专利名称：高超声速飞行器的冷却方法
技术领域：
本发明涉及一种高超声速飞行器的冷却方法。
背景技术：
随着飞行器在大气层内飞行速度的不断提高，空气动力学加热变得十分严重，传统的热防护(防热瓦)已经无法满足要求。若不对飞行器进行主动的冷却，它将像陨石一样燃烧殆尽。高超声速飞行器高温高速的热管理(热障)问题是其研制开发中亟待解决的问题之一。吸热碳氢燃料(endothermic hydrocarbonfuels，EHF)是目前公认的解决超高声速飞行器热障问题的可行方法，它在进入燃烧室之前，先在飞行器高温部件表面进行预热升温及吸热化学反应，吸收飞行系统产生的热量，生成燃烧性能优良的小分子产物，吸收的热量最后通过生成的小分子产物燃烧释放出来，从而达到冷却机体、提高能量的利用率、减少飞行器负载的目的。
各航天大国主要采用固体催化剂或有机引发剂作用下的吸热碳氢燃料吸热化学反应来冷却飞行器。目前，国内外还没有研制出转化效率高、寿命长的EHF反应催化剂，催化剂的积炭结焦是一直难以解决的瓶颈问题。不仅如此，固体催化剂还要涉及反应物的传质问题、催化剂的形状、在反应器上的固定方式研究等。而有机引发剂多是含N、S、P等杂原子化合物，毒性及污染都非常严重。上述问题一直限制吸热碳氢燃料的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高超声速飞行器的冷却方法。
特征在于1)利用飞行马赫数1～20Ma的高超声速飞行器的温度200～1200℃，压力1～40Mpa的高温高压条件，将水和吸热碳氢燃料分别预热升温到温度为374℃以上、压力为22.0MPa以上的超临界状态，吸收热量；2)在超临界水作用下吸热碳氢燃料发生吸热化学反应，生成小分子混合产物，反应条件为温度400～800℃，压力25～40Mpa，反应吸收飞行器的热量，降低飞行器高温部件表面温度。
本发明的优点是不使用固体催化剂，避免反应传质问题，反应在均相发生，速率快；简化反应器设计，减少反应器的固体部件，减轻飞行器自重，提高运载能力。转化过程吸热量大，产物中氢含量高，生成的小分子产物燃烧性能好；完全避免EHF在固体催化剂上的结焦。另外，水清洁，价廉，操作方便，安全，使航天燃料的发展走绿色化的道路。
具体实施例方式
本发明利用超临界水具有传质性能好(低粘度、高扩散系数)、溶解性能好等特点，将非均相反应转变为均相反应，提高反应速率；利用超临界水的高反应活性，提高转化过程吸热量及产物中氢含量，从而提高吸热碳氢燃料的吸热能力及燃烧性能；实施例1400℃下正庚烷的超临界水解反应1)利用两只高压釜，将126g水和100g正庚烷分别预热升温到400℃，压力升到25Mpa，吸热量为342.3kJ；2)超临界水和超临界正庚烷进入超临界反应器混合，正庚烷在超临界水作用下发生反应，反应温度400℃，反应吸热量218.8kJ，两部分总吸热量之和为561.1kJ，生成物中H2质量含量为13.27％，热值为3694.3kJ，燃烧性能良好，反应过程无结焦。
实施例2800℃下正庚烷的超临界水解反应1)利用两只高压釜，将126g水和100g正庚烷分别预热升温到800℃，压力升到25Mpa，吸热量为593.4kJ；2)超临界水和超临界正庚烷进入超临界反应器混合，正庚烷在超临界水作用下发生反应，反应温度800℃，反应吸热量218.8kJ。两部分总吸热量之和为812.2kJ，生成物中H2质量含量为13.27％，热值为3694.3kJ，燃烧性能良好，反应过程无结焦。
实施例3400℃下异辛烷的超临界水解反应1)利用两只高压釜，将144g水和114g异辛烷分别预热升温到400℃，压力升到25Mpa，吸热量为334.0kJ；2)超临界水和超临界异辛烷进入超临界反应器混合，异辛烷在超临界水作用下发生反应，反应温度400℃，反应吸热量322.8kJ。两部分总吸热量之和为656.8kJ，生成物中H2质量含量为13.18％，热值为4188.8kJ，燃烧性能良好，反应过程无结焦。
实施例4800℃下异辛烷的超临界水解反应
2)利用两只高压釜，将144g水和114g异辛烷分别预热升温到800℃，压力升到25Mpa，吸热量为498.6kJ；2)超临界水和超临界异辛烷进入超临界反应器混合，异辛烷在超临界水作用下发生反应，反应温度800℃，反应吸热量332.8kJ。两部分总吸热量之和为831.4kJ，生成物中H2质量含量为13.18％，热值为4188.8kJ，燃烧性能良好，反应过程无结焦。
实施例5400℃下甲基环己烷的超临界水解反应1)利用两只高压釜，将126g水和98g甲基环己烷分别预热升温到400℃，压力升到25Mpa，吸热量为292.7kJ；2)超临界水和超临界甲基环己烷进入超临界反应器混合，甲基环己烷在超临界水作用下发生反应，反应温度400℃，反应吸热量286.2kJ。两部分总吸热量之和为578.9kJ，生成物中H2质量含量为12.5％，热值为3449.1kJ，燃烧性能良好，反应过程无结焦。
实施例6800℃下甲基环己烷的超临界水解反应2)利用两只高压釜，将126g水和98g甲基环己烷分别预热升温到800℃，压力升到25Mpa，吸热量为436.3kJ；2)超临界水和超临界甲基环己烷进入超临界反应器混合，甲基环己烷在超临界水作用下发生反应，反应温度800℃，反应吸热量286.2kJ。两部分总吸热量之和为722.5kJ，生成物中H2质量含量为12.5％，热值为3449.1kJ，燃烧性能良好，反应过程无结焦。
权利要求
1.一种高超声速飞行器的冷却方法，其特征在于1)利用飞行马赫数1～20Ma的高超声速飞行器的温度200～1200℃，压力1～40Mpa的高温高压条件，将水和吸热碳氢燃料分别预热升温到温度为374℃以上、压力为22.0MPa以上的超临界状态，吸收热量；2)在超临界水作用下吸热碳氢燃料发生吸热化学反应，生成小分子混合产物，其反应条件为温度400～800℃，压力25～40Mpa，反应吸收飞行器的热量，降低飞行器高温部件表面温度。
2.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器的冷却方法，其特征在于所说的吸热碳氢燃料是以直链烷烃、支链烷烃、环烷烃、烯烃、芳烃及其衍生物为主要组成的混合物燃料。
3.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器的冷却方法，其特征在于所说的吸热化学反应是裂解反应或脱氢反应或裂解反应和脱氢反应。
全文摘要
本发明公开了一种高超声速飞行器的冷却方法。它利用飞行马赫数1～20Ma的高超声速飞行器在温度200～1200℃，压力1～40Mpa的高温高压条件，将水和吸热碳氢燃料分别预热升温到温度为374℃以上、压力为22.0MPa以上的超临界状态，吸收热量；利用吸热碳氢燃料在超临界水作用下发生吸热化学反应，生成小分子混合产物，其反应条件为温度400～800℃，压力25～40Mpa，反应吸收飞行器的热量，降低飞行器高温部件表面温度。本发明的优点是转化过程吸热反应速率高，吸热碳氢燃料的总吸热能力大，生成小分子产物的燃烧性能好，可以避免燃料结焦。
文档编号B64C1/00GK1539705SQ20031010833
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月28日 优先权日2003年10月28日
发明者何龙, 吕秀阳, 何 龙 申请人:浙江大学