式遠距點火起爆。雖然這種方式相較斜劈起爆方式有非常明顯的應用優(yōu)勢，但需要解決強激光在超聲速可燃氣流中的直接起爆問題，另外還需攜帶強激光器及相應的供電設施。

結合以上兩種斜爆震起爆方式的優(yōu)勢，一種采用氣動斜劈來實現(xiàn)斜爆震的方式進入了研究人員的視線。這種方式通過在燃燒室壁面引入一道射流來實現(xiàn)超聲速可燃氣流中斜爆震的起爆，同時以此來維持欠驅狀態(tài)下斜爆震的自持。該方法通過強射流（熱射流或爆震管）來實現(xiàn)起爆，通過控制射流的噴注壓力來控制氣動斜劈的強度，從而實現(xiàn)斜爆震的起爆及穩(wěn)定，起爆穩(wěn)定后采用普通射流維持氣動斜劈，使得斜爆震轉到欠驅的CJ斜爆震狀態(tài)。

在吸氣式高超聲速推進系統(tǒng)的實際應用中，爆震燃燒的主要技術難點在于爆震波在超聲速氣流中的穩(wěn)定和駐定問題，特別是CJ斜爆震狀態(tài)的研究更是影響其應用推廣的重要研究內容。

2 研究現(xiàn)狀與進展

2.1 起爆發(fā)展研究

最早嘗試激波誘導爆震試驗研究的是Gross等人[9]。他們通過燃燒氫氣加熱空氣產(chǎn)生高溫高壓的富氧燃氣，通過噴管膨脹產(chǎn)生超聲速氣流。在生成的超聲速氣流中放置一個噴嘴，順流向加入燃料，希望通過過膨脹超聲速氣流中正激波串（也稱馬赫盤）誘導正爆震波，但是結果卻并沒有產(chǎn)生明顯的爆震波。后來Rubins等人采用類似的研究裝置，進行了斜激波誘導燃燒試驗，僅驗證了通過激波誘導燃燒的可行性[10]。

Lehr采用紋影技術分別觀測了超高速鈍頭體射彈進入靜止可燃氣，由脫體激波誘導亞爆震、跨爆震與超爆震的三種情況下，激波與燃燒波的相互作用和爆震直接起爆的現(xiàn)象[11]。研究表明，在超爆震情況下，混合物的CJ爆震速度小于來流速度，起爆后的爆震面為光滑的穩(wěn)定面；而在亞爆震和跨爆震情況下，爆震速度不小于來流速度。研究雖然發(fā)現(xiàn)了激波/燃燒波相互作用形成的周期震蕩面，但由于混合物的活性與鈍頭體曲率半徑達不到起爆所需的臨界值，沒有觀測到爆震直接起爆并往前方傳播（實驗紋影圖如圖2所示）[12－13]。

20世紀90年代后，隨著沖壓彈技術的廣泛應用，開展了大量的高速運動鈍頭體射彈實驗，并結合高速攝影與紋影技術，研究了爆震起爆臨界條件與起爆的不同模態(tài)問題。其中，Kaneshige等采用差分干涉儀對高速射彈產(chǎn)生斜爆震的起爆與穩(wěn)定進行試驗研究[14]，重點研究了產(chǎn)生穩(wěn)定爆震波所需的條件。結果表明初始壓力對預混氣體的化學反應過程具有很大的影響。試驗未觀測起爆瞬間過程，因而難以對過驅爆震波往上游傳播的機制進行分析。

產(chǎn)生爆震波的另一種有效的方式是Viguier等人采用的斜激波管起爆方式[15－16]，其實驗裝置如圖3所示。這種起爆方式雖然原理與沖壓彈相似，但沖壓彈是通過圓錐或鈍頭形成斜激波誘導爆震，而斜爆震管設備則通過氣動斜劈起爆。研究先用非常薄的薄膜隔開兩種不同CJ爆震速度的可燃預混物，然后在更高CJ速度混合物的一側進行點火起爆，爆震燃燒后產(chǎn)生的高溫高壓氣體一方面向未燃混合物一側壓縮，同時跟隨爆震波以CJ速度向前運動，這樣就在未燃混合物一側形成了以CJ速度運動的“氣動斜劈”，從而形成斜激波并誘導出爆震。

以上兩種常用的實驗方法，爆震波經(jīng)過實驗觀測段時速度極快，有效觀測時間短，瞬態(tài)現(xiàn)象和參數(shù)測量難，增加了爆震的起爆過程研究的難度。Hanson等人發(fā)展了激波-膨脹管技術來產(chǎn)生超聲速預混可燃氣流[17]，通過激波管中的高壓驅動氣流加速預混試驗氣體，隨后通過膨脹段把超聲速預混氣繼續(xù)加速到所需工況。這就確保了爆震在相對靜止的實驗件上發(fā)展，從而能夠較方便地在實驗件上布置測量儀器、改變試驗件的外形等。Morris等人采用該技術[17]，并結合了紋影技術與OH基激光誘導熒光（OH-PLIF）技術對爆震激波面與燃燒面同時進行觀測，分析了在不同活性的H2/O2/N2混合物中形成的斜爆震的結構。但是由于膨脹管的有效工作時間非常短（一般為幾百毫秒量級），使得難以分析較長特征時間的爆震起爆過程和爆震波發(fā)展的穩(wěn)定性，甚至可能得不到充分發(fā)展的爆震波。

Li等采用數(shù)值模擬方法，對爆震波在斜劈上的起爆特性進行了研究，并給出了斜爆震波后的參數(shù)分布[18]。研究表明，尖劈前部斜激波誘導區(qū)的爆燃波不斷匯聚使得斜激波不斷抬升，強度也不斷提高；尖劈前部出現(xiàn)的附面層也會誘導出一個較強的激波，激波后氣流溫度升高，從而減小了爆震波的誘導時間，并最終實現(xiàn)了斜激波與反應區(qū)的充分耦合。之后，Papalexandris和Grismer等采用更高分辨率網(wǎng)格尺度對斜爆震波的精細結構和預起爆機理開展數(shù)值研究[19－21]，得到了和文獻[18]相似的結論，斜激波后誘導區(qū)的能量釋放產(chǎn)生了一系列的壓縮波，而這些壓縮波在隨后的反應過程中持續(xù)匯聚導致斜激波抬升，最終導致產(chǎn)生了三波點和斜爆震波。

Fan等計算了當流道里存在斜劈時，不同馬赫數(shù)下不同斜劈所產(chǎn)生爆震的狀態(tài)[22]，表明產(chǎn)生爆震波的位置與來流馬赫數(shù)密切相關，包括斜劈面附近、斜劈尖部及壁面附近都可能經(jīng)多次激波反射而起爆。Choi等研究了斜劈角度較大時燃燒流場情況[23]，根據(jù)來流參數(shù)的不同，有可能發(fā)生無燃燒或非耦合燃燒、震蕩燃燒、激波誘導脫體燃燒或激波誘導脫體爆震燃燒三種現(xiàn)象（如圖4所示）。

Fusina等對CJ狀態(tài)下的斜爆震波進行了數(shù)值模擬研究，表明在一定來流條件下，CJ斜爆震波能夠通過斜激波誘導起爆并能穩(wěn)定自持[24]。當斜劈角度小于CJ斜爆震所對應的斜劈角時，此時斜爆震角度保持不變，而氣流的熵增減小，斜劈的氣動阻力隨之變小。Powers采用歐拉方程和簡化的反應模型研究了欠驅斜爆震反應區(qū)結構[25]，Ashford對欠驅斜爆震波的角度進行了深入分析，重點探討了斜劈角度小于CJ斜爆震對應的斜劈角度時，波后氣流的物理過程，并指出爆震波面將保持CJ角，而斜爆震后將緊跟著出現(xiàn)一系列Taylor波[26]。

近年來，Ishii等人采用激波管生成了馬赫數(shù)1左右的預混超聲速可燃氣，通過橫向加入的爆震管進行點火起爆，研究了爆震波在超聲速可燃氣中衍射起爆的現(xiàn)象，以及順流和逆流傳播的爆震波所形成的不同胞格結構[27]。實驗中，由于爆震管工作時間很短，來流速度很低，尚不能作為超聲速氣流中氣動斜劈起爆發(fā)展等問題研究的有效例證。

2.2 穩(wěn)定特性研究

Lefebvre與Li較早探討了爆震波的駐定性質，認為存在一個臨界的角度，當斜劈角度大于該角度時，爆震波會從斜劈前緣脫離，并出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象[28,18]，而這個角度與斜激波后的聲速有關。Scott對斜爆震與正爆震的起爆與穩(wěn)定性的研究成果進行了系統(tǒng)地總結，認為在較小的斜劈角度或者化學反應放熱小于來流焓值的情況下，斜爆震波通常能夠保持穩(wěn)定，如圖5所示[29]。Powers認為能夠穩(wěn)定存在的斜爆震有三個解：弱過驅爆震、強過驅爆震以及CJ爆震[25]。

Fusina得到了當斜劈角度小于臨界CJ爆震對應的斜劈角時的爆震波穩(wěn)定特性，認為處于CJ狀態(tài)的斜爆震波是能夠穩(wěn)定自持的[24]。

Choi等研究了活化能對斜爆震波不穩(wěn)定性的影響[30]。當活化能較低時，斜爆震波是穩(wěn)定的，而活化能較高時，會產(chǎn)生類似于普通爆震波的橫波結構，不同活化能時，斜爆震波的穩(wěn)定程度如圖6所示。不同的是，斜爆震波的橫波只向流場下游傳播，并且橫波之間幾乎沒有交叉。

Higgins研究了沖壓彈的一維理論預測與實際情況的偏差原因[31]，認為產(chǎn)生這種偏差的主要原因是由于激波和逆壓梯度導致的附面層分離，一維理論不能預測沖壓彈上的燃燒狀態(tài)是否能穩(wěn)定存在。He研究了沖壓彈表面爆震波的熄滅與不穩(wěn)定震蕩問題[32]，發(fā)現(xiàn)氣動不穩(wěn)定性導致了爆震波的高頻周期性震蕩，而爆震波的熄滅則主要是由于沖壓彈表面積累的能量不足以克服爆震波曲率帶來的影響，爆震波的周期性熄滅與再起爆過程會導致爆震波本身的高幅低頻振蕩。Yu等采用數(shù)值模擬的方法對比研究了不同速度和直徑的沖壓彈射入不同壓力預混氣的情況以及穩(wěn)定斜爆震的一些特性[33]。發(fā)現(xiàn)三波點的存在對斜爆震的穩(wěn)定具有重要作用，當橫波與入射激波垂直時，橫波的傳播速度等于CJ速度；穩(wěn)定的斜爆震波存在向兩個方向傳播的橫波。

Walter重點研究了有限長度斜劈誘導的CJ斜爆震穩(wěn)定條件，以及斜爆震和斜劈后緣出現(xiàn)的膨脹波的相互作用[34]，如圖7所示。研究發(fā)現(xiàn)存在一個斜劈角度范圍，在這個范圍內能夠形成穩(wěn)定的斜爆震波。爆震波與膨脹波的相互作用可導致兩種情況的產(chǎn)生：在接近穩(wěn)定角度上限時，膨脹波會導致激波面與火焰面分離；而對于中等的角度則會產(chǎn)生CJ斜爆震。

Kaneshige等采用差分干涉儀對高速射彈產(chǎn)生斜爆震的起爆與穩(wěn)定性進行試驗研究[14]，重點研究了產(chǎn)生穩(wěn)定爆震波所需要滿足的起爆條件，研究表明初始壓力對起爆影響很大，而壓力主要通過對預混氣體的化學反應過程的影響產(chǎn)生，試驗未能對起爆瞬間過程進行觀測，從而難以解釋過驅爆震波往上游傳播的機理。Kasahara等人進一步研究了沖壓彈上產(chǎn)生穩(wěn)定CJ的爆震波的條件[20]，研究表明，在沖壓彈上得到穩(wěn)定CJ爆震的條件是前部弓形爆震波的曲率半徑大于胞格尺寸8.6倍。通過改變預混壓力和沖壓彈速度，發(fā)現(xiàn)沖壓彈表面形成的爆震波分為兩種形態(tài)：臨界條件以下時爆震波由弓形強過驅爆震、強爆震波與激波三部分構成；臨界條件以上時，爆震波由強過驅爆震、弱過驅爆震、準CJ爆震與CJ爆震波四部分構成。

研究過程中，Harris等發(fā)現(xiàn)采用不同數(shù)值方法，計算得到的爆震波不穩(wěn)定性結果顯著不同，且相同工況下不穩(wěn)定結構的出現(xiàn)與所采用的數(shù)值格式有關[5]。

3 研究方法與技術

雖然斜爆震發(fā)動機已經(jīng)研究了幾十年，但目前仍處于概念研究階段，至今仍然很少見超聲速斜爆震起爆及發(fā)展過程的深入研究工作，相關問題的實驗研究工作更少。這主要是因為開展研制所需的實驗條件要求較高，難以實現(xiàn)對爆震燃燒過程的有效控制。

斜爆震的起爆機理及發(fā)展穩(wěn)定性基本是非定常的二維或三維問題，理論分析難以揭示物理本質。研究大多采用數(shù)值仿真手段，并且對一些基本斜爆震、CJ爆震等問題有了一定認識，積累了研究經(jīng)驗。然而，數(shù)值仿真手段存在一定的局限性，特別是離散格式和物理模型不夠完善，對爆震燃燒中流動與燃燒相互耦合物理過程以及湍流的作用過程難以復現(xiàn)，更不能得到附面層和粘性對斜爆震起爆過程的影響。目前一個較好的措施通過數(shù)值模擬與實驗結果相結合開展分析。

至今為止研究斜爆震的最多的實驗手段是沖壓彈，并結合采用各種先進的數(shù)字高速相機、高速激光紋影，通過拍攝的實驗照片對斜爆震的起爆、爆震結構特性以及穩(wěn)定性等問題進行研究。在已進行的研究中，設計巧妙的斜激波管設備在斜爆震研究中起到了重要的作用，利用該設備，采用OH-PLIF和紋影技術，得到了一些經(jīng)典的斜爆震結構圖，結合煙膜技術記錄了斜爆震發(fā)展過程中的三波點的振蕩不穩(wěn)定過程。然而，由于斜激波管設備中采用的是氣動斜劈技術，爆震波后的高壓即將高速膨脹，會直接影響到爆震三波點結構和發(fā)展穩(wěn)定性。此外，在這種實驗方案中，實驗件相對于觀測設備都是高速運動的，不利于實驗測量。

為了使實驗件相對靜止于觀測設備，另一種較好的實驗技術是激波-膨脹管設備。利用這種設備中開展了一些有特色的研究，比如采用紋影技術和OH-PLIF技術同步測量的方式，研究了斜爆震的結構、起爆和發(fā)展不穩(wěn)定。但由于實驗有效觀測時間太短，不能得到爆震波的充分發(fā)展過程。

4 啟示和建議

從已開展的研究看，目前很少研究超聲速可燃氣中通過高速射流來形成氣動斜劈，并誘導爆震燃燒的相關問題，而某些爆震物理現(xiàn)象與采用物理斜劈有很大的不同，特別是當采用氣動斜劈對爆震的起爆過程、爆震波發(fā)展的不穩(wěn)定現(xiàn)象及穩(wěn)定條件、以及氣動斜劈強度的變化對超聲速可燃氣中爆震特性的影響等方面的研究尚未開展。

對研究現(xiàn)狀分析可看出，先進的光學觀測手段在爆震機理的研究中起到了非常重要作用。早期爆震診斷技術采用煙膜法和高速條紋相機，對爆震胞格、傳播特性的觀測起到了重要的推動作用。進入21世紀后，隨著數(shù)字技術發(fā)展，紋影技術在這一研究領域得到了較好的應用，特別是最近幾年出現(xiàn)了感光度極高的相機如HTV-2和Fascam SA5等，曝光時間可控制到幾百納秒量級，速度可以到上百萬幀的量級。這樣可以很好地記錄爆震波面的發(fā)展過程以及形態(tài)結構。

目前，國外已經(jīng)廣泛地把OH-PLIF技術應用于爆震燃燒區(qū)的觀測，并且逐漸把紋影技術和PLIF技術相結合來研究激波誘導燃燒及爆震燃燒結構中激波和燃燒區(qū)相對分布，并以此開展穩(wěn)定性分析。從這些研究中可見，目前燃燒研究主要是采用OH基的PLIF來進行，這一方面是由于OH基廣泛存在于所有的碳氫燃料的燃燒中，另外OH基的激光誘導熒光信號很強，相對容易得到。但是OH基不僅存在于反應面中，而且還廣泛分布于燃燒后高溫區(qū)中，不利于突出反映激波與燃燒的相互作用過程。與OH基不同，CH基存在時間非常短，可以較好地反映碳氫燃料燃燒火焰面分布，而爆震波結構中反應面結構包含了激波和燃燒的相互作用過程，從而可為深入理解爆震燃燒提供新途徑?；谶@種實驗思路，構建一種爆震試驗系統(tǒng)，如圖8所示。根據(jù)CH基和OH基PLIF技術的不同應用特點，系統(tǒng)采用OH基PLIF測量技術測量爆震波波后的火焰面位置與分布的測量，運用CH基PLIF測量技術觀測低速射流火焰的擴散，并采用高速紋影技術，觀測爆震波起爆和傳播過程，以及斜爆震波的結構。

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