渦輪發(fā)動機(jī)射流預(yù)冷關(guān)鍵技術(shù)分析

尚守堂 田方超 扈鵬飛

摘要：射流預(yù)冷技術(shù)（MIPCC）是擴(kuò)展現(xiàn)有渦輪發(fā)動機(jī)工作范圍的一條有效技術(shù)途徑和重要發(fā)展方向，其技術(shù)研究將極大地支撐后續(xù)高速/高超聲速飛行器動力技術(shù)的研究和發(fā)展。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，梳理了開展射流預(yù)冷技術(shù)研究的技術(shù)難點(diǎn)，并對需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和解讀，可為國內(nèi)后續(xù)射流預(yù)冷技術(shù)工程研制提供參考。

關(guān)鍵詞：射流預(yù)冷；關(guān)鍵技術(shù)；渦輪發(fā)動機(jī)；高馬赫數(shù)；飛行器

中圖分類號：V233.5+9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

近年來，高速飛行器已成為航空領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向，其動力技術(shù)是研發(fā)高速飛行器的難點(diǎn)之一。從當(dāng)前的技術(shù)水平來看，滿足飛行器在亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速的寬廣范圍工作，必須采用組合動力，其中的一個(gè)關(guān)鍵難題就是：如何實(shí)現(xiàn)渦輪發(fā)動機(jī)與沖壓發(fā)動機(jī)之間的動力銜接。采用射流預(yù)冷（MIPCC）技術(shù)，可以有效地?cái)U(kuò)展渦輪發(fā)動機(jī)的工作包線，解決渦輪發(fā)動機(jī)與沖壓發(fā)動機(jī)之間的“速度裂縫”問題。

美國早在20世紀(jì)50年代就已開展了射流預(yù)冷技術(shù)研究。2002年，美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）提出快速響應(yīng)小載荷低成本運(yùn)載（RASCAL）計(jì)劃，將射流預(yù)冷技術(shù)作為重點(diǎn)研究內(nèi)容之一，同時(shí)在Fl00發(fā)動機(jī)上完成了模擬高空條件下發(fā)動機(jī)地面進(jìn)氣加溫的射流預(yù)冷技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證。2013年，一篇關(guān)于SR-72飛行器的報(bào)道曾提出，其組合動力的渦輪基將在未來采用Fl00或Fll0發(fā)動機(jī)的改型，結(jié)合在Fl00上進(jìn)行射流預(yù)冷驗(yàn)證情況，判斷其可能采用射流預(yù)冷技術(shù)使渦輪發(fā)動機(jī)工作至馬赫數(shù)Ma3以上。

俄羅斯米格-25高空截?fù)魴C(jī)的R-15-300發(fā)動機(jī)成功應(yīng)用了射流預(yù)冷技術(shù)，其最大工作馬赫數(shù)達(dá)到Ma2.8，并具備短時(shí)間Ma3工作能力。R-15-300是R-15發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型，改進(jìn)內(nèi)容之一就是增加了射流預(yù)冷裝置。為此，米格-25的進(jìn)氣道設(shè)內(nèi)有一個(gè)“淋浴頭”一樣的噴水裝置，向進(jìn)氣氣流噴水和甲醇的混合溶液，混以甲醇是增強(qiáng)溶液的揮發(fā)性，加強(qiáng)效果。因此，米格-25在機(jī)內(nèi)除了攜帶巨量燃油外，還攜帶了一個(gè)250L的水箱，裝水和甲醇混合溶液。

國內(nèi)對射流預(yù)冷技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，國內(nèi)發(fā)動機(jī)研制單位在渦噴發(fā)動機(jī)上開展了噴水增推效果的初步試驗(yàn)驗(yàn)證。進(jìn)入21世紀(jì)，射流預(yù)冷技術(shù)再次得到國內(nèi)發(fā)動機(jī)研制單位和科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注，目前建立了射流預(yù)冷對發(fā)動機(jī)性能的影響模型，計(jì)算評估了射流預(yù)冷對發(fā)動機(jī)整機(jī)、部件的性能影響情況，同時(shí)開展了射流預(yù)冷裝置研究和噴水降溫效果研究和驗(yàn)證。

射流預(yù)冷技術(shù)由于其對渦輪發(fā)動機(jī)的能力擴(kuò)展和短期可實(shí)現(xiàn)等因素，被認(rèn)為是發(fā)展高速飛行器動力最有效的技術(shù)途徑之一。本文梳理了射流預(yù)冷技術(shù)研究的技術(shù)難點(diǎn)，重點(diǎn)對需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和解讀，為國內(nèi)開展射流預(yù)冷技術(shù)工程研制提供參考。

1主要技術(shù)難點(diǎn)分析

（1）射流預(yù)冷裝置設(shè)計(jì)

射流預(yù)冷裝置的加裝會引起進(jìn)氣道內(nèi)氣流較大的總壓損失和流動畸變，在保證換熱率不降低的前提下，設(shè)計(jì)出總壓損失低、氣流畸變小的射流預(yù)冷裝置是必須解決的要點(diǎn)問題。

（2）射流預(yù)冷帶來的工質(zhì)組分變化對發(fā)動機(jī)總體性能的影響

在發(fā)動機(jī)進(jìn)口前噴入冷卻介質(zhì)后，工質(zhì)屬性發(fā)生變化，對部件特性和整機(jī)性能都產(chǎn)生影響，需要開展射流預(yù)冷對渦輪發(fā)動機(jī)性能影響研究。

（3）渦輪發(fā)動機(jī)適應(yīng)性改進(jìn)

將射流預(yù)冷技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)，并不是直接將預(yù)冷系統(tǒng)加裝上去就可以使用，整機(jī)和部件工作點(diǎn)都發(fā)生了變化，因此，需要開展渦輪發(fā)動機(jī)適應(yīng)性改進(jìn)研究。

（4）射流預(yù)冷試驗(yàn)技術(shù)

射流預(yù)冷工程研制中，試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)必不可少，制訂科學(xué)的試驗(yàn)驗(yàn)證方案、合理地設(shè)置試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)是決定試驗(yàn)成敗的前提和關(guān)鍵。同時(shí)，還需要重點(diǎn)研究噴水環(huán)境下試驗(yàn)參數(shù)的測量方法。

2射流預(yù)冷關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1射流預(yù)冷裝置設(shè)計(jì)技術(shù)

射流預(yù)冷裝置安裝在飛機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)，安全性、可靠性要求較高，同時(shí)需要進(jìn)行射流預(yù)冷裝置與飛機(jī)進(jìn)氣道的一體化設(shè)計(jì)，國內(nèi)目前技術(shù)成熟度低。射流預(yù)冷裝置所涵蓋的技術(shù)范圍較寬，需同時(shí)開展一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、防冰技術(shù)、輕質(zhì)化設(shè)計(jì)技術(shù)、低流阻和低畸變技術(shù)研究。為實(shí)現(xiàn)高效、低阻射流預(yù)冷裝置的設(shè)計(jì)要求，需開展大量的射流預(yù)冷裝置試驗(yàn)研究，以支撐工程設(shè)計(jì)。

2.2射流預(yù)冷對發(fā)動機(jī)總體性能影響分析技術(shù)

射流預(yù)冷條件下，通過進(jìn)氣道的換熱冷卻過程后，工質(zhì)成分發(fā)生改變，水蒸氣的混入，體現(xiàn)為工質(zhì)比熱容等物性參數(shù)的變化，水蒸氣含量越大，物性參數(shù)變化越明顯。壓氣機(jī)等部件工作特性是與工質(zhì)成分相對應(yīng)的，隨著工質(zhì)物性參數(shù)發(fā)生變化，壓縮部件增壓特性、燃燒室燃燒和溫升特性、渦輪功特性也隨之發(fā)生變化。工質(zhì)物性參數(shù)變化和部件工作特性變化最終體現(xiàn)為發(fā)動機(jī)總體性能的變化。

為了分析射流預(yù)冷對發(fā)動機(jī)總體性能的影響，需要開展發(fā)動機(jī)總體性能模擬計(jì)算。給定相同的發(fā)動機(jī)進(jìn)口總溫和總壓，通過不同的冷卻水量，在發(fā)動機(jī)工作剖面內(nèi)各個(gè)工作點(diǎn)計(jì)算對于比發(fā)動機(jī)的總體性能特性。此時(shí)，發(fā)動機(jī)性能變化是由引入射流預(yù)冷系統(tǒng)造成的，從而評估射流預(yù)冷對發(fā)動機(jī)總體性能的影響。

2.3渦輪發(fā)動機(jī)適應(yīng)性改進(jìn)技術(shù)

發(fā)動機(jī)采用射流預(yù)冷技術(shù)擴(kuò)展工作包線，在高速狀態(tài)下能夠獲得更高的性能。在高速條件下即使采用射流預(yù)冷，發(fā)動機(jī)各截面熱負(fù)荷依舊比較大，發(fā)動機(jī)各部件在高熱負(fù)荷條件下持續(xù)工作較長時(shí)間，對各部件系統(tǒng)耐溫能力提出了更高的要求。需要對熱負(fù)荷過高的部件進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，采用更換材料等方式，提升部件耐溫能力，保證其在高熱負(fù)荷條件下能夠持續(xù)工作。針對附件系統(tǒng)工作環(huán)境溫度升高的情況，考慮通過加強(qiáng)冷卻等方式，降低附件所處的環(huán)境溫度，通過更換耐高溫滑油，使附件系統(tǒng)能夠耐受更高溫度，以適應(yīng)高速工作條件。

2.4射流預(yù)冷試驗(yàn)技術(shù)

在對射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)進(jìn)行性能影響分析的基礎(chǔ)上，要開展射流預(yù)冷渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)集成驗(yàn)證。完成射流預(yù)冷系統(tǒng)/渦輪發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)和控制一體化設(shè)計(jì)，建立帶有射流預(yù)冷系統(tǒng)的高速渦輪發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證平臺，進(jìn)行不同射流預(yù)冷方案的技術(shù)研究和驗(yàn)證，掌握射流預(yù)冷技術(shù)對發(fā)動機(jī)的影響和性能提升能力。

美國在射流預(yù)冷試驗(yàn)上的研究較為深入。美國在Fl00發(fā)動機(jī)上改造的MIPCC系統(tǒng)包括一個(gè)液氧噴射平面和兩個(gè)水噴射平面，前端為液氧平面，之后是兩個(gè)噴水平面，可獨(dú)立開啟、關(guān)閉。第二噴水平面與發(fā)動機(jī)表面之間的距離，按實(shí)際水蒸發(fā)成水蒸氣所需的最小距離值確定。圖1為美國Fl00改造的MIPCC發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

同時(shí)，美國在莫哈韋沙漠機(jī)場建立了MIPCC試驗(yàn)臺，目的是在地面條件下模擬Ma4飛行時(shí)的進(jìn)氣溫度環(huán)境。熱空氣由J79發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的燃?xì)馓峁ㄟ^調(diào)節(jié)J79發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)來控制通過試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的氣源流量和溫度。調(diào)試試驗(yàn)證明，該試驗(yàn)臺可以在Fl00發(fā)動機(jī)100%狀態(tài)進(jìn)氣流量下，模擬最高飛行速度為Ma3.47、高度24.6km的進(jìn)氣溫度條件。

2.5射流預(yù)冷測試技術(shù)

射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)裝置由傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)增加為射流預(yù)冷裝置和渦輪發(fā)動機(jī)共同工作，且通道內(nèi)的工作介質(zhì)由空氣變?yōu)榭諝夂退魵獾幕旌弦?，甚至有部分未蒸發(fā)的液態(tài)水。除了正常的發(fā)動機(jī)整機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，為了考核射流預(yù)冷裝置的功能以及有效性，工質(zhì)流量、壓力、溫度需同時(shí)進(jìn)入臺架試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)考慮水蒸氣以及液態(tài)水對傳統(tǒng)測試傳感器的影響，需對射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)的測試方案進(jìn)行研究，并對有影響的測試裝置進(jìn)行改裝。

3結(jié)論

射流預(yù)冷具有較好的技術(shù)發(fā)展趨勢，俄、美等國都開展了深入的應(yīng)用研究，取得了很多成果可供我們借鑒。我國在射流預(yù)冷方面進(jìn)行的工作還基本處在理論研究階段，細(xì)節(jié)機(jī)理研究、部件試驗(yàn)較少，整機(jī)驗(yàn)證也僅僅掌握了初步規(guī)律。針對我國當(dāng)前國情，對射流預(yù)冷技術(shù)的需求十分迫切，亟須推進(jìn)針對工程產(chǎn)品的射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究，突破關(guān)鍵技術(shù)研究，為射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)工程產(chǎn)品研制奠定基礎(chǔ)。