■ 董芃呈 / 中國航發(fā)研究院 唐海龍 陳敏 / 北京航空航天大學

推進技術(shù)是高超聲速空天飛行器的核心關(guān)鍵技術(shù)。多循環(huán)耦合預冷發(fā)動機能夠破解高超聲速條件下的極高空氣來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)動機的材料、結(jié)構(gòu)耐受及穩(wěn)定工作的極限，但其中也蘊含著可觀的能量。采用預先冷卻技術(shù)，能夠通過換熱、射流等手段降低發(fā)動機進口的氣流溫度；采用能量管理技術(shù)，能夠利用冷源及換熱介質(zhì)，通過合適的循環(huán)設(shè)計，有效利用包括高速來流的動能在內(nèi)的多種能量，同時優(yōu)化各部件熱管理。

圖1 ATREX-500基本工作原理示意

高超聲速預冷發(fā)動機分類

根據(jù)實現(xiàn)預先冷卻的方式，預冷發(fā)動機主要可以劃分為射流式和預冷器式兩類。射流式預冷發(fā)動機是通過在發(fā)動機進口直接噴入冷卻介質(zhì)的方式實現(xiàn)預先冷卻；預冷器式預冷發(fā)動機是基于冷卻介質(zhì)與發(fā)動機進口空氣之間的高性能換熱系統(tǒng)實現(xiàn)預先冷卻。預冷器式預冷發(fā)動機又可以根據(jù)循環(huán)特征，進一步分為單一循環(huán)和多循環(huán)耦合兩類。

射流式預冷發(fā)動機

射流式預冷發(fā)動機以美國MSE技術(shù)公司的射流式預冷-渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機（MIPCC- TBCC）為代表，其冷卻介質(zhì)為水、液態(tài)空氣、液氧、N2O4等。試驗研究表明，射流預冷可使由F100發(fā)動機改型而來的試驗機，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到馬赫數(shù)（Ma）3.5。但射流會引起發(fā)動機進口氣流總溫、總壓畸變及壓力損失，水等冷卻介質(zhì)的注入可能導致含氧量的下降，進而需要在燃燒前額外添加氧化劑。

北京航空航天大學研究團隊通過數(shù)值模擬方法研究指出，射流預冷能夠在現(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，幫助實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換過程中發(fā)動機推力的平穩(wěn)過渡，同時可以優(yōu)化這一過程中的燃油經(jīng)濟性。上述研究證明了預先冷卻技術(shù)對拓展發(fā)動機工作范圍和提升高速性能的作用；也證明了射流式預冷技術(shù)對發(fā)動機（特別是TBCC）性能改善的有效性和可行性。

單一循環(huán)預冷器式發(fā)動機

在單一循環(huán)的預冷發(fā)動機中，除燃料外只有空氣一種循環(huán)工質(zhì)，低溫燃料同時作為推進劑和冷卻介質(zhì)，此類發(fā)動機以膨脹循環(huán)空氣渦輪沖壓發(fā)動機(Air Turbo Ramjet Engine with Expander Cycle，ATREX）為代表。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）從1986年開始開展ATREX的研制，進行了包括原理設(shè)計、防冰、先進材料技術(shù)，以及換熱器、氫渦輪核心部件研制等一系列工作。ATREX通過氫燃料和來流之間的換熱，降低進口空氣總溫；利用被加熱后的高溫氫驅(qū)動渦輪，帶動壓氣機對空氣進行壓縮；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進行了地面測試，在超聲速風洞中測試了模式轉(zhuǎn)換閥、進氣道等部件的特性。2008年，ATREX縮比驗證機S-Engine通過高空氣球投放的方式進行了Ma 2飛行試驗，對變幾何進氣道和噴管的性能進行了驗證。2016年，ATREX發(fā)動機進行了Ma 4風洞試驗，試驗結(jié)果顯示該發(fā)動機進氣道、各級燃燒室及噴管的工作狀態(tài)之間的復雜耦合關(guān)系。

俄羅斯深度冷卻的空氣渦輪（Deeply Cooled Air Turborocket，ATRDC）發(fā)動機也屬于單一循環(huán)預冷發(fā)動機，面臨和ATREX相似的材料脆裂的可靠性問題；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。這些問題是單一循環(huán)預冷發(fā)動機普遍面臨的技術(shù)制約。

圖2 “佩刀”發(fā)動機原理簡圖和結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 多循環(huán)耦合預冷發(fā)動機基本原理及結(jié)構(gòu)示意

多循環(huán)耦合預冷發(fā)動機

在多循環(huán)耦合的預冷發(fā)動機中，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)耦合預冷發(fā)動機主要以“彎刀”（Scimitar）和“佩刀”（SABRE）發(fā)動機為代表。相較于單一循環(huán)預冷發(fā)動機，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，預冷器（氦-空氣換熱器）對空氣進行預先冷卻，通過氦-氫換熱器實現(xiàn)循環(huán)放熱過程，再由氦渦輪驅(qū)動空氣壓氣機和氦壓縮機?！皬澋丁卑l(fā)動機利用氦良好的熱、功傳遞性能，安全、低腐蝕的特點和閉式循環(huán)內(nèi)部潔凈的優(yōu)勢，在安全性、可靠性方面比單一循環(huán)預冷發(fā)動機更具優(yōu)勢。“佩刀”發(fā)動機（如圖2所示）采用類似的循環(huán)設(shè)計，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，在工作機理、部件設(shè)計及制造、發(fā)動機控制等方面仍存在較多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。

多循環(huán)耦合預冷發(fā)動機總體性能

多循環(huán)耦合預冷發(fā)動機（如圖3所示）是具有單涵道、雙涵道兩種工作模態(tài)，包含空氣開式循環(huán)、超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)等多個子系統(tǒng)的復雜動力系統(tǒng)。在高速飛行條件下，通過預先冷卻過程，空氣來流總溫大幅下降，總壓也得以進一步增加；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)動對空氣的增壓；該發(fā)動機除通過預先冷卻實現(xiàn)高速條件下的良好性能外，還通過采用雙涵道模態(tài)，改善了發(fā)動機低速條件下的性能，以獲得適應(yīng)寬速域內(nèi)的工作能力。發(fā)動機典型工作狀態(tài)空氣開式循環(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)動機空氣開式循環(huán)、超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)、低溫燃料流路的工作產(chǎn)生了緊密而復雜的耦合關(guān)系（如圖6所示）?；谶@一多循環(huán)耦合復雜系統(tǒng)的技術(shù)特征，該發(fā)動機得以兼顧高飛行速度條件下的部件熱防護和發(fā)動機各能量來源的綜合利用與管理。但同時，復雜的耦合也使得各設(shè)計參數(shù)之間存在著強烈的相互影響和制約的關(guān)系，各主要設(shè)計參數(shù)的選取顯著影響發(fā)動機在設(shè)計工作點的性能及相關(guān)部件的設(shè)計。因此，在設(shè)計參數(shù)選取過程中，須綜合考慮性能、經(jīng)濟性、技術(shù)可實現(xiàn)性，特別是兩個設(shè)計工作點（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)是這一機理的核心，而空氣壓氣機是連結(jié)空氣開式循環(huán)、超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)兩個子系統(tǒng)，以及聯(lián)系發(fā)動機雙設(shè)計點設(shè)計過程的核心部件，其增壓能力直接左右發(fā)動機的推力、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。發(fā)動機總體性能設(shè)計對空氣壓氣機跨度較大（增壓比范圍為4.0～8.5∶1）的至少兩個工作點提出具體的性能需求，分別對應(yīng)于高超聲速巡航點和亞聲速巡航點（兩個工作點之間的關(guān)系及總體、部件迭代設(shè)計過程如圖7所示）。

圖4 高超聲速狀態(tài)空氣開式循環(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)耦合預冷發(fā)動機能量綜合管理機制焓—熵關(guān)系

圖7 工作點大跨度變化條件下的空氣壓氣機工作特點及設(shè)計過程

預冷器是發(fā)動機預先冷卻的技術(shù)特征的標志，是連接空氣開式循環(huán)、超臨界介質(zhì)閉式循環(huán)兩個子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。預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先冷卻效果及預冷器本身的設(shè)計之外，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。過大的空氣溫降雖然會小幅度提高推力，但同時會造成耗油率的升高，因此，對空氣來流的預先冷卻并不能一味求深，而應(yīng)折中設(shè)計，兼顧其對空氣壓氣機、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)耦合預冷發(fā)動機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)的壓縮和放熱過程分列在多個并行的支路內(nèi)進行，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)動機綜合性能，是多循環(huán)耦合預冷發(fā)動機的關(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，而冷卻劑僅對其中一個支路進行冷卻，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，以較少的低溫燃料消耗，實現(xiàn)了更為充分的冷卻效果，同時降低了壓氣機進口總溫水平、降低了壓氣機壓縮功耗。將該系統(tǒng)引入多循環(huán)耦合預冷發(fā)動機，能夠使超臨界介質(zhì)低壓壓氣機設(shè)計增壓比大幅匹配降低、發(fā)動機耗油率顯著優(yōu)化（5支路構(gòu)型下降低約40%），顯著改善發(fā)動機綜合性能和部件設(shè)計難度。

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

結(jié)束語

綜合以上研究需要指出的是，多循環(huán)耦合預冷發(fā)動機具有復雜的循環(huán)機理、流路設(shè)計以及支撐其所需的復雜結(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)計與優(yōu)化技術(shù)將是貫穿這一復雜構(gòu)型發(fā)動機研制過程的關(guān)鍵。多路并行壓縮放熱系統(tǒng)內(nèi)部流路設(shè)計、部件組成復雜，性能可行域限制嚴格，其性能、結(jié)構(gòu)及控制的設(shè)計與優(yōu)化是進一步發(fā)掘該系統(tǒng)及發(fā)動機性能潛力的關(guān)鍵?？諝鈮簹鈾C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)壓氣機流道尺寸極小，高性能旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計與制造技術(shù)是性能實現(xiàn)的關(guān)鍵。工質(zhì)之間的大規(guī)模能量交換對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)這些要求的換熱機理研究、換熱器設(shè)計及相關(guān)的材料與制造技術(shù)，是高效地實現(xiàn)發(fā)動機預先冷卻和能量管理的前提。該型發(fā)動機包含大量新構(gòu)型、新技術(shù)且具有突出的系統(tǒng)復雜性，探索提升其可靠性、維修性是該發(fā)動機由概念走向?qū)嵱玫谋Ｕ稀?/p>