強(qiáng)預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)

■ 苗輝 馬薏文 朱江楠 魏寬 / 中國航發(fā)研究院

（苗輝，中國航發(fā)研究院，高級工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)換熱系統(tǒng)研究）

飛行速度的加快會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總溫大幅升高，導(dǎo)致燃燒室溫升降低，從而大幅度減小發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和比沖。氣動(dòng)熱問題是高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)無法回避的一個(gè)技術(shù)難題，強(qiáng)預(yù)冷是解決此類問題的有效方法，必須關(guān)注。

所謂“強(qiáng)預(yù)冷”，就是通過加裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的高效換熱器（即“強(qiáng)預(yù)冷換熱器”，簡稱“預(yù)冷器”），利用“相對低溫”的冷卻介質(zhì)對高溫沖壓空氣進(jìn)行冷卻。沖壓空氣經(jīng)過預(yù)冷器后，氣流總溫大幅度下降，保證了燃燒室的正常工作和提高循環(huán)功，避免發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)受到氣動(dòng)加熱的影響，并減少對冷卻氣量的需求。另外，預(yù)冷器還能夠通過提高進(jìn)氣密度加大進(jìn)氣質(zhì)量流量來改善發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，從而擴(kuò)展渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的可工作范圍。而強(qiáng)預(yù)冷換熱器的研制離不開一系列的技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。

強(qiáng)預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)及其預(yù)冷器概況

目前較為典型的強(qiáng)預(yù)冷高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)有英國的“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)（SABRE）、“彎刀”發(fā)動(dòng)機(jī)（Scimitar）和日本的膨脹循環(huán)空氣渦輪沖壓（ATREX）發(fā)動(dòng)機(jī)等（如圖1所示）。

“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)由英國反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司（REL）研制，擬用于可重復(fù)使用的單級入軌飛行器“云霄塔”（SKYLON），飛行馬赫數(shù)（Ma）為0～5?！芭宓丁卑l(fā)動(dòng)機(jī)從水平起飛到26000m高空，依靠吸氣式循環(huán)加速到Ma5（僅為入軌速度的20%），然后依靠火箭循環(huán)將飛行器送入軌道。“彎刀”發(fā)動(dòng)機(jī)同樣為REL

公司設(shè)計(jì)，是“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)型。與“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)“單級入軌”的目的不同，“彎刀”發(fā)動(dòng)機(jī)能在大氣層內(nèi)實(shí)現(xiàn)持續(xù)的Ma5的飛行，故“彎刀”發(fā)動(dòng)機(jī)沒有火箭循環(huán)。該發(fā)動(dòng)機(jī)擬用于歐盟“長期先進(jìn)推進(jìn)概念與技術(shù)”（LAPCAT）計(jì)劃研發(fā)的可搭乘300名乘客的民用運(yùn)輸機(jī)LAPCAT-A2，航程可達(dá)20000km。

圖2 典型強(qiáng)預(yù)冷換熱器示意

“佩刀”和“彎刀”發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)是其性能卓越的強(qiáng)預(yù)冷換熱器（如圖2所示），發(fā)動(dòng)機(jī)其余部件均采用成熟技術(shù)，因此強(qiáng)預(yù)冷換熱器的研制決定著項(xiàng)目的成敗。REL的預(yù)冷器由數(shù)以千計(jì)的微管排列而成，微管直徑為0.88mm，壁厚僅為0.04mm。預(yù)冷器以超臨界的氦氣作為傳熱工質(zhì)，具有高達(dá)20MPa的內(nèi)部壓力，充分運(yùn)用“超臨界傳熱”和“微細(xì)尺度傳熱”的特點(diǎn)，使預(yù)冷器達(dá)到緊湊、輕質(zhì)和高效的目標(biāo)。REL宣稱，通過此預(yù)冷器，“彎刀”發(fā)動(dòng)機(jī)可在Ma5的飛行速度下將172kg/s的沖壓空氣從977℃冷卻到392℃，從而大幅提升飛行極限。由于換熱系數(shù)與通道直徑成反比，毛細(xì)管直徑減小使其具有極強(qiáng)的冷卻能力，但因?yàn)楣軆?nèi)部壓力大，同時(shí)毛細(xì)管壁極薄，所以這對加工工藝和使用安全提出了巨大的挑戰(zhàn)。然而，REL通過逐級技術(shù)驗(yàn)證，一步步將強(qiáng)預(yù)冷換熱器的技術(shù)推向工程應(yīng)用。

圖3 SABRE預(yù)冷器聚乙烯甲基酯試驗(yàn)件在低速風(fēng)洞中的試驗(yàn)構(gòu)型

毛細(xì)管表面換熱原理性試驗(yàn)驗(yàn)證

REL公司對單根毛細(xì)管表面局部換熱性能進(jìn)行了原理性的精細(xì)化試驗(yàn)研究。REL公司以當(dāng)?shù)負(fù)Q熱系數(shù)為主要研究對象，用聚乙烯甲基酯試驗(yàn)件在低速風(fēng)洞進(jìn)行了關(guān)于在管束群中單根細(xì)管換熱系數(shù)分布，以及毛細(xì)管在飛行包線工況內(nèi)雷諾數(shù)（Re）為1016～5043的數(shù)值和試驗(yàn)研究。在雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則的指導(dǎo)下，采用大尺寸透明試驗(yàn)件體進(jìn)行表征，可以間接觀察和測量到內(nèi)部流動(dòng)與換熱情況。

借助原理驗(yàn)證試驗(yàn)，換熱管表面換熱系數(shù)及其隨雷諾數(shù)變化的特性，在低速風(fēng)洞下的技術(shù)可行性和數(shù)值模擬準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證，與預(yù)期性能匹配度良好，為預(yù)冷器下一步綜合驗(yàn)證奠定了扎實(shí)可信的基礎(chǔ)。

叉排毛細(xì)管束單元換熱器性能與工藝綜合驗(yàn)證

2001年前后，REL通過小直徑叉排細(xì)管束群換熱器（JMHX）對預(yù)冷器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步的綜合驗(yàn)證，一是探究大數(shù)量細(xì)管束群的制造工藝，二是研究用大尺寸水力直徑單元實(shí)驗(yàn)得出的換熱和摩擦力系數(shù)修正關(guān)系是否適用于小尺寸水力直徑單元的計(jì)算。

JMHX用0.38mm直徑的不銹鋼細(xì)管束制成，用100K的高壓氮?dú)饣蚝鈦砝鋮s1000K的高溫氮?dú)?，以單元試?yàn)來體現(xiàn)單級入軌火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大尺寸氦工質(zhì)預(yù)冷器的應(yīng)用場景。在制造工藝上，JMHX最高溫度限制由細(xì)管材料強(qiáng)度與釬焊合金抗氧性能決定。其中的一個(gè)難點(diǎn)是過多的毛細(xì)管束需要在接口附近進(jìn)行釬焊，這可以用無電解鍍鎳技術(shù)將鎳磷合金催化沉積到需要釬焊的表面上來解決。另一個(gè)難點(diǎn)是防腐蝕，鎳磷共晶合金具有易腐蝕性，因此在釬焊時(shí)需要良好的流動(dòng)性和預(yù)浸潤。在工業(yè)真空環(huán)境中，氧化鉻保護(hù)層的使用也可以避免細(xì)管束粘連。經(jīng)過上述改進(jìn)后的釬焊技術(shù)可以明顯地提高叉排細(xì)管束的制造水平。在換熱和摩擦性能上，研究人員用經(jīng)典傳熱一維計(jì)算預(yù)測方法和有限元數(shù)值模型三維預(yù)測方法來計(jì)算換熱和壓力降低，并與試驗(yàn)結(jié)果對比印證，探索了經(jīng)典方法與試驗(yàn)結(jié)果偏差的機(jī)理。

全尺寸預(yù)冷器常溫進(jìn)氣綜合驗(yàn)證

2011年，REL開始驗(yàn)證全尺寸的預(yù)冷器熱交換器。研究人員將前期制造的21個(gè)模塊組裝成一個(gè)完整的強(qiáng)預(yù)冷換熱器，并進(jìn)行各種驗(yàn)證試驗(yàn)。預(yù)冷器試驗(yàn)裝置是利用1臺(tái)經(jīng)改進(jìn)的Viper 522噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)抽吸空氣穿過預(yù)冷器，在預(yù)冷器中，利用氦環(huán)路中的液氧對空氣進(jìn)行冷卻（如圖4所示）。

通過該輪試驗(yàn)，REL主要檢驗(yàn)了“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷器組件的氣動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性、結(jié)構(gòu)完整性、大范圍超出飛行包線的振動(dòng)自由度、初步的低溫冷卻和防控結(jié)霜技術(shù)等特征。雖然進(jìn)氣溫度為常溫，但采用發(fā)動(dòng)機(jī)抽吸提供氣源，可以快速且低成本地實(shí)現(xiàn)對全尺寸預(yù)冷器的多項(xiàng)總體技術(shù)的驗(yàn)證。

圖4 常溫進(jìn)氣驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)物和原理示意

圖5 “佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷器全尺寸試驗(yàn)

全尺寸預(yù)冷器高馬赫數(shù)環(huán)境考核驗(yàn)證

2019年3月和10月，REL在美國科羅拉多州航空航天港TF2實(shí)驗(yàn)站分別完成了“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)全尺寸預(yù)冷器樣機(jī)在Ma3.3和Ma5條件下的高溫考核試驗(yàn)（如圖5所示）。TF2實(shí)驗(yàn)站采用J79渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱源來產(chǎn)生高溫高速氣流，可在最大加力條件下獲得總溫約1000℃的氣流環(huán)境，能夠覆蓋“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)的全部飛行包線。在Ma5條件測試中，預(yù)冷器在不到0.05s的時(shí)間內(nèi)成功地將高達(dá)1000℃的來流冷卻到約100℃，有效地證明了預(yù)冷器冷卻氣流的能力，該驗(yàn)證具有里程碑式的意義。

結(jié)束語

近年來，高超聲速強(qiáng)預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)經(jīng)過由易到難的充分驗(yàn)證，取得迅速進(jìn)展，已完成了大量關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，技術(shù)成熟度不斷提高，表明該技術(shù)原理先進(jìn)且可行。為進(jìn)一步把強(qiáng)預(yù)冷技術(shù)推向工程應(yīng)用，在完成強(qiáng)預(yù)冷換熱器的全尺寸考核后，預(yù)計(jì)REL接下來很可能會(huì)以閉式循環(huán)整體驗(yàn)證為工作重點(diǎn)，同時(shí)探索與現(xiàn)有先進(jìn)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配，以快速提升現(xiàn)有先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的飛行速度極限。另外，預(yù)冷器的工程研制之路是通過一步一步扎實(shí)而充分的驗(yàn)證走過來的，如果一味追求跨越式前進(jìn)，忽略諸多影響因素和基礎(chǔ)研究過程，掩蓋的風(fēng)險(xiǎn)則會(huì)不期而至。