随着航空发动机技术的不断发展和性能的不断提升，涡轮前温度正朝着2200K的目标发展，而高温合金材料的耐热温度为1420～1620K。因此，需要对涡轮等高温零部件进行冷却，以保证发动机的正常运行。目前，航空发动机涡轮叶片气膜冷却的冷却气来源为压气机出口的压缩空气。随着压气机的压缩比不断提高，排气温度也不断提高，为了满足不断提升的涡轮冷却需求，需要引入更多的压气机排气来进行冷却。然而，引入更多的压气机排气将降低发动机的推力。为了解决高压缩比带来的性能提升和不断增加的冷却需求的矛盾，CCA的方法被提出（见图1）。CCA方法将外涵道空气或航空燃料作为冷源，使高温压缩空气进入涡轮之前被预冷，被冷却后的压缩空气再用于冷却涡轮叶片，该方法的核心为轻质高效的换热器。
图1??CCA系统
航空发动机换热器特点及要求
由于航空发动机内部环境具有高温、高压、高转速的特点，与传统换热器相比，航空发动机用换热器的结构和性能要求更高。一是需要换热器具有结构紧凑、体积小、质量轻的特点；二是对换热器结构和材料的选择有特别要求，由于航空发动机是高转速工作部件，有一定的振动强度，微小的绕流元件在这种工作环境下结构可能会发生变化，所以要设计优化其结构，保证结构强度，此外，考虑到发动机的高温特性，换热器需要选择耐高温、导热性好的材料；三是需要考虑流体的压力损失，航空发动机用换热器结构通常较小，流体在较小的通道内流动阻力较大，需要控制压力损失在合理范围内。根据以上内容，航空发动机换热器的设计具有很大难度和挑战。
航空发动机换热器研究现状
目前，航空发动机内高温冷却空气预冷技术主要分为空气预冷和航空煤油预冷两种。空气预冷技术相对较早，该技术所需的换热器为空气—空气换热器，具有结构简单、易加工、可灵活布置的特点。其作用是以外涵道空气作为冷源，冷却作为冷却气的压气机排气。图2为俄罗斯AL-31F发动机的外涵道中装备的空气—空气换热器，用于冷却冷却空气。该换热器为盘管式换热器，管内为高温的压缩空气，管外为外涵道的低温空气，其结构巧妙，可在发动机外涵道内灵活布置，在质量增加低于20kg的情况下将冷却空气的温度降低150～170K。但该换热器的换热效率相对较低，AL-31F发动机共采用了64组换热单元绕外涵道环形布置，占用了发动机内大量的空间体积。
图2??AL-31F发动机的空气—空气换热器
随着航空发动机技术的不断发展，冷却气的冷却负荷也不断增加，以外涵道空气作为冷源的换热技术逐渐难以满足不断增加的换热需求。由于航空煤油的热容远高于空气，其作为热沉具有更强的吸热能力，利用航空煤油预冷压气机出口的高温空气，不仅能大幅度降低热端部件的温度，还能节省冷却空气的用气量。而且加热后气化和裂解的燃料喷入燃烧室，点火延迟时间将大大缩短，提高燃烧效率。但与此同时，航空煤油预冷技术难度较高：一是对于空气—煤油换热器来说，热阻主要在空气侧，常规的强化换热手段（如在空气侧增加翅片等）加工难度较大、结构强度较低；二是由于航空煤油的特殊物性，在与高温空气换热过程中，航空煤油会存在由亚临界到超临界状态的转变，其物性参数、流动传热特性均会发生巨大变化；三是航空煤油在换热过程中会出现热裂解现象，裂解过程中存在吸放热过程，会对换热器的传热产生影响，同时，裂解过程会结焦析碳，且析碳的存在会增加管壁和流体间的流阻，降低传热效率。
多流体换热器技术原理
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为了解决上述航空发动机换热器中存在的技术问题，本文提出了一种基于石墨烯功能材料的高温钛合金多流体换热器。首先通过研究石墨烯对相变材料功能化方法，掌握具有高导热/高相变焓复合相变材料制备方法；其次将具有不同物性的相变材料应用于多流体换热器中，通过研究直管/蛇形管多层嵌套管内高温冷却空气/航空煤油以及管外低温空气的传热特性，考察相变材料的热物性对控制航空煤油温升、抑制煤油结焦，以及促进换热器传热性能提升的作用；最终建立基于高温钛合金基超轻超高效能多流体换热器结构设计优化方法。
根据使用环境的不同，该换热器结构可设计为直管、蛇形管两种形式。换热管为多层套管结构，同时利用低温外涵道空气、航空煤油作为冷源预冷高温空气，将常规的空气—空气、空气—燃油换热器集中在一起，换热结构高效紧凑（见图3）。而且该换热器使用轻质高温钛合金材料，具有强度高、耐高温、质量轻的特点。为了解决高温空气与航空煤油直接换热所导致的航空煤油结焦的问题，在航空煤油与高温空气之间添加相变材料夹层。相变材料是一种能够在相态转变过程中吸收大量热的材料，具有储热密度大、相变过程温度恒定的特性，具有极高的热沉值。将相变材料应用于航空煤油—空气换热过程，其极高的热沉将有效降低航空煤油温升，抑制煤油结焦，提高换热功率。因此，将相变材料纳入航空煤油—空气换热器中，对于提升换热器可靠性及性能都具有重要作用。
图3