0 引言
二氧化碳是空气中常见的化合物,起初国内外关于二氧化碳的研究多集中于气态或液态单相下的物理和化学性质,20世纪末,人们才开始关注二氧化碳在高温高压条件下相变的试验和理论分析。二氧化碳的状态包括4种,即固态、气态、液态和超临界状态,各种相态及转换如图1所示。
图1 超临界二氧化碳相图
Fig.1 Supercritical CO2 phase diagram
超临界流体是指物质温度和压力超过临界点,本身的气与液分界面消失并难以区分的液体,同时兼有气体和液体的物理和化学性质。由Hannay和Hogarth等于1897年发现[1]。超临界二氧化碳是指温度和压力处于临界点(温度304.2 K、压力7.38 MPa)及以上的二氧化碳[2],具有渗透能力高,流体黏度低,密度高和溶解能力强的特点[3]。由于其特殊独有的物理和化学性质,在医学工业、食品工业、轻工业、高分子科学等方面已有较多的应用[4]。
1 研究现状
1.1 国外研究现状
国外针对超临界二氧化碳相变的研究多集中于民用领域,鲜有军事方面的应用报道。美国对超临界二氧化碳的流动特性及相变机理进行了深入研究,在超临界流体相变特性和密度波动等基础理论研究方面处于世界领先地位,掌握了国际上最完整的超临界二氧化碳流体的物性数据。
超临界二氧化碳布雷顿循环是最典型的气体膨胀做功的应用系统,广泛适用于太阳能、核能等领域[5],具有广阔的发展前景[6]。该概念最早由Sulzer[7]于1950年提出,后由学者Feher[8]于1967年重新提起,并于1970年研发150 kW规模的系统样机。Dostal等[9]针对应用于下一代核反应堆的再压缩超临界二氧化碳循环进行详细的研究,发现相对传统的郎肯蒸汽循环相比,超临界二氧化碳循环可实现45.3%的热效率,且成本可降低约18%。2012年,美国启动“10 MW超临界二氧化碳动力涡轮项目”,旨在完成用于钠冷快堆的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统。
日本、瑞士等国家已将超临界二氧化碳应用到多项工业技术中,开发研制了超临界二氧化碳高压容器快开密封结构,可在70 MPa以上保持流体密封。在同类技术中,日本技术密封压力高、结构尺寸小、开启快速方便,在同类流体高压密封领域处于领先优势。
1.2 国内研究现状
近年来国内关于超临界二氧化碳相变的研究也在逐步深入,国内部分高校围绕二氧化碳相变机理及仿真开展了理论研究,西安交通大学和大连理工大学以二氧化碳为实验工质,开展物性测量实验,完成25～500 ℃、7～10 MPa内的密度、定压比热和黏度的测量。
在传统行业方面如矿山开采、土石基建等民用爆破领域,大量应用液态二氧化碳取代普通火炸药进行土石爆破作业(即液态二氧化碳相变致裂技术),并涌现了大量的研究。如煤科集团沈阳研究院开展了二氧化碳爆破致裂器在起爆过程中的可靠性因素分析[10];煤科集团工程科技有限公司研究了二氧化碳爆破致裂技术在增加煤层透气性方面的应用。中国矿业大学[11]开展超临界二氧化碳相变爆破裂纹扩展规律研究,结合二氧化碳的相态特性与液态二氧化碳相变爆破过程,利用R-K-S气体状态方程计算高压气体的膨胀功与相变释放能量。前沿行业方面,中南大学将二氧化碳相变做功技术应用在高速列车气动模型试验系统/高速磁浮列车气动试验系统以及车辆碰撞试验系统等领域,为列车试验模型提供动力。
二氧化碳相变做功在军事装备的应用方面,主要围绕理论研究、仿真计算、原理性试验等方面开展了较多工作。哈尔滨工业大学与中科院建立了超临界二氧化碳气体炮膨胀做功的数学模型,搭建了试验测试平台,对气体炮膛内压力变化和弹丸速度进行了计算与试验。
2 发射原理与技术特点
2.1 发射原理
超临界二氧化碳相变做功发射技术(可简称为二氧化碳相变做功技术)起源于二氧化碳爆破技术,二氧化碳爆破技术基础为二氧化碳相变致裂技术。二氧化碳相变致裂技术使用时需配备相应的储液罐、填充设备、相变致裂管[12]。二氧化碳相变致裂管由充装头、发热管、储液管、密封垫、剪切片及泄能头组成,如图2所示。储液管是二氧化碳发生相态转换的场所,通常由高强度合金材料制成。二氧化碳相变致裂时,发热管通电释放大量热量,当温度和压力超过各自规定的阀值时,储液管内的液态二氧化碳受热相变为超临界状态,管内压力升高[13]。当管内压力超过剪切片的额定压力时,剪切片发生破裂。整个致裂过程不仅无火花,还能吸热抑燃,属于典型的物理爆炸[14]。
图2 二氧化碳相变致裂管结构
Fig.2 Structural diagram of carbon dioxide phase change cracking tube
将超临界二氧化碳介质与弹射发射技术结合为二氧化碳相变做功发射技术,液态二氧化碳在致裂器经加热后迅速进入超临界状态,待剪切片破坏后,高压状态下的超临界二氧化碳将释放并作用于导弹/弹炮等负载的底部,负载受压力加速运动实现发射功能。
2.2 技术特点
超临界二氧化碳相变做功发射技术与传统利用火药气体使负载加速的燃气弹射方式相比,具有无污染、安全性高的优势[15];与采用弹簧等机械储能结构的机械弹射方式相比,具有结构简单、发射初速高的优势[16];与采用压缩空气膨胀做功的压缩空气弹射方式相比,具有能量密度高,体积紧凑的优势[17];与利用电磁能的电磁弹射方式相比,具有结构简单、成本低的优势[18]。超临界二氧化碳相变做功发射技术与其他弹射技术的技术特点对比情况如表1所示。
表1 弹射技术特点对比情况
Table 1 Comparative characteristics of ejection technology
弹射技术优点缺点化学能弹射原理简单、结构简易危险性高、有污染机械能弹射原理简单、结构简易弹射能力低、机械系数复杂、能耗大电磁能弹射清洁无污染、可控性好目前技术成熟度低,对电源要求高,轨道安装和电力系统成本高超临界二氧化碳相变弹射清洁无污染、安全可控性好、通用性与集成度高目前技术成熟度低
根据非定常等熵假设,传统气体介质如空气,氢气和其他易燃性气体等在应用中具有膨胀压力低[19],危险性高等特点,二氧化碳流体由于独特的热力学性质,在物理受热的状态下能迅速发生相变,从而产生200～300 MPa压力且不易燃烧爆炸的超临界二氧化碳,以其作为介质的发射系统可有效地提高弹射系统的安全性和适用性。同时,凭借其良好的应用拓展能力、做功能力和制备能力,避免了采用复杂的压缩装置和结构设计,从而能够有效地提高发射装置整体的通用性、集成度和发射效率。
3 典型应用场景分析
近年来,超临界二氧化碳相变做功技术已广泛应用于抢险救灾、破拆清障[20]等民用领域,现阶段也逐渐向军事领域拓展应用,将超临界二氧化碳相变做功技术与民用能源动力应用场景及军/警各类特种武器装备领域相融合,主要围绕理论研究、仿真计算、原理性试验等方面开展了相关工作,在气体炮、导弹箱/筒式发射、无人机发射回收等方面实现了突破,大大拓展了二氧化碳相变做功发射技术的应用范围。
3.1 军事装备发射方面的应用
二氧化碳相变发射技术可与军事装备融合,应用于飞行器可控冷发射技术、弹药/无人机负载冷弹射系统及气体炮等军事装备领域。
3.1.1 飞行器可控冷发射方面的应用
在飞行器可控冷发射技术应用方面,中国科学技术大学进行超临界二氧化碳作为气动发射新工质的理论研究,通过计算得出,一架500 kg的飞机可以在0.9 s内用36 kg二氧化碳从0加速到58 m/s,为飞行器可控冷发射提供了一种新技术。相较于常规的弹力绳弹射、气动弹射、液压弹射、火箭发动机弹射等发射方式,可应用二氧化碳相变做功发射技术作为无人机弹射动力源,以实现无人机快速、高效、低成本发射[21]。
3.1.2 弹药/无人机冷弹射系统方面的应用
在弹药冷弹射系统应用方面,二氧化碳相变做功发射技术可集成在导弹发射装置或发射箱/筒中,作为导弹冷弹射的动力源。如以适装的火箭弹发射筒为背景,应用二氧化碳相变做功发射技术可实现火箭弹在舰载导弹发射装置上的高效与集成发射。另外,也可作为导弹发射装置的动作执行机构通用化动力源,通过标准动力单元模块化集成,用以弹射大型洲际导弹和地空导弹等负载,弹射装置示意图如图3所示,图3中虚线框内装置为相变动力单元,液态二氧化碳在动力单元内相变至超临界状态,当压力升高到剪切片的临界压力后,剪切片破裂,高压状态的超临界二氧化碳介质作用在弹底部推动导弹作动,从而达到弹射负载的目的。
图3 超临界二氧化碳弹射装置示意图
Fig.3 Schematic diagram of a supercritical carbon dioxide ejection device
3.1.3 气体炮方面的应用
基于二氧化碳相变做功发射技术的小型化研究工作的不断深入,可以将其运用于特种机械/室内作战用火箭筒和枪械装备。尤其是将二氧化碳相变做功发射技术与气体炮相结合,即可有效避免二级炮复杂、沉重的气体压缩装置,又可兼容发射各种形状、功能的弹丸,如灭火弹、抛绳弹等,实现不同的作战任务使命。超临界二氧化碳相变气体炮的应用原理如图4所示[22]。
1-二氧化碳致裂器;2-起爆器;3-破裂片;4-连接螺栓;5-弹丸;6-炮管;7-底座
图4 超临界二氧化碳气体炮原理示意图
Fig.4 Schematic diagram of the principle of the supercritical carbon dioxide gas cannon
3.2 抢险救灾破拆清障方面的应用
在各类抢险救灾任务中,破拆清障是救灾部队经常要面对的难题,破拆清障方式主要有抵近施工和远距离破障2种方式。但抵近施工存在作业人员暴露在风险环境中的问题,远距离破障存在使用成本及安全风险高、哑弹处置难度大等突出问题。因此,将超临界二氧化碳相变做功技术应用于抢险救灾破拆清障领域,能够有效地将抵近施工和远距离破障相结合,充分发挥二氧化碳安全可控性高、绿色无污染、做功能力强、成本可控等技术特点。
3.3 能源动力装置方面的应用
基于二氧化碳相变连续做功技术的能源动力装置及发电设备能够有效地减小动力装置的体积和质量,降低噪声影响,大幅提高动力装置及推进系统的做功效率,显著地节省化石能源。特别是在小型舰船上,由于舰船内部空间窄小等因素,必须严格限制设备的体积尺寸,因此基于二氧化碳相变做功技术的能源动力装置具有巨大的商业价值和应用前景;而美国已将超临界二氧化碳布雷顿循环技术应用于大型军用舰船的核反应堆上,势必将引起各国的高度重视和大力研发[23]。
4 关键技术分析
目前二氧化碳相变做功发射技术总体上仍处于初步阶段,技术成熟度较低,仍需探究如何高效、快速地将液态二氧化碳激发至超临界状态使其膨胀做功,如何对储液管内液态二氧化碳的注入量实现精准控制等一系列问题,距离工程化应用仍然存在一定差距,尚需加快二氧化碳相变发射技术的自主创新研究、基础理论研究和关键技术研究,解决理论难点和技术瓶颈,推动装备整体性能跨越发展,实现工程化成熟应用,满足实际使用需求。
4.1 高效相变激发技术研究
液态二氧化碳在吸收一定热量后可激发相变,根据热量来源的不同,可分为电能激发和化学能激发,2种激发方式都存在各自的技术特点。电能激发多应用于物性研究中,能量释放精准可控、重复使用率高、清洁无污染,但存在激发速度较慢、技术实现难度较大等问题;化学能激发目前在二氧化碳致裂技术上应用广泛,技术成熟度高,但在能量精准控制、重复使用度、环境友好性等方面存在一定差距。
4.1.1 基于电能的高效相变激发技术
电能激发可分为大功率放电激发和低功率放电加热激发[24]。大功率发电激发相变技术利用高温等离子区域瞬间加热液态二氧化碳,根据加热量需求调控放电能量,实现精准激发液态二氧化碳相变的目的。低功率放电加热激发液态二氧化碳相变技术利用低压射频电源驱动电感耦合式电极和低电压高阻抗电极放电产生的热量加热液态二氧化碳,最终完成相变。
由于不同电能激发方式的技术特点以及超临界二氧化碳复杂的热物性或放电性能,为了满足在实际使用中对电能激发装置可靠性、安全性的要求,需研究不同加热方式条件下相变激发装置的升温速率、能量释放等做功机制以及与相变介质之间的能量转换机理,得到电能激发技术基本参数的变化规律。
4.1.2 基于化学能的高效相变激发技术
化学能激发一般采用高氯酸钾为主要成分的活化剂,点燃后快速释放能量加热二氧化碳激发相变[25]。若活化剂点燃释放能量的时间响应特性不稳定,会影响液态二氧化碳的相变激发效果。因此如要提升液态二氧化碳相变做功功率,必须聚焦于储液管内部,对储液管内部各作用部件之间相互耦合关系进行深入研究,对活化剂与相变介质间质量配比、活化剂的安装方式与位置、压力释放阈值、环境温度等因素进行综合分析与优化设计。
4.2 液态二氧化碳快速精确填充技术
超临界二氧化碳相变弹射装备在使用前,需要向储液管充入一定量的液态二氧化碳,其填充量与相变后膨胀做功能力密切相关,进而决定了发射装备是否能够按照预定的推力曲线完成负载发射任务。液态二氧化碳的密度在不同压力和温度下差异较大,在填充过程中受管道、储液管内温度、压力波动影响,二氧化碳可能呈现多相混合状态,影响填充质量的测定以及最终的相变膨胀做功能力。因此,液态二氧化碳填充物性状态稳定控制、填充范围精准调控及填充质量精准控制等技术难点的突破,实现动力单元储液管内液体二氧化碳快速、定量、精准填充,决定了弹射装备的发射性能和使用效率。
5 结论
系统地阐述了超临界二氧化碳相变做功发射技术的最新研究进展,分析了产品技术特点和典型应用场景,梳理了当前二氧化碳相变做功发射的关键技术,提出了工程化建议与解决途径,为相关领域的研究人员提供了参考信息和解决思路。可以看出:① 超临界二氧化碳凭借其渗透能力强、高焓值等特性,使二氧化碳相变做功发射技术具有适用能力强、安全性高、无污染等优点;② 超临界二氧化碳可与弹药发射技术相结合,应用于如导弹发射装置、气体炮、发射箱/筒、无人机发射回收装置等装备,在武器发射领域具有较好的应用前景;③ 后续需要进一步加强发射过程中的能量变化规律与沉积效率、能量输出动力调控、多物理场耦合仿真等方面的落地应用研究。
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