● 摘要
研发未来高性能的航空发动机及高速飞行器越来越受关注，其具有极高的科研价值和战略意义。然而，热防护问题目前已成为该技术领域发展的障碍之一，亟需解决。学者们针对航空发动机和高速飞行器的热防护问题，分别提出了cooled cooling air 冷却技术和再生主动冷却技术。CCA技术是指在航空发动机上安装换热器，用外涵空气或者机载燃油为冷源来预先冷却压气机出口冷却空气，提高其冷却品质的技术。研究表明，使用机载燃油作为冷源的优势更大，效果更好。该技术的核心部件是空油换热器，由于发动机的应用背景，满足要求的换热器必然是高效的、结构紧凑、重量轻及耐高温高压。本课题组经长期的实验研究，已经掌握了以航空煤油RP-3为代表的碳氢燃料的物性及流动换热数据。以此为基础，本文采用常规的换热器设计方法，对空油换热器进行设计计算，并实验研究。结论如下：（1）螺旋管式空油换热器能够将质量流量0.3kg/s的冷却空气温降200K，且两侧流动阻力均不超过5%，换热器重量不超过1.5kg；（2）本文采用的常规换热器设计方法经修正后与实验结果吻合较好，可以对螺旋管式空油换热器进行精确计算；（3）煤油侧设计结果与实验值基本吻合，证明前期得到的煤油物性及流动换热数据的精度较高；（4）从理论和实验研究上证明了CCA技术的可行性。在CCA螺旋管式空油换热器成功实验的基础上，拓宽空油换热器的工程应用范围，探索将空油换热器应用于高速飞行器上进行热防护的可行性。采用修正后的换热器设计方法设计计算，设计结果表明：综合权衡重量及安装空间代价的前提下，该设计空油换热器热防护收益较大，方案可行。实验验证工作已经开展，目前正在搭建实验台。