■ 董芃呈 / 中國(guó)航發(fā)研究院 唐海龍 陳敏 / 北京航空航天大學(xué)

推進(jìn)技術(shù)是高超聲速空天飛行器的核心關(guān)鍵技術(shù)。多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)能夠破解高超聲速條件下的極高空氣來(lái)流總溫所引起的技術(shù)挑戰(zhàn)，是具有較高技術(shù)潛力的高超聲速動(dòng)力形式。

在高超聲速飛行條件下，極高的空氣滯止溫度超出了常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)耐受及穩(wěn)定工作的極限，但其中也蘊(yùn)含著可觀的能量。采用預(yù)先冷卻技術(shù)，能夠通過(guò)換熱、射流等手段降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的氣流溫度；采用能量管理技術(shù)，能夠利用冷源及換熱介質(zhì)，通過(guò)合適的循環(huán)設(shè)計(jì)，有效利用包括高速來(lái)流的動(dòng)能在內(nèi)的多種能量，同時(shí)優(yōu)化各部件熱管理。

圖1 ATREX-500基本工作原理示意

高超聲速預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)分類

根據(jù)實(shí)現(xiàn)預(yù)先冷卻的方式，預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)主要可以劃分為射流式和預(yù)冷器式兩類。射流式預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口直接噴入冷卻介質(zhì)的方式實(shí)現(xiàn)預(yù)先冷卻；預(yù)冷器式預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)是基于冷卻介質(zhì)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣之間的高性能換熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)先冷卻。預(yù)冷器式預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)又可以根據(jù)循環(huán)特征，進(jìn)一步分為單一循環(huán)和多循環(huán)耦合兩類。

射流式預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)

射流式預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)以美國(guó)MSE技術(shù)公司的射流式預(yù)冷-渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（MIPCC- TBCC）為代表，其冷卻介質(zhì)為水、液態(tài)空氣、液氧、N2O4等。試驗(yàn)研究表明，射流預(yù)冷可使由F100發(fā)動(dòng)機(jī)改型而來(lái)的試驗(yàn)機(jī)，在海平面高度的推力提升約1倍，在24700m高空的最大飛行速度達(dá)到馬赫數(shù)（Ma）3.5。但射流會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流總溫、總壓畸變及壓力損失，水等冷卻介質(zhì)的注入可能導(dǎo)致含氧量的下降，進(jìn)而需要在燃燒前額外添加氧化劑。

北京航空航天大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)值模擬方法研究指出，射流預(yù)冷能夠在現(xiàn)有技術(shù)水平下改善TBCC模式轉(zhuǎn)換狀態(tài)性能，拓展TBCC渦輪模塊工作范圍，提升模式轉(zhuǎn)換Ma，幫助實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)推力的平穩(wěn)過(guò)渡，同時(shí)可以優(yōu)化這一過(guò)程中的燃油經(jīng)濟(jì)性。上述研究證明了預(yù)先冷卻技術(shù)對(duì)拓展發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍和提升高速性能的作用；也證明了射流式預(yù)冷技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)（特別是TBCC）性能改善的有效性和可行性。

單一循環(huán)預(yù)冷器式發(fā)動(dòng)機(jī)

在單一循環(huán)的預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)中，除燃料外只有空氣一種循環(huán)工質(zhì)，低溫燃料同時(shí)作為推進(jìn)劑和冷卻介質(zhì)，此類發(fā)動(dòng)機(jī)以膨脹循環(huán)空氣渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(Air Turbo Ramjet Engine with Expander Cycle，ATREX）為代表。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）從1986年開(kāi)始開(kāi)展ATREX的研制，進(jìn)行了包括原理設(shè)計(jì)、防冰、先進(jìn)材料技術(shù)，以及換熱器、氫渦輪核心部件研制等一系列工作。ATREX通過(guò)氫燃料和來(lái)流之間的換熱，降低進(jìn)口空氣總溫；利用被加熱后的高溫氫驅(qū)動(dòng)渦輪，帶動(dòng)壓氣機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮；隨后氫和空氣混合燃燒，經(jīng)噴管排出產(chǎn)生推力。ATREX直接用氫作為工作介質(zhì)驅(qū)動(dòng)渦輪，在一定的高溫高壓條件下，可能出現(xiàn)材料脆裂現(xiàn)象，在可靠性方面存在隱患。2003年，ATREX-500進(jìn)行了地面測(cè)試，在超聲速風(fēng)洞中測(cè)試了模式轉(zhuǎn)換閥、進(jìn)氣道等部件的特性。2008年，ATREX縮比驗(yàn)證機(jī)S-Engine通過(guò)高空氣球投放的方式進(jìn)行了Ma 2飛行試驗(yàn)，對(duì)變幾何進(jìn)氣道和噴管的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。2016年，ATREX發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了Ma 4風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、各級(jí)燃燒室及噴管的工作狀態(tài)之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。

俄羅斯深度冷卻的空氣渦輪（Deeply Cooled Air Turborocket，ATRDC）發(fā)動(dòng)機(jī)也屬于單一循環(huán)預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，面臨和ATREX相似的材料脆裂的可靠性問(wèn)題；僅約1/2參與換熱的氫燃料被用于燃燒，造成了一定的燃料浪費(fèi)。這些問(wèn)題是單一循環(huán)預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)普遍面臨的技術(shù)制約。

圖2 “佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)原理簡(jiǎn)圖和結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)基本原理及結(jié)構(gòu)示意

多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)

在多循環(huán)耦合的預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)中，除了燃料和空氣以外，還額外增加了一種換熱介質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)，其工作原理的顯著特征為空氣開(kāi)式循環(huán)和換熱介質(zhì)閉式循環(huán)的緊密耦合。

多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)主要以“彎刀”（Scimitar）和“佩刀”（SABRE）發(fā)動(dòng)機(jī)為代表。相較于單一循環(huán)預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，其增加了以超臨界氦為工質(zhì)的閉式布萊頓（Brayton）循環(huán)。在閉式循環(huán)中，預(yù)冷器（氦-空氣換熱器）對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)先冷卻，通過(guò)氦-氫換熱器實(shí)現(xiàn)循環(huán)放熱過(guò)程，再由氦渦輪驅(qū)動(dòng)空氣壓氣機(jī)和氦壓縮機(jī)?！皬澋丁卑l(fā)動(dòng)機(jī)利用氦良好的熱、功傳遞性能，安全、低腐蝕的特點(diǎn)和閉式循環(huán)內(nèi)部潔凈的優(yōu)勢(shì)，在安全性、可靠性方面比單一循環(huán)預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)更具優(yōu)勢(shì)?！芭宓丁卑l(fā)動(dòng)機(jī)（如圖2所示）采用類似的循環(huán)設(shè)計(jì)，主要區(qū)別在于增加了以液氧為氧化劑的火箭工作模態(tài)，以適應(yīng)入軌飛行的需求。目前，相關(guān)研究主要集中在高性能換熱器技術(shù)方面，其中包含大量的新概念、新設(shè)計(jì)，在工作機(jī)理、部件設(shè)計(jì)及制造、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等方面仍存在較多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。

多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能

多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖3所示）是具有單涵道、雙涵道兩種工作模態(tài)，包含空氣開(kāi)式循環(huán)、超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)等多個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)。在高速飛行條件下，通過(guò)預(yù)先冷卻過(guò)程，空氣來(lái)流總溫大幅下降，總壓也得以進(jìn)一步增加；超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)子系統(tǒng)利用高溫氣流中的能量輸出功率，驅(qū)動(dòng)對(duì)空氣的增壓；該發(fā)動(dòng)機(jī)除通過(guò)預(yù)先冷卻實(shí)現(xiàn)高速條件下的良好性能外，還通過(guò)采用雙涵道模態(tài)，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)低速條件下的性能，以獲得適應(yīng)寬速域內(nèi)的工作能力。發(fā)動(dòng)機(jī)典型工作狀態(tài)空氣開(kāi)式循環(huán)、超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)焓—熵關(guān)系如圖4、圖5所示。

頻繁、大規(guī)模的能量傳遞與轉(zhuǎn)化，使該發(fā)動(dòng)機(jī)空氣開(kāi)式循環(huán)、超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)、低溫燃料流路的工作產(chǎn)生了緊密而復(fù)雜的耦合關(guān)系（如圖6所示）?；谶@一多循環(huán)耦合復(fù)雜系統(tǒng)的技術(shù)特征，該發(fā)動(dòng)機(jī)得以兼顧高飛行速度條件下的部件熱防護(hù)和發(fā)動(dòng)機(jī)各能量來(lái)源的綜合利用與管理。但同時(shí)，復(fù)雜的耦合也使得各設(shè)計(jì)參數(shù)之間存在著強(qiáng)烈的相互影響和制約的關(guān)系，各主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選取顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)工作點(diǎn)的性能及相關(guān)部件的設(shè)計(jì)。因此，在設(shè)計(jì)參數(shù)選取過(guò)程中，須綜合考慮性能、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性，特別是兩個(gè)設(shè)計(jì)工作點(diǎn)（高超聲速巡航工作狀態(tài)和亞聲速巡航工作狀態(tài)）相關(guān)參數(shù)之間的相互制約的關(guān)系。

超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)子系統(tǒng)是這一機(jī)理的核心，而空氣壓氣機(jī)是連結(jié)空氣開(kāi)式循環(huán)、超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)兩個(gè)子系統(tǒng)，以及聯(lián)系發(fā)動(dòng)機(jī)雙設(shè)計(jì)點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程的核心部件，其增壓能力直接左右發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、耗油率等性能參數(shù)（推力與其正相關(guān)，耗油率與其負(fù)相關(guān)），且是衡量超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)子系統(tǒng)功率輸出能力的指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)對(duì)空氣壓氣機(jī)跨度較大（增壓比范圍為4.0～8.5∶1）的至少兩個(gè)工作點(diǎn)提出具體的性能需求，分別對(duì)應(yīng)于高超聲速巡航點(diǎn)和亞聲速巡航點(diǎn)（兩個(gè)工作點(diǎn)之間的關(guān)系及總體、部件迭代設(shè)計(jì)過(guò)程如圖7所示）。

圖4 高超聲速狀態(tài)空氣開(kāi)式循環(huán)基本熱力循環(huán)焓—熵關(guān)系

圖5 超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)基本熱力循環(huán)焓—熵關(guān)系

圖6 多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)能量綜合管理機(jī)制焓—熵關(guān)系

圖7 工作點(diǎn)大跨度變化條件下的空氣壓氣機(jī)工作特點(diǎn)及設(shè)計(jì)過(guò)程

預(yù)冷器是發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)先冷卻的技術(shù)特征的標(biāo)志，是連接空氣開(kāi)式循環(huán)、超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)兩個(gè)子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。預(yù)冷器中空氣的溫降及其在高、低溫模塊中的分配，除直接影響空氣的預(yù)先冷卻效果及預(yù)冷器本身的設(shè)計(jì)之外，還顯著影響超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)的功率輸出能力和燃料消耗。過(guò)大的空氣溫降雖然會(huì)小幅度提高推力，但同時(shí)會(huì)造成耗油率的升高，因此，對(duì)空氣來(lái)流的預(yù)先冷卻并不能一味求深，而應(yīng)折中設(shè)計(jì)，兼顧其對(duì)空氣壓氣機(jī)、超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)子系統(tǒng)工作的影響。

圖8 用于多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的并行壓縮放熱系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)示意

多路并行壓縮放熱系統(tǒng)原理及性能

多路并行壓縮放熱系統(tǒng)將閉式布萊頓循環(huán)內(nèi)的壓縮和放熱過(guò)程分列在多個(gè)并行的支路內(nèi)進(jìn)行，在一定條件下，系統(tǒng)能夠有效提升冷卻效果，減少冷卻劑消耗、降低壓縮功耗，顯著優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能，是多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一。

該系統(tǒng)在工質(zhì)與冷卻劑間換熱的基礎(chǔ)上，增加了支路之間的換熱，而冷卻劑僅對(duì)其中一個(gè)支路進(jìn)行冷卻，較低溫的支路依次作為較高溫支路的“冷卻劑”。相較于傳統(tǒng)的單一流路串行構(gòu)型，該系統(tǒng)基于多支路并行的設(shè)計(jì)，以較少的低溫燃料消耗，實(shí)現(xiàn)了更為充分的冷卻效果，同時(shí)降低了壓氣機(jī)進(jìn)口總溫水平、降低了壓氣機(jī)壓縮功耗。將該系統(tǒng)引入多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠使超臨界介質(zhì)低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)增壓比大幅匹配降低、發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率顯著優(yōu)化（5支路構(gòu)型下降低約40%），顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能和部件設(shè)計(jì)難度。

支路數(shù)量的選取是該系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。較多支路數(shù)量的構(gòu)型設(shè)計(jì)，能夠使該系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)更加顯著，但在設(shè)計(jì)中同時(shí)應(yīng)考慮系統(tǒng)復(fù)雜性和換熱器質(zhì)量、尺寸增加的因素。在確定系統(tǒng)的支路數(shù)量時(shí)，還需結(jié)合不同構(gòu)型系統(tǒng)的性能可行域。此外，對(duì)于流量較小的情況，還需特別考慮較小流道尺寸條件下間隙效應(yīng)對(duì)部件性能的影響。

結(jié)束語(yǔ)

綜合以上研究需要指出的是，多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)具有復(fù)雜的循環(huán)機(jī)理、流路設(shè)計(jì)以及支撐其所需的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，總體性能、總體結(jié)構(gòu)及控制規(guī)律相結(jié)合的設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)將是貫穿這一復(fù)雜構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程的關(guān)鍵。多路并行壓縮放熱系統(tǒng)內(nèi)部流路設(shè)計(jì)、部件組成復(fù)雜，性能可行域限制嚴(yán)格，其性能、結(jié)構(gòu)及控制的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是進(jìn)一步發(fā)掘該系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)性能潛力的關(guān)鍵?？諝鈮簹鈾C(jī)需兼顧極寬范圍內(nèi)的高效工作、多路并行構(gòu)型下的超臨界介質(zhì)旋轉(zhuǎn)壓氣機(jī)流道尺寸極小，高性能旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是性能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。工質(zhì)之間的大規(guī)模能量交換對(duì)換熱器提出了極高功率、極大溫度范圍、高壓力、低損失、緊湊、輕質(zhì)的性能要求，適應(yīng)這些要求的換熱機(jī)理研究、換熱器設(shè)計(jì)及相關(guān)的材料與制造技術(shù)，是高效地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)先冷卻和能量管理的前提。該型發(fā)動(dòng)機(jī)包含大量新構(gòu)型、新技術(shù)且具有突出的系統(tǒng)復(fù)雜性，探索提升其可靠性、維修性是該發(fā)動(dòng)機(jī)由概念走向?qū)嵱玫谋Ｕ稀?/p>