| 摘要 | 以机载燃料作为冷却剂的主动冷却技术在液体火箭推进、亚/超燃冲压推进以及航空发动机领域均有广泛的应用前景。以超燃冲压发动机冷却系统为例,燃料的冷却过程可以大致描述为:燃料从储油系统经过第一道油路控制分成几路流入发动机各部件结构内的冷却通道。燃料在通道中利用对流传热和化学吸热机理吸收热量,将壁面温度控制在一定范围内,同时其自身温度不断提高。从冷却通道流出的高温燃料经过第二道油路控制,分成几路注入燃烧室燃烧。整个冷却路径形成一个闭合系统。利用燃料作为冷却剂有着冷却结构相对简单、冷却效率较高,飞行器无需携带额外冷却剂和冷却设备,燃料吸热后将有助于其混合、燃烧,以及从壁面吸收的热量得以回收利用等诸多优点。但是,燃料冷却也存在着相应的技术难点。首先,碳氢燃料如航空煤油,是含有上千种碳氢化合物的复杂混合物;并且在冷却过程中燃料随着温度、压力的变化可能经历液态、超临界态、气态以及裂解态多个物态,其热物理特性变化复杂,难以用单一模型描述。同时,物态变化也决定了燃料流动、对流换热、化学吸热的复杂性。另外,由于冷却系统为闭合系统,冷却用油与燃烧用油必须相匹配,这就决定了冷却剂用量有限,冷却结构需要非常合理、优化的设计。不合理的冷却系统设计可能造成局部过热,或者严重结碳、通道堵塞,甚至导致整个系统的失败。由此可见,燃料的高温热物理特性、不同物态下的对流传热与流动阻力特性、裂解吸热性能、以及高温结碳规律这4个方面构成了冷却系统设计最急需和最重要的基础研究内容。有关燃料各项性能的研究在国外开展较早。如美国,从上世纪70年代就开展了针对不同基础油性能的研究工作。最近十几年,美国针对具有优良热稳定性以及制备价格相对低廉的JP-8+燃油进行了一系列研究,基本上建立了系统、可靠的燃油性能数据库。我国在燃料性能基础数据的积累方面起步较晚,目前尚未形成比较系统的数据。 |
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