脉冲爆震火箭发动机(Pulse Detonation Rocket Engine,简称PDRE)是一种基于爆震燃烧方式的新型动力装置,具有结构简单、循环效率高等潜在优势。如何实现PDRE高频稳定可控的工作是将其应用于实际的航空航天器中需要解决的主要问题之一。本文围绕这一问题,开展了相关理论、实验和数值研究。(1)提出了一种可以获得高频爆震波的新方法。设计了一种一端封闭一端开口的爆震管,在靠近爆震管中部朝向封闭端填充反应物,同时在靠近出口端点火,在合适的填充以及点火频率的控制下,可以得到向封闭端传播的高频爆震波。实验验证了这种工作方法的可行性,在14 mm内径的爆震管内实现了200 Hz稳定工作。利用高速阴影法和数值模拟的方法研究了这种工作方式的排气特性和推进特性,结果表明:这种工作方式下爆震管内混合物的比冲与传统工作方式下直爆震管的比冲接近,但在实际工作过程中会浪费反应物。因此这种工作方式不适合直接用作推进装置,但可以作为一种产生高频爆震波的方法。(2)介绍了无阀式高频PDRE工作机理。基于爆震管内一维流动模型,结合无阀工作方式的特点,给出了无阀式PDRE工作循环各特征时间的计算方法,包括开始填充到点火的时间、点火到爆震波传播至爆震管出口的时间、开始排气到膨胀波传播至封闭端的时间、以及封闭端压力下降至填充压力的时间。结果表明填充时间占用了一个循环中80%以上的时间,是目前限制工作频率提高的主要因素。(3)开展了无阀式PDRE稳定工作条件实验研究,总结了可能出现的工作状态,包括1)稳定的周期性工作状态;2)频率减半工作状态;3)连续燃烧状态;4)不稳定状态。探索了点火频率、氧化剂浓度和氧化剂填充压力的影响,获得了PDRE稳定工作范围。另外,重点研究了隔离失效时的连续燃烧状态的形成过程和影响因素。利用高速相机拍摄了正常工作状态和连续燃烧状态发动机内流场自发光图像。基于热着火模型,定性分析了连续燃烧现象的影响因素。结果表明:降低壁面和燃烧产物温度、降低氧化剂的填充压力和氧气浓度均有助于降低连续燃烧现象的出现概率。另外开展无阀式PDRE稳定工作条件实验研究,探索点火频率、氧化剂浓度和氧化剂填充压力的影响,获得了PDRE稳定工作范围。(4)为了优化隔离效果,提出了一种带隔离无阀式PDRE控制方法。一方面燃料与氧化剂采用无阀式填充,可以节约填充时间,提高工作频率上限;另一方面增加独立的隔离气体的填充管路,同样采用无阀式填充,可以提升隔离过程的可靠性。实验验证了这种工作方式的可行性,并获得了发动机稳定工作控制范围,最高得到了160 Hz稳定的压力脉动频率,130 Hz稳定的爆震波频率。探索了宽频率范围内的推进特性,结果表明:填充条件不变时,推力随工作频率的提高依次呈现出线性增加、非线性增加和下降三段过程,在140 Hz达到最大值。(5)采用数值方法,研究了无阀式PDRE工作中的回传与再填充过程。得到了填充压力、进气管路内径、点火位置、障碍物分布长度以及爆震管长度对回传与再填充过程的影响规律,其中填充压力与进气管路内径的影响较大。在保证隔离效果的前提下,可以选择提高填充压力的方法来缩短填充时间和循环周期。另外,通过选择不同填充时间下的流场作为点火时的初始流场,可以对应不同的工作频率和填充度。分析了发动机推力随频率的变化规律,得到与实验结果类似的结论,并利用反应物的填充状态解释了这一现象。(6)开展了无阀式PDRE变频工作研究。利用点火频率可调的点火控制装置,基于无阀工作方式,在可靠性较高的工作条件和频率范围内,实现了PDRE在不同频率下的稳定工作,以及在不同工作频率间的稳定转变。当工作频率较低时,爆震管内可以获得充分发展的爆震波;当工作频率较高时,爆震波不能形成,但发动机依旧可以稳定地脉动式工作。测试了变频工作状态下的推力变化,证明了通过点火频率的变化控制发动机的工作频率和推力是可行的。