摘要
超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器的理想推进装置。由于燃烧释热和气动加热等原因，超燃冲压发动机面临着严重的热载荷。超燃冲压发动机一般采用再生冷却，利用碳氢燃料实现自身的热防护，燃料热沉的大小决定了发动机热防护能力的强弱。随着飞行马赫数的提高，发动机承受的热载荷越来越严重，碳氢燃料的热沉将不能够满足发动机的热防护需求。针对这个问题，本文开展了Ma6~8工况范围的碳氢燃料超燃冲压发动机蒸汽重整冷却研究，具体如下： 构建了超燃冲压发动机蒸汽重整冷却方案，并开展了航煤蒸汽重整热沉试验研究。试验结果显示，随着水的比例的提高，航煤蒸汽重整的总热沉和化学热沉也逐渐增大；水的质量分数为15%且航煤转化率约为18%时，航煤蒸汽重整就能够提供2.7MJ/kg的总热沉和0.6MJ/kg的化学热沉。利用等面积释热、等马赫释热和等静温释热组合释热模型分析了水的添加对超燃冲压发动机推力比冲性能的影响。结果表明，不同飞行马赫数下，水的添加均能增加发动机的最大比推力，但会导致发动机比冲性能的大幅降低。 为了研究超临界航煤蒸汽重整流动换热特性和热沉释放空间分布特性，建立了超临界航煤蒸汽重整流动换热数值模型。结果表明，由于蒸汽重整反应直接发生在冷却通道壁面上，其发生强化了近壁区域的传热传质过程；蒸汽重整反应的发生还改变了冷却通道内化学反应的空间分布和强弱程度，进而影响对流换热系数的沿程分布规律。冷却通道高宽比增大时，反应物与催化剂的接触面积增大，同时冷却通道的肋效应增强，导致温度不均匀系数随高宽比的增大而显著降低、减弱了流体内部的热分层；在所研究的高宽比变化范围内，高宽比越大，对流换热系数越大，冷却通道壁温越低。根据数值模拟结果数据，拟合了航煤蒸汽重整过程高温区对流换热关联式。对航煤蒸汽重整过程热沉释放空间分布特性的研究表明，蒸汽重整反应的发生能够使航煤的化学热沉提前释放。和纯热裂解工况相比，蒸汽重整工况下航煤释放出更多的化学热沉。蒸汽重整反应的发生还会使得航煤热沉释放在纵向上分布更加均匀，这有利于提高航煤热沉利用率。 为了对蒸汽重整冷却流路和冷却剂配比进行优化，建立了基于蒸汽重整的再生冷却超燃冲压发动机准一维模型。研究表明，和热裂解工况相比，蒸汽重整工况下燃烧室壁温更低、热流密度更大；燃烧室最高壁温随注水位置的后移呈现出先降低后升高的变化趋势。蒸汽重整能够拓宽发动机的热边界，水的质量分数为10%时，发动机热边界的拓展值约为0.45；水的质量分数为20%时，发动机热边界的拓展值约为0.9。在推力需求和热防护需求的约束下，以发动机比冲为优化目标，对冷却剂配比进行了优化。结果显示，只有在较大的飞行马赫数（大于6.2）下采用蒸汽重整才是合理的；随着飞行马赫数的提高，水的质量分数逐渐增大。 在冷却剂有限的条件下，合理充分地利用冷却剂热沉是非常必要的。针对等截面冷却通道不能充分利用航煤蒸汽重整提供的热沉的问题，开展了蒸汽重整再生冷却通道结构参数优化设计工作以增强蒸汽重整的冷却效果。结果表明，冷却通道优化之后可以节约16.6%的冷却剂用量；和热裂解工况相比，蒸汽重整工况下冷却剂用量能够节约10.93%。当飞行马赫数继续提高时，单一再生冷却方式无法实现发动机的有效热防护，采用再生/膜复合冷却方式以增强蒸汽重整的冷却效果。建立了基于蒸汽重整的再生/膜复合冷却系统准一维模型，利用模型对基于蒸汽重整的再生/膜复合冷却进行了探索研究。结果表明，蒸汽重整能够增强气膜冷却效果和再生/膜复合冷却效果，拓宽了再生/膜复合冷却发动机的热边界。水的质量分数为5%时，发动机热边界的拓展值为0.13左右；水的质量分数为10%时，发动机热边界的拓展值为0.3左右。对较高的飞行马赫数下发动机采用不同冷却方式的对比研究表明，再生/膜复合冷却方式需要的冷却剂更少，具有冷却性能优势。
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