英国“佩刀”空天发动机验证机全尺寸预冷却器
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2019年4月7日,美国《航空周刊与空间技术》网站等报道称:2019年3月25日,英国反作用发动机有限公司(REL)在美国科罗拉多州航空航天港TF2试验站成功完成了“佩刀”发动机验证机全尺寸预冷却器(HTX)样机在马赫数3.3条件下的高温考核试验。

这是REL公司首次开展全尺寸HTX样机的高温试验,也是TF2试验站建成以来的首次试验。本次试验成功验证了HTX样机能够快速冷却美国通用电气公司J79涡喷发动机在最大军用推力条件下产生的高温气流的能力。根据试验结果,HTX样机将426℃的高温气流在0.05秒的时间内冷却到了约100℃,产生了约1.5兆瓦的热交换效率,为后续进一步冷却J79涡喷发动机在最大加力推力下产生的高温气流奠定了基础。REL公司官方网站报道称,本次试验达到了全部预定目标。公司计划利用TF2试验站在未来数月内进一步开展马赫数4.2和马赫数5模拟高温气流条件下的考核试验。根据设计要求,HTX样机最终要实现将马赫数5、总温1000℃的高温来流在0.05秒内冷却到约100℃。

安装在试验台架上的预冷却器样机(英国反作用发动机公司图片)

本次试验同时也验证了TF2试验站全球领先的试验能力。TF2试验站采用J79涡喷发动机作为热源来产生高温高速气流,可在J79最大加力推力条件下模拟马赫数5、总温约1000℃的气流环境,能够覆盖“佩刀”发动机验证机的全部飞行包线。REL公司CEO托马斯表示,“我们还没有发现全球还有其他试验设施能够安全可靠地实现(TF2的)这些试验能力。实际上我们目前募集到的资金很大一部分都投入到了TF2试验站的研制和建造。”TF2试验站采用了一套复杂的氦循环冷却及控制系统,可在模拟的飞行环境中实现恰当的冷却能力。“TF2试验站为满足‘佩刀’发动机验证机的要求,设计指标定为马赫数5,但我们还可以进一步扩展试验能力。实际上,我们已经打算未来将TF2扩展用于其他推进系统和高超声速试验。”

TF2试验站预冷却器样机试验舱段实景照片。高温气流从左侧进入,从右侧排出(英国反作用发动机公司图片)

在使用TF2试验站开展HTX样机考核试验的同时,REL公司正在同步开展“佩刀”发动机验证机核心机的地面试验工作。在本次试验前不久,公司与英国航天局和欧洲航天局刚刚联合主导完成了核心机的初步设计评审,后续将继续开展关键设计评审和核心机制造,并计划2020年在英国韦斯特考特TF1试验站完成核心机的地面试验。“佩刀”发动机验证机核心机将集成热交换器、燃烧室和涡轮机械部件,包含有一套由闭式氦循环驱动的轴对称空气压缩机和液氢排热系统,将完全体现“佩刀”发动机的核心热力循环。最终的“佩刀”发动机验证机整机还将在核心机的基础上集成预冷却器、火箭发动机和冲压发动机,目前“佩刀”发动机验证机的试验场地还未最终确定。根据设计,“佩刀”发动机验证机将实现10吨推力量级,可以支撑实现相对小型的飞行器的飞行试验。同时,四台“佩刀”发动机验证机可以整合形成一台大型“佩刀”发动机,可支撑实现实用型飞行器。

TF2试验站实景照片,高温气流从J79涡轮发动机(左侧顶棚内)出来后进入高压气罐(中部),最终进入建筑中试验舱段内的预冷却器(英国反作用发动机公司图片)

此外,REL公司正在积极探索和扩展预冷却器技术的应用范围和前景,包括航空航天、汽车和其他工业用途,例如涡喷和涡扇发动机扩包线、赛车发动机、发电站增效等。托马斯透露,预冷却器技术可以显著扩展传统航空发动机的工作包线,公司已经安排启动了相关设计研究工作,并且已经和相关工业部门在研究该技术在未来航空发动机超轻质、高性能、低总压损失和减阻等发展方向上的应用前景。除了提高涡轮发动机的速度外,该技术还可用于实现先进的热管理系统,可支撑未来多电飞机以及采用变循环发动机和定向能武器的下一代作战飞机。目前民用超声速和混合电动推进是两大潜在的新兴市场。“在混合电动方向,我认为我们的预冷却器将会有很好的前景。我们与战略投资方BAE、罗罗和波音已经展开了相关讨论,我相信我们可以在该领域有所作为。”三大航空巨头对“佩刀”发动机及其预冷却器技术展现出越来越大的兴趣。REL公司近三年来总计获得了1.3亿美元的融资。在赛车发动机应用方向上,REL公司已经从红牛世界一级方程式竞标赛车队先进技术团队引进了相关专家来联合开展研究,正在探索微型预冷却器在高端赛车和赛车发动机上的早期应用。

(中国航空工业发展研究中心 廖孟豪)

本篇供稿:系统工程研究所

运 营:李沅栩

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