孫維國，史瑞華，林左鳴，劉代軍，張文山，曹軍偉，范中國，馬聰慧，付澤川，劉愛華，田鵬，錢勤建，陳飛，段磊，崔金平，梁曉嘉

1. 中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009 2. 中國航空研究院，北京 100029 3. 中國航空學(xué)會(huì)，北京 100000

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種動(dòng)力裝置，在航空航天領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用[1]，美國[2-3]、法國[4-5]、德國[6-7]和中國[8-9]分別針對該動(dòng)力裝置開展了多項(xiàng)研究工作。由于工作機(jī)制的不同，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可劃分為多種不同的類型。按照推進(jìn)劑狀態(tài)的不同，現(xiàn)有在役和在研的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可分為兩種類型：一種是采用固體燃料的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，即燃料在儲(chǔ)存和工作過程中均為固體燃料；另一種是采用液體燃料的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，即燃料在儲(chǔ)存和工作過程中均為液體燃料。由于燃料狀態(tài)不同，使得這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中采用固體燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)具有燃料密度高和使用維護(hù)簡便的優(yōu)點(diǎn)；相比之下，采用液體燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)具有比沖高和流量調(diào)節(jié)簡便的優(yōu)點(diǎn)[1,6-7]。為了最大程度發(fā)揮固體或液體燃料的優(yōu)勢，同時(shí)避免其缺點(diǎn)，國內(nèi)外針對凝膠/膏體燃料開展了研究工作，獲得了凝膠/膏體燃料的配方、流變特性以及燃燒特性[10-12]。為提高凝膠/膏體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，必須解決燃料的流變特性和霧化難題。

本文提出了一種新概念的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，并命名為固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)兼具固體燃料和液體燃料兩種沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的某些優(yōu)點(diǎn)，其采用具有相變特性的燃料，相變?nèi)剂显谫A存時(shí)為固態(tài)，在工作時(shí)為液態(tài)，在該型發(fā)動(dòng)機(jī)使用過程中存在著燃料從固態(tài)到液態(tài)相變的轉(zhuǎn)換過程。該型發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的主要差異在于固液相變?nèi)剂虾腿剂舷嘧兿到y(tǒng)的采用，其他發(fā)動(dòng)機(jī)部件工作原理與傳統(tǒng)液體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相同。該發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程如下：發(fā)動(dòng)機(jī)存儲(chǔ)時(shí)，固液相變?nèi)剂弦怨虘B(tài)存儲(chǔ)在燃料貯箱中，使用前通過燃料相變系統(tǒng)將固液相變?nèi)剂先刍癁橐后w，接下來的工作過程與液體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相同。相變完成后的液體燃料特性也與其他傳統(tǒng)液體燃料例如JP10相當(dāng)，能夠很好地霧化，從而達(dá)到較高的燃燒效率。

本文以固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理為基礎(chǔ)，描述了固液相變?nèi)剂虾腿剂舷嘧兿到y(tǒng)的技術(shù)特征，闡述了表征該型發(fā)動(dòng)機(jī)特有的指標(biāo)體系，并開展了初步的地面試驗(yàn)研究。固液相變發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖如圖1所示。

圖1 固液相變?nèi)剂蠜_壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of solid-liquid phase change fuel ramjet

1 固液相變?nèi)剂?/h2>

直鏈烷烴(CnH2n+2,n>20)常溫下為固態(tài)，加熱熔化相變后為液體，這種相變?nèi)剂吓c傳統(tǒng)航空煤油相比，具有密度更高的特征，適用于對裝填體積有嚴(yán)格限制的發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，直鏈烷烴熔化后黏度迅速下降，其流變特性與傳統(tǒng)航空煤油接近，具有易于輸送和霧化的特點(diǎn)，可避免凝膠燃料霧化難度大的問題[10]。在目前的研究中，選用易得性較好的直鏈烷烴開展研究工作。相變?nèi)剂戏N類繁多，不同的相變?nèi)剂暇哂胁煌奶匦裕ㄎ锢硖匦?，如相變點(diǎn)、熱容、相變潛熱、黏度系數(shù)等，以及化學(xué)特性，包括燃燒溫度、著火點(diǎn)、熱值、閃點(diǎn)等。相變?nèi)剂系倪x取決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用狀態(tài)，也影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的推力等性能參數(shù)。單一成分的相變?nèi)剂嫌袝r(shí)很難滿足發(fā)動(dòng)機(jī)所需的諸多特性，因而相變?nèi)剂线x取多種成分構(gòu)成的混合燃料，所選取的相變?nèi)剂现锌梢园袠O性溶劑添加劑、高能碳?xì)浠衔铩⒓{米顆粒等成分，根據(jù)需要可以選擇其中部分組分。如果從成本考慮，可以只選直鏈烷烴和極性溶劑添加劑。如果擬提高燃料密度或燃料體積熱值可以添加一定比例的高能碳?xì)淙剂?，也可以加入一定比例的金屬微粒，如納米鋁或納米硼等。

通過添加固體粉末顆粒的方法能夠提升燃料的能量水平，但是這種方法一般不適用于液體燃料，這是由于固體顆粒容易形成沉降、團(tuán)聚，長時(shí)間放置下液體燃料將變得難以使用；而固液相變?nèi)剂显诖娣艜r(shí)為固體，不會(huì)發(fā)生固體顆粒沉降的問題，因而具有一定的優(yōu)勢。

2 驅(qū)動(dòng)燃料相變系統(tǒng)

燃料相變系統(tǒng)的作用是通過能量的饋入使固液相變?nèi)剂嫌晒腆w轉(zhuǎn)化為液體，本研究通過微波加熱的形式實(shí)現(xiàn)能量的饋入。微波加熱是利用微波形成場致效應(yīng)，在三維空間中對固液相變?nèi)剂线M(jìn)行加熱，這種加熱方式屬于體加熱，在一定的空間范圍內(nèi)形成較為均勻的加熱，提高了加熱效率。加熱所用的波導(dǎo)口放置在燃料儲(chǔ)箱壁上，并不會(huì)占用儲(chǔ)箱內(nèi)燃料空間位置，因而對總體性能影響較小。通過增加單個(gè)波導(dǎo)口功率或增加波導(dǎo)口數(shù)量，能夠較大提升微波輸入的功率。

如果要采用高效的驅(qū)動(dòng)相變方式，微波輻射加熱是一個(gè)很好的選擇，但烷烴類的燃料本身并不含極性，不能感應(yīng)微波場致作用，因而需要其他極性分子作為微波吸收介質(zhì)，并且這些極性分子能夠和燃料形成均勻混合體系，使得微波場能夠較為均勻地加熱燃料。

采用的微波頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸相關(guān)，尺寸越大，所需微波的頻率越低，尺寸越小，所需使用的微波頻率越高。微波功率與發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸、燃料的質(zhì)量、要求的工作準(zhǔn)備時(shí)間相關(guān)。在目前的技術(shù)條件下，微波供應(yīng)設(shè)備由于體積和質(zhì)量限制，還只能作為地面設(shè)備使用。

3 表征固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)和參數(shù)

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)有一系列參數(shù)和指標(biāo)，表征發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和工作特性，如比沖、推力系數(shù)、總沖等等。由于固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)也是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，以上參數(shù)也同樣適用。除此之外，固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)還有自身的一些獨(dú)特的參數(shù)指標(biāo)，通過比較這些指標(biāo)和參數(shù)，就能夠了解該固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性，以及工作的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)體系主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)相變效率，相變溫度區(qū)間，工作溫度，燃料黏度系數(shù)，工作準(zhǔn)備時(shí)間，燃料相變潛熱，極性物質(zhì)的體積熱值。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)相變效率

發(fā)動(dòng)機(jī)相變效率表征了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)相變?nèi)剂嫌晒腆w轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的快慢程度。影響燃料相變過程的因素包括初始溫度、燃料相變特性以及相變系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率等，當(dāng)初始溫度一致時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)相變效率與燃料相變特性和相變系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)相變效率越高，燃料越容易由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這代表發(fā)動(dòng)機(jī)由存儲(chǔ)過程進(jìn)入工作過程的能力，可描述為單位功率下單位質(zhì)量的燃料從室溫達(dá)到液體工作溫度的時(shí)間。

在不考慮系統(tǒng)與外界的熱交換和儲(chǔ)箱本身溫升的情況下，根據(jù)能量守恒定律可以得到：

(1)

式中：W為微波系統(tǒng)的輸入功率；η為相變效率；t為時(shí)間；T為溫度；Ti為初始溫度；Tg為目標(biāo)溫度；Tm為燃料的熔點(diǎn)；m為燃料的質(zhì)量；Cs和Cl分別為燃料固態(tài)和液態(tài)狀態(tài)下的比熱容；Cm為相變潛熱。

3.2 相變溫度區(qū)間

由于相變?nèi)剂隙酁榛旌衔?，燃料的相變溫度存在一個(gè)區(qū)間范圍。在固液相變發(fā)動(dòng)機(jī)中，相變?nèi)剂系南嘧儨囟葏^(qū)間是一個(gè)非常重要的參數(shù)。相變溫度越高，需要吸收的熱量越多，相變?nèi)剂显诫y以達(dá)到工作狀態(tài)。因而，對于不同的溫度環(huán)境，本文主張采用不同相變溫度區(qū)間的燃料，例如在南極和北極，氣溫相對較低，使用的相變?nèi)剂系南嘧儨囟葏^(qū)間相對應(yīng)較低；在赤道地區(qū)，氣溫相對較高，選用的相變?nèi)剂系南嘧儨囟葏^(qū)間相對較高。

3.3 工作溫度

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度受到燃料相變溫度區(qū)間的影響，通常應(yīng)高于燃料的最高相變溫度，這時(shí)燃料已經(jīng)由固態(tài)完全轉(zhuǎn)化為液態(tài)，并且在這一溫度下，燃料具有較好的流動(dòng)性。但是，工作溫度也不能過高，過高的工作溫度將會(huì)使燃料的其他特性下降，如納米顆粒的快速沉降，可能導(dǎo)致燃料供應(yīng)過程中的堵塞。因此，對于確定的固液相變?nèi)剂?，還需要根據(jù)具體工作環(huán)境確定工作溫度區(qū)間。

3.4 燃料黏度系數(shù)

由于相變?nèi)剂瞎ぷ鲿r(shí)為液態(tài)，需要由管路輸送到噴嘴，再噴入到燃燒室中，燃料的黏度系數(shù)決定著燃料的輸運(yùn)過程。

3.5 工作準(zhǔn)備時(shí)間

工作準(zhǔn)備時(shí)間是指發(fā)動(dòng)機(jī)中相變?nèi)剂嫌晒腆w轉(zhuǎn)化為液體達(dá)到工作溫度的時(shí)間，和相變效率成反比。相變效率越高，工作準(zhǔn)備時(shí)間越短，反之則越長。

從式(1)可以看出，工作準(zhǔn)備時(shí)間與相變效率、相變前后溫度、燃料比熱容、相變潛熱等多種因素相關(guān)。

在一個(gè)儲(chǔ)箱內(nèi)進(jìn)行了工作準(zhǔn)備時(shí)間測試。測試使用了6.4 kg燃料，2 kW輸出的S波段微波源。試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù)和有效功率數(shù)據(jù)。燃料的溫升與有效功率曲線可見圖2。圖2中Tf為燃料溫度，We為微波有效功率。從圖中可以看出在18 min左右可以完成燃料相變，相變溫度在50～55 ℃之間，24 min時(shí)溫度上升到100 ℃。試驗(yàn)期間有效功率會(huì)隨著燃料狀態(tài)變化而波動(dòng)。

圖2 燃料溫升與微波有效功率的變化曲線Fig.2 Variation curves of fuel temperature rise and effective power of microwave

3.6 燃料相變潛熱

相變潛熱是指單位質(zhì)量的物質(zhì)在等溫等壓情況下，從一個(gè)相變化到另一個(gè)相吸收或放出的熱量。固液相變的潛熱又稱為熔解熱(或凝固熱)。相變潛熱的大小決定著相間轉(zhuǎn)變過程中需要吸收的熱量，相變潛熱越大，完成相變所需能量越多。

3.7 極性物質(zhì)的體積熱值

在當(dāng)前的微波加熱方式下，需要加入極性物質(zhì)以提高相變效率，極性物質(zhì)越多，相變效率越高。如果極性物質(zhì)的體積熱值過低，將拉低固液相變?nèi)剂系恼w性能。如何獲得較大體積熱值的極性物質(zhì)，在高效相變條件下維持燃料的高能特性，是固液相變?nèi)剂系囊粋€(gè)重要指標(biāo)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

試驗(yàn)在直連試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行，直連試驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣源、加熱器、穩(wěn)流艙、限流噴管以及測控裝置組成，可按發(fā)動(dòng)機(jī)工況要求提供確定流量和總溫的空氣。其中加熱器為煤油加熱器，將來流加熱到工況要求的總溫；穩(wěn)流艙用于改善氣流品質(zhì)；限流噴管控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量。根據(jù)固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)主要由連管進(jìn)氣道、增壓氣源、燃料貯箱、微波加熱系統(tǒng)、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、點(diǎn)火器、燃燒室等組成。該樣機(jī)的主要特征如下：

1) 空氣的流動(dòng)特征

試驗(yàn)樣機(jī)中空氣的流動(dòng)特征與常規(guī)亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相同：空氣通過直連系統(tǒng)的限流噴管，以超聲速狀態(tài)進(jìn)入試驗(yàn)樣機(jī)的連管進(jìn)氣道，在連管進(jìn)氣道內(nèi)減速增壓，以亞聲速狀態(tài)進(jìn)入燃燒室。

2) 燃料的固液相變

樣機(jī)中固液相變?nèi)剂先刍枘芰坑晌⒉訜嵯到y(tǒng)提供。在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，首先由微波加熱系統(tǒng)，通過燃料貯箱上的能量饋入窗口實(shí)現(xiàn)燃料的熔化。

3) 熔化后燃料的供應(yīng)

熔化后燃料的供應(yīng)由增壓氣源、燃料貯箱內(nèi)活塞以及輸送管路實(shí)現(xiàn)，具體流程為：設(shè)定壓強(qiáng)的增壓氣體進(jìn)入燃料貯箱，推動(dòng)活塞，活塞擠壓燃料，使燃料通過輸送管路和噴嘴進(jìn)入燃燒室。

4.2 地面試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

在連管試驗(yàn)臺(tái)完成了試驗(yàn)樣機(jī)沖壓試驗(yàn)，其中來流流量為4.5 kg/s，來流總溫為624 K。采用的相變?nèi)剂厦芏燃s為0.77 g/mL(80 ℃)，熱值為46.7 kJ/g,相變溫度區(qū)間為52～58 ℃。燃料質(zhì)量為5 kg,相變時(shí)間為25 min。在來流和燃料相變準(zhǔn)備完畢后，將燃料輸送到燃燒室并進(jìn)行霧化，由高能電點(diǎn)火器進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，圖3給出了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的燃燒室靜壓、推力和總溫曲線。其中P為燃燒室靜壓；F為發(fā)動(dòng)機(jī)推力；T*為燃燒室總溫。由試驗(yàn)曲線可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火正常且工作穩(wěn)定；在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作階段，燃燒室靜壓平均值為0.358 MPa，推力平均值為4 850 N，燃燒室總溫最高達(dá)到2 085 K。

考慮到燃燒室靜壓的測量精度最高，采用燃燒室靜壓平均值進(jìn)行了設(shè)計(jì)飛行狀態(tài)(高度為10 km、馬赫數(shù)Ma=3)下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算。具體過程為：由燃燒室靜壓結(jié)合補(bǔ)燃室結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算總壓為0.431 MPa，根據(jù)式(2)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)高度推力。

(2)

圖3 沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.3 Curves of test results of ramjet

5 固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用前景分析

初步研究認(rèn)為固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相對于固體和液體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 相對于固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)貯存時(shí)燃料為固態(tài)，沒有爆炸風(fēng)險(xiǎn)，安全性更好；在工作時(shí)為液態(tài)，比沖高，流量易于精確調(diào)節(jié)；可通過吸熱傳導(dǎo)采用主動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)。

2) 相對于液體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間貯存時(shí)，沒有燃料泄漏風(fēng)險(xiǎn)，不揮發(fā)，不腐蝕。相變?nèi)剂嫌捎谫A存時(shí)呈固態(tài)，僅在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)為液態(tài)，因此在燃料中摻入其他高能固態(tài)顆粒時(shí)，對抗沉降性能要求較低。燃料僅在使用前完成相變，安全性更好。

3) 相對于固體燃料和液體燃料，已有相變?nèi)剂檄h(huán)保無毒，獲取成本低，來源廣泛。

4) 相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃料主動(dòng)加熱技術(shù)，可以適應(yīng)極低環(huán)境溫度。

5) 與固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃料與殼體或包覆層不存在脫粘問題，能提高可靠性和存放壽命。

相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相對于固體和液體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，目前存在以下缺點(diǎn)：

1) 燃料從貯存的固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鲿r(shí)的液態(tài)需要一定的時(shí)間，該時(shí)間影響發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)射，即不能像固體發(fā)動(dòng)機(jī)那樣立即發(fā)射，但可提前進(jìn)行準(zhǔn)備，也可通過提高功率縮短相變時(shí)間。

2) 現(xiàn)有相變用微波設(shè)備體積和質(zhì)量較大，需要外接電源供應(yīng)，目前的系統(tǒng)僅適用于地面設(shè)備，正在開展適合機(jī)載裝置的相變設(shè)備小型化研究。

6 結(jié) 論

本文提出了固液相變沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的新概念，通過地面試驗(yàn)認(rèn)為原理可行，所采用的相變?nèi)剂闲阅芰己?、安全性高、耐低溫、成本低且容易獲得。鑒于上述特點(diǎn)，將固液相變?nèi)剂夏Ｊ酵茝V應(yīng)用到其他類型的發(fā)動(dòng)機(jī)上值得進(jìn)一步研究。