面向高超聲速飛行的碳氫燃料吸熱反應研究進展

侯 淋劉 青張香文?

高超聲速飛行器以其大于5 馬赫的優越飛行速度成為了航空航天領域的重要發展方向,然而,高超聲速飛行面臨的“熱障”問題限制了其進一步發展。 為解決這一問題,以碳氫燃料作為冷卻劑的主動冷卻技術被提出,這種燃料被稱為“吸熱型碳氫燃料”[1]。 研究發現,飛行速度越高,所需吸熱量越大,如圖1 所示。 在主動冷卻中,吸熱型碳氫燃料流經發動機等高溫部件的換熱通道進行換熱,通過發生升溫相變和化學吸熱吸收熱量,達到冷卻目的,最后進入燃燒室燃燒[2]。 該過程主要有3 點優勢:(1)解決了高超聲速飛行過程中的“熱障”問題,保證了飛行器高溫結構的安全性;(2)被燃料所吸收的廢熱在燃燒過程中重新釋放,提高了能量利用率;(3)燃料發生吸熱反應后生成小分子產物,具有良好的燃燒性能,能降低點火延遲時間和提高燃燒效率[3]。

圖1 熱沉需求與馬赫數的關系[4]Fig.1 Relationship between demand of heat sink and Mach number[4]

吸熱型碳氫燃料的吸熱能力被定義為“熱沉”,包括物理熱沉和化學熱沉,物理熱沉指的是燃料在不發生化學反應的情況下,以升溫、相變等物理過程吸收的熱量,而化學熱沉則指的是燃料在發生化學反應時吸收的熱量[1]。 燃料的物理熱沉由熱容和溫升等因素決定,相對變化不大,而化學熱沉則隨燃料分子結構和反應條件不同而變化較大。 提高化學熱沉是吸熱燃料發展的重要方向,因此,本論文主要總結了吸熱型碳氫燃料化學熱沉的進展,目前研究中的化學熱沉主要由裂解和重整兩種吸熱反應提供?！?br>