破局热障：航空发动机高温升燃烧组织技术与热管理挑战前瞻

航空发动机作为现代工业"皇冠上的明珠"，其性能直接决定了飞行器的综合能力。而燃烧室作为航空发动机的核心部件之一，其性能优劣直接影响发动机的推重比、燃油效率、排放水平和可靠性，被誉为发动机的"心脏"。燃烧技术的演进始终以军用、民用航空动力需求为驱动：军用发动机追求极致的推重比、宽速域适应性和全向宽频高隐身；民用发动机则聚焦低排放与经济性。随着航空发动机对燃烧室性能要求的不断提升，尤其是燃烧室温升能力逐步接近航空煤油的恰当比燃烧温度，污染排放控制种类日趋严格且苛刻，工作速域全面拓展，常规燃烧技术发展已逐渐逼近物理极限。这就迫使我们必须寻求新的组织燃烧技术，诸如爆震燃烧技术、智能燃烧技术等创新解决方案应运而生。

一、燃烧室——航空发动机的"心脏"

当前，全球航空强国都在积极布局新一代燃烧技术。美国自20世纪80年代起陆续推进IHPTET（综合高性能涡轮发动机技术）和VAATE（通用经济可承受先进涡轮发动机）计划，旨在大幅提升发动机推重比，降低全生命周期费用；在21世纪初又持续开展ADVENT（自适应通用发动机技术）、AETD（先进发动机技术开发）和AETP（先进发动机验证计划）等一系列预先研究计划，目标直指自适应变循环发动机技术，使发动机的耗油率、综合能热管理能力以及燃烧室温升水平得到显著改善。经过几十年的持续发展，发动机推重比的提高及其带来的涡轮前温度、燃烧室温升不断攀升已成为高性能航空发动机的重要标志。据预测，下一代战斗机发动机的涡轮前温度将继续升高，油气比更加接近化学恰当比，燃烧室温升则会高达1600K，高油气比主燃烧室技术成为当前及未来军用高性能航空发动机的发展方向。

本文将系统梳理航空发动机燃烧技术的发展现状，深入分析军民用发动机对燃烧室的技术需求，剖析面临的技术挑战及应对策略，并对未来燃烧技术发展方向进行展望，以期为我国航空发动机燃烧技术研究提供有价值的参考。

二、军用航空发动机对燃烧室的技术需求

2.1 高温升燃烧与宽速域适应性

现代军用飞机正朝着多用途、宽飞行包线方向发展，要求航空发动机具备高性能、高可靠性、长寿命、低油耗、低全寿命费用等特性。为满足这些需求，军用航空发动机的推重比、耗油率、燃烧室出口温度等参数指标必须显著提升。高油气比主燃烧室技术是当前及未来军用高性能航空发动机的关键发展方向，该技术下，主燃烧室最高工作油气比较传统主燃烧室提升30%以上，由此带来的是燃烧室需要在更宽广的油气比范围内保持高效稳定的燃烧，在更高热负荷下实现可靠冷却，在更低掺混气量下达到更优的出口温度分布。

随着发动机推重比要求的持续提高，加力燃烧室的技术挑战也日益严峻。传统成熟的V型钝体火焰稳定器构型的加力燃烧室，因发动机后向构件红外辐射强度和雷达反射面积大、流道阻塞大，在非加力状态会造成额外损失，难以满足更高推重比和宽频后向隐身性能的要求。为此，美国在IHPTET计划中创新性地提出了涡轮后承力框架一体化加力燃烧室方案，突破了相关关键技术并将其成功应用于F119发动机上。后续VAATE计划中的智能发动机加力燃烧室同样采用了一体化技术方案，标志着加力燃烧室正向一体化设计方向发展。

2.2 隐身性能提升与一体化设计

隐身能力是现代军用飞机的核心生存力指标，而发动机燃烧室及其相关结构是雷达波散射的重要来源，尤其是火焰稳定器和传焰槽等部件。传统V形火焰稳定器结构类似于角反射器，雷达波照射到其表面后，散射波多会沿入射方向返回，导致雷达特征信号较强，对航空发动机雷达隐身性能极为不利。

为解决这一问题，近年来提出了多种创新性隐身设计。一种针对航空发动机加力燃烧室径向传焰槽的雷达隐身操纵结构采用可调节挡板设计，在非加力状态下闭合挡板，改变传焰槽的几何形状，有效降低雷达散射截面（RCS）；在加力状态下张开挡板，使其与传焰槽两侧壁展平，确保火焰传播功能不受影响。研究表明，稳定器采用隐身修形设计，如具有横向及纵向复合倾斜的平板结构蒸发腔，能在高频下带来显著的RCS缩减效果；稳定器在0°-20°倾斜布置对后向腔体RCS也有一定抑制作用。

GE公司XA100自适应发动机于2020年完成首次试验，其将后涵道引射器与加力燃烧室进行一体化设计，为满足自适应变循环发动机涵道变化范围和隐身的需求，对加力燃烧室提出了大范围调整涵道比以保持高效低阻燃烧要求和更高的后向隐身能力需求。这种一体化设计代表了军用发动机燃烧室的重要发展方向。

三、民用航空发动机对燃烧室的技术需求

3.1 低排放燃烧与环保合规

民用航空发动机正沿着更低油耗、更高效率、更低排放的方向发展，发动机涵道比（10+）、压比（60+）越来越高，燃烧室进口总压、总温逐步提高。国际民用航空组织（ICAO）对航空发动机污染排放的要求日益严格，目前已开始执行CAEP/10标准，相对于CAEP/1标准，在30年间NOx排放降低达50%以上。

燃烧室作为航空发动机污染排放的唯一来源，从燃烧源头控制污染排放是发展低排放燃烧技术的必然选择。在最新执行的CAEP/10污染排放标准中，已经规定了民用航空发动机的非挥发性颗粒物（nvPM）排放要求，这意味着近年来研发的民用航空发动机需要对燃烧过程中产生的nvPM进行严格控制。

从技术发展趋势看，NASA提出的ERA（环境负责任航空）计划要求NOx排放比CAEP/6降低75%以上，相当于比CAEP/10降低70%以上。由于目前降低NOx排放的技术发展几乎已到极限，CAEP/8和CAEP/10对NOx排放的规定保持一致，这反映出低排放燃烧技术面临瓶颈，急需技术突破。

3.2 宽范围稳定燃烧与经济性兼顾

民用航空发动机工作包线宽广，从地面起飞条件到高空巡航条件，燃烧室进口参数变化巨大。这就要求燃烧室在各种工况下都能保持稳定燃烧、高效工作和低排放特性。特别是在高空熄火后，需要具备良好的再点火能力，确保飞行安全。

为满足不断提高的经济性要求，现代民用航空发动机燃烧室需要在保证低排放的前提下，尽可能降低压力损失，提高燃烧效率，减少冷却空气量。这需要创新的燃烧组织方案和冷却技术，如双层旋流强化冷却、低阻高效冷却等技术应运而生。

四、航空发动机燃烧技术挑战及对策

4.1 高油气比宽范围组织燃烧技术

随着军用航空发动机对性能要求的不断提高，高油气比主燃烧室技术成为关键发展方向。这种技术面临的主要挑战在于：需要在更宽广的油气比范围内保持高效稳定的燃烧，在更高热负荷下实现可靠冷却，在更低掺混气量下达到更优的出口温度分布。

为解决这些挑战，近年来发展了多种创新技术。湍流燃烧多物理耦合建模和仿真技术通过揭示旋流组织和热量输运之间耦合机制，提出了基于流场精细组织的高效热量排散新原理及组织、调控策略，解决了精细流动/高效换热协同设计新模式问题。在TBCC（涡轮基组合动力）多模态工作条件下，漏斗掺混器的设计优化通过掺混孔结构在一定程度上加大了流动分离和损失，但能大幅提升掺混器的混合性能；研究发现，涵道比在1附近时掺混器混合性能最佳。

针对宽范围工作需求，自适应燃烧组织技术正在不断发展。通过可调几何结构、分级供油策略和主动控制手段，使燃烧室在不同工况下都能保持最优工作状态。美国ADVENT和AETP计划发展的自适应发动机技术，已经展示了在宽范围内保持高效燃烧的可行性。

4.2 低排放组织燃烧技术

低排放燃烧技术是民用航空发动机发展的核心驱动力。为满足日益严格的排放法规，特别是NOx和nvPM的限制，需要从燃烧源头创新燃烧技术。目前主要发展方向包括：贫油预混预蒸发（LPP）、分级燃烧和富燃-猝熄-贫油（RQL）等技术。

贫油燃烧原理是降低火焰温度，从而抑制NOx生成的有效手段。但贫油燃烧条件下面临着燃烧不稳定性和熄火极限的挑战。通过旋流稳定技术、当量比精准控制和主动控制策略，可以在拓宽贫油熄火极限的同时保持燃烧稳定性。

针对nvPM排放控制，关键在于改善燃料雾化质量和混合均匀性，避免局部富油区域产生碳烟。先进的多级燃油喷射技术、空气辅助雾化技术和混合增强结构都能有效降低颗粒物排放。英国罗罗公司UltraFan发动机的80号智能试车台，内嵌强大的数据采集系统，涵盖1万余个发动机参数，样本采集速率达每秒20万个，且数据可实时传输至云端，为低排放燃烧技术开发提供了强有力的数据支撑。

4.3 氢燃料高稳定低排放组织燃烧技术

在全球进入绿色航空时代后，氢能源被视为实现航空业碳中和目标的重要路径。氢气的理化特性和燃烧特性与航空煤油差异巨大：氢气具有极高的火焰传播速度、宽广的可燃极限和高的热值，燃烧时不会产生CO2和碳烟，但可能在特定条件下产生较多的NOx。

氢燃烧室需要建立基于氢气特性的燃烧室设计准则、方法和试验流程规范。由于氢气火焰稳定性极强，容易发生回火，需要特别关注火焰稳定边界和回火预防。同时，在氢燃料供给中需重点关注氢气密封性、高精度计量等问题。

目前，国内外研究机构正在积极开发微混燃烧器和无色分布式燃烧等新型氢燃烧技术，旨在实现低NOx排放的同时，保证燃烧稳定性和可靠性。氢燃料的高扩散性和宽可燃极限为实现分布式燃烧创造了条件，这种燃烧方式能够实现更均匀的温度分布，减少热氮氧化物的生成。

4.4 冷却与热防护技术

随着涡轮前温度的不断提升，燃烧室面临的热负荷也越来越高。发散冷却作为一种高效热防护技术，通过多孔材料表面密集分布的微孔（孔径约300微米）渗出冷却介质，在受热壁面形成连续均匀的隔热薄膜，同时利用介质蒸发或对流换热带走热量。该技术自20世纪40年代开始研究，目前已广泛应用于航空发动机涡轮叶片、燃气轮机燃烧室过渡段及冲压发动机燃烧室等高温部件冷却。

现代先进发动机多采用发散冷却与气膜冷却、冲击冷却结合的复合冷却方式。通过优化多孔结构参数（如孔径分布密度、晶格体扰流设计）提升冷却效率，在低冷却气消耗量下可实现涡轮前温度提升100℃，发动机比冲提高15%-20%。

针对提高承温极限的需求，涡轮叶片双层旋流强化冷却方案构建了双层受限空间冲击/扰流/气膜协同控制旋流发展和演化的机制，优化设计了非均匀导流片、异型弯头等整流减阻构件，突破了组织和利用受限空间旋流强化热量输运的关键技术，大幅提高了综合冷却效果。

五、前沿燃烧技术探索与展望

5.1 爆震燃烧技术

爆震燃烧技术作为一种革命性的推进概念，近年来受到广泛关注。与传统燃烧机理不同，爆震发动机的燃烧以爆炸为核心的自增压燃烧，能量传播是通过爆炸反应形成的强烈激波作为媒介实现的，火焰速度上限可以达到每秒几千米，相比常规燃烧的每秒几米到十几米有数量级提升。

理论上，爆震发动机能够以更小的体积和重量，提供高得多的热效率和输出功率。以俄印联合研发的"布拉莫斯"导弹为例，在同等飞行速度、战斗部重量和射程的前提下，应用爆震发动机的巡航导弹，重量和尺寸可以从3.0吨/8.4米，缩减到0.8吨/5米。

目前，爆震发动机的主要研究方向是旋转爆震（也称为连续爆震发动机），其典型设计是制造一个环形燃烧室，使初次引爆燃料形成的激波在环形燃烧室里不断循环，以每秒几千到几万次的频率，引爆后续所有喷注的燃料形成自持燃烧。然而，爆震发动机面临着连续稳定燃烧的技术难度远高于超声速燃烧冲压发动机的挑战。由于燃烧与爆炸同时共存，耦合干扰，燃料在空间内分布不均，会形成局部的富燃贫燃区域等一系列问题，使得点火过程有巨大的不确定性和不可控性。

5.2 智能燃烧技术

随着数字化、智能化技术的飞速发展，智能燃烧技术正成为航空发动机燃烧室发展的重要方向。数字化转型是发动机燃烧试验发展的明确方向，其将在试验能力提升、台架健康管理、数据分析挖掘以及全流程业务管理方面发挥关键作用。

美国国防部自2015年起开展数字工程论证与路线制定研究工作，并于2018年正式发布《数字工程战略》。GE航空航天公司在GE9X发动机研发过程中引入新的测试理念和验证流程，基于Predix工业云平台为14台发动机创建数字孪生体，可获取给定测试环境或飞行周期内发动机各部件的变化及具体影响。

俄罗斯于2021年发布了首个产品数字孪生标准，即《航空发动机及地面燃气轮机数字孪生通用标准》。2019年，俄罗斯克里莫夫公司基于TV7-117ST-01发动机数字孪生项目，使用CML-BenchTM数字平台为新的设计范例生成数据阵列，并开发出一系列与鉴定系统集成一体的仿真试车台和试验场，可实现对发动机方案的全天候自动化测试验证及结果分析。

2023年，俄罗斯联合发动机制造集团（UEC）土星科研生产联合体宣布完成舰用燃气轮机数字技术开发项目，该项目开发了6款软件、380多个燃气轮机系统和单元数学模型，进行了2000余次虚拟测试，相关成果可大幅减少后续新产品研发的时间和成本。

5.3 多模态组合燃烧技术

为满足宽包线飞行需求，涡轮冲压组合发动机（TBCC）等组合式动力应运而生。高速涡轮机作为TBCC的核心部件，且作为中低马赫数段的主要动力来源，其最高工作马赫数提升至3.5或者更高，且需要高推重比以及高单位迎风面积推力。

更高的飞行马赫数会导致发动机进口滞止温度大幅升高，但受限于材料工艺，发动机总压比一般不会太大，从而导致主燃烧室单位体积流量为传统主燃烧室的数倍，飞机高空高速飞行状态时主燃烧室进口总温达到1000K以上。因此要求主燃烧室需具备宽速域、高通流及高热负荷条件下稳定、高效、低压力损失的工作能力，加力燃烧室需具备加力燃烧及亚燃冲压燃烧等多种工作模式、高通流以及高热负荷下稳定高效长时间工作能力。

针对TBCC多模态工作条件，掺混器的性能至关重要，需要在多模态变化下为后方的高效燃烧组织提供低阻高效的混合性能。研究表明，掺混孔结构在一定程度上加大了掺混器中的流动分离和流动损失，但能大幅提升掺混器的混合性能；掺混器的混合性能随着模态的变化而变化，随着涵道比的变化掺混器的掺混性能存在最佳点。

六、总结与展望

航空发动机燃烧技术正面临前所未有的发展机遇与挑战。军用发动机向着高温升、宽速域、高隐身方向发展；民用发动机则聚焦低排放、高经济性和高可靠性需求。绿色航空动力已成为未来发展方向，可持续航空燃料（SAF） 和氢能源将逐步应用于航空发动机，燃烧技术需要相应变革与创新。

未来燃烧技术的发展将更加依赖数字化和智能化技术。基于数字孪生的虚拟试验与物理试验相互支撑的体系格局，有望解决目前航空发动机试验验证系列难题。多层级、多专业、跨领域复杂系统建模，基于物理信息神经网络的燃烧室建模，以及集成化的数字试验平台建设将是未来研究的重点。

多学科耦合设计和精细化流场组织将成为突破现有技术瓶颈的关键。基于流场精细组织的航空发动机高温部件强化冷却技术，如低阻高效冷却、双层旋流强化冷却、可控热变形叶尖间隙、定向多孔射流、智能多分支引气等创新方案，将有效提升燃烧室的综合性能。

面对日益严峻的能源和环境挑战，航空发动机燃烧技术必须不断创新，在追求更高性能的同时，兼顾环保和经济性要求。这需要全球科研机构和工业界的共同努力，加强基础研究，深化机理认识，突破技术瓶颈，推动航空发动机燃烧技术迈向新的高度，为人类航空事业的发展提供强劲动力。

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