基于固液相变燃料的冲压发动机

2019-05-25孙维国史瑞华林左鸣刘代军张文山曹军伟范中国马聪慧付泽川刘爱华田鹏钱勤建陈飞段磊崔金平梁晓嘉

航空学报 2019年5期

孙维国，史瑞华，林左鸣，刘代军，张文山，曹军伟，范中国，马聪慧，付泽川，刘爱华，田鹏，钱勤建，陈飞，段磊，崔金平，梁晓嘉

1. 中国空空导弹研究院，洛阳 471009 2. 中国航空研究院，北京 100029 3. 中国航空学会，北京 100000

冲压发动机作为一种动力装置，在航空航天领域得到了大量应用[1]，美国[2-3]、法国[4-5]、德国[6-7]和中国[8-9]分别针对该动力装置开展了多项研究工作。由于工作机制的不同，冲压发动机可划分为多种不同的类型。按照推进剂状态的不同，现有在役和在研的冲压发动机可分为两种类型：一种是采用固体燃料的冲压发动机，即燃料在储存和工作过程中均为固体燃料；另一种是采用液体燃料的冲压发动机，即燃料在储存和工作过程中均为液体燃料。由于燃料状态不同，使得这两种发动机各有优缺点，其中采用固体燃料的发动机具有燃料密度高和使用维护简便的优点；相比之下，采用液体燃料的发动机具有比冲高和流量调节简便的优点[1,6-7]。为了最大程度发挥固体或液体燃料的优势，同时避免其缺点，国内外针对凝胶/膏体燃料开展了研究工作，获得了凝胶/膏体燃料的配方、流变特性以及燃烧特性[10-12]。为提高凝胶/膏体燃料发动机的燃烧效率，必须解决燃料的流变特性和雾化难题。

本文提出了一种新概念的冲压发动机，并命名为固液相变冲压发动机。该型发动机兼具固体燃料和液体燃料两种冲压发动机的某些优点，其采用具有相变特性的燃料，相变燃料在贮存时为固态，在工作时为液态，在该型发动机使用过程中存在着燃料从固态到液态相变的转换过程。该型发动机与传统冲压发动机的主要差异在于固液相变燃料和燃料相变系统的采用，其他发动机部件工作原理与传统液体冲压发动机相同。该发动机工作过程如下：发动机存储时，固液相变燃料以固态存储在燃料贮箱中，使用前通过燃料相变系统将固液相变燃料熔化为液体，接下来的工作过程与液体冲压发动机相同。相变完成后的液体燃料特性也与其他传统液体燃料例如JP10相当，能够很好地雾化，从而达到较高的燃烧效率。

本文以固液相变冲压发动机工作原理为基础，描述了固液相变燃料和燃料相变系统的技术特征，阐述了表征该型发动机特有的指标体系，并开展了初步的地面试验研究。固液相变发动机原理图如图1所示。

图1 固液相变燃料冲压发动机工作原理图Fig.1 Working principle diagram of solid-liquid phase change fuel ramjet

1 固液相变燃料

直链烷烃(CnH2n+2,n>20)常温下为固态，加热熔化相变后为液体，这种相变燃料与传统航空煤油相比，具有密度更高的特征，适用于对装填体积有严格限制的发动机。此外，直链烷烃熔化后黏度迅速下降，其流变特性与传统航空煤油接近，具有易于输送和雾化的特点，可避免凝胶燃料雾化难度大的问题[10]。在目前的研究中，选用易得性较好的直链烷烃开展研究工作。相变燃料种类繁多，不同的相变燃料具有不同的特性，包括物理特性，如相变点、热容、相变潜热、黏度系数等，以及化学特性，包括燃烧温度、着火点、热值、闪点等。相变燃料的选取决定了发动机的使用状态，也影响着发动机的推力等性能参数。单一成分的相变燃料有时很难满足发动机所需的诸多特性，因而相变燃料选取多种成分构成的混合燃料，所选取的相变燃料中可以包含有极性溶剂添加剂、高能碳氢化合物、纳米颗粒等成分，根据需要可以选择其中部分组分。如果从成本考虑，可以只选直链烷烃和极性溶剂添加剂。如果拟提高燃料密度或燃料体积热值可以添加一定比例的高能碳氢燃料，也可以加入一定比例的金属微粒，如纳米铝或纳米硼等。

通过添加固体粉末颗粒的方法能够提升燃料的能量水平，但是这种方法一般不适用于液体燃料，这是由于固体颗粒容易形成沉降、团聚，长时间放置下液体燃料将变得难以使用；而固液相变燃料在存放时为固体，不会发生固体颗粒沉降的问题，因而具有一定的优势。

2 驱动燃料相变系统

燃料相变系统的作用是通过能量的馈入使固液相变燃料由固体转化为液体，本研究通过微波加热的形式实现能量的馈入。微波加热是利用微波形成场致效应，在三维空间中对固液相变燃料进行加热，这种加热方式属于体加热，在一定的空间范围内形成较为均匀的加热，提高了加热效率。加热所用的波导口放置在燃料储箱壁上，并不会占用储箱内燃料空间位置，因而对总体性能影响较小。通过增加单个波导口功率或增加波导口数量，能够较大提升微波输入的功率。

如果要采用高效的驱动相变方式，微波辐射加热是一个很好的选择，但烷烃类的燃料本身并不含极性，不能感应微波场致作用，因而需要其他极性分子作为微波吸收介质，并且这些极性分子能够和燃料形成均匀混合体系，使得微波场能够较为均匀地加热燃料。

采用的微波频率与发动机的尺寸相关，尺寸越大，所需微波的频率越低，尺寸越小，所需使用的微波频率越高。微波功率与发动机的尺寸、燃料的质量、要求的工作准备时间相关。在目前的技术条件下，微波供应设备由于体积和质量限制，还只能作为地面设备使用。

3 表征固液相变冲压发动机的指标和参数

冲压发动机有一系列参数和指标，表征发动机的优缺点和工作特性，如比冲、推力系数、总冲等等。由于固液相变冲压发动机也是冲压发动机的一种，以上参数也同样适用。除此之外，固液相变冲压发动机还有自身的一些独特的参数指标，通过比较这些指标和参数，就能够了解该固液相变冲压发动机的工作特性，以及工作的优点和缺点。固液相变冲压发动机的指标体系主要包括：发动机相变效率，相变温度区间，工作温度，燃料黏度系数，工作准备时间，燃料相变潜热，极性物质的体积热值。

3.1 发动机相变效率

发动机相变效率表征了发动机内相变燃料由固体转变为液体的快慢程度。影响燃料相变过程的因素包括初始温度、燃料相变特性以及相变系统能量转化效率等，当初始温度一致时，发动机相变效率与燃料相变特性和相变系统能量转化效率相关。发动机相变效率越高，燃料越容易由固态转变为液态，这代表发动机由存储过程进入工作过程的能力，可描述为单位功率下单位质量的燃料从室温达到液体工作温度的时间。

在不考虑系统与外界的热交换和储箱本身温升的情况下，根据能量守恒定律可以得到：

(1)

式中：W为微波系统的输入功率；η为相变效率；t为时间；T为温度；Ti为初始温度；Tg为目标温度；Tm为燃料的熔点；m为燃料的质量；Cs和Cl分别为燃料固态和液态状态下的比热容；Cm为相变潜热。

3.2 相变温度区间

由于相变燃料多为混合物，燃料的相变温度存在一个区间范围。在固液相变发动机中，相变燃料的相变温度区间是一个非常重要的参数。相变温度越高，需要吸收的热量越多，相变燃料越难以达到工作状态。因而，对于不同的温度环境，本文主张采用不同相变温度区间的燃料，例如在南极和北极，气温相对较低，使用的相变燃料的相变温度区间相对应较低；在赤道地区，气温相对较高，选用的相变燃料的相变温度区间相对较高。

3.3 工作温度

发动机的工作温度受到燃料相变温度区间的影响，通常应高于燃料的最高相变温度，这时燃料已经由固态完全转化为液态，并且在这一温度下，燃料具有较好的流动性。但是，工作温度也不能过高，过高的工作温度将会使燃料的其他特性下降，如纳米颗粒的快速沉降，可能导致燃料供应过程中的堵塞。因此，对于确定的固液相变燃料，还需要根据具体工作环境确定工作温度区间。

3.4 燃料黏度系数

由于相变燃料工作时为液态，需要由管路输送到喷嘴，再喷入到燃烧室中，燃料的黏度系数决定着燃料的输运过程。

3.5 工作准备时间

工作准备时间是指发动机中相变燃料由固体转化为液体达到工作温度的时间，和相变效率成反比。相变效率越高，工作准备时间越短，反之则越长。

从式(1)可以看出，工作准备时间与相变效率、相变前后温度、燃料比热容、相变潜热等多种因素相关。

在一个储箱内进行了工作准备时间测试。测试使用了6.4 kg燃料，2 kW输出的S波段微波源。试验过程中实时记录温度数据和有效功率数据。燃料的温升与有效功率曲线可见图2。图2中Tf为燃料温度，We为微波有效功率。从图中可以看出在18 min左右可以完成燃料相变，相变温度在50～55 ℃之间，24 min时温度上升到100 ℃。试验期间有效功率会随着燃料状态变化而波动。

图2 燃料温升与微波有效功率的变化曲线Fig.2 Variation curves of fuel temperature rise and effective power of microwave

3.6 燃料相变潜热

相变潜热是指单位质量的物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。固液相变的潜热又称为熔解热(或凝固热)。相变潜热的大小决定着相间转变过程中需要吸收的热量，相变潜热越大，完成相变所需能量越多。

3.7 极性物质的体积热值

在当前的微波加热方式下，需要加入极性物质以提高相变效率，极性物质越多，相变效率越高。如果极性物质的体积热值过低，将拉低固液相变燃料的整体性能。如何获得较大体积热值的极性物质，在高效相变条件下维持燃料的高能特性，是固液相变燃料的一个重要指标。

4 试验验证及结果分析

4.1 试验系统与方法

试验在直连试验系统中进行，直连试验系统主要由气源、加热器、稳流舱、限流喷管以及测控装置组成，可按发动机工况要求提供确定流量和总温的空气。其中加热器为煤油加热器，将来流加热到工况要求的总温；稳流舱用于改善气流品质；限流喷管控制进入发动机的空气流量。根据固液相变冲压发动机设计了试验样机，样机主要由连管进气道、增压气源、燃料贮箱、微波加热系统、燃料供应系统、点火器、燃烧室等组成。该样机的主要特征如下：

1) 空气的流动特征

试验样机中空气的流动特征与常规亚燃冲压发动机相同：空气通过直连系统的限流喷管，以超声速状态进入试验样机的连管进气道，在连管进气道内减速增压，以亚声速状态进入燃烧室。

2) 燃料的固液相变

样机中固液相变燃料熔化所需能量由微波加热系统提供。在发动机点火前，首先由微波加热系统，通过燃料贮箱上的能量馈入窗口实现燃料的熔化。

3) 熔化后燃料的供应

熔化后燃料的供应由增压气源、燃料贮箱内活塞以及输送管路实现，具体流程为：设定压强的增压气体进入燃料贮箱，推动活塞，活塞挤压燃料，使燃料通过输送管路和喷嘴进入燃烧室。

4.2 地面试验状态参数及试验结果

在连管试验台完成了试验样机冲压试验，其中来流流量为4.5 kg/s，来流总温为624 K。采用的相变燃料密度约为0.77 g/mL(80 ℃)，热值为46.7 kJ/g,相变温度区间为52～58 ℃。燃料质量为5 kg,相变时间为25 min。在来流和燃料相变准备完毕后，将燃料输送到燃烧室并进行雾化，由高能电点火器进行发动机点火，图3给出了发动机工作过程中的燃烧室静压、推力和总温曲线。其中P为燃烧室静压；F为发动机推力；T*为燃烧室总温。由试验曲线可以看出，发动机点火正常且工作稳定；在发动机稳定工作阶段，燃烧室静压平均值为0.358 MPa，推力平均值为4 850 N，燃烧室总温最高达到2 085 K。

考虑到燃烧室静压的测量精度最高，采用燃烧室静压平均值进行了设计飞行状态(高度为10 km、马赫数Ma=3)下的发动机性能计算。具体过程为：由燃烧室静压结合补燃室结构参数计算总压为0.431 MPa，根据式(2)计算发动机设计高度推力。

(2)