能源與環境問題日益成為制約全球發展的關鍵因素，航空航天領域作為高端裝備制造業的核心，對高效、緊湊、清潔的動力系統需求尤為迫切。超臨界二氧化碳（sCO?）動力循環技術因其獨特的熱力學特性和工程優勢，近年來成為國際能源與動力領域的研究熱點。與傳統動力循環相比，sCO?動力循環在熱效率、功率密度和環境適應性等方面展現出顯著潛力，特別是在航空發動機、空間動力和艦船動力等國防科技領域具有廣闊的應用前景。本文將從其技術特點、在航空發動機中的作用、工作原理、國內外研究現狀以及所能解決的關鍵問題等方面進行詳細闡述。

一、sCO?動力循環的技術特點與基本原理

超臨界二氧化碳動力循環是一種以超臨界狀態的CO?作為工質的熱力循環系統。當二氧化碳被加壓至7.38兆帕、加熱至31℃以上時，會進入一種超越氣態和液態特性的"超臨界態"。此時，二氧化碳兼具高密度（接近于液體）和低粘度（接近于氣體）的特性，擴散系數約為液體的100倍，具有流動性強、傳熱效率高、可壓縮性小等特點。

sCO?動力循環主要包括閉式布雷頓循環、用于余熱回收的朗肯循環和以純氧直燃為核心的半開式布雷頓循環（Allam循環）三大類。系統主要由壓氣機、熱源、渦輪、換熱器、控制系統、密封系統等組成。其最顯著的技術特點是循環過程中壓氣機壓縮功只占渦輪輸出功的30%，相對于氦氣輪機循環的45% 和燃氣輪機循環的50%～60%，具有明顯的功率密度優勢。

sCO?動力循環的工作原理是：超臨界二氧化碳經過壓氣機升壓后，利用換熱器將工質等壓加熱，然后進入膨脹機做功，帶動發電機發電，最后工質進入冷卻器恢復到初始狀態，再進入壓氣機形成閉式循環。整個過程中二氧化碳都處于超臨界態，沒有相變，做功能力強。

二、sCO?動力循環在航空領域的關鍵作用

在航空發動機領域，sCO?動力循環技術正在引發革命性的變革，其主要應用價值體現在以下幾個方面：

2.1 熱管理與熱防護

高超音速飛行器在高速飛行時面臨嚴峻的熱環境，受氣動加熱、內部設備散熱、推進系統散熱等多因素耦合影響。sCO?閉式布雷頓循環為解決這一挑戰提供了創新方案。研究人員提出了一種應用于航空發動機熱防護、以超臨界CO?為工質的閉式布雷頓冷卻循環方案。研究表明，回熱循環能夠提高系統熱效率約4%，但熱沉利用率降低50%；間冷循環能夠降低系統熱沉消耗8%，但會導致系統總質量增大。超臨界CO?簡單循環被證明是最符合發動機中間工質冷卻循環工作需求的循環結構。

2.2 緊湊高效的動力轉換

sCO?動力循環具有高功率密度的明顯優勢，可廣泛應用于航空發動機、無人機、靶機、eVTOL等飛行器的燃油、潤滑、冷卻系統中。由于系統結構緊湊，體積僅為普通水蒸氣機組的1/25大小，非常適合對空間和重量要求苛刻的航空應用場景。在600℃溫度下，sCO?發電效率比蒸汽機組高3～5個百分點，這一優勢在航空動力系統中尤為重要。

2.3 余熱回收利用

航空發動機尾氣余熱回收理論發電量在500kW～2MW區間，余熱溫度為500～600℃。sCO?動力循環在余熱回收領域具有顯著優勢，熱源溫度低時，sCO?朗肯循環將比布雷頓循環獲得更高的循環效率。中國航發湖南動力機械研究所開發了渦軸發動機排氣余熱回收的百千瓦級sCO?閉式布雷頓循環的原理樣機，并實現設計轉速運轉，突破了高功率密度壓氣機、輕質高效緊湊換熱器、旋轉動密封等關鍵技術。

三、國內外sCO?動力循環相關研究工作

超臨界二氧化碳動力循環技術的發展離不開全球科研機構和企業的持續投入，國內外已形成多維度、多層次的研究格局，推動著技術不斷進步。

3.1 國際研究進展

美國在 sCO?動力循環研究領域處于領先地位，其能源部（DOE）自2000年左右起就在核能、太陽能及化石燃料 sCO?動力循環開展系統性部署。2004年，麻省理工學院（MIT）率先系統地研究了 sCO?閉式循環在核能中的應用，為后續研究奠定了理論基礎。

桑迪亞國家實驗室作為美國 sCO?技術研發的核心機構，于2011年公布了世界第一套 sCO?閉式循環樣機，首次證明了 sCO?動力循環系統的完整運行能力，包括起動、加速、發電和關閉等關鍵過程的可控性。該實驗室 2012 年發表的研究成果詳細闡述了 sCO?布雷頓循環的性能特征，指出其在中等熱源溫度范圍內的高轉換效率、緊湊尺寸和潛在的材料經濟性優勢。

歐洲國家也積極開展 sCO?動力循環研究。英國、德國、芬蘭等國在不同應用領域推進技術研發，重點關注系統集成和關鍵部件優化。例如，德國在航空發動機余熱回收應用方面開展了多項研究，探索sCO?循環與燃氣渦輪的結合方式。

亞洲國家中，日本和韓國在 sCO?技術研發方面表現活躍。日本東京工業大學、韓國先進科技研究所已研制出小功率級別的示范樣機，主要集中在太陽能熱發電和工業余熱回收領域，為技術產業化積累了寶貴經驗。

國際航空企業也認識到 sCO?技術的潛力。GE航空航天對 sCO?動力循環與當前主流動力循環的應用領域及熱效率進行了系統對比，明確了 sCO?循環在航空領域的應用前景。雖然 GE 的 RISE 項目主要聚焦可持續燃料，但也為 sCO?技術與航空發動機的結合提供了技術參考。

3.2 國內研究進展

國內中國航發湖南動力機械研究所（中國航發動研所）、西安熱工研究院、中國科學院工程熱物理研究所、中國核動力研究院等也開展了系統的示范搭建。中國科學院工程熱物理研究所完成了國內首次MW級sCO?閉式循環離心式壓縮機多進口工況全載實驗，最高實驗轉速32,000 r/min，質量流量約13 kg/s，總壓比接近2.0，等熵效率82%。

中國核動力研究設計院研發的"超碳一號"系統主要設備包括一個壓氣機、一個膨脹機、一個冷卻器、一個回熱器和一個換熱器，簡稱"兩機三器一系統"。2023年，該院聯合濟鋼國際在首鋼水鋼現場建設了2套15兆瓦超臨界二氧化碳余熱發電機組，項目中這項技術的優勢展露無遺，場地需求及用水需求降低50%，發電效率提升42.7%，年發電量提升84%。

力學所高效潔凈燃燒課題組自2008年開始對該技術開展基礎研究和關鍵技術研發，提出了自冷凝CO?跨臨界動力循環和CO?混合工質跨臨界動力循環，為避免超臨界CO?布雷頓循環的近臨界大壓比增壓過程、解決CO?跨臨界動力循環中亞臨界CO?冷凝問題提供了新思路。

四、sCO?壓氣機的技術挑戰與解決方案

壓氣機作為sCO?動力循環的核心部件，其性能直接決定系統效率與可靠性。在sCO?動力循環系統中，壓氣機需在高壓、高轉速及近臨界區極端物性波動下穩定運行，這對其氣動設計、密封及材料等均提出了新的挑戰。

4.1 氣動設計挑戰

sCO?壓氣機的壓縮功和氣動效率與進口狀態密切相關，這是與傳統空氣工質壓氣機顯著不同的氣動特點。為使循環達到高的綜合熱效率，離心式sCO?壓氣機需要盡可能降低壓縮功，此時要求sCO?壓氣機的進氣條件不僅需盡量靠近CO?工質的臨界點，且還需要處于密度大的類液態區。此狀態下，sCO?壓氣機流體已經嚴重偏離理想氣體假設，目前成熟的基于傳統理想氣體工質的壓氣機一維設計方法、三維數值模擬方法等均不再適用，必須開發與之相適的設計方法與數值模擬方法。

當壓氣機進口條件處于偏液態的近臨界區域時，壓氣機極易發生流場參數波動現象，但是對此類氣動不穩定現象的流動機理和控制方法仍缺乏全面深入的認識。因此，在實踐層面，現階段大多將壓氣機進口放在偏離臨界點且偏氣態區域，以最大程度避免壓氣機氣動不穩定的產生。但這樣一來，sCO?壓氣機就偏離了最高效熱力循環所要求的工作范圍。

4.2 尺寸效應與制造工藝

sCO?壓氣機通常尺寸小且轉速很高，百千瓦發電量級的sCO?壓氣機葉輪外徑只有不到30mm，兆瓦發電量級的壓氣機葉輪外徑也僅有40～50mm。為避免振動引起的葉輪損壞，葉輪葉尖間隙占葉高的相對百分比將比常規空氣工質的離心葉輪大1倍以上。尺寸效應不僅引起氣動性能的損失，對旋轉密封也造成很大困難。

2022年，美國西南研究院發表了10MW太陽能光熱sCO?動力循環主壓氣機的試驗結果。針對這些挑戰，近年來發展了五軸加工技術、超緊湊式回熱器技術、干氣密封技術、鎳基合金材料、高速氣浮軸承和高速電機等技術，為兆瓦級小型sCO?動力循環提供了高效結構方案。

4.3 材料與腐蝕問題

金屬管道和部件在高溫S-CO?環境中的抗高溫腐蝕性能是該新型動力系統建設的瓶頸問題之一。研究表明，候選材料鐵素體/馬氏體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼、高溫鎳基合金在高溫S-CO?環境中都會面臨腐蝕挑戰。普通碳鋼容易與CO?中的碳原子發生置換反應，導致材料性能退化。鎳基合金等材料的應用解決了這一難題，為sCO?動力循環的實用化提供了材料基礎。

五、sCO?動力循環面臨的難題與解決方案

盡管sCO?動力循環技術具有諸多優勢，但在實際應用中仍面臨一系列技術難題：

5.1 換熱器設計難題

超臨界二氧化碳的表面換熱能力很差，只有水的三分之一左右。因此，需要研制高比表面積的換熱器。這種設備除了要增加比表面積，還要讓它的承壓能力、耐腐蝕性都要好，這需要毫米級薄板的高強度焊接。傳統方法無法實現這一要求，而真空擴散焊工藝的應用為超臨界二氧化碳換熱器的研發提供了解決方案。

5.2 系統控制難題

超臨界二氧化碳有響應快的優勢，引入一個熱量，可以快速升壓，但要做到既能響應快又能可控，這就很難。針對這一挑戰，研究人員研制并測試驗證了面向多應用場景、具備多功能、多型式的型譜化樣機。

5.3 工程化應用難題

超臨界二氧化碳發電系統需要解決高溫高壓密封、高速軸承系統、材料腐蝕等一系列工程化問題。其中，回熱器、吸熱器等裝置中的流動傳熱特性，高速輕型轉子的制造及平衡、高壓密封、高速軸承系統等都是需要攻克的技術難點。

六、顛覆性技術創新與未來發展

超臨界二氧化碳動力循環技術作為一種顛覆性技術，不僅具有科學原理上的創新，在產業上也能夠帶來顛覆性的收益。經過十余年的攻關，我國的超臨界二氧化碳發電技術產學研體系基本建立，全國產化產業鏈條基本成型，具備了全面工程應用條件。目前已經掌握的超臨界二氧化碳技術，基本上可以做到從兩百千瓦到一百兆瓦這個功率等級。

未來，sCO?動力循環除了在地面發電領域占據重要位置，還將為空間動力、航空發動機、核動力潛艇等國防武器裝備提供緊湊高效、清潔低廉的熱功轉換解決方案。隨著超臨界二氧化碳發電技術的不斷成熟和工程化應用的推進，它將為航空航天領域帶來革命性的變化，特別是在熱管理、余熱回收和緊湊動力轉換方面發揮重要作用。

然而，該技術仍然面臨一些挑戰，需要進一步研究解決近臨界區物性對運行參數的強敏感性、壓縮部件研發、高效穩定運行等問題。同時，需要針對不同的應用場景、不同的功率等級規模，進行工程應用的探索和示范，成功后做標準化設計。這些對降低成本、提高運維能力和水平都是至關重要的。

總的來說，超臨界二氧化碳動力循環及壓氣機技術作為一項前沿科技，正在推動航空航天動力系統的變革與創新，為其未來發展開辟了新的技術路徑和應用前景。隨著相關技術的不斷突破和成熟，它必將在航空發動機領域發揮越來越重要的作用。

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