渦輪發動機射流預冷關鍵技術分析

尚守堂 田方超 扈鵬飛

摘要：射流預冷技術（MIPCC）是擴展現有渦輪發動機工作范圍的一條有效技術途徑和重要發展方向，其技術研究將極大地支撐后續高速/高超聲速飛行器動力技術的研究和發展。根據國內外研究現狀，梳理了開展射流預冷技術研究的技術難點，并對需要掌握的關鍵技術進行了分析和解讀，可為國內后續射流預冷技術工程研制提供參考。

關鍵詞：射流預冷；關鍵技術；渦輪發動機；高馬赫數；飛行器

中圖分類號：V233.5+9

文獻標識碼：A

近年來，高速飛行器已成為航空領域的重點研究方向，其動力技術是研發高速飛行器的難點之一。從當前的技術水平來看，滿足飛行器在亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速的寬廣范圍工作，必須采用組合動力，其中的一個關鍵難題就是：如何實現渦輪發動機與沖壓發動機之間的動力銜接。采用射流預冷（MIPCC）技術，可以有效地擴展渦輪發動機的工作包線，解決渦輪發動機與沖壓發動機之間的“速度裂縫”問題。

美國早在20世紀50年代就已開展了射流預冷技術研究。2002年，美國國防預先研究計劃局（DARPA）提出快速響應小載荷低成本運載（RASCAL）計劃，將射流預冷技術作為重點研究內容之一，同時在Fl00發動機上完成了模擬高空條件下發動機地面進氣加溫的射流預冷技術試驗驗證。2013年，一篇關于SR-72飛行器的報道曾提出，其組合動力的渦輪基將在未來采用Fl00或Fll0發動機的改型，結合在Fl00上進行射流預冷驗證情況，判斷其可能采用射流預冷技術使渦輪發動機工作至馬赫數Ma3以上。

俄羅斯米格-25高空截擊機的R-15-300發動機成功應用了射流預冷技術，其最大工作馬赫數達到Ma2.8，并具備短時間Ma3工作能力。R-15-300是R-15發動機的改進型，改進內容之一就是增加了射流預冷裝置。為此，米格-25的進氣道設內有一個“淋浴頭”一樣的噴水裝置，向進氣氣流噴水和甲醇的混合溶液，混以甲醇是增強溶液的揮發性，加強效果。因此，米格-25在機內除了攜帶巨量燃油外，還攜帶了一個250L的水箱，裝水和甲醇混合溶液。

國內對射流預冷技術的研究始于20世紀70年代，國內發動機研制單位在渦噴發動機上開展了噴水增推效果的初步試驗驗證。進入21世紀，射流預冷技術再次得到國內發動機研制單位和科研機構的關注，目前建立了射流預冷對發動機性能的影響模型，計算評估了射流預冷對發動機整機、部件的性能影響情況，同時開展了射流預冷裝置研究和噴水降溫效果研究和驗證。

射流預冷技術由于其對渦輪發動機的能力擴展和短期可實現等因素，被認為是發展高速飛行器動力最有效的技術途徑之一。本文梳理了射流預冷技術研究的技術難點，重點對需要掌握的關鍵技術進行分析和解讀，為國內開展射流預冷技術工程研制提供參考。

1主要技術難點分析

（1）射流預冷裝置設計

射流預冷裝置的加裝會引起進氣道內氣流較大的總壓損失和流動畸變，在保證換熱率不降低的前提下，設計出總壓損失低、氣流畸變小的射流預冷裝置是必須解決的要點問題。

（2）射流預冷帶來的工質組分變化對發動機總體性能的影響

在發動機進口前噴入冷卻介質后，工質屬性發生變化，對部件特性和整機性能都產生影響，需要開展射流預冷對渦輪發動機性能影響研究。

（3）渦輪發動機適應性改進

將射流預冷技術應用于航空發動機，并不是直接將預冷系統加裝上去就可以使用，整機和部件工作點都發生了變化，因此，需要開展渦輪發動機適應性改進研究。

（4）射流預冷試驗技術

射流預冷工程研制中，試驗驗證技術必不可少，制訂科學的試驗驗證方案、合理地設置試驗狀態參數是決定試驗成敗的前提和關鍵。同時，還需要重點研究噴水環境下試驗參數的測量方法。

2射流預冷關鍵技術分析

2.1射流預冷裝置設計技術

射流預冷裝置安裝在飛機進氣道內，安全性、可靠性要求較高，同時需要進行射流預冷裝置與飛機進氣道的一體化設計，國內目前技術成熟度低。射流預冷裝置所涵蓋的技術范圍較寬，需同時開展一體化設計技術、防冰技術、輕質化設計技術、低流阻和低畸變技術研究。為實現高效、低阻射流預冷裝置的設計要求，需開展大量的射流預冷裝置試驗研究，以支撐工程設計。

2.2射流預冷對發動機總體性能影響分析技術

射流預冷條件下，通過進氣道的換熱冷卻過程后，工質成分發生改變，水蒸氣的混入，體現為工質比熱容等物性參數的變化，水蒸氣含量越大，物性參數變化越明顯。壓氣機等部件工作特性是與工質成分相對應的，隨著工質物性參數發生變化，壓縮部件增壓特性、燃燒室燃燒和溫升特性、渦輪功特性也隨之發生變化。工質物性參數變化和部件工作特性變化最終體現為發動機總體性能的變化。

為了分析射流預冷對發動機總體性能的影響，需要開展發動機總體性能模擬計算。給定相同的發動機進口總溫和總壓，通過不同的冷卻水量，在發動機工作剖面內各個工作點計算對于比發動機的總體性能特性。此時，發動機性能變化是由引入射流預冷系統造成的，從而評估射流預冷對發動機總體性能的影響。

2.3渦輪發動機適應性改進技術

發動機采用射流預冷技術擴展工作包線，在高速狀態下能夠獲得更高的性能。在高速條件下即使采用射流預冷，發動機各截面熱負荷依舊比較大，發動機各部件在高熱負荷條件下持續工作較長時間，對各部件系統耐溫能力提出了更高的要求。需要對熱負荷過高的部件進行適應性改進，采用更換材料等方式，提升部件耐溫能力，保證其在高熱負荷條件下能夠持續工作。針對附件系統工作環境溫度升高的情況，考慮通過加強冷卻等方式，降低附件所處的環境溫度，通過更換耐高溫滑油，使附件系統能夠耐受更高溫度，以適應高速工作條件。

2.4射流預冷試驗技術

在對射流預冷發動機進行性能影響分析的基礎上，要開展射流預冷渦輪發動機技術集成驗證。完成射流預冷系統/渦輪發動機的結構一體化設計和控制一體化設計，建立帶有射流預冷系統的高速渦輪發動機關鍵技術驗證平臺，進行不同射流預冷方案的技術研究和驗證，掌握射流預冷技術對發動機的影響和性能提升能力。

美國在射流預冷試驗上的研究較為深入。美國在Fl00發動機上改造的MIPCC系統包括一個液氧噴射平面和兩個水噴射平面，前端為液氧平面，之后是兩個噴水平面，可獨立開啟、關閉。第二噴水平面與發動機表面之間的距離，按實際水蒸發成水蒸氣所需的最小距離值確定。圖1為美國Fl00改造的MIPCC發動機結構示意圖。

同時，美國在莫哈韋沙漠機場建立了MIPCC試驗臺，目的是在地面條件下模擬Ma4飛行時的進氣溫度環境。熱空氣由J79發動機運轉后產生的燃氣提供，通過調節J79發動機工作狀態來控制通過試驗發動機的氣源流量和溫度。調試試驗證明，該試驗臺可以在Fl00發動機100%狀態進氣流量下，模擬最高飛行速度為Ma3.47、高度24.6km的進氣溫度條件。

2.5射流預冷測試技術

射流預冷發動機進行試驗時，試驗裝置由傳統的發動機增加為射流預冷裝置和渦輪發動機共同工作，且通道內的工作介質由空氣變為空氣和水蒸氣的混合液，甚至有部分未蒸發的液態水。除了正常的發動機整機監測數據，為了考核射流預冷裝置的功能以及有效性，工質流量、壓力、溫度需同時進入臺架試驗監控系統，同時考慮水蒸氣以及液態水對傳統測試傳感器的影響，需對射流預冷發動機的測試方案進行研究，并對有影響的測試裝置進行改裝。

3結論

射流預冷具有較好的技術發展趨勢，俄、美等國都開展了深入的應用研究，取得了很多成果可供我們借鑒。我國在射流預冷方面進行的工作還基本處在理論研究階段，細節機理研究、部件試驗較少，整機驗證也僅僅掌握了初步規律。針對我國當前國情，對射流預冷技術的需求十分迫切，亟須推進針對工程產品的射流預冷發動機應用技術研究，突破關鍵技術研究，為射流預冷發動機工程產品研制奠定基礎。