協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機預(yù)冷技術(shù)研究現(xiàn)狀

石奇玉 郝云擇 梁懷喜

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074）

隨著航天運載技術(shù)的發(fā)展，降低有效載荷成本和飛行器的重復(fù)使用成為了航天動力領(lǐng)域的重要發(fā)展目標，也是美、俄、歐、日等航空強國近年來的研究熱點[1]。高超聲速飛行器飛行過程中工作環(huán)境復(fù)雜、速度變化范圍大，目前各國的探索方向主要為吸氣式組合發(fā)動機。相較于傳統(tǒng)航空發(fā)動機，吸氣式發(fā)動機的高馬赫飛行會使得空氣在發(fā)動機入口被迅速壓縮，溫度驟升可達上千K，這為發(fā)動機的正常運行帶來了挑戰(zhàn)。預(yù)冷技術(shù)是協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機（Synergistic Air Breathing Rocket Engine，SABRE）的關(guān)鍵技術(shù)之一，經(jīng)過幾十年的探索，英國Reaction Engines Limited 公司（簡稱“REL”）SABRE 發(fā)動機的強預(yù)冷技術(shù)地面試驗取得了成功。

1 SABRE 發(fā)動機的預(yù)冷技術(shù)

1.1 SABRE 預(yù)冷器結(jié)構(gòu)及原理

SABRE 發(fā)動機是通過預(yù)冷器降低進口空氣溫度，從而增大進氣流量、提高發(fā)動機推力的發(fā)動機，其輕質(zhì)、高效的緊湊型預(yù)冷器是實現(xiàn)該發(fā)動機性能的關(guān)鍵[2]。

預(yù)冷器本質(zhì)上是一種熱交換器，吸氣式發(fā)動機預(yù)冷器的設(shè)計難點在于需要兼顧換熱能力和換熱器質(zhì)量。SABRE 基于間壁管殼式換熱器的換熱原理，采用微通道換熱技術(shù)，利用密集微通道排布結(jié)構(gòu)提高換熱面積，從而增大單位質(zhì)量預(yù)冷器的換熱功率。預(yù)冷器由數(shù)千螺旋狀微通道交叉排列構(gòu)成，高溫空氣從微通道的縫隙中流過，由冷熱介質(zhì)與微通道內(nèi)的超臨界低溫氦進行熱交換。為降低制造和裝配的難度，預(yù)冷器由大量相同的預(yù)冷單元模塊構(gòu)成[3]，其結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 SABRE 預(yù)冷器示意圖

1.2 SABRE 預(yù)冷器研制過程

SABRE 預(yù)冷器最初的概念設(shè)計可以追溯到20 世紀90 年代，布里斯托大學(xué)實驗室成功將高達900 ℃的氣流通過JMHX 換熱器進行冷卻[4]，并在此后進行了大量相關(guān)研究。2001 年，采用鎳鉻鐵718 合金材料制作的換熱器被用于霜凍控制測試。2004 年，相關(guān)單位成功制造了首個全尺寸SABRE 預(yù)冷器組件。2005 年，為了進一步研究建造預(yù)冷器所涉及的組裝和制造問題，REL 建造了Viper 發(fā)動機演示模塊，該模塊包含460 條2.2 m 長的管，共排列成4 列、115行，管道外徑約為0.98 mm，壁厚為40 μm。2012年，REL 利用Viper522 噴氣發(fā)動機試驗平臺進行了全尺寸預(yù)冷器的地面試驗，被測試的預(yù)冷器微通道總長50 km，直徑約1 mm，壁厚27 μm，質(zhì)量在50 kg以內(nèi)，該預(yù)冷器實現(xiàn)了在0.02 s 內(nèi)將進氣道1000 ℃以上的空氣降低到-150 ℃的目標，其設(shè)計及測試過程如圖2 所示。基于高溫真空銅焊技術(shù)，SABRE-4的預(yù)冷器超過一百萬個密封接頭，微通道總長超過1000 km，直徑1 mm，厚度20 μm，每小時總傳熱量大于400 MW[5]。不同階段預(yù)冷器試驗件微通道尺寸如表1 所示。

圖2 SABRE 設(shè)計及測試過程

表1 不同階段預(yù)冷器試驗件微通道尺寸

1.3 預(yù)冷器制造技術(shù)

先進設(shè)計方案的成功大多取決于制造、裝配工藝是否合理。SABRE 預(yù)冷器極端的工作條件、精細的尺寸要求等，對材料強度和制造技術(shù)提出了極高的要求。REL 歷時近7 年，對輕質(zhì)、高效緊湊預(yù)冷器的制造技術(shù)進行了探索[3]。

1.3.1 新型拉伸技術(shù)

材料方面，通過對多種合金材料的測試，REL 篩選出同時具有高機械強度和高溫防氧化特性的鎳鉻鐵合金，借助新型拉伸技術(shù)可獲得直徑為1.0 mm、壁厚小于30 μm 的毛細管，該毛細管可承受壓強為60 MPa 的壓力測試。

1.3.2 新型銅焊技術(shù)

加工好的微通道毛細管需要與集管端進行連接，以實現(xiàn)工質(zhì)的注入。傳統(tǒng)適用于厚壁面的銅焊技術(shù)會產(chǎn)生較大侵蝕量，不適用于微通道的連接。因此，REL 研發(fā)了新型銅焊技術(shù)，在保證密封連接的同時不會削弱材料強度。在制造Viper 發(fā)動機展示模塊的過程中，研究人員加深了對鎳鉻鐵合金加工技術(shù)的認識，開創(chuàng)了時間/溫度循環(huán)焊接方法[6]。

1.3.3 管道彎曲及切割技術(shù)

將薄壁毛細管道彎曲至設(shè)計要求，是加工的另一挑戰(zhàn)，由于普通的彎管機無法實現(xiàn)對精細毛細管道的加工，REL 研發(fā)了特種機械設(shè)備，對毛細管進行加工后所得到的曲管未出現(xiàn)翹曲及壁面變薄現(xiàn)象，且符合抗疲勞要求及壓力測試要求。另外，REL 公司還研發(fā)了毛刺最小的管切斷技術(shù)。

1.4 霜凍控制技術(shù)

當飛行器在低于12 km 的高度飛行時，在空氣冷卻過程中，隨著相對濕度增加，預(yù)冷器會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，且霜凍的機械強度非常大，從而堵塞換熱管道。由JMHF 換熱器驗證試驗可知，預(yù)冷器外表面和圓管壁的嚴重結(jié)霜問題會導(dǎo)致預(yù)冷器短時間內(nèi)出現(xiàn)阻力增加和換熱性能惡化[7]。霜凍控制技術(shù)是SABRE 預(yù)冷器研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，REL 于2000 年左右就啟動了關(guān)于霜凍控制技術(shù)的研究，如在Oxfordshire 制造了霜凍控制風(fēng)洞，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)有效的霜凍控制系統(tǒng)[8]，該風(fēng)洞可控溫度可低至193 K。經(jīng)測試，穩(wěn)態(tài)試驗條件下，當進口氣流溫度為-80 ℃，相對濕度為100%時，預(yù)冷器微通道可維持恒定壓降8 min，可以滿足飛行器4 min 入軌過程霜凍控制的指標要求；當進口氣流溫度仍為-80 ℃，換熱器內(nèi)冷卻工質(zhì)溫度從-50 ℃到-120 ℃變化時，8 min 內(nèi)管路壓降在一定時間內(nèi)仍可視為穩(wěn)定，印證了試驗件霜凍控制方法的可行性[9]。由于SABRE 預(yù)冷器的結(jié)構(gòu)和運行工況較為復(fù)雜，投入使用前需要進行全尺寸預(yù)冷器的霜凍控制系統(tǒng)地面試驗驗證。

2019 年4 月，在SABRE 全尺寸預(yù)冷器地面試驗中，在馬赫數(shù)為3.3 的進氣溫度下，SABRE 預(yù)冷器在0.05 s 內(nèi)成功將420 ℃高溫氣流冷卻至所需溫度，并且沒有發(fā)生霜凍現(xiàn)象。2019 年10 月，在馬赫數(shù)為5 的進氣溫度下，預(yù)冷器在0.05 s 內(nèi)冷卻了1 000 ℃的高溫空氣，換熱功率達到了1.5 MW。該系列試驗驗證了SABRE 輕質(zhì)高效預(yù)冷器在實現(xiàn)快速冷卻氣流的同時能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的霜凍控制。

注入其他工質(zhì)是防止預(yù)冷器霜凍的常見方法，如日本ATREX 發(fā)動機采用在預(yù)冷器前噴灑少量酒精的方法來防止霜凍。目前，REL 采用的霜凍控制方式是注入甲醇。因為氣流冷卻過程中溫度可能低于甲醇凝固點，所以不能直接將甲醇以噴霧的形式注入氣流，基于此，REL 研制了SABRE 的特殊結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了甲醇與水的混合物逆氣流流動的功能，在保證霜凍控制效果的同時，減少了甲醇的用量。

參考化學(xué)工業(yè)的方法，SABRE 預(yù)冷器的整個管排中設(shè)置了多個注入和收集點，如圖4 所示。其工作原理為：在溫度最低點注入甲醇，通過收集水-甲醇混合物并將其重新注入上游來實現(xiàn)混合物逆氣流方向流動。在靠近出口處，冷凝液的成分幾乎全為甲醇，在靠近入口處，冷凝液的成分幾乎全為水，因此冷端的甲醇濃度高于熱端。在混合液體向入口方向流動的過程中，水被不斷吸收，因為熱端的冷凝水收集結(jié)構(gòu)已經(jīng)收集了大量的水，氣流中液態(tài)水的含量減少，相對濕度降低，所以用于抑制預(yù)冷器結(jié)霜的甲醇用量會減少。冷凝器工作過程中，氣流中幾乎所有的液態(tài)水都被收集，因此水蒸氣分壓非常低，氣流流過預(yù)冷器不會發(fā)生結(jié)霜。

圖4 甲醇注入及收集點示意圖

2 結(jié)語

SABRE 發(fā)動機預(yù)冷技術(shù)在霜凍控制等方面的技術(shù)突破，為可重復(fù)使用的空天飛機提供了可行的動力方案。預(yù)冷空氣類動力系統(tǒng)必然會在動力市場上占據(jù)重要地位。當前我國可重復(fù)使用的高超聲速運載器技術(shù)尚在初級階段，可以吸取吸氣式組合發(fā)動機的發(fā)展經(jīng)驗，充分利用已經(jīng)具備的科研條件，開展預(yù)冷空氣類組合動力系統(tǒng)的研究。此外，SABRE 作為一種高效輕質(zhì)換熱器，除可用于提高現(xiàn)有發(fā)動機的性能外，在汽車、能源等工業(yè)領(lǐng)域中也具有廣泛的應(yīng)用前景。