吸气式旋转爆震发动机性能数值研究(2)
旋转爆震发动机是一种爆震波在环形燃烧室内连续旋转传播的发动机。其基本原理如图 1.1。通过环形面的微型喷管将预混燃料喷入燃烧室，在C处利用火花塞起爆发动机。起爆后燃烧波沿着燃烧室逆时针传播并发展成为爆震波A。 因为爆震波A处经过爆震的气体压力大于燃料喷注总压，所以燃料在A处喷不进来。当爆震波传到B点时，由于发动机一直在排出气体导致C处燃烧产物压力低于喷注总压， C 处吸入预混燃料。当爆震波传播到C时就可以继续进行化学反应。
图1.1 旋转爆震波原理图
比较RDE和PDE，可以得出RDE只需要起爆一次发动机不需要高频率起爆，对结构设计要求简单。另外由于只需要起爆一次就能连续爆震，所以RDE的爆震频率高，推力更加稳定，用其作为动力系统，可以为其它飞行器部件创造良好的工作环境。比较RDE和ODE，可以发现RDE的工作范围更大。RDE可以在火箭基和冲压两种状态下工作。
吸气式旋转爆震发动机就是在冲压状态下工作的RDE。在冲压状态下由于从空气中获取氧化剂，所以吸气式旋转爆震波发动机的结构比火箭基的发动机结构简单而且不需要氧化剂，减少了发动机总质量，能够获得更大的比冲。只需要一次起爆、推力稳定、结构简单、大比冲等优点使得吸气式旋转爆震发动机有非常广阔的应用前景。
1.2 RDE国内外的研究现状
1.2.1关于RDE实验方面的研究现状
1950年到1960年，苏联的Voitsckhovsky[1]等人使用圆盘形试验装置首次实现了连续旋转爆震并且对爆震波的结构和传播特性进行了研究。1966年Nicholls [2]等完成RDE可行性的实验。之后人们对旋转爆震发动机进行了大量的实验研究。俄罗斯Lavrent'ev 流体力学学院的Bykovskii [3]等对旋转爆震发动机的做了大量研究工作，并取得丰硕成果。他们的研究内容是不同燃料（气态液态）、氧化剂（空气氧气）、结构、燃料和氧化剂填充方式（喷孔-喷孔，喷孔-缝隙）对旋转爆震波结构的影响。他们的实验时发现气体燃料都能实现连续爆震，而液体燃料中加入氧气才能连续爆震。观察爆震波的结构他们发现爆震波是由斜激波、爆震波和接触间断面组成。他们还比较了当量比、环境压力、喷注气体压力等对爆震波的影响。结合这些实验研究提出了旋转爆震发动机尺寸的设计准则。设计准则是根据最小新鲜反应物的高度得到燃烧室的最小尺寸，因为新鲜反应物高度不够爆震波不能稳定传播。他们的研究成果对旋转爆震发动机的设题提供了参考范围。
在1960年左右，美国 Edwards 空军基地委托密西根大学[4]研究了旋转爆震，并且将其应用于发动机上。他们的试验装置如图1.2，装置使用圆锥控制预混燃烧物进入燃烧室的速度，成功起爆了发动机。试验证明了旋转爆震可以应用于发动机上。
图1.2 美国旋转爆震发动机试验结构图
另外波兰和日本也实现了连续旋转爆震的试验[5]，他们对燃烧室内压力进行了测量。通过处理测量出的压力数据，他们发现爆震波后燃烧产物的传播速度较快。因为流动速度快在离心力作用下燃烧室外壁的压力高于内壁压力，燃烧物更容易从内壁进入燃烧室，爆震能持续进行。
1.2.2 RDE的理论数值模拟研究现状
在数值模拟方面，Taki and Fujiwara [6]等通过简化流场（忽略粘性、传热等因素）对旋转爆震燃烧进行了二文数值研究，模拟了和实验条件下相似的旋转爆震流场。
Manabu Hishida [7]等使用的两步化学反应模型成功得到了连续旋转的爆震波，并对旋转爆震波的内部流场结构进行了分析。他们分析得出，旋转爆震波是斜激波和子爆震波的复合波，这使爆震波的传播速度减小。