利用凝缩性物质减轻空气预冷器结霜的研究.pdfVIP

维普资讯 堵黻 术，， 摘 要 为开发完全可重复使用航天嚣用吸气式发动机，必须解决发动机的预冷器结霜问题。为此提出了 在主流中混入凝缩性气体的解决方案。探讨了混合方法与实验效果，明确了最优混合物及其比例。分析了在实际 发动机上应用的可行性等。 关键词 涡轮冲压发动机 发动机冷却剂 防冷结构 预冷器 结霜 凝缩性气体 引 言 本研究以解决预冷器的结霜问题为 目的，提出 在未来完全可重复使用航天运输系统上引进的 了在主流中混入凝缩性气体的方法并对其效果进行 比冲高的吸气式发动机，不仅在性能方面，而且在 了实验验证，明确了最优的混合物质。另外还分析 可靠性和安全方面也有很多优点。日本宇宙科学研 了在真实航天器上应用的可行性。 究所正在研究开发作为二级入轨航天器初级推进系 统的液氢燃料扩展循环式空气涡轮冲压发动机 1 研究的背景与目的 (ATREX发动机)。该发动机的优点是从地面静止 1．1 预冷器的结霜 状态到高度30km飞行速度Ma=6的飞行领域采 空气中的水蒸气在比冰点温度更低的物体表面 用单一发动机推进。具有这样涡轮机械的发动机由 析出固相，其生成过程称为结霜。在预冷器表面结 于主流的气动加热在涡轮风扇人 口的温度有限。从 霜的特征是冷却面温度非常低，霜层成长很快。结 而限制了飞行速度。以空气涡轮冲压发动机为例， 果形成密度极低、厚度成长速度大而传热率低的霜 在Ma=6的飞行中主流总温可上升到1650K。所 层。而预冷器运转时间短，冷却面及主流的条件随 以，使用该发动机扩大飞行领域的有效方法是安装 时问有很大变化。 空气预冷系统(预冷器)。这里的预冷器即利用以 热交换器的结霜研究过去也进行了很多，但大 液氢燃料为冷冻剂的热交换器冷却吸入空气并送入 多是以冷冻和空调用热交换器为对象，主要解决温 风扇的系统。利用预冷器扩大飞行领域再加上压缩 度比较高的长时间结霜问题。这与预冷器的结霜现 过程的中间冷却效果有望提高发动机推力和比冲。 象性质不同。 由于引进预冷器，引起吸入空气的压力损失、 结霜的过程可分为3部分：1)从主流向霜层 发动机的质量以及尺寸增加，因此必须开发高效 表面提供水蒸气分子的对流扩散过程；2)水蒸气 率、质量轻的小型热交换器。另外实用时最严重的 分子结晶过程；3)排除结晶表面产生潜热的热传 问题是结霜，即主流所含水蒸气的结霜现象。由于 递过程。这些过程中，在空气热交换器结霜时，因 结霜引起主流压力损失增大和热交换量降低，扩大 为大气中所含水蒸气浓度低，1)的对流扩散过程 预冷器管路间距虽可控制压力损失的增大，但仍存 成为速率决定过程。所以，结霜速度取决于从主流 在热交换性能下降和预冷器尺寸增加的问题。而且 到霜层表面的水蒸气输送速度，与主流蒸气浓度和 不均匀的霜层分布在风扇入口产生很大的变形，使 在冷却面的饱和蒸气浓度之差成比例。 风扇效率及喘振余量降低。 作为冷却面温度对霜层成长的影响，冷却面温 · 52 · 飞航导弹 2005年第4期 维普资讯 度低时，结晶在垂直冷却面方向成长速度大，形成 水蒸气 凝缩性气体蒸气 粗霜层，而冷却面温度高时，从垂直方向向横方向 ● 水的霜层 的结晶成长速度大，形成均匀的高霜层。 ● 凝缩性气体霜层 1．2 混入凝缩性气体的减轻结霜方法 埘 埘 针对预冷器冷却面的结霜问题，提出了利用凝 I I I