渦輪發(fā)動機(jī)射流預(yù)冷擴(kuò)包線技術(shù)應(yīng)用前景分析

扈鵬飛 林曉梅 齊偉呈

摘要：射流預(yù)冷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)渦輪發(fā)動機(jī)擴(kuò)包線的重要技術(shù)途徑，本文總結(jié)了國內(nèi)外射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，分析比較了相對于其他技術(shù)路線，射流預(yù)冷擴(kuò)包線的技術(shù)優(yōu)勢和劣勢，指出主要優(yōu)勢在于研發(fā)、使用成本低，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，研制周期短，可快速形成能力滿足高速飛機(jī)等裝備需求，在此基礎(chǔ)上，闡述了射流預(yù)冷技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Γ治隽嗽赥BCC組合動力渦輪基、高速截?fù)魴C(jī)/偵查機(jī)動力等方向的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：臨近空間組合動力高速渦輪射流預(yù)冷

Abstract： Jet precooling technology is an important technical way to realize turbine engine line expansion. Based on the demand of adjacent space high-speed aircraft， the paper compares the technical advantages and disadvantages， and the main advantages are low research and development， use cost， short technical risk， rapid development capacity to meet the equipment needs of high-speed aircraft， and analyzes the application prospect of TBCC combined power turbine and high-speed interceptor / detector power.

Key Words：Adjacent space; Combined power; High speed turbine; Jet precooling

1研究背景

臨近空間高速飛機(jī)是未來航空航天技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向，動力是其關(guān)鍵和難點(diǎn)。高速飛機(jī)要求動力寬范圍長時(shí)間穩(wěn)定工作，一般高度0～30km或更高，馬赫數(shù)從亞聲速、跨聲速、超聲速擴(kuò)展到高速甚至高超聲速，必須采用組合動力，其中的一個(gè)關(guān)鍵難題就是：需要Ma3級或以上高速渦輪發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)與沖壓發(fā)動機(jī)之間的動力銜接。

射流預(yù)冷技術(shù)可以有效地?cái)U(kuò)展渦輪發(fā)動機(jī)的工作包線，增推效果顯著，且不需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行較大改動，被認(rèn)為是發(fā)展高速飛機(jī)動力最有效的技術(shù)途徑之一[1]。本文梳理了射流預(yù)冷技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)，對該技術(shù)優(yōu)劣勢、應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和解讀，為開展射流預(yù)冷技術(shù)工程研制提供參考。

2基本原理及研究進(jìn)展

2.1 基本原理

高空高速條件下，來流氣流溫度較高，超過了渦輪發(fā)動機(jī)所能承受的工作范圍，傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機(jī)受渦輪前溫度和使用條件的限制，最大工作馬赫數(shù)一般在Ma2左右。射流預(yù)冷技術(shù)基本工作原理是：在常規(guī)渦輪發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇/壓氣機(jī)前，加裝噴射冷卻介質(zhì)（通常是水或水的混合液）的裝置，通過介質(zhì)的噴射、霧化和蒸發(fā)效果以冷卻進(jìn)氣道中較高溫度的氣流，如圖1，使進(jìn)入風(fēng)扇/壓氣機(jī)前的氣流總溫降低或維持在發(fā)動機(jī)可承受的適宜溫度，保持發(fā)動機(jī)高效工作，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的工作范圍的擴(kuò)展，并保證高飛行馬赫數(shù)條件下具有較高推力[2]。

2.2國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展情況

2.2.1國外研究進(jìn)展

國外渦輪發(fā)動機(jī)射流預(yù)冷擴(kuò)包線技術(shù)研究開展較早，1950開始就進(jìn)行了較多的研究分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，并在 1975年在 “Peace Jack”的研究計(jì)劃下進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。

射流預(yù)冷技術(shù)應(yīng)用比較有代表意義的有：（1）俄羅斯米格25戰(zhàn)斗機(jī)R-15-300發(fā)動機(jī)。射流預(yù)冷技術(shù)成功應(yīng)用于前蘇聯(lián)米格-25高空截?fù)魴C(jī)的R-15-300發(fā)動機(jī);R-15-300是在R-15 發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型，主要是在R-15發(fā)動機(jī)應(yīng)用射流預(yù)冷擴(kuò)包線，為此，米格-25 的進(jìn)氣道內(nèi)設(shè)內(nèi)有一個(gè)“淋浴頭”一樣的噴水裝置，向進(jìn)氣氣流噴水和乙醇的混合溶液，混以乙醇是增強(qiáng)溶液的揮發(fā)性，加強(qiáng)效果。此外，在直接射流對進(jìn)口氣流進(jìn)行冷卻之前，通過空氣-蒸氣熱交換器參與駕駛艙和設(shè)備艙采用通風(fēng)冷卻，進(jìn)一步提高溫度，以保證較大的蒸發(fā)率和吸熱效率?；谏淞黝A(yù)冷技術(shù)，R-15-300發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)了Ma3級工作能力，最大工作馬赫數(shù)達(dá)到M3.2，并最終裝備了1000余架米格-25飛機(jī)，成為射流預(yù)冷擴(kuò)包線技術(shù)工程應(yīng)用的成功范例。

（2）美國基于F100發(fā)動機(jī)發(fā)展射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)技術(shù)驗(yàn)證。美國國防部預(yù)研局（DARPA）于2002年3月發(fā)起了RASCAL “快速響應(yīng)小載荷低成本運(yùn)載” 計(jì)劃，該計(jì)劃包含了射流預(yù)冷技術(shù)進(jìn)行了整機(jī)試驗(yàn)研究內(nèi)容。 2004年3月，利用J85發(fā)動機(jī)對F100-PW-200發(fā)動機(jī)進(jìn)氣預(yù)冷試車臺進(jìn)行檢驗(yàn)，此次初始試車表明，利用噴水和補(bǔ)充液氧的方式，發(fā)動機(jī)可獲得2倍的推力增加。同年11月，完成了采用射流預(yù)冷技術(shù)的F100-PW-200發(fā)動機(jī)全包線設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了射流預(yù)冷技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證工作[3]。

近年來，鑒于TBCC動力對高速渦輪發(fā)動機(jī)的需求，美國在射流預(yù)冷擴(kuò)包線技術(shù)上繼續(xù)加大投入。最新消息顯示，美國2013年公布的Ma6一級臨近空間飛機(jī)SR-72，第一步其動力形式將采用現(xiàn)役渦輪發(fā)動機(jī)結(jié)合射流預(yù)冷技術(shù)形成高速渦輪基工作至M3+，然后并聯(lián)Ma6級寬范圍超燃沖壓發(fā)動機(jī)。

2.2.2國內(nèi)研究進(jìn)展

近年來，鑒于高速飛機(jī)發(fā)展，中國航發(fā)606所、624所在傳統(tǒng)渦輪/渦噴發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，研究了壓氣機(jī)前增加射流預(yù)冷裝置的設(shè)計(jì)方案，對噴射水冷卻、加力燃燒室補(bǔ)過氧化氫、配裝大膨脹比噴管等技術(shù)措施開展了分析研究，先后完成了Ma3級渦輪發(fā)動機(jī)射流預(yù)冷擴(kuò)包線整機(jī)驗(yàn)證。

總之，從國外的發(fā)展情況，俄、美等國在射流預(yù)冷擴(kuò)包線技術(shù)上都開展了深入的應(yīng)用研究，取得了很多成果可供借鑒，且有成功的工程應(yīng)用示范，國內(nèi)在該技術(shù)上也有一定技術(shù)基礎(chǔ)，為射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)工程研制奠定基礎(chǔ)。

3射流預(yù)冷擴(kuò)包線技術(shù)優(yōu)劣勢分析

目前，實(shí)現(xiàn)Ma3+的渦輪動力主要兩種技術(shù)途徑：高速渦輪（基于傳統(tǒng)渦輪或者ATR）技術(shù)和預(yù)冷技術(shù)（基于射流預(yù)冷或者強(qiáng)預(yù)冷）。

3.1 技術(shù)優(yōu)勢分析

采用射流預(yù)冷技術(shù)，能在原有常規(guī)渦輪發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上拓寬工作范圍，相對于新研高速渦輪發(fā)動機(jī)，主要優(yōu)勢歸納如下。

（1）可基于現(xiàn)役渦輪發(fā)展，增加預(yù)冷裝置即可，這就避免了極為昂貴的新型渦輪發(fā)動機(jī)研發(fā)，極大的降低了研發(fā)成本;

（2）采用射流預(yù)冷技術(shù)擴(kuò)展現(xiàn)役動力工作包線，形成的裝備可以與現(xiàn)役裝備共用生產(chǎn)線、維護(hù)設(shè)備等，大大降低使用維護(hù)成本;

（3）由于可采用現(xiàn)役渦輪，技術(shù)成熟度高，從而在新型高速飛機(jī)研制中避免了新型動力組合新型飛機(jī)的局面，極大的降低了研制風(fēng)險(xiǎn);

（4）基于現(xiàn)有或近期可以預(yù)見的渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)開展射流預(yù)冷卻發(fā)動機(jī)研發(fā)，研究和試驗(yàn)周期短，可短時(shí)間內(nèi)形成能力，填補(bǔ)裝備空白，滿足臨近空間飛機(jī)對動力的迫切需求;

（5）射流預(yù)冷卻發(fā)動機(jī)是能夠?qū)崿F(xiàn)在高馬赫數(shù)條件下推力增加，高速推力性能好，可實(shí)現(xiàn)在Ma2-3階段飛機(jī)快速爬升和加速[4]。

與同為預(yù)冷技術(shù)的強(qiáng)預(yù)冷技術(shù)（封式循環(huán)技術(shù)成熟度低，本文只討論形式循環(huán)）相比，除了以上優(yōu)勢外，射流預(yù)冷技術(shù)還有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）無需復(fù)雜且沉重的換熱系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)推重比提高;

（2）射流預(yù)冷裝置損失較強(qiáng)預(yù)冷換熱器小，發(fā)動機(jī)低速性能優(yōu);

（3）射流預(yù)冷裝置較復(fù)雜精細(xì)的強(qiáng)預(yù)冷換熱器工程可靠性優(yōu)。

另外，根據(jù)RASCAL的研究結(jié)果，射流預(yù)冷可將現(xiàn)有渦輪發(fā)動機(jī)工作包線擴(kuò)展至Ma6以上。

3.2 技術(shù)劣勢分析

該技術(shù)主要不足在于：

（1）需要攜帶冷卻劑，比沖低，在Ma3時(shí)，綜合比沖可能降低至900s左右;

（2）高速工作時(shí)（Ma2.5+），射流預(yù)冷技術(shù)導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量大，進(jìn)發(fā)匹配存在一定難度。

4射流預(yù)冷擴(kuò)包線技術(shù)應(yīng)用前景淺析

射流預(yù)冷技術(shù)可以基于現(xiàn)有渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)展為具備Ma3或更高馬赫數(shù)工作能力的水平起降動力，技術(shù)成熟度高，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，成本低，是臨近空間動力的關(guān)鍵一環(huán)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.1支撐Ma4/Ma6級TBCC動力的渦輪基

TBCC是未來臨近空間飛機(jī)動力的最優(yōu)選擇，目前來看，現(xiàn)有渦輪發(fā)動機(jī)最大工作馬赫數(shù)在Ma2.25左右，暫不能滿足超燃/亞燃沖壓發(fā)動機(jī)對渦輪機(jī)的需求，采用射流預(yù)冷技術(shù)，對現(xiàn)有渦輪發(fā)動機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，在現(xiàn)有成熟發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展出Ma3級射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)，其技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，成本低，特別是射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)研制周期短，可滿足臨近空間飛機(jī)對動力的迫切需求[5]。

4.2作為高速偵察機(jī)/截?fù)魴C(jī)動力

目前，許多高空無人偵察機(jī)的飛行馬赫數(shù)都不超過1，很容易遭受導(dǎo)彈的攻擊。因此，各國都很重視高空高速無人偵察機(jī)的發(fā)展，而射流預(yù)冷卻發(fā)動機(jī)有望成為該類飛機(jī)的理想動力。另外，作為國土防空的高速截?fù)魴C(jī)不要求巡航和遠(yuǎn)航程，而要求快速達(dá)到預(yù)定位置，也很適合采用基于射流預(yù)冷技術(shù)的高速動力。

4.3作為低成本高速飛行試驗(yàn)平臺的動力裝置

飛行試驗(yàn)過程中，高速飛行器的起飛一般由火箭助推或飛機(jī)攜帶發(fā)射完成。如果試驗(yàn)的高速飛行器在飛行試驗(yàn)過程中發(fā)生故障將無法返回，從而造成大經(jīng)費(fèi)。采用射流預(yù)冷卻發(fā)動機(jī)做動力的飛行器具有水平起飛和著陸的特點(diǎn)，可以避免這類問題。

4.4作為軌道飛行器的第一級推進(jìn)系統(tǒng)

基于射流預(yù)冷技術(shù)發(fā)展高速動力，作為二級入軌飛行器的第一級推進(jìn)系統(tǒng)，攜帶第二級飛行器到達(dá)高空高速狀態(tài)，發(fā)射二級飛行器，作為一級飛行器返回基地。

4.5作為高速巡航導(dǎo)彈的動力系統(tǒng)

目前，世界上主戰(zhàn)巡航導(dǎo)彈的動力裝置主要是渦扇發(fā)動機(jī)。受渦扇發(fā)動機(jī)的限制，該類巡航導(dǎo)彈一般都在亞聲速條件下飛行。因此，很容易被防空導(dǎo)彈攔截，達(dá)不到有效攻擊的目的。所以提高巡航導(dǎo)彈的飛行速度成為必要。鑒于射流預(yù)冷發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，也是高速巡航導(dǎo)彈動力裝置的選擇之一[6]。

5結(jié)語

射流預(yù)冷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)渦輪發(fā)動機(jī)包線擴(kuò)展的最有效途徑之一，在國外已有豐富技術(shù)積累，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，國內(nèi)也有一定技術(shù)基礎(chǔ)，基于該技術(shù)發(fā)展水平起降高速飛機(jī)動力，在成本、周期和技術(shù)成熟度上都有較大的優(yōu)勢，但綜合性能相較于全新動力有一定差距，因此，完全可以作為臨近空間水平起降飛機(jī)TBCC組合動力第一階段渦輪基使用，也可以作為高速截?fù)魴C(jī)/偵查機(jī)或者其他低成本高速飛行器動力使用，具有廣泛應(yīng)用前景，是臨近空間高速飛機(jī)發(fā)展的重要支撐。

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