超聲速燃燒地面試驗(yàn)的蓄熱式加熱器及其關(guān)鍵技術(shù)

李龍飛，王延濤，楊偉東，洪 流

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

0 引言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需要進(jìn)行地面試驗(yàn)，研制成功與否取決于是否充分模擬超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，從而使地面數(shù)據(jù)庫(kù)的基本數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地與飛行數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。直連試驗(yàn)系統(tǒng)和自由射流試驗(yàn)系統(tǒng)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面的主要技術(shù)途徑，兩者均需要提供能模擬高超聲速飛行狀態(tài)的高焓、高壓、高馬赫數(shù)和氣體組分的來(lái)流（簡(jiǎn)稱模擬來(lái)流）。為了模擬來(lái)流的焓值通常采用加熱器加熱氣流，并保證試驗(yàn)氣體中氧氣的體積組分與空氣中的一致。加熱方式有多種，如電阻加熱、電弧加熱、燃燒加熱、激波加熱和蓄熱式加熱等[1]。在這些加熱方式中，連續(xù)式電阻加熱器能提供純凈來(lái)流空氣，但空氣一般只能加熱到總溫1 000 K左右，在高超音速中使用受到很大限制。電弧加熱、燃燒加熱產(chǎn)生的氣體總存在一定污染。因此，加熱方式成為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。本文比較了幾種典型的加熱方式，重點(diǎn)介紹蓄熱式加熱器的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)及突破途徑，為我國(guó)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。

1 加熱方式及對(duì)比

高超音速風(fēng)洞和推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備在通過(guò)設(shè)備噴管膨脹前需要對(duì)氣流進(jìn)行加熱，模擬出真實(shí)氣體條件和化學(xué)效應(yīng)是很重要的。雖然有很多新技術(shù)，但目前最實(shí)際和常用的加熱方法仍然是：1）電弧加熱器；2）燃燒加熱器；3）蓄熱加熱器。

電弧加熱的基本原理是高壓直流電弧對(duì)一個(gè)高壓腔內(nèi)氣流的放電產(chǎn)生能量，通過(guò)電弧的輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流等將能量傳遞給冷空氣，產(chǎn)生高溫氣流。其顯著特點(diǎn)是，加熱后的溫度可以達(dá)到3 000-10 000 K，能模擬8-20的飛行馬赫數(shù)范圍，并且可以提供相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)運(yùn)行能力。電弧加熱器產(chǎn)生的氣流溫度最高，但存在很大的組分污染，尤其是氮氧化合物。文獻(xiàn) [2]的研究表明，在馬赫數(shù)8時(shí)，氮氧化物（NOX）的摩爾百分比濃度高達(dá)3.5%。此外，電弧加熱器的運(yùn)行時(shí)間受電極壽命和電源的限制。其中，分段式加熱器的電極壽命為幾分鐘級(jí)，Huels型加熱器可能達(dá)到30分鐘（取決于電流）。在電極退化的過(guò)程中，銅將從電極中脫落，造成銅污染。在大功率運(yùn)行時(shí)，電源過(guò)熱也是個(gè)問(wèn)題。

燃燒加熱是利用燃燒型加熱器燃燒一定量的燃料，如氫、甲烷、酒精和煤油等提供熱量，并進(jìn)行補(bǔ)氧，從而保證產(chǎn)生的氣流中氧氣含量與空氣中相同。燃燒加熱方式可以提供至少馬赫數(shù)8.0甚至更高的加熱能力，但燃燒產(chǎn)物中含有H2O，CO2，CO等組分，模擬的氣流需要補(bǔ)氧，其物理特性實(shí)際上也不等同空氣。氫燃燒加熱器可將氣體加熱到2 600 K，但試驗(yàn)氣體中含有一定量的H2O，O，H，OH和NO等，如采用氣氫燃料燃燒加熱氣流至1 200 K，水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)13%。煤油燃燒加熱器可將氣流加熱到約2 300 K，但存在H2O，CO2，CO等。文獻(xiàn) [3]給出了不同燃料燃燒加熱的污染成分（見(jiàn)表1）。

表1 不同燃料燃燒加熱的污染成分（%）Tab.1 Contamination component content in combustion heating process of different fuels

這些燃燒產(chǎn)物對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生熱力和化學(xué)作用，且已經(jīng)影響雙模超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行、降低超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力、改變自動(dòng)點(diǎn)火方式、影響可操作性。文獻(xiàn) [4]對(duì)純凈空氣和燃燒加熱有污染氣流進(jìn)行對(duì)比，研究表明，與實(shí)際飛行相比，在燃燒加熱器模擬下超音速到雙模態(tài)的轉(zhuǎn)換發(fā)生于更高的油氣比。文獻(xiàn) [5]研究了污染空氣對(duì)氫燃料超聲速燃燒室性能的影響，結(jié)果表明，H2O，CO2或H2O+CO2組合污染對(duì)燃燒誘導(dǎo)壓升產(chǎn)生了明顯的非線性抑制影響。

在模擬較高馬赫數(shù)（Ma≥8）的飛行試驗(yàn)中，也可采用激波加熱設(shè)備。例如，NASA在Hyper-X項(xiàng)目中，對(duì)X-43A進(jìn)行馬赫數(shù)10的推進(jìn)試驗(yàn)是在阿連特GSAL的HYPULSE設(shè)備中進(jìn)行。該類(lèi)設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生燃燒加熱產(chǎn)物，但是激波加熱過(guò)程中會(huì)在空氣中產(chǎn)生微量NO等產(chǎn)物，對(duì)燃燒效果有影響；此外，激波加熱試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間也很短，一般5～30 ms，在如此短的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間下，無(wú)法確定是否充分模擬了熱喉道和邊界層分離的進(jìn)展情況。

為了獲得相對(duì)純凈的空氣，國(guó)內(nèi)外不斷發(fā)展各種新的加熱設(shè)備，如表2。

表2 相對(duì)純凈空氣的加熱方式Tab.2 Heating modes of relatively clean air

美國(guó)、日本均建成了空心磚蓄熱式加熱器，運(yùn)行結(jié)果表明，這種加熱方式運(yùn)行穩(wěn)定，粉塵污染極低，能很好地滿足試驗(yàn)需求，是我國(guó)研究高超聲速燃燒地面設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。

2 蓄熱式加熱器

2.1 工作原理與特點(diǎn)

蓄熱式加熱器的剖面示意圖見(jiàn)圖1，主要包括蓄熱陣、隔熱層、外殼壓力容器以及燃燒加熱器及相應(yīng)的配套附件等。其工作過(guò)程分為三個(gè)階段：1）預(yù)熱階段：用常規(guī)熱源（如天然氣燃燒器）來(lái)產(chǎn)生熱量，燃?xì)馔ㄟ^(guò)蓄熱陣并將熱量?jī)?chǔ)存于蓄熱陣中。這一階段蓄熱陣中壓力較低，一般小于1 MPa；工作時(shí)間很長(zhǎng)，一般4～8 h。2）增壓階段：待蓄熱陣熱量滿足要求后，燃燒加熱器停止工作，高壓冷空氣從空氣進(jìn)口進(jìn)入蓄熱陣，向蓄熱陣增壓。3）超燃試驗(yàn)階段：打開(kāi)位于出口隔熱襯后的高溫閥（圖1未示出），熱量又從蓄熱材料中釋放出來(lái)，傳遞給冷態(tài)空氣，升溫后向設(shè)備噴管供應(yīng)并膨脹至目標(biāo)馬赫數(shù)。

純凈空氣與蓄熱陣通過(guò)對(duì)流換熱得到快速升溫，加熱為純物理過(guò)程，沒(méi)有給氣流引入化學(xué)變化。因此，它能提供相對(duì)純潔的高焓空氣來(lái)流。

早期的蓄熱式加熱器多采用球卵石作為蓄熱體，加熱溫度最高可達(dá)2 200 K，但缺點(diǎn)除起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)外，在使用過(guò)程中存在相當(dāng)嚴(yán)重的粉塵污染和卵石漂浮問(wèn)題。這是因?yàn)闊釕?yīng)力水平高、相鄰卵石之間具有很高的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸碰撞載荷和磨損，導(dǎo)致卵石變形、破損、粉塵生成和蓄熱陣緊縮等。目前，蓄熱體使用最多的是空心磚型，由各種尺寸的空心高溫陶瓷耐火磚垂直堆砌而成?？招拇u塊在蓄熱陣中形成若干緊密相間、均勻和豎直的平行通孔，燃?xì)夂捅患訜釟饬鲗倪@些通孔通過(guò)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

空心磚型蓄熱式加熱器具備加熱溫度高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但這種加熱方式目前在技術(shù)上也存在一些挑戰(zhàn)。

1）蓄熱材料。

蓄熱式加熱器的蓄熱材料必須滿足以下要求：致密性、高熱容和良好的導(dǎo)熱特性；在高溫下具有足夠的強(qiáng)度以支撐大的重量；具有低的熱膨脹系數(shù)，能容忍快速傳熱導(dǎo)致的熱應(yīng)力作用而不發(fā)生散裂或破壞。此外，經(jīng)濟(jì)性要好。蓄熱材料首選材料為兩種：一是高純氧化鋁陶瓷，它具有耐高溫、強(qiáng)度大、抗熱震性好、比熱容高、化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但使用溫度在2 000 K以下；二是氧化鋯陶瓷，它具有使用溫度高、揮發(fā)性低的特點(diǎn)，但存在晶相結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問(wèn)題。通過(guò)添加適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定劑可以獲得完全穩(wěn)定或者部分穩(wěn)定的氧化鋯材料。

2）蓄熱陣設(shè)計(jì)技術(shù)

蓄熱陣的設(shè)計(jì)包括材料選擇、蓄熱陣幾何設(shè)計(jì)、熱性能和熱應(yīng)力分析?；诩訜崞魇褂脺囟冗x擇適當(dāng)?shù)男顭岵牧?，以換熱性能為目標(biāo)，以蓄熱量為標(biāo)準(zhǔn)，以熱應(yīng)力破壞為限制因素進(jìn)行蓄熱陣幾何設(shè)計(jì)，難點(diǎn)和關(guān)鍵在于熱應(yīng)力分析。熱應(yīng)力考慮的目的是，預(yù)測(cè)加熱器運(yùn)行過(guò)程（包括加熱和冷卻）中空心磚蓄熱床的熱應(yīng)力水平，評(píng)估材料的抗張強(qiáng)度，保證蓄熱陣的安全、可靠工作。蓄熱陣的應(yīng)力分析相當(dāng)復(fù)雜，存在種種不確定的影響因素。文獻(xiàn) [6]給出了一個(gè)工程實(shí)用的空心磚熱應(yīng)力預(yù)測(cè)模型，并建議在熱應(yīng)力分析預(yù)測(cè)中，考慮到各種不確定因素，安全因子不小于2。

3）超高溫開(kāi)關(guān)閥

超高溫閥工作在1 800 K，5 MPa以上的高溫高壓環(huán)境，工作條件極為惡劣。研制的難點(diǎn)在于高溫富氧環(huán)境下的閥門(mén)燒蝕和氧化，溫差較大可能使得閥門(mén)結(jié)構(gòu)變形和密封失效。此外，由于蓄熱器可能存在一定量的粉塵或固體顆粒，還需要考慮高溫部件的抗沖刷。高溫閥的首選形式是截止閥（如圖2所示），需要重點(diǎn)考慮的是熱載承受部位的冷卻結(jié)構(gòu)、高溫高壓的密封設(shè)計(jì)。

4）大范圍調(diào)節(jié)預(yù)熱燃燒器

預(yù)熱燃燒器為蓄熱床提供熱源，一般分兩步完成：首先是長(zhǎng)時(shí)間小流量將蓄熱陣加熱至一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)；然后是大流量快速加熱，在蓄熱陣自上而下形成恒溫段和斜坡段（如圖3所示）。預(yù)熱燃燒器的技術(shù)難點(diǎn)在于：具有大范圍流量調(diào)節(jié)的能力；燃?xì)饬魉俦M可能低，流場(chǎng)均勻以及高溫下的可靠冷卻。

3 結(jié)論

1）蓄熱材料、蓄熱陣設(shè)計(jì)技術(shù)、超高溫閥和預(yù)熱燃燒器等是蓄熱式加熱器研制的主要難點(diǎn)，也是當(dāng)前亟待解決的工程問(wèn)題。

2）在蓄熱式加熱器研制時(shí)需結(jié)合我國(guó)陶瓷材料的水平，充分借鑒國(guó)外的設(shè)計(jì)、建設(shè)與使用經(jīng)驗(yàn)，研制初期重點(diǎn)研究純剛玉陶瓷材料的性能，完成Ma 6的蓄熱陣加熱器。

[1]約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室編.沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(下冊(cè))[M].李存杰,司徒明,譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1980.

[2]ROGERS R C.Effects of test facility contaminants on supersonic hydrogen-air diffusion flames[C]//Proceedings of 23rd JANNAF Combustion Meeting.Tipo de recurso:Johns Hopkins University,1986:377-390.

[3]PELLETT Gerald.Review of air vitiation effects on scramjet ignition and flameholding combustion processes,AIAA-2002-3880[R].USA:AIAA,2002.

[4]MCDANIEL J C,Jr.,KRAUSS R H.Test gas vitiation effects in a dual-mode combustor,AIAA-2003-6960[R].USA:AIAA,2003.

[5]羅飛騰,宋文艷,劉昊.污染空氣對(duì)氫燃料超聲速燃燒室性能的影響[J].推進(jìn)技術(shù),2010,31(4):401-405.

[6]HEDRICK W S,DECOURSIN D G.Storage heater design study for the hypersonic true temperature tunnel,AEDCTDR-64-48(AD442305)[R].[S.l.]:Fluidyne Engineering Corp.,1964.