涡轮发动机射流预冷扩包线技术应用前景分析

扈鹏飞 林晓梅 齐伟呈

摘要：射流预冷技术是实现涡轮发动机扩包线的重要技术途径，本文总结了国内外射流预冷发动机发展现状，分析比较了相对于其他技术路线，射流预冷扩包线的技术优势和劣势，指出主要优势在于研发、使用成本低，技术风险小，研制周期短，可快速形成能力满足高速飞机等装备需求，在此基础上，阐述了射流预冷技术的发展潜力，分析了在TBCC组合动力涡轮基、高速截击机/侦查机动力等方向的应用前景。

关键词：临近空间组合动力高速涡轮射流预冷

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

临近空间高速飞机是未来航空航天技术发展的重要战略方向，动力是其关键和难点。高速飞机要求动力宽范围长时间稳定工作，一般高度0～30km或更高，马赫数从亚声速、跨声速、超声速扩展到高速甚至高超声速，必须采用组合动力，其中的一个关键难题就是：需要Ma3级或以上高速涡轮发动机实现与冲压发动机之间的动力衔接。

射流预冷技术可以有效地扩展涡轮发动机的工作包线，增推效果显著，且不需要对发动机进行较大改动，被认为是发展高速飞机动力最有效的技术途径之一[1]。本文梳理了射流预冷技术研究的发展现状，总结了关键技术，对该技术优劣势、应用前景进行了分析和解读，为开展射流预冷技术工程研制提供参考。

2基本原理及研究进展

2.1 基本原理

高空高速条件下，来流气流温度较高，超过了涡轮发动机所能承受的工作范围，传统涡轮发动机受涡轮前温度和使用条件的限制，最大工作马赫数一般在Ma2左右。射流预冷技术基本工作原理是：在常规涡轮发动机的风扇/压气机前，加装喷射冷却介质（通常是水或水的混合液）的装置，通过介质的喷射、雾化和蒸发效果以冷却进气道中较高温度的气流，如图1，使进入风扇/压气机前的气流总温降低或维持在发动机可承受的适宜温度，保持发动机高效工作，从而实现发动机的工作范围的扩展，并保证高飞行马赫数条件下具有较高推力[2]。

2.2国内外技术发展情况

2.2.1国外研究进展

国外涡轮发动机射流预冷扩包线技术研究开展较早，1950开始就进行了较多的研究分析和试验验证，并在 1975年在 “Peace Jack”的研究计划下进行了飞行试验。

射流预冷技术应用比较有代表意义的有：（1）俄罗斯米格25战斗机R-15-300发动机。射流预冷技术成功应用于前苏联米格-25高空截击机的R-15-300发动机;R-15-300是在R-15 发动机的改进型，主要是在R-15发动机应用射流预冷扩包线，为此，米格-25 的进气道内设内有一个“淋浴头”一样的喷水装置，向进气气流喷水和乙醇的混合溶液，混以乙醇是增強溶液的挥发性，加强效果。此外，在直接射流对进口气流进行冷却之前，通过空气-蒸气热交换器参与驾驶舱和设备舱采用通风冷却，进一步提高温度，以保证较大的蒸发率和吸热效率。基于射流预冷技术，R-15-300发动机实现了Ma3级工作能力，最大工作马赫数达到M3.2，并最终装备了1000余架米格-25飞机，成为射流预冷扩包线技术工程应用的成功范例。

（2）美国基于F100发动机发展射流预冷发动机技术验证。美国国防部预研局（DARPA）于2002年3月发起了RASCAL “快速响应小载荷低成本运载” 计划，该计划包含了射流预冷技术进行了整机试验研究内容。 2004年3月，利用J85发动机对F100-PW-200发动机进气预冷试车台进行检验，此次初始试车表明，利用喷水和补充液氧的方式，发动机可获得2倍的推力增加。同年11月，完成了采用射流预冷技术的F100-PW-200发动机全包线设计，并进行了射流预冷技术试验验证工作[3]。

近年来，鉴于TBCC动力对高速涡轮发动机的需求，美国在射流预冷扩包线技术上继续加大投入。最新消息显示，美国2013年公布的Ma6一级临近空间飞机SR-72，第一步其动力形式将采用现役涡轮发动机结合射流预冷技术形成高速涡轮基工作至M3+，然后并联Ma6级宽范围超燃冲压发动机。

2.2.2国内研究进展

近年来，鉴于高速飞机发展，中国航发606所、624所在传统涡轮/涡喷发动机基础上，研究了压气机前增加射流预冷装置的设计方案，对喷射水冷却、加力燃烧室补过氧化氢、配装大膨胀比喷管等技术措施开展了分析研究，先后完成了Ma3级涡轮发动机射流预冷扩包线整机验证。

总之，从国外的发展情况，俄、美等国在射流预冷扩包线技术上都开展了深入的应用研究，取得了很多成果可供借鉴，且有成功的工程应用示范，国内在该技术上也有一定技术基础，为射流预冷发动机工程研制奠定基础。

3射流预冷扩包线技术优劣势分析

目前，实现Ma3+的涡轮动力主要两种技术途径：高速涡轮（基于传统涡轮或者ATR）技术和预冷技术（基于射流预冷或者强预冷）。

3.1 技术优势分析

采用射流预冷技术，能在原有常规涡轮发动机的基础上拓宽工作范围，相对于新研高速涡轮发动机，主要优势归纳如下。

（1）可基于现役涡轮发展，增加预冷装置即可，这就避免了极为昂贵的新型涡轮发动机研发，极大的降低了研发成本;

（2）采用射流预冷技术扩展现役动力工作包线，形成的装备可以与现役装备共用生产线、维护设备等，大大降低使用维护成本;

（3）由于可采用现役涡轮，技术成熟度高，从而在新型高速飞机研制中避免了新型动力组合新型飞机的局面，极大的降低了研制风险;

（4）基于现有或近期可以预见的涡轮发动机技术开展射流预冷却发动机研发，研究和试验周期短，可短时间内形成能力，填补装备空白，满足临近空间飞机对动力的迫切需求;

（5）射流预冷却发动机是能够实现在高马赫数条件下推力增加，高速推力性能好，可实现在Ma2-3阶段飞机快速爬升和加速[4]。

与同为预冷技术的强预冷技术（封式循环技术成熟度低，本文只讨论形式循环）相比，除了以上优势外，射流预冷技术还有以下优点。

（1）无需复杂且沉重的换热系统，发动机推重比提高;

（2）射流预冷装置损失较强预冷换热器小，发动机低速性能优;

（3）射流预冷装置较复杂精细的强预冷换热器工程可靠性优。

另外，根据RASCAL的研究结果，射流预冷可将现有涡轮发动机工作包线扩展至Ma6以上。

3.2 技术劣势分析

该技术主要不足在于：

（1）需要攜带冷却剂，比冲低，在Ma3时，综合比冲可能降低至900s左右;

（2）高速工作时（Ma2.5+），射流预冷技术导致发动机进气量大，进发匹配存在一定难度。

4射流预冷扩包线技术应用前景浅析

射流预冷技术可以基于现有涡轮发动机发展为具备Ma3或更高马赫数工作能力的水平起降动力，技术成熟度高，技术风险小，成本低，是临近空间动力的关键一环，具有广阔的应用前景。

4.1支撑Ma4/Ma6级TBCC动力的涡轮基

TBCC是未来临近空间飞机动力的最优选择，目前来看，现有涡轮发动机最大工作马赫数在Ma2.25左右，暂不能满足超燃/亚燃冲压发动机对涡轮机的需求，采用射流预冷技术，对现有涡轮发动机进行适应性改进，在现有成熟发动机的基础上发展出Ma3级射流预冷发动机，其技术风险小，成本低，特别是射流预冷发动机研制周期短，可满足临近空间飞机对动力的迫切需求[5]。

4.2作为高速侦察机/截击机动力

目前，许多高空无人侦察机的飞行马赫数都不超过1，很容易遭受导弹的攻击。因此，各国都很重视高空高速无人侦察机的发展，而射流预冷却发动机有望成为该类飞机的理想动力。另外，作为国土防空的高速截击机不要求巡航和远航程，而要求快速达到预定位置，也很适合采用基于射流预冷技术的高速动力。

4.3作为低成本高速飞行试验平台的动力装置

飞行试验过程中，高速飞行器的起飞一般由火箭助推或飞机携带发射完成。如果试验的高速飞行器在飞行试验过程中发生故障将无法返回，从而造成大经费。采用射流预冷却发动机做动力的飞行器具有水平起飞和着陆的特点，可以避免这类问题。

4.4作为轨道飞行器的第一级推进系统

基于射流预冷技术发展高速动力，作为二级入轨飞行器的第一级推进系统，携带第二级飞行器到达高空高速状态，发射二级飞行器，作为一级飞行器返回基地。

4.5作为高速巡航导弹的动力系统

目前，世界上主战巡航导弹的动力装置主要是涡扇发动机。受涡扇发动机的限制，该类巡航导弹一般都在亚声速条件下飞行。因此，很容易被防空导弹拦截，达不到有效攻击的目的。所以提高巡航导弹的飞行速度成为必要。鉴于射流预冷发动机的技术特点，也是高速巡航导弹动力装置的选择之一[6]。

5结语

射流预冷技术是实现涡轮发动机包线扩展的最有效途径之一，在国外已有丰富技术积累，并成功应用于工程实践，国内也有一定技术基础，基于该技术发展水平起降高速飞机动力，在成本、周期和技术成熟度上都有较大的优势，但综合性能相较于全新动力有一定差距，因此，完全可以作为临近空间水平起降飞机TBCC组合动力第一阶段涡轮基使用，也可以作为高速截击机/侦查机或者其他低成本高速飞行器动力使用，具有广泛应用前景，是临近空间高速飞机发展的重要支撑。

参考文献

[1]陈林，黎敏谦，冯瑜.基于反问题的热障涂层材料红外定量检测[J].激光杂志，2021，42（6）：32-35.

[2]林阿强，郑群，夏全忠，等.涡轮与冲压组合动力高温进气预冷特性[J].航空动力学报，2021，36（5）：987-996.

[3]刘智刚，杨晓军.厘米级涡喷发动机热力性能试验研究[J].热能动力工程，2021，36（5）：23-29，54.

[4]冯子浩，简晓春，吴胜利.柴油机复合涡轮系统全工况性能研究[J].新型工业化，2021，11（5）：131-133，138.

[5]王晓明，吴晶峰，龚立锋，等.航空涡轮发动机适航审定中的几种超转问题研究[J].燃气轮机技术，2021，34（1）：8-13.

[6]霍荣伟.航空燃气涡轮发动机气路故障诊断现状与进展分析[J].内燃机与配件，2021（14）：163-164.