超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻技術(shù)研究進(jìn)展

金 烜，沈赤兵，吳先宇，楊 鈞，陳 越

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410073）

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻技術(shù)研究進(jìn)展

金 烜，沈赤兵，吳先宇，楊 鈞，陳 越

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410073）

針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部苛刻的工作環(huán)境，總結(jié)了再生冷卻技術(shù)在裂解傳熱和工程化應(yīng)用方面的研究進(jìn)展。介紹了再生冷卻過(guò)程中碳?xì)淙剂系臒崃呀饽Ｐ秃蛡鳠嵫芯康淖钚掳l(fā)現(xiàn)，認(rèn)為裂解機(jī)理的研究制約著數(shù)值方法的發(fā)展，并影響著真實(shí)條件下的傳熱現(xiàn)象研究；分析了煤油再生冷卻技術(shù)工程化應(yīng)用的典型方案，復(fù)雜的耦合特性與材料間的工藝結(jié)合問題分別限制了系統(tǒng)多樣化功能和主被動(dòng)結(jié)合熱防護(hù)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。目前需要在裂解機(jī)理的基礎(chǔ)上構(gòu)建可靠裂解模型和高效的數(shù)值計(jì)算方法，并廣泛開展冷卻通道內(nèi)傳熱惡化和耦合現(xiàn)象的研究；重點(diǎn)解決系統(tǒng)中的耦合機(jī)理和材料間的工藝結(jié)合問題，從而推動(dòng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工程化應(yīng)用。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；碳?xì)淙剂?；熱防護(hù)；再生冷卻

0 引言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是指燃料在超聲速氣流中進(jìn)行燃燒的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)［1］，實(shí)現(xiàn)超聲速燃燒可有效實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。但高焓來(lái)流和燃燒釋熱使得超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)面臨異常嚴(yán)苛的熱環(huán)境，燃燒室內(nèi)燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)2 500～3 100 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出一般的燃燒室壁結(jié)構(gòu)材料所能忍受的工作極限；同時(shí)燃燒室入口流場(chǎng)來(lái)流靜溫 （遠(yuǎn)小于1 000 K）、靜壓 （一個(gè)大氣壓左右）都很低，而流速很高 （1 000 ms以上），這對(duì)冷態(tài)液體燃料來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒是十分困難的。

X-43A飛行器采用的笨重銅制超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行10 s后就開始熔化，而X-51A由于采用了煤油再生冷卻熱防護(hù)技術(shù)持續(xù)飛行了360 s［2］，從這兩次飛行試驗(yàn)的對(duì)比中可以看出煤油再生主動(dòng)冷卻具有承受長(zhǎng)時(shí)間的較高熱載荷和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的特性，滿足長(zhǎng)時(shí)間工作的需要且能量利用率高。其中，X-51A采用煤油作為介質(zhì)，雖然氫在冷卻能力、燃燒釋熱等方面優(yōu)于煤油，但煤油克服了氫燃料的不足：首先，煤油的體積能量密度大，可有效節(jié)省儲(chǔ)箱等部件空間和重量；其次，煤油容易獲取、儲(chǔ)存且運(yùn)輸方便，大大降低供應(yīng)系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；再次，煤油高溫下會(huì)發(fā)生吸熱裂解反應(yīng)，不僅會(huì)產(chǎn)生化學(xué)熱沉增加燃料的冷卻能力，而且小分子產(chǎn)物有利于噴射、混合和燃燒。

煤油作為再生冷卻劑也面臨諸多難點(diǎn)。首先，冷卻通道內(nèi)的高壓和吸熱反應(yīng)使煤油從液態(tài)變?yōu)槌R界態(tài)，超臨界態(tài)煤油的流動(dòng)、傳熱特性比液態(tài)或氣態(tài)流體更為復(fù)雜。其次，煤油在較高溫度時(shí)會(huì)發(fā)生裂解反應(yīng)，生成積碳，積碳嚴(yán)重時(shí)形成結(jié)焦，導(dǎo)致局部傳熱惡化、供應(yīng)管路堵塞等不良后果。煤油主動(dòng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要對(duì)包含化學(xué)反應(yīng)的流動(dòng)和傳熱展開數(shù)值模擬，而高效的數(shù)值方法又依賴可靠的裂解模型；為避免傳熱惡化，冷卻通道需要更精確的分段設(shè)計(jì)，在低溫段采用超臨界壓力以避免低壓下的膜態(tài)沸騰，在高溫裂解段采用亞臨界壓力以減少積碳結(jié)焦，而這又使得再生冷卻通道內(nèi)存在流動(dòng)、傳熱特性更為復(fù)雜的多相流。

另外超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)普遍存在燃料流量相對(duì)較小、冷卻面積大的特點(diǎn)，如果只使用再生冷卻方案，用于冷卻的燃料需要量會(huì)大于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃燒所需的燃料供應(yīng)量，造成燃料的浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)距離飛行長(zhǎng)時(shí)間工作，需要發(fā)展基于再生冷卻的綜合熱防護(hù)技術(shù)，充分認(rèn)識(shí)可貯存煤油及其再生主動(dòng)冷卻過(guò)程的換熱特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)冷卻需求流量與燃燒流量的有效匹配以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒的相關(guān)要求。目前在系統(tǒng)循環(huán)技術(shù)方面和主被動(dòng)結(jié)合熱防護(hù)技術(shù)方面的依然存在需要突破的難點(diǎn)。

本文介紹了超臨界壓力下碳?xì)淙剂狭呀饽Ｐ?、流?dòng)與傳熱特性和再生冷卻技術(shù)的工程化應(yīng)用方面的研究進(jìn)展，分析目前存在的難點(diǎn)并提出建議。

1 碳?xì)淙剂蠠崃呀饽Ｐ团c傳熱特性研究

1.1 熱裂解模型

隨著需求的提高，燃料的物理吸熱過(guò)程已不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的需要，需要通過(guò)熱裂解或脫氫等吸熱化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)冷卻能力。用于催化脫氫的催化劑多為貴金屬及貴金屬熔融鹽載體催化劑，毒性大且成本高；芳烴類產(chǎn)物在燃燒室內(nèi)易結(jié)焦，其中的萘還會(huì)產(chǎn)生輝光度很高的火焰，增加熱負(fù)荷，抵消吸熱燃料的冷卻能力［3］，因此研究者的目光集中在熱裂解方向。

熱裂解指在一定的溫度和壓力下烷烴裂解為小分子產(chǎn)物。在燃料達(dá)到超臨界態(tài)前，影響裂解率的因素主要是溫度和壓力，再生冷卻結(jié)構(gòu)的材質(zhì)則幾乎沒有影響［4］。一般認(rèn)為碳?xì)淙剂显诔R界壓力下的裂解與工業(yè)上的低壓裂解有很大不同，Edwards對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)［5］：一是高壓下流體變成可壓縮流，而可壓縮流中，壓力越高，濃度越大，裂解速率是跟濃度成正比的，因此隨壓力增高而增大；二是超臨界壓力下的裂解產(chǎn)物組成與低壓下有很大不同，隨壓力的升高，產(chǎn)物中烷烴/烯烴的比例在升高。而生成烯烴是有利于吸熱的，生成烷烴是不利于吸熱的。因此很多研究都證實(shí)了增大壓力，將增大烷烴/烯烴的比例從而減少吸熱；三是超臨界環(huán)境對(duì)分子環(huán)的打開和分解有抑制作用，更容易導(dǎo)致環(huán)的收縮與異構(gòu)并形成環(huán)烷烴，這被稱為超臨界的“籠蔽效應(yīng)”。壓力增加會(huì)導(dǎo)致多環(huán)芳烴的增加以及改變他們的分布，而該種物質(zhì)容易造成積碳。Abraham以及Gascoin分析了測(cè)量裂解產(chǎn)物的許多方法，發(fā)展了傅里葉轉(zhuǎn)化紅外測(cè)量方法［6-7］。Jiang研究了多種模型組分（正辛烷、正癸烷、正十二烷以及RP3航空煤油）在電加熱管內(nèi)的熱裂解特性，認(rèn)為當(dāng)超臨界燃料裂解成小分子氣體后，超臨界態(tài)便不復(fù)存在了，因?yàn)檫@些小分子氣體的臨界壓力和溫度高得多［8］。因此，需要深入探究超臨界壓力下影響裂解率的因素以及裂解產(chǎn)物的分布。裂解率影響吸熱能力的大小，而裂解產(chǎn)物分布影響燃燒性能。

設(shè)計(jì)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)需要對(duì)超臨界壓力下發(fā)生裂解的燃料的傳熱進(jìn)行高效的數(shù)值模擬，目前也發(fā)展了一些熱裂解方面的預(yù)測(cè)模型，如Andersen研究了火箭燃料RP-1的裂解機(jī)理，得到了裂解速率常數(shù)的表達(dá)式［9］。Li討論了熱裂解機(jī)理的建模并發(fā)展了ReaxGen程序來(lái)生成詳細(xì)的裂解機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上生成了正庚烷的裂解機(jī)理［10］；Wang從分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，研究了正十二烷的熱裂解機(jī)理，認(rèn)為熱裂解發(fā)生有兩種機(jī)理；一種是C-C鍵的斷裂生成更小的分子；另一種是脫氫生成H以及n-C12H25自由基［11］。

然而將詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理整合到多維數(shù)值模擬中是不現(xiàn)實(shí)的，即使是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，對(duì)于多維數(shù)值模擬而言仍然非常耗時(shí)。根據(jù)Hess定律，在傳熱分析中感興趣的化學(xué)反應(yīng)熱沉僅由反應(yīng)的初始和終了狀態(tài)決定而與反應(yīng)路徑無(wú)關(guān)。Ward等發(fā)展了一種獨(dú)特的正比例產(chǎn)物分布（PPD）化學(xué)反應(yīng)模型 （式 （1）），結(jié)合普遍適用的狀態(tài)方程（例如RSK方程等），在燃料的轉(zhuǎn)化率低于20%時(shí)足夠準(zhǔn)確［12-14］。Fukiba等對(duì)乙烷流過(guò)等溫平板時(shí)包含裂解吸熱反應(yīng)的傳熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬［15］。Hou等使用正十二烷替代航空煤油，對(duì)它在平板反應(yīng)器中的傳熱和裂解開展了數(shù)值模擬［16］。Ruan等對(duì)超臨界壓力下的正十烷在圓管中的傳熱與裂解進(jìn)行了數(shù)值模擬［17］。表 1列出了Fukiba等、Hou等和Ruan等工作中使用的總包反應(yīng)模型信息［15-17］。

表1 吸熱型碳?xì)淙剂峡偘磻?yīng)的Arrhenius定律參數(shù)Tab.1 Arrhenius Law parameters of endothermic hydrocarbon fuel sum reaction

盡管PPD模型已經(jīng)用于多維數(shù)值模擬中，但計(jì)算效率尚有不足。Ward等通過(guò)調(diào)用 SUPERTRAPP數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)計(jì)算流體的熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)［12-13］，這種方法直接準(zhǔn)確并且已經(jīng)被廣泛用于二維數(shù)值模擬中［18-20］，但在網(wǎng)格量很大的三維數(shù)值模擬中，或者當(dāng)混合物組分較多時(shí)，計(jì)算需要的開銷往往難以接受。為了使PPD模型更加高效，Ruan等發(fā)展了正十烷的簡(jiǎn)化總包反應(yīng)模型，通過(guò)集合高摩爾質(zhì)量的烷烴和烯烴來(lái)達(dá)到減少反應(yīng)組分的目的［17］。劉志琪等建立了能夠高效重構(gòu)流體熱力學(xué)性質(zhì)的表格查詢方法，并對(duì)包含輕微裂解的超臨界壓力碳?xì)淙剂显诔紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)冷卻通道中的流動(dòng)與傳熱過(guò)程開展了數(shù)值模擬研究［21］。綜上所述，針對(duì)所需的特定燃料組分提煉一個(gè)簡(jiǎn)化的裂解模型，構(gòu)建高效的熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)和查詢方法，這方面的工作亟待突破。

1.2 再生冷卻通道內(nèi)煤油的傳熱特性研究

由于熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)在擬臨界溫度附近存在劇烈的變化，因此可能發(fā)生傳熱強(qiáng)化或惡化。對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)中的傳熱惡化要足夠重視，因?yàn)橐粋€(gè)不可預(yù)測(cè)的壁溫峰值可能超過(guò)材料的溫度限制。傳熱惡化是由徑向性質(zhì)變化、加速效應(yīng)、浮升力效應(yīng)或以上幾種因素同作用而導(dǎo)致的。公開的文獻(xiàn)中僅有少量專門關(guān)注碳?xì)淙剂蟼鳠釔夯臄?shù)值研究。Urbano等對(duì)超臨界壓力下的甲烷開展了數(shù)值模擬并找到一個(gè)參數(shù)來(lái)判斷傳熱惡化的起始［22-23］。他們的研究中，由于選取較高Reynolds數(shù)，浮升力和加速效應(yīng)被忽略了。

與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻系統(tǒng)相比，在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)中冷卻通道尺寸更小 （水力直徑約2 mm），冷卻通道入口流動(dòng)Reynolds數(shù)更低 （＜1.0E+4）。盡管已有針對(duì)水和二氧化碳在重力作用下傳熱的研究，高超聲速飛行時(shí)浮升力效應(yīng)對(duì)煤油傳熱的影響與地面相比可能會(huì)加強(qiáng)。由于冷卻劑的Reynolds數(shù)在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中比在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中更小，因此需要考慮浮升力的影響。數(shù)值仿真［24］和實(shí)驗(yàn)［25］結(jié)果指出，傳熱惡化會(huì)在豎直向上的流動(dòng)中出現(xiàn)，而相同條件下的豎直向下流動(dòng)中傳熱仍然正常，甚至發(fā)生傳熱強(qiáng)化。浮升力是由于重力加速度引起的。然而，對(duì)于加速中的高超聲速飛行器，其加速度是變化的，而不同加速度下的浮升力不同，因此浮升力對(duì)傳熱惡化的影響也不一樣。此外，與低溫燃料相比，航空煤油更適用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，需要對(duì)不同加速度下浮升力對(duì)航空煤油在冷卻通道中傳熱惡化的影響開展進(jìn)一步的研究。

另外超臨界壓力下碳?xì)淙剂显诰匦卫鋮s通道中的對(duì)流傳熱在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)中非常關(guān)鍵。彎曲的冷卻通道被廣泛地用于主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。圖1顯示了兩種可能的冷卻通道布置方式，上半部分的布置方式已經(jīng)被廣泛用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的再生冷卻系統(tǒng)，而下半部分的螺旋式通道與上半部分相比擁有更長(zhǎng)的冷卻通道。

圖1 兩類彎曲冷卻通道布置方案Fig.1 Two layout schemes of curved regenerative cooling channels

關(guān)于超臨界壓力碳?xì)淙剂显趶澢鋮s通道中的耦合傳熱的數(shù)值模擬研究?jī)H有少量的公開文獻(xiàn)。與在直通道中相比，彎曲冷卻通道中的流場(chǎng)由于二次流動(dòng)的存在而有著明顯的不同。二次流動(dòng)能夠起到增強(qiáng)流體混合，改善傳熱的作用。彎曲矩形冷卻通道中存在兩類二次流動(dòng)，即第一和第二類Prandtl二次流。第一類Prandtl二次流由彎曲段徑向壓力梯度引起，該二次流也被稱為Dean渦；第二類Prandtl二次流由于Reynolds應(yīng)力引起并存在于非圓截面的直通道中。Jung等利用非線性k-ω湍流模型成功捕捉到大高寬比冷卻通道 （HARCC）中存在的第二類Prandtl二次流，并指出傳熱因此而得到改善［26］。Reynolds應(yīng)力模型 （RSM）也能夠捕捉到第二類Prandtl二次流。Kang等使用RSM模擬了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室，但是他們并沒有分析冷卻通道中的詳細(xì)流場(chǎng)［27］。Pizzarelli等對(duì)圖 1上半部分所示冷卻通道布置方案的彎曲大高寬比冷卻通道開展了研究，但并未研究?jī)深怭randtl二次流的相互作用［28］。圖1下半部分所示冷卻通道布置方案對(duì)于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)而言可能會(huì)由于較小的Reynolds數(shù)而提供更好的冷卻性能。綜所上述，針對(duì)凹面加熱的矩形截面冷卻通道在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行條件下的耦合傳熱需要進(jìn)一步研究。

2 再生冷卻技術(shù)的工程化應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)循環(huán)技術(shù)

對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻而言，如果將熱量管理應(yīng)用于系統(tǒng)循環(huán)，將燃料從壁面吸收的熱量引入到飛行器其他需要能量的場(chǎng)合，不僅可以減小飛行器對(duì)能量的需求，更重要的是，釋放能量后的燃料溫度變低，重新進(jìn)入再生冷卻通道，將能夠再次吸熱，這相當(dāng)于變相增加了燃料的熱沉，提高了燃料的冷卻能力。下面根據(jù)國(guó)內(nèi)外公開的典型方案探討技術(shù)難點(diǎn)。

鮑文等人提出了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的二次冷卻系統(tǒng)循環(huán)方案［29－30］，將流經(jīng)壁面吸熱后的高溫燃料引入渦輪，推動(dòng)渦輪做功，冷卻后的燃料重新進(jìn)入再生冷卻通道，再次吸熱；吳先宇等和陳學(xué)夫研究的乙烯輔助起動(dòng)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供應(yīng)系統(tǒng)膨脹循環(huán)方案有相似之處［31］，結(jié)構(gòu)原理圖和力熱耦合示意圖如圖2所示［32］。

圖2 煤油膨脹循環(huán)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of supply system for kerosene expansion cycle scramjet

這兩種方案實(shí)際上擺脫了單純的再生冷卻的思維束縛，從飛行器全局的能量管理出發(fā)，理論上均可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。相比于2013年試飛成功的X-51A飛行器［33］，吳先宇等構(gòu)想用渦輪泵取代鋰電池驅(qū)動(dòng)的電機(jī)泵，渦輪也被納入到了冷卻系統(tǒng)里來(lái)，將多余的熱量傳遞到其他需要能量的場(chǎng)合［31］；但其中的耦合現(xiàn)象也更加明顯：渦輪泵的動(dòng)態(tài)特性直接受驅(qū)動(dòng)工質(zhì)狀態(tài)影響，而驅(qū)動(dòng)工質(zhì)狀態(tài)受冷卻流道內(nèi)傳熱影響，冷卻流道內(nèi)傳熱則受到燃料狀態(tài)與燃燒室釋熱影響，燃燒釋熱則受到燃料狀態(tài)影響，渦輪泵、冷卻流道、燃燒室工作以工質(zhì)狀態(tài)變化為媒介形成了閉環(huán)的動(dòng)力學(xué)/熱力學(xué)耦合回路，渦輪泵將工質(zhì)熱勢(shì)能通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)化成燃料壓力勢(shì)能、冷卻流道則通過(guò)換熱將部分燃燒熱轉(zhuǎn)化為工質(zhì)熱勢(shì)能。復(fù)雜的耦合現(xiàn)象需要揭示這些過(guò)程的內(nèi)在規(guī)律、認(rèn)識(shí)相關(guān)因素的影響機(jī)理，這是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可貯存碳?xì)漕惾剂蠈?shí)現(xiàn)再生主動(dòng)冷卻的基礎(chǔ)。

應(yīng)用于“云霄塔”（Skylon） 飛行器的預(yù)冷吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（SABRE）則提供了一種新的思路。SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)包含渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)工作模態(tài)［34］，簡(jiǎn)化的循環(huán)示意圖如圖3所示［35］。在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式下，高速來(lái)流空氣由進(jìn)氣道進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)預(yù)冷器的有效冷卻和空氣壓縮機(jī)的增壓后，部分氣流流入主燃燒室，其余的流入富燃預(yù)燃室；來(lái)自預(yù)燃室的高溫燃?xì)饬鹘?jīng)熱交換器HX3，提升氦氣出口溫度（從預(yù)冷器溫度升至渦輪入口常溫），隨后流入主燃燒室完成與剩余空氣的燃燒；流經(jīng)HX3熱交換器的氦氣膨脹并驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)后，流至HX4熱交換器由液氫泵輸送的液氫冷卻，隨后流至氦氣循環(huán)器和預(yù)冷器，再開始新的循環(huán)；流經(jīng)HX4熱交換器后的熱氫氣先后驅(qū)動(dòng)液氫渦輪泵和氦氣循環(huán)器，再進(jìn)入預(yù)燃器。

變換工作模式時(shí)，空氣進(jìn)氣道關(guān)閉，渦輪壓縮機(jī)開始關(guān)閉，液氧渦輪泵啟動(dòng)。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式下，預(yù)燃室溫度降低，表明對(duì)液氧渦輪泵的動(dòng)力要求有所降低。為了能在兩種模式下使用相同的氧化劑噴注器，在主燃燒室內(nèi)，高壓液氧汽化以冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)外套。

圖3 SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the thermody namics cycle of SABRE

通過(guò)在“熱”氣流和“冷”氫氣流之間引入布雷頓動(dòng)力環(huán)，將多余的熱量傳遞到其他需要能量的場(chǎng)合，SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)只需較低的燃料流量；選擇中間流體可以防止預(yù)冷器管子的氫脆化，在氧化劑與燃料之間附加了一道安全屏障。這種“再生”方式，克服了靜止?fàn)顟B(tài)下不能自行啟動(dòng)、高空高速狀態(tài)下難以順利點(diǎn)火和燃燒不穩(wěn)定等問題，值得超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)借鑒；但其中涉及到四種工作介質(zhì)，多路循環(huán)子系統(tǒng)耦合在一起，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)循環(huán)較為復(fù)雜。英國(guó)在這方面的進(jìn)展需要進(jìn)一步的關(guān)注和研究。

2.2 主被動(dòng)結(jié)合熱防護(hù)技術(shù)

隨著對(duì)于燃料熱沉及換熱能力要求的不斷提高，單一的再生冷卻方式將逐漸難以勝任。因此，文獻(xiàn) ［36］針對(duì)未來(lái)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的熱環(huán)境，提出了主被動(dòng)結(jié)合的熱防護(hù)方案：采用比金屬更耐高溫的被動(dòng)熱防護(hù)材料 （如C/SiC復(fù)合材料）作為燃燒室的一部分或全部結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)，采用具有再生冷卻通道的主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)。圖4給出了這種熱防護(hù)方案的示意圖，在該示意圖中，被動(dòng)熱防護(hù)材料僅用于燃燒室靠近高溫燃?xì)獾牟糠帧Ｔ趯?shí)際應(yīng)用中，也可使用被動(dòng)熱防護(hù)材料整體制備燃燒室。王浩澤等提出的RBCC復(fù)合熱防護(hù)方案也是這個(gè)思路［37］，并通過(guò)數(shù)值仿真校核，計(jì)算表明該方案可滿足長(zhǎng)時(shí)間工作RBCC的熱防護(hù)需要，較好地解決了RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑流量不夠的問題。

圖4 主被動(dòng)熱防護(hù)方案示意圖Fig.4 Structure diagram of active and passive combined thermal protection scheme

主被動(dòng)結(jié)合熱防護(hù)方案充分利用了主動(dòng)熱防護(hù)和被動(dòng)熱防護(hù)各自的優(yōu)點(diǎn)。相比于純主動(dòng)熱防護(hù)方案，由于采用了耐高溫的復(fù)合材料直接接觸高溫燃?xì)?，?duì)燃料熱沉及傳熱特性的要求大大降低，燃料溫度不必上升很高，因此能避免高溫下的積碳結(jié)焦；相比于純被動(dòng)熱防護(hù)方案，由于存在主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)分擔(dān)熱載荷，對(duì)材料的耐溫需求也將降低，有助于擴(kuò)大材料的篩選范圍，減小材料研制的難度。另外，燃料經(jīng)過(guò)預(yù)熱，也擁有更好的燃燒性能。

目前，國(guó)外已成功開展了一些主被動(dòng)結(jié)合熱防護(hù)方面的研究。比較典型的是美國(guó)Refractory Composites公司研制了一種三明治結(jié)構(gòu)的C/SiCNi合金再生冷卻面板［38］，如圖5所示。在鎳基合金面板里面設(shè)計(jì)了再生冷卻流道。在靠近燃?xì)庖粋?cè)，使用了C/SiC復(fù)合材料面板，并且采用了熱導(dǎo)率高的瀝青基碳纖維，從而使得面板在厚度方向熱導(dǎo)率較大。在鎳基合金面板的背面，也采用了C/SiC復(fù)合材料面板，但使用了熱導(dǎo)率較低的PAN基碳纖維，這樣使得冷面板在厚度方向熱導(dǎo)率較小。

圖5 C/SiC復(fù)合材料與鎳合金管的三明治再生冷卻結(jié)構(gòu)Fig.5 Regenerative cooling structure diagram composed of C/SiC and Nickel alloy

這種熱防護(hù)方案主要面臨的問題在材料間的工藝上的結(jié)合。被動(dòng)熱防護(hù)材料通常為耐高溫的復(fù)合材料，而冷卻通道材料為金屬，兩種材料在物理性質(zhì)方面存在巨大差異，如何在工藝上實(shí)現(xiàn)兩種材料的結(jié)合并避免受熱過(guò)程中因性質(zhì)差異產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞，是必須要面對(duì)的問題，而目前國(guó)內(nèi)在這方面的公開報(bào)道還不多。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)煤油再生冷卻技術(shù)的研究進(jìn)行了綜述，可以看出目前已經(jīng)取得了技術(shù)上的重大進(jìn)展，但瞄準(zhǔn)未來(lái)再生冷卻技術(shù)的成熟應(yīng)用，還應(yīng)著力解決如下一些問題：

1） 進(jìn)一步研究超臨界壓力下的碳?xì)淙剂蠠崃呀鈾C(jī)理，特別是影響裂解率的因素以及裂解產(chǎn)物的分布這兩方面，構(gòu)建針對(duì)特定燃料的可靠裂解模型和高效的熱物性查詢方法。

2） 借助實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法，研究高超聲速飛行中浮升力引起的煤油冷卻通道傳熱惡化現(xiàn)象和彎曲冷卻通道布局冷卻系統(tǒng)運(yùn)行條件下的耦合傳熱現(xiàn)象。

3） 從系統(tǒng)循環(huán)角度發(fā)展熱防護(hù)方案技術(shù)，重點(diǎn)研究復(fù)雜系統(tǒng)中的力/熱耦合機(jī)理，并不斷推進(jìn)其工程化應(yīng)用。

4） 針對(duì)主被動(dòng)結(jié)合熱防護(hù)技術(shù)，著力解決材料間的工藝結(jié)合問題，并創(chuàng)新這方面的數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究。

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（編輯：馬 杰）

Progress of regenerative cooling technology for scramjet

JIN Xuan，SHEN Chibing，WU Xianyu，YANG Jun，CHEN Yue
（Key Laboratory for Scramjet Technology，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

According to the characteristics of severe operating conditions inside the scramjet，the research progress of regenerative cooling technology in engineering application is summarized in the paper.The latest findings of catalytic cracking and heat transfer for hydrocarbon fuels in regenerative cooling process are introduced.It is regarded that the establishment of reliable numerical methods is restricted by the understanding of the cracking mechanism.In addition，the research of heat transfer phenomena under real conditions is also affected.The typical schemes for the engineering application of kerosene regenerative cooling technology are analyzed.The complex coupling characteristics and combination technique of materials limit the achievement of the systematic diversity functions and thermal protection technology with combination of active and passive thermal protection technologies respectively.The reliable cracking reaction models and efficient numerical methods based on cracking mechanism must be established to research the heat transfer coupling and deteriorating phenomena. The problems in systematic coupling mechanism and material connection technique must be solved to promote the engineeringapplication ofscramjets.

scramjet；hydrocarbon fuel；thermal protection；regenerative cooling

V439-34

A

1672-9374（2016）05-0066-08

2016-03-11；

2016-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（11272344）

金烜（1991—），男，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)榕蛎浹h(huán)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程工作特性