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1、超燃冲压发动机新型冷却循环研究一、立项依据与研究内容1.立项依据阳气决定着脏腑的工作能力，而脏腑的工作能力又决定着身体的健康状况和寿命，所以说，想要身体好一点，寿命长一点，就要学会保护好我们的阳气，增加阳气。健康人晒晒太阳，就能吸收到充足的阳气了，但对于老年人和体质特别虚弱的人来说，恐怕吸收来的阳气也不够解燃眉之急的飞行Ma数大于5的高超声速飞行器是当前研究的一大热点，其关键是突破高温带来的热障问题。超燃冲压发动机作为其推进系统工作于极端的热物理问题(高速、高温、高强度燃烧) 条件下，燃料的燃烧和气动加热均将产生巨大的热载荷，燃烧室内温度可高达3000K以上，壁面热流峰值可高达10-20MW/
2、m2。由于轻质材料难以承受如此恶劣的热环境，超燃冲压发动机稳定运行强烈依赖于可靠的冷却系统。1.1 再生冷却是提高超燃冲压发动机性能的有效手段空气冷却效果随来流马赫数增大而下降。随着航空发动机性能的提高，冷却技术扮演着越来越重要的角色 刘大响,金捷.21世纪世界航空动力技术发展趋势与展望J.中国工程科学.2004,6(09):18.。现代航空燃气轮发动机对效率和单位推力不断追求,使得涡轮的进口温度不断提高,多年来在材料方面虽在不断改进,但允许进口温度提高的幅度有限,而在涡轮冷却方面的效果要显著的多 张庆,孟光.涡轮叶片冷却数值模拟进展J.燃气轮机技术. 2004,17(04):2328., 吴
3、宏,陶智,徐国强,丁水汀.带气膜出流的旋转叶片冲击冷却的实验研究J.航空动力学报. 2000,15(04):375380.。用于冷却燃烧室和涡轮叶片的冷却空气取自压气机后部，随着来流马赫数的增大，可用冷却空气的温度将不断提高，冷却效果将下降 倪萌,朱惠人,裘云,许都纯,刘松龄.航空发动机涡轮叶片冷却技术综述J.燃气轮机技术.2005,18(04):2534.。再生冷却是超燃冲压发动机最佳的冷却方式。随着航空发动机飞行速度的不断提高，发动机承受的热负荷越来越大，对冷却技术的依赖性逐渐增强。对于高马赫数飞行的超燃冲压发动机，其内部和外部均充斥着炙热的气体，除燃烧室必须冷却外，进气道同样需要冷却，无
4、法引入外部空气对高温部件进行冷却；采用非燃料之外的其他冷却剂，将带来一定的质量惩罚并增加系统复杂度；出于气动保形等发动机性能方面的考虑，燃烧室等高温区域不宜采用烧蚀型耐高温材料；因此一般认为选用燃料作为冷却剂的再生冷却是最佳的冷却方式 Fry, Ronald S.A century of ramjet propulsion technology evolution. Journal of Propulsion and Power. Vol. 20, no. 1, pp. 27-58. Jan. 2004., Takeshi Kanda,Goro Masuya,and Yoshio Wakama
5、tsut. Propellant feed system of regeneratively cooled scramjet. Journal of Propulsion and Power. VOL.7, NO.2, 1991, pp.299-301.。冷却用燃料资源十分有限。再生冷却是指燃料被通入燃烧室燃烧之前，首先被通入到冷却通道，利用燃料自身的热沉对发动机高温壁面进行充分的冷却。燃料作为再生冷却唯一可用的冷却剂，其资源与冷却空气相比将变得十分有限。与同样采用再生冷却的液体火箭发动机不同，超燃冲压发动机燃料流量很小，一般仅为液体火箭发动机的2%左右。1.2 超燃冲压发动机再生冷却目前面临
6、的困境1）冷却用燃料因流量大于推进用燃料流量而使得多余部分被抛弃理论分析表明，为了保证对超燃冲压发动机进行充分的冷却，氢燃料超燃冲压发动机冷却用氢燃料流量在飞行马赫数达到10之后将大于恰当化学反应推进用氢燃料流量 Takeshi Kanda, Goro Masuya, Yoshio Wakamatsu. Parametric Study Of Airframe-Integrated Scramjet Cooling Requirement. Journal of Propulsion and Power. VOL.7, NO.3, 1991, pp. 431-436., 罗世彬, 吴先宇等.
7、机身推进系统一体化高超声速飞行器冷却性能分析J.弹箭与制导学报.2004,24(1):5662.，如图1所示。如果考虑到发动机燃烧需要一定的余气系数，实际推进用燃料流量在降低，而由于壁面温度间的差异和局部高温区的存在，所需的冷却用燃料流量将大幅上升，如计及飞行器冷却，实际对冷却用燃料流量需求将更大，从而使得冷却用燃料和推进用燃料流量达到恰当匹配的飞行Ma数降低。以1998年在俄美联合进行的超燃冲压发动机马赫6.5联合飞行试验为例，发动机采用氢燃料进行冷却，冷却用氢燃料流量大于推进用燃料流量 Alexander S. Roudakov, Vyacheslav L. Semenov. Recent
8、 flight test results of the joint CIAM-NASA Mach 6.5 scramjet flight program. AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, 8th, Norfolk, VA, Apr. 27-30, AIAA-1998-1643.。除满足推进用燃料用量之外，多余的冷却用燃料只能被抛弃，如计及飞行器冷却则抛弃得更多。多余燃料的携带，必然给超燃冲压发动机带来严重的质量惩罚，发动机推重比也会因此而下降。由于氢燃料密度低
9、，多余燃料的携带将导致需要很大的燃料储箱，使得飞行器的体积庞大 He Huang, Louis J. Spadaccini, David R. Sobel. Fuel-Cooled Thermal Management for Advanced Aeroengines. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. Vol. 126, APRIL 2004, pp284-293.。图1 推进用燃料流量与冷却用燃料流量随来流Ma数的变化2）有限的低温热源难以满足超燃冲压发动机巨大的冷却要求从热力学角度，超燃冲压发动机再生冷却属于高温壁面与冷
10、却用燃料之间的直接式热量传递过程，高温壁面可视作高温热源，冷却用燃料可视作低温热源。由于燃料流量小且燃料资源有限，故与一般的热力过程不同，低温热源不可再被认为是无限大热源，而是有限热源。如果在低温热源近乎无限大时，现有再生冷却方法还是比较有效的；而在低温热源有限的前提下，再生冷却这种直接式冷却模式难以达到期望的冷却效果，即有限的低温热源难以满足超燃冲压发动机巨大的冷却要求。3）超燃冲压发动机性能要求和冷却要求之间出现矛盾一方面，出于发动机整体重量、体积和推重比等方面的考虑，超燃冲压发动机只能携带有限的燃料，以保证超燃冲压发动机的性能要求；另一方面，为了满足超燃冲压发动机冷却要求，不得不携带多余
11、的燃料。这样超燃冲压发动机性能要求和冷却要求之间便出现了矛盾。随着飞行马赫数的提高，超燃冲压发动机需要承受的热载荷越来越严重；随着飞行时间的增长，超燃冲压发动机需要携带更多的燃料，这使得二者之间的矛盾变得更加突出。因此，目前在超燃冲压发动机实际应用中，往往不得不牺牲某方面性能，以维持发动机的正常运行。4）吸热型碳氢燃料仅适用于低马赫数超燃冲压发动机燃料冷却能力即燃料热沉能力的提高，将有助于缓解这一矛盾。但是氢燃料已被认为是比热最高的燃料，其单位热沉已无提高余地，而碳氢燃料单位热沉要比氢燃料低得多。然而目前国内外关于旨在提高碳氢燃料单位热沉能力的有关吸热型碳氢燃料的研究，仅能在较低马赫数运行范围
12、内缓解这一矛盾，且伴随着碳氢燃料沉积和结焦等新的问题出现。与直接提高燃料本身热沉能力相比，如能在系统级层面上间接提高燃料热沉，将有可能同时带来代价小和收益大的效果。将燃料饱和热沉通过能量转换的方式降为未饱和热沉，燃料可继续用于二次冷却，燃料热沉能力得到了重复利用，间接提高了燃料热沉能力；也可将高温壁面部分热量以其他方式疏导出去，降低冷却用燃料一次冷却吸热量，燃料处于未饱和热沉状态，可继续用于二次冷却，同样相当于间接提高了燃料热沉能力。1.3 超燃冲压发动机新型冷却循环的基本思路高温壁面与低温燃料之间存在着潜在的可用功，未能得到充分利用。再生冷却系统可视为一个有效的能量提供者，通过合理利用这部分
13、可用功，再生冷却系统可为其它系统提供能量，这部分可用功可视作燃料供给等系统潜在的驱动源 John E. Ahern. Thermal management of air-breathing propulsion systems. 30th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit. AIAA-92-0514.。 再生冷却过程存在较大不可逆损失。再生冷却是高温壁面与低温燃料之间的大温差传热过程，高温位热能经直接传热转为低温位热能。由熟知的热力学第二定律，大温差传热过程必然引起严重的不可逆损失。以上的分析表明，再生冷却效果的提高受限于可用资源和燃料物性，能否合理利用
14、现有有限资源并最大程度上发挥燃料潜能，是有可能找到以最小代价提高再生冷却效果有效途径的关键。同时，再生冷却过程中存在的潜在可用功、较大不可逆损失、大幅传热温差和高低温位热能间能量品位的降低，都为寻找提高再生冷却效果的途径提供了可能。热力循环是一种工作于不同温位之间，利用工质吸放热和作功的能力，实现能量转移和转换的有效热力学过程。由于高温热源和低温热源的存在，通过热力循环的构造，燃料经热力循环完成吸放热和作功等过程，恰能实现燃料热沉能力的重复利用和冷却用燃料直接吸热量的降低，间接提高燃料的热沉能力，所需的冷却用燃料用量将随之降低。由于改变了原有的大幅温差高低温位热源直接传热过程，循环在不同温位热
15、源之间的能量转化，将有助于大幅减少高温壁面与低温冷却用燃料之间热量传递过程中的不可逆损失，获得更高的热力学完善度。基于以上思想，我们提出了超燃冲压发动机新型冷却循环的思想：冷却用燃料经吸放热和作功过程，实现燃料热沉能力的重复利用和降低冷却用燃料一次冷却吸热量，冷却用燃料可继续用于二次冷却。超燃冲压发动机冷却循环的提出，使得燃料热沉能力间接得到了提高，降低了冷却用燃料消耗，增强了整体的冷却效果。将有效缓解当前超燃冲压发动机冷却的困境，也将为超燃冲压发动机冷却乃至整个高超声速飞行器热防护研究提供新的思路，同时循环有用功的输出可为飞行器提供持续的能量供应。1.4 超燃冲压发动机新型冷却循环基本工作分
16、析为了对超燃冲压发动机新型冷却循环的性能进行初步验证，就冷却循环进行简单的分析如下。再生冷却模式下，设一定质量流量的冷却用燃料吸热量为；冷却循环模式下，对于相同的吸热量，在完成一个循环之后，由于部分循环可用功的输出，相同流量的冷却用燃料一次冷却最终吸热量仅为，且有如下关系式成立： (1)由于相同流量的冷却用燃料吸收的热量由下降为，冷却用燃料热沉能力未得到完全利用，尚未达到饱和热沉状态，仍可用于其他高温壁面冷却之用，实现二次冷却即再冷过程。在理想情况下，冷却用燃料二次冷却仍可吸收热量，在数值上等于。在相同的冷却用燃料流量下，与直接再生冷却相比，冷却循环模式下，通过二次冷却即再冷过程，更多的冷却量被获得，带来了额外的冷却收益。如果定义新型冷却
