介紹一款自制的脈動發(fā)動機(jī)

田軍

隨著航模運(yùn)動的不斷發(fā)展，常規(guī)動力的低速模型飛機(jī)已經(jīng)無法滿足一些愛好者對模型更高速度與性能的要求。而能適應(yīng)高速飛行的航模用渦輪噴氣發(fā)動機(jī)價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對很多普通模型愛好者來說使用門檻很高。其實(shí)，除了渦噴發(fā)動機(jī)外，還有一種比較少見的模型發(fā)動機(jī)，它不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且能提供較大的推重比，這就是航模用脈動噴氣發(fā)動機(jī)。

脈動發(fā)動機(jī)在軍用無人機(jī)領(lǐng)域早就有所應(yīng)用，不僅被用于靶機(jī)，還被用于需在惡劣條件下使用的高速偵察無人機(jī)。在航空模型方面，線操縱特技模型上曾使用過脈動發(fā)動機(jī)。這種模型飛行速度非?？欤沙^200km/h），但不易操縱，偶爾在一些航模表演中能見到它的身影。

我是西南石油大學(xué)的一名老師，在指導(dǎo)學(xué)校航模隊(duì)的過程中，萌生了制作脈動發(fā)動機(jī)的想法。于是，我?guī)ьI(lǐng)學(xué)生收集脈動發(fā)動機(jī)的相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，試制成功了一款價(jià)格低廉的脈動發(fā)動機(jī)（圖1）。將其裝在一架改裝過的練習(xí)機(jī)上，基本性能還不錯（圖2）。接下來，就為大家介紹這款自制的脈動發(fā)動機(jī)。

基本結(jié)構(gòu)與原理

一般的脈動發(fā)動機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)主要包括前部的噴油嘴、單向閥及后部的燃燒室（帶火花塞）和尾噴管（也稱共振管）。具體結(jié)構(gòu)參見圖3和圖4。

理論上看，脈動發(fā)動機(jī)的工作原理非常簡單。氣流經(jīng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道，與噴油嘴中噴出的霧化燃油混合，形成燃油-空氣混合汽；混合汽通過單向閥進(jìn)入燃燒室，被火花塞發(fā)出的電火花點(diǎn)燃爆炸；與此同時，單向閥關(guān)閉，高速膨脹的高溫燃?xì)鈴奈矅姽芨咚賴姵?，產(chǎn)生推力；之后，燃燒室內(nèi)壓力與溫度下降，形成負(fù)壓，單向閥再次打開，新鮮的燃油-空氣混合汽被再次吸入燃燒室，開始下一個循環(huán)。如此周而復(fù)始，發(fā)動機(jī)便可持續(xù)工作（圖5）。

自制脈動發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)脈動發(fā)動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理，我們設(shè)計(jì)制作了一臺樣機(jī)。這臺發(fā)動機(jī)主要由兩大部件組成：前面的閥體和后面的燃燒室及尾噴管（圖6）。

其中，后面的燃燒室和尾噴管均由薄壁鋼管制成，并焊接在一起（圖7）。燃燒室一側(cè)開孔，用于固定火花塞。

前面的閥體相對復(fù)雜，由外殼（含閥片安裝座）、噴油嘴、薄閥片和厚閥片組成（圖8）。鋁合金加工的閥體外殼，前端為小口，先向后收縮、再膨脹擴(kuò)大到與燃燒室內(nèi)徑匹配（圖9）。閥片安裝座位于外殼直徑較大的一端，用于安裝兩枚閥片，其中心有螺紋孔，用于固定閥片和噴油嘴。安裝座中心孔外圍均布有一圈圓孔，可使燃油-空氣混合汽進(jìn)入燃燒室（圖10）。噴油嘴由兩根交叉的空心管焊接而成，長的為供油管，前端連接油管，后端有螺紋，安裝時擰在安裝座的螺紋孔上。供油管中間側(cè)壁有一小孔，燃油即從此孔噴出。另一空心管是空氣管，正對供油管上的小孔，起到霧化燃油的作用（圖11）。薄閥片為花瓣形，厚閥片一端為平面、一端有弧度，兩者中心均有通孔（圖12、圖13）。厚薄兩枚閥片的作用主要是為保護(hù)閥片，增加其工作壽命，進(jìn)而延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。安裝時，先將薄閥片貼在安裝座上，再將厚閥片有弧度的一面壓在薄閥片上，用螺釘擰緊。此時，薄閥片外側(cè)花瓣會因受力向厚閥片一側(cè)彎曲，即閥門為打開狀態(tài)（圖14）。當(dāng)燃燒室中可燃混合汽燃燒爆炸時，所產(chǎn)生的高壓將薄閥片向前壓，使其與安裝座貼合，此時閥門關(guān)閉（圖15）。待燃?xì)鈴奈矅姽車姵?，燃燒室?nèi)壓力下降后，薄閥片再次回彈彎曲，閥門再次被打開。

組裝測試

這臺脈動發(fā)動機(jī)組裝好后，再將鼓風(fēng)機(jī)、高壓包（電池）、供油及油量調(diào)節(jié)系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)安裝連接，即可對其進(jìn)行初步測試（圖16）。特別是供油系統(tǒng)，由于采用了電子調(diào)速結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)械油針進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此即使用不同的燃油，發(fā)動機(jī)仍可正常啟動工作，能夠適應(yīng)多種燃油（只需針對不同燃油調(diào)節(jié)油氣配比即可）。此外，通過調(diào)節(jié)薄閥片遮蓋安裝座上圓孔的比例，還可對進(jìn)入燃燒室的燃油量進(jìn)行控制（圖17）。

在將這臺脈動發(fā)動機(jī)裝在一架練習(xí)機(jī)上做進(jìn)一步飛行測試時，發(fā)現(xiàn)了兩個比較突出的問題：尾噴管氣流對模型尾翼操縱面有影響；發(fā)動機(jī)工作時發(fā)熱較嚴(yán)重，機(jī)身隔熱不足。針對上述問題做了如下改進(jìn)：把模型尾翼改為“H”形，并將尾噴管末端改到操縱面之后（圖18）；在模型與發(fā)動機(jī)距離較近的部分增加環(huán)氧樹脂板做隔熱處理（圖19）。

小結(jié)

經(jīng)過一系列測試，發(fā)現(xiàn)這款自行設(shè)計(jì)制作的脈動發(fā)動機(jī)還存在一些不足。如厚度僅0.2mm的薄閥片在高溫下易疲勞，且熱腐蝕嚴(yán)重；自制的噴油嘴霧化效果不夠好，燃燒室積油較嚴(yán)重，發(fā)動機(jī)易熄火，致使燃料的選擇比較困難。

不過，由于這臺脈動發(fā)動機(jī)自身結(jié)構(gòu)簡單，因此制作成本低、維護(hù)保養(yǎng)容易、維修價(jià)格相對較低，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。特別是其重量輕、推重比大的優(yōu)點(diǎn)，比較適合用在一些小型高速無人機(jī)的試驗(yàn)上。