超燃冲压发动机的热防护技术

中国矿业大学电力工程学院
制冷设备技术进展报告
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超燃冲压发动机的热防护技术
摘要热防护技术是发展高超音速的关键技术之一。

本文综合近年来高超音速飞行器中发动机的冷却方式的进展，对超燃冲压发动机的热防护技术进行简单介绍，并对未来有应用趋势的技术简述。

关键字：超燃冲压再生冷却闭式循环
飞行速度超过5倍声音速度的叫做“高超声速飞行器”[1]。

高超声速飞行器有两大类，一类是在稠密大气层中较长时间飞行的“高超声速巡航飞行器”，主要有目前尚在研究发展阶段的，以超声速燃烧冲压发动机为动力的“空天飞机”和“高超声速巡航导弹”等；另一类是由火箭发动机发射到外层空间再返回地球的“再入航天器”(包括弹道式中远程导弹弹头，返回式卫星，宇宙飞船和航天飞机等)。

超燃冲压发动机是高超声速飞行的理想动力装置，结构简单、质量轻、成本低、易维护、超声速飞行时性能好，具有高比冲、高速度和大巡航推力的特性，适宜在大气层或跨大气层中长时间超声速或高超声速动力续航飞行[2]。

但是由于其工作环境极其恶劣，一般在高马赫数下飞行，飞行过程中高温空气不断向壁面传热，为了保证发动机长时间安全正常运行，维持适宜的电子元器件工作环境，所以研究超燃冲压发动机的热防护技术十分必要[3]。

超燃冲压发动机的热防护技术按原理和冷却方式分为三种：被动式、半被动式和主动式。

被动式是指采用轻质的耐烧蚀隔热材料对冷却结构进行热防护，热量被吸收或者是直接辐射出去；主动式是指利用低温冷却介质进行防护，全部热量或绝大部分被工作介质带走，主要包括发散冷却、对流冷却和气膜冷却；半被动式是指大部分热量由工作流体带走，主要有两种结构方式，热管理结构和烧蚀结构。

被动式涉及的防护与材料联系及其密切，局限性就是防护时间不宜过长，不涉及我们制冷原理。

半被动式适用于高热流长时间使用要求，有图1，热量被工作介质由高温区传至低温区，通过对流和辐射进行冷却放热。

图1
1.主动式：
主动式中对流冷却方式应用于主体发动机喷管，如图2所示，主要是通过热量传递给冷却介质、冷却介质受热带走热量而达到冷却效果的。

图2
主动式中气膜冷却是在壁面附近沿切线方向或用一定的入射角射入一股冷却气流，用以将高温气体与壁面隔离。

如图3所示。

图3
主动式发汗冷却是通过内壁上大量的孔洞或沟槽向火焰筒内部射入冷却介质，然后通过对流和发汗吸热达到保护目的。

如图4所示。

图4
介绍了以上几种基本冷却方式，下面我将介绍研究很火的冷却技术。

2.再生冷却技术[4]
再生冷却是对流冷却的一种，应用于超燃冲压发动机，是在发动机壁面内开冷却槽通道，并使用燃料作为冷却剂，燃料在冷却通道内流动对发动机室壁进行对流冷却，同时燃料也得到预热，使废弃的热量得到充分的利用。

这种冷却方式的优点是既减轻了冷却系统的质量，有利用燃料的吸热性质。

具有再生冷却结构的发动机，由热交换面板构成（如图5所示），流动的燃料作为冷却剂在通道流动。

碳氢燃料做冷却剂从发动机尾部流入，通过冷却通道，从发动机头部流出，发动机再生冷却通道内涂上了催化剂，这种催化剂在碳氢燃料温度升高时能催化燃料裂解，这个过程生成气态的碳氢组分并吸收大量的热量，起到了防护的作用。

这些气态的碳氢组分喷射到燃烧室内，易满足超燃冲压发动机的工作需求，也有利于燃料与来流混合燃烧，从而产生推力。

图5
3.新型闭式冷却循环[5]
有研究人员试图建立一个发电模式的新型冷却循环，提高热保护系统的性能。

它是基于闭式Brayton循环的新型冷却循环组成及工作原理。

如果能把再生主动冷却用的燃料所吸收的能量转移到其他系统，降低冷却用燃料最终吸热量，就有可能减轻目前冷却用燃料热沉不足的所面临的困难，提高再生主动冷却系统的冷却能力，在一定程度上减轻热防护系统对冷却用燃料的要求。

把超燃冲压发动机的高温壁面市委热源，发动机内燃料作为冷源，则可以构造一个闭式的发电循环，把冷却发动机壁面所吸收的热量一部分转化为电能，而剩余部分被低温燃料热沉带走。

下面举一个燃烧室高温壁面冷却循环的新方案。

冷却循环的冷却气体介质进入冷却通道进行充分换热，带走了发动机传到壁面的热量，介质温度大幅度提高，高温气体介质进入涡轮膨胀做功之后温度大幅度下降，再和温度较低的燃料在换热器内部分进行热交换，介质温度达到最低点，燃料和工作流体进行热交换之后温度产生小幅度上升，可继续用于其它壁面冷却，冷却后的介质由压气机增压后进入发动机冷却通道开始进行新的循环。

涡轮做的功分别带动压气机，燃料泵和发电机，起到了提高气体压力，燃料增压和飞行器供电多项作用。

涡轮带动燃料泵工作，相当于原超燃冲压发动机中的涡轮泵燃料供给系统，与原有系统在功能上有很好的匹配。

如图6所示。

图6.闭式Brayton循环的冷却循环新概念
4.超燃冲压发动机热防护技术的总结
防护方式多种多样，被动式、半主动式、主动式，方法虽多，但是在高马赫数的飞行过程中，紧靠其中一种防护冷却方式是不行的，必须多种技术相结合，以确保超燃冲压发动机在恶劣的环境正常工作，因此使用复合式热防护是主流，即将主动式和被动式防护技术相结合，提高防护热性能。

在主动式防护中，再生冷却方式是比较理想的防护手段，拿氢燃料再生冷方式为例，还需要做以下几方面工作：蒸汽重整、催化脱氢和裂解反应等。

在吸热型催化反应有引入了结焦等许多新问题，如果想达到理想的冷却效果，关于再生冷却的研究任然任重道远。

在上述几种冷却方式中，我比较看好的是新型闭式冷却循环技术，具有很大的研究潜力。

1.燃料不直接做冷却剂，间接提高燃料热沉，降低冷却用的燃料量。

2.实现超燃冲压发动机壁面热量最大综合利用。

3.热动力发电过程中产生的电能，可以为飞行器/发动机提供充足的电力，不但解决电力持续供应问题，还能够降低因发电设备带来的重量。

4.发电所用涡轮可带动燃料泵工作，相当于原超燃冲压发动机中涡轮泵燃料供给系统，与原有系统在功能上很好的匹配。

这种新型闭式冷却循环很有可能成为未来天地往返运输器和空天飞机等可重复使用的高超声速飞行的主流方式。

参考文献：
1.高超音速飞行器及其关键技术简论力学进展杨亚政、李松年、杨嘉陵
2.超燃冲压发动机热防护技术复合材料结构设计徐林、张中伟、许正辉、赵高文
3.近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题力学进展崔尔杰
4.再生冷却技术在超燃冲压发动机中的应用与发展推进技术肖红雨高峰李宁
5.一种新型的超燃冲压发动机闭式冷却循环工程热物理学报鲍文秦江周伟星于达仁。