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1、.word可编辑.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.专业.专注..word可编辑.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/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
2、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):1~8.]。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):23~28.,吴宏,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):
3、375~380.]。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):25~34.]。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
4、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,RonaldS.Acenturyoframjetpropulsiontechnologyevolution.JournalofPropulsionandPower.Vol.20,no.1,pp.27-58.Jan.2004.,TakeshiKanda,GoroMasuya,andYoshioWakamatsut.Propellantfeedsystemofreg
5、enerativelycooledscramjet.JournalofPropulsionandPower.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的困境.专业.专注..word可编辑.1）冷却用
6、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[TakeshiKanda,GoroMasuya,YoshioWakamatsu.ParametricStudyOfAirframe-IntegratedScramjetCoolingRequirement.JournalofPropulsionandPower.VOL.7,NO.3,1991,pp.431-436.,罗世彬,吴先宇等.机身推进系统一体化高
7、超声速飞行器冷却性能分析[J].弹箭与制导学报.2004,24(1):56~62.]，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[AlexanderS.Roudakov,VyacheslavL.Seme
8、nov.RecentflighttestresultsofthejointCIAM-NASAMach6.5s
