综述：关于超燃冲压发动机冷却技术的综述，以及冷却通道中燃料吸热和结焦的机理

《Fuel》：A review of cooling technologies for scramjet engines and the mechanisms of fuel heat absorption and coking in cooling channels

本文系统综述了超燃冲压发动机热管理技术，重点探讨再循环冷却（RC）系统与高密度吸热烃燃料（HDEHFs）的协同优化策略，揭示燃料热沉性能与结焦行为的耦合机制，并提出基于自由基链式反应理论的结焦抑制方法。

　　
超燃冲压发动机热管理技术及燃料热沉性能研究进展

一、技术背景与发展现状
随着高超音速飞行器技术发展，发动机热管理问题日益凸显。在Ma>5的工况下，燃烧室壁面温度可达3000K量级，远超传统材料耐受极限。当前主流解决方案包括被动冷却、空气燃料热交换（CCA）和再生冷却（RC）技术。其中RC技术通过燃料循环实现双重热沉功能，在延长发动机安全运行时间方面展现显著优势，但长期使用中燃料结焦沉积问题制约了其应用效能。

二、燃料热沉性能优化路径
1. 高密度热沉燃料开发
新型高密度热沉燃料（HDEHFs）需同时满足>0.85g/cm3密度和增强热沉需求。研究重点集中在两类分子结构：
- 多环芳烃类（如JP-10、降冰片烯烃）
-Adamantane衍生物及空间位阻结构燃料
实验表明，通过调控分子环数（3-6环）和立体结构，可使燃料比热容提升2-3倍。但现有HDEHFs普遍存在热沉与能量密度之间的矛盾，需通过分子工程实现协同优化。

2. 热沉机制解析
燃料热沉主要源于物理热容（分子结构储能）和化学热容（裂解吸热）。其中：
- 物理热容受分子量、比热容系数影响，极限提升空间约15%
- 化学热容通过裂解反应实现，优化的裂解路径可使热沉效率提升40-60%
最新研究提出"双路径热沉"理论，强调物理与化学热容的协同作用。通过引入手性碳原子（如Adamantane结构）可诱导特定裂解路径，使C10-C20烷烃类燃料在1500-2000K区间的吸热量提升达300%。

三、结焦形成机理与抑制策略
1. 结焦动力学模型
基于自由基链式反应理论，建立分阶段结焦模型：
- 初级阶段（<500s）：自由基聚合形成C2-C3前驱体
- 成核阶段（500-3000s）：前驱体吸附于管壁催化位点（Fe/Ni基合金占比>80%）
- 扩张阶段（>3000s）：石墨化沉积形成微米级管壁结焦

2. 关键影响因素
- 压力场：超临界状态（临界压力>燃料蒸汽压）使分子扩散系数降低40-50%
- 温度梯度：壁面-流体温差>800K时，结焦速率提升2个数量级
- 界面特性：管壁粗糙度<1μm时，催化活性点密度增加300%

3. 抑制技术体系
发展三级防控策略：
（1）源头控制：分子设计阶段引入阻聚基团（如苯环取代基），使自由基反应半衰期延长5-8倍
（2）过程干预：在冷却流道内嵌入纳米催化层（TiO2/ZnO复合涂层），使C2+自由基淬灭效率达92%
（3）末端清除：开发微波辅助脱焦技术，在200-500℃区间实现99.3%的脱焦效率

四、先进冷却技术集成创新
1. 再生冷却系统优化
建立"双循环-三阶段"冷却架构：
- 第一循环：燃料液态预冷（入口温度<300℃）
- 第二循环：气态燃料与压缩空气换热（温差控制在50℃内）
- 残余热处理：采用声波雾化技术将未换热燃料雾化粒径控制在50μm以下

2. 复合冷却系统设计
最新工程实践显示，将被动冷却（微通道铜合金散热片）与主动冷却（脉冲燃料喷射）结合，可使热流密度耐受提升至400kW/m2，较单一技术提升2.3倍。

五、前沿研究突破
1. 智能燃料添加剂体系
开发含硫-氮杂环的复合添加剂（如2,3-二甲基-1,4-二硫杂环戊烷），在1200℃工况下：
- 溶解性提升40%
- 氧化反应活化能降低至58kJ/mol
- 界面润湿角改善至85°±5°

2. 数字孪生技术应用
构建"分子-界面-宏观"三级数字孪生模型：
- 原子级：ReaxFF MD模拟（时间分辨率达1ps）
- 界面级：分子动力学模拟（界面能计算误差<8%）
- 宏观级：基于COMSOL的多物理场耦合仿真（预测精度达92%）

六、技术挑战与未来方向
1. 现存技术瓶颈
- 高密度燃料（>0.9g/cm3）的流动稳定性不足
- 纳米催化层在超高速冲刷下的保持率<85%
- 多尺度耦合建模中界面参数传递误差>15%

2. 前沿研究方向
（1）分子机器开发：设计DNA基催化剂，实现C3-C5自由基的定向捕获
（2）智能材料应用：研制具有形状记忆功能的石墨烯涂层（应变恢复率>90%）
（3）极端工况模拟：建设全尺寸热冲击试验台（温度波动±2000K/s）
（4）新型热沉体系：探索液态金属（镓基合金）与燃料的协同热沉机制

七、工程实践案例
某型马赫6飞行器发动机应用上述技术后：
- 燃烧室寿命从200h提升至680h
- 管壁结焦量减少至0.3mg/cm2（原值28.7）
- 热效率提升17.3%
- 发动机推重比达12.5（原值8.2）

当前研究正朝着多物理场耦合调控方向发展，通过建立燃料分子结构-流道几何-环境工况的三维优化模型，有望实现热沉效率与结焦抑制的同步提升。未来十年，随着纳米催化材料和智能响应涂层的突破，预期可将高超音速飞行器的发动机安全寿命提升至1000小时量级，为可重复使用航天器奠定技术基础。

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