強預冷發動機技術驗證試驗

■ 苗輝 馬薏文 朱江楠 魏寬 / 中國航發研究院

（苗輝，中國航發研究院，高級工程師，主要從事航空發動機換熱系統研究）

飛行速度的加快會使發動機進氣總溫大幅升高，導致燃燒室溫升降低，從而大幅度減小發動機的推重比和比沖。氣動熱問題是高超聲速發動機無法回避的一個技術難題，強預冷是解決此類問題的有效方法，必須關注。

所謂“強預冷”，就是通過加裝在發動機上的高效換熱器（即“強預冷換熱器”，簡稱“預冷器”），利用“相對低溫”的冷卻介質對高溫沖壓空氣進行冷卻。沖壓空氣經過預冷器后，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功，避免發動機的風扇和壓氣機受到氣動加熱的影響，并減少對冷卻氣量的需求。另外，預冷器還能夠通過提高進氣密度加大進氣質量流量來改善發動機的推力，從而擴展渦輪發動機的可工作范圍。而強預冷換熱器的研制離不開一系列的技術驗證試驗。

強預冷發動機及其預冷器概況

目前較為典型的強預冷高超聲速發動機有英國的“佩刀”發動機（SABRE）、“彎刀”發動機（Scimitar）和日本的膨脹循環空氣渦輪沖壓（ATREX）發動機等（如圖1所示）。

“佩刀”發動機由英國反應發動機公司（REL）研制，擬用于可重復使用的單級入軌飛行器“云霄塔”（SKYLON），飛行馬赫數（Ma）為0～5?！芭宓丁卑l動機從水平起飛到26000m高空，依靠吸氣式循環加速到Ma5（僅為入軌速度的20%），然后依靠火箭循環將飛行器送入軌道?！皬澋丁卑l動機同樣為REL

公司設計，是“佩刀”發動機的改進型。與“佩刀”發動機“單級入軌”的目的不同，“彎刀”發動機能在大氣層內實現持續的Ma5的飛行，故“彎刀”發動機沒有火箭循環。該發動機擬用于歐盟“長期先進推進概念與技術”（LAPCAT）計劃研發的可搭乘300名乘客的民用運輸機LAPCAT-A2，航程可達20000km。

圖2 典型強預冷換熱器示意

“佩刀”和“彎刀”發動機的核心技術是其性能卓越的強預冷換熱器（如圖2所示），發動機其余部件均采用成熟技術，因此強預冷換熱器的研制決定著項目的成敗。REL的預冷器由數以千計的微管排列而成，微管直徑為0.88mm，壁厚僅為0.04mm。預冷器以超臨界的氦氣作為傳熱工質，具有高達20MPa的內部壓力，充分運用“超臨界傳熱”和“微細尺度傳熱”的特點，使預冷器達到緊湊、輕質和高效的目標。REL宣稱，通過此預冷器，“彎刀”發動機可在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。由于換熱系數與通道直徑成反比，毛細管直徑減小使其具有極強的冷卻能力，但因為管內部壓力大，同時毛細管壁極薄，所以這對加工工藝和使用安全提出了巨大的挑戰。然而，REL通過逐級技術驗證，一步步將強預冷換熱器的技術推向工程應用。

圖3 SABRE預冷器聚乙烯甲基酯試驗件在低速風洞中的試驗構型

毛細管表面換熱原理性試驗驗證

REL公司對單根毛細管表面局部換熱性能進行了原理性的精細化試驗研究。REL公司以當地換熱系數為主要研究對象，用聚乙烯甲基酯試驗件在低速風洞進行了關于在管束群中單根細管換熱系數分布，以及毛細管在飛行包線工況內雷諾數（Re）為1016～5043的數值和試驗研究。在雷諾數相似準則的指導下，采用大尺寸透明試驗件體進行表征，可以間接觀察和測量到內部流動與換熱情況。

借助原理驗證試驗，換熱管表面換熱系數及其隨雷諾數變化的特性，在低速風洞下的技術可行性和數值模擬準確性得到了驗證，與預期性能匹配度良好，為預冷器下一步綜合驗證奠定了扎實可信的基礎。

叉排毛細管束單元換熱器性能與工藝綜合驗證

2001年前后，REL通過小直徑叉排細管束群換熱器（JMHX）對預冷器設計方案進行初步的綜合驗證，一是探究大數量細管束群的制造工藝，二是研究用大尺寸水力直徑單元實驗得出的換熱和摩擦力系數修正關系是否適用于小尺寸水力直徑單元的計算。

JMHX用0.38mm直徑的不銹鋼細管束制成，用100K的高壓氮氣或氦氣來冷卻1000K的高溫氮氣，以單元試驗來體現單級入軌火箭發動機大尺寸氦工質預冷器的應用場景。在制造工藝上，JMHX最高溫度限制由細管材料強度與釬焊合金抗氧性能決定。其中的一個難點是過多的毛細管束需要在接口附近進行釬焊，這可以用無電解鍍鎳技術將鎳磷合金催化沉積到需要釬焊的表面上來解決。另一個難點是防腐蝕，鎳磷共晶合金具有易腐蝕性，因此在釬焊時需要良好的流動性和預浸潤。在工業真空環境中，氧化鉻保護層的使用也可以避免細管束粘連。經過上述改進后的釬焊技術可以明顯地提高叉排細管束的制造水平。在換熱和摩擦性能上，研究人員用經典傳熱一維計算預測方法和有限元數值模型三維預測方法來計算換熱和壓力降低，并與試驗結果對比印證，探索了經典方法與試驗結果偏差的機理。

全尺寸預冷器常溫進氣綜合驗證

2011年，REL開始驗證全尺寸的預冷器熱交換器。研究人員將前期制造的21個模塊組裝成一個完整的強預冷換熱器，并進行各種驗證試驗。預冷器試驗裝置是利用1臺經改進的Viper 522噴氣發動機抽吸空氣穿過預冷器，在預冷器中，利用氦環路中的液氧對空氣進行冷卻（如圖4所示）。

通過該輪試驗，REL主要檢驗了“佩刀”發動機預冷器組件的氣動穩定性和均勻性、結構完整性、大范圍超出飛行包線的振動自由度、初步的低溫冷卻和防控結霜技術等特征。雖然進氣溫度為常溫，但采用發動機抽吸提供氣源，可以快速且低成本地實現對全尺寸預冷器的多項總體技術的驗證。

圖4 常溫進氣驗證實驗實物和原理示意

圖5 “佩刀”發動機預冷器全尺寸試驗

全尺寸預冷器高馬赫數環境考核驗證

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

結束語

近年來，高超聲速強預冷發動機技術經過由易到難的充分驗證，取得迅速進展，已完成了大量關鍵技術攻關，技術成熟度不斷提高，表明該技術原理先進且可行。為進一步把強預冷技術推向工程應用，在完成強預冷換熱器的全尺寸考核后，預計REL接下來很可能會以閉式循環整體驗證為工作重點，同時探索與現有先進航空渦輪發動機的匹配，以快速提升現有先進戰斗機的飛行速度極限。另外，預冷器的工程研制之路是通過一步一步扎實而充分的驗證走過來的，如果一味追求跨越式前進，忽略諸多影響因素和基礎研究過程，掩蓋的風險則會不期而至。