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Ce document est la propriété de MBDA. Il ne peut être communiqué à des tiers et /ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite de MBDA et son contenu ne peut être divulgué. © MBDA 2005 .This document and the information contained herein is proprietary information of MBDA and shall not be disclosed or reproduced without the prior authorization of MBDA. © MBDA 2005.Edité à partir du FF S1.0034 A2
Continuous Detonation Wave Engine
RTO / AVT / VKI Lecture SeriesAdvances on Propulsion Technology for High-Speed Aircraft
March 12-15, 2007
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Summary
• Interest of CDW process
• Basic experiments
• System study and engine sizing
• Key technology points & experimental evaluation
- Thrust vectoring
- Heat fluxes and cooling system
- Operation in space environment
• Numerical simulation
• Engine demo
• Conclusion
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• What is a CDWE ?• Annular combustion chamber
with a center body
and injection wall
• Engine where the combustion
is achieved by transverse
detonation waves
Injection
Detonationwave
Expansion ofdetonation products
Interest of the CDW process
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• Why trying to use a detonation ?• Comparison of H2+O2 stoichiometric mixture constant-pressure
combustion and detonation
• So it is possible for a given injection pressure to gain some specific impulse, or to decrease the injection pressure
Initial state Final state
5 MPa300 K
5 MPa3635 K
1515 m.s-1
107 MPa4497 K
1667 m.s-1
5 MPa3866 K
1575 m.s-1
0.26 MPa300 K
Final state
Detonation
Detonation
Constant pressure
Speed of sound+ 10 %
Interest of the CDW process
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• Interest of a CDWE• Detonation instead of deflagration
• Continuous flow
• High mass flow rate (up to1500 kg.m-2.s-1 testedin LIH combustion chamber)
• Flow structure• 2D unsteady flow
• Axial (Z) and transverse (X) velocity
• Transition from subsonic tosupersonic in the combustionchamber (NLM)
Reference : TD Wave axis !
Interest of the CDW process
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PDE : CDWE :Pulse Detonation Engine Continuous Detonation
Wave Engine Injection
Detonationwave
Expansion ofdetonation products
DCJProduits dedétonation Gaz frais
DWE Concepts under consideration at MBDA (1/2)
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PDESimple airbreathing engine for low cost subsonic vehicles (small missiles, UAVs…) particularly for very demanding mission in terms of thrust range
CDWELiquid Rocket Enginecompact, aerospike, lower feeding pressure, thrust vectoring
Simplified Ramjet Enginewith short ramcombustor & operating from Mach 0+
TurbojetImproved performance (iso-volume / iso-pressure cycle)simplified system by reducing compression system
DWE Concepts under consideration at MBDA (2/2)
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PDEBasic studies performed with LCD in Poitiersand Russian Institutes
Ejector PDE Detonation ignition enhancementRadicals seeding (electric discharge)Atoms vibrational levels exitation by laser
PDE demonstratorDeveloped by MBDA in cooperation with DSO SingaporePossible flight test program within a few yearsusing a UAV like vehicle
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Summary
• Interest of CDW process
• Basic experiments
• System study and engine sizing
• Key technology points & experimental evaluation
- Thrust vectoring
- Heat fluxes and cooling system
- Operation in space environment
• Numerical simulation
• Engine demo
• Conclusion
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Initial validation of CDWE principle
• Experiments performed in CC with innerdiameter of 50 mm, 100 mm and 280 mm
• Homogeneous (gas / gas) and heterogeneous (liquid / gas) mixtures studied
• Detonation regime obtained in 100 mm diameter CC with GH2/LOx
• Detonation regime obtained in 330 mm diameter CC with kerosene/air
• High thrust density achieved in small CC(275 daN for a 50 mm inner diameter
kerosene/GO2 engine)
Basic experiments (cooperation with Lavrentiev Institute)
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• Key design parameters• D : TDW velocity• l : distance between two detonation waves
• Height of the fresh mixture function of the detonation cell size• Experimentally, it was found that the CC length
should be longer than 0.8 l (for a transition fromsubsonic to supersonic inside the CC)
• If the CC length is shorter than 0.8, thedetonation phenomenon could be unstable
• The frequency of the engine is D/l, typically several kHz• It was found experimentally that 4~5 detonation waves could exist in a
100 mm ID combustion chamber using GH2-GO2 mixture (l < 80 mm)• The minimum CC length for GH2-GO2 mixture is near 70 mm
Basic experiments (cooperation with Lavrentiev Institute)
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Summary
• Interest of CDW process
• Basic experiments
• System study and engine sizing
• Key technology points & experimental evaluation
- Thrust vectoring
- Heat fluxes and cooling system
- Operation in space environment
• Numerical simulation
• Engine demo
• Conclusion
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• Example of LRE • Due to the annular combustion
chamber, an aerospike or plugnozzle is the more convenientsolution,
• The volume of the nozzle couldbe used for the engine equipments bay,
• The engine very high operating frequency is best suited to space launchers than a PDE,
• Anticipated specific impulse with a stoichiometric H2-O2 mixture,
0.022
0.034
0.101
ΔJ/J*
137
127
98
J*, (kN)
140
131
108
J, (kN)
415
383
296
I*, sec
4241.620.007338.52.15
3961.490.039910.11.1
3261.100.63371.330.4
I, secvn/vzpn/pSn/S1dn (m)
System study and engine sizing
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• Due to the annular combustion chamber, an aerospike or plugnozzle is the more convenient solution
• The volume of the nozzle can be used for the engine equipments bay or tank
• The engine very high operating frequency is best suited to space launchers than a PDE
• The feeding system can be very simple
with reduced pressure
• Such engine would be perfectly
integrated in a NEO vehicle taking
fully advantage of the airbreathing
engine nozzle while being very simple
to open and close
System study and engine sizing
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Summary
• Interest of CDW process
• Basic experiments
• System study and engine sizing
• Key technology points & experimental evaluation
- Thrust vectoring
- Heat fluxes and cooling system
- Operation in space environment
• Numerical simulation
• Engine demo
• Conclusion
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• Thrust vectoring capability• To gain some advantages of the
flow heterogeneity inside the CC
• If we increase locally the mass flowrate, we will increase the local pressure
• Local mass flow rate andequivalence ratio effect havebeen investigated in a 100 mmdiameter CC
• It is possible to increase the localpressure by as much as 30 % insuch a small CC, larger increasecould be possible in bigger CC
• Additional investigations (on nozzle effect) still to be done
0°
90°
180°
270°
Mass flow = 1 Mass flow = 2
Key technology points & experimental evaluation
p1
p2
p3
p4
p5
p6
p7
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Probe numberRe
lativ
e pr
essu
re
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Summary
• Interest of CDW process
• Basic experiments
• System study and engine sizing
• Key technology points & experimental evaluation
- Thrust vectoring
- Heat fluxes and cooling system
- Operation in space environment
• Numerical simulation
• Engine demo
• Conclusion
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• Heat load• The heat fluxes in a CDWE
are higher than in a PDE
• For a small-scale, metallicengine the wall temperaturereached 1000 K in lessthan 0.3 s
• The heat fluxes are locatednear the injection wall
• With metallic structures
(wall temp limited to 800 K)
the mean measured heat flux is roughly 15 – 17 MW.m-2
• Interest of composite structures (C/SiC) able to sustain up to 1800 K
Key technology points & experimental evaluation
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• Composite materials compatibility• Metallic structures cooling
is very challenging• Proven solution used in
LRE (like film cooling), arenot expected to work easilyin CDWE due to shock / boundary layer interaction
• 2 composite C/SiC parts manufactured and successfully tested in LIH 100 mm chamberduring a series of short duration (0,5 s) test
• Further works to be done to taking into account more severe test conditions
Key technology points & experimental evaluation
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Summary
• Interest of CDW process
• Basic experiments
• System study and engine sizing
• Key technology points & experimental evaluation
- Thrust vectoring
- Heat fluxes and cooling system
- Operation in space environment
• Numerical simulation
• Engine demo
• Conclusion
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• Operation in space environment• LIH 100 mm chamber
• 0.5 m3 vacuum tank initial pressure 6.000 Pa
• Blasting copper wires for initiating the detonation
• GH2 (2.5 to 0.16 MPa) and LO2 (1.1 to 0.5 MPa) corresponding with 57 to 21 kg/s/m² of specific mass flow (10 times less than previously)
• Less than 1 J energy needed to start a TDW in a wide range of equivalence ratio (0.5 to 1.7)
Key technology points & experimental evaluation
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Summary
• Interest of CDW process
• Basic experiments
• System study and engine sizing
• Key technology points & experimental evaluation
- Thrust vectoring
- Heat fluxes and cooling system
- Operation in space environment
• Numerical simulation
• Engine demo
• Conclusion
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• Preliminary simulations with FLUCEPA code• 9 steps kinetic model for H2/O2 combustion
• Single detonation wave with forced ignition
• Code robustness ensured against large pressure and velocity gradients
Numerical simulation
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• 2D Euler simulation from ICARE Lab• 2D Euler simulation
• H2/O2 chemistry model using 6 species and 7 reactions
• Periodicity conditions along the vertical boundaries
• ~ 600.000 cells grid
Numerical simulation
100 mm
60 m
m
40 m
m
Con
stan
t wid
th
20 m
m
expa
nsio
n
x
y
periodicity periodicity
injection
exit
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• 2D Euler simulation from ICARE Lab - results
Numerical simulation
Circumferential speed
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• 2D Euler simulation from ICARE Lab - results
Numerical simulation
Axial speed
Axial Mach number
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Summary
• Interest of CDW process
• Basic experiments
• System study and engine sizing
• Key technology points & experimental evaluation
- Thrust vectoring
- Heat fluxes and cooling system
- Operation in space environment
• Numerical simulation
• Engine demo
• Conclusion
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Ground Demonstration Engine
1 2
3
Modular engine that couldbe used for thrust andspecific impulsemeasurement• (1) Injection wall
• (2) Actively cooled external jacket
• (3) Variable lengthinner cylinder corewith aerospike nozzle
• Additional bell nozzle will be used for thrust optimization
• Designed to allow the testing of composite (C/SiC) engine parts
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• Combustion chamber outer diameter : 350 mm
• Inner diameter : 280 mm
• Combustion chamber height : 35 mm
• Feed pressure : between 1.5 MPa and 2.5 MPa
• Combustion chamber mean pressure : near 0.5 MPa
• Mixture used : - GH2 + LO2 (1 sec test, performance measurement, transient conditions)
- GH2 + GO2 (10 sec test, performance measurement, static conditions)
- GH2 + air (several minutes test, material endurance testing)
- LHC + air
• Mass flow rate :- Hydrogen : 1.5 kg.s-1
- Oxygen : 12 – 14 kg.s-1
Ground Demonstration Engine
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Thermal behaviour cooled structure
Generated vibration environment
Successive detonation waves self-ignition process
Thrust vector & associatedmoments
Injection and mixing
Mechanical behaviour of cooled structure(high frequency shocks)
Stability Domain
Generated acousticenvironment
Skin friction forces Jet direction and
swirl effect
non-symmetric feeding propagation (chamber & nozzle)
Thermal behaviour cooled structure
Generated vibration environment
Successive detonation waves self-ignition process
Thrust vector & associatedmoments
Injection and mixing
Mechanical behaviour of cooled structure(high frequency shocks)
Stability Domain
Generated acousticenvironment
Skin friction forces Jet direction and
swirl effect
non-symmetric feeding propagation (chamber & nozzle)
Ground Demonstration Engine
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Summary
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• Basic experiments
• System study and engine sizing
• Key technology points & experimental evaluation
- Thrust vectoring
- Heat fluxes and cooling system
- Operation in space environment
• Numerical simulation
• Engine demo
• Conclusion
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• Conclusion• Since a few years, MBDA France is leading a R&T program on CDWE in
cooperation with Lavrentyev Institute of Hydrodynamics of Novosibirsk
• Experiments were performed by the LIH with CC of 50 mm, 100 mm and 280 mm inner diameter
• Homogeneous (gas / gas) and heterogeneous (liquid / gas) mixture were studied
• Those experiments were focused on key technology points needed to evaluate the global concept of a CDWE
• First test series was successfully performed with composite material (C/SiC) engine parts
• Further development could be the development of a large scale engine demo
Design of a CDW Engine for space Application