專利名稱：高超聲速飛行器的冷卻方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高超聲速飛行器的冷卻方法。
背景技術：
隨著飛行器在大氣層內(nèi)飛行速度的不斷提高，空氣動力學加熱變得十分嚴重，傳統(tǒng)的熱防護(防熱瓦)已經(jīng)無法滿足要求。若不對飛行器進行主動的冷卻，它將像隕石一樣燃燒殆盡。高超聲速飛行器高溫高速的熱管理(熱障)問題是其研制開發(fā)中亟待解決的問題之一。吸熱碳氫燃料(endothermic hydrocarbonfuels，EHF)是目前公認的解決超高聲速飛行器熱障問題的可行方法，它在進入燃燒室之前，先在飛行器高溫部件表面進行預熱升溫及吸熱化學反應，吸收飛行系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，生成燃燒性能優(yōu)良的小分子產(chǎn)物，吸收的熱量最后通過生成的小分子產(chǎn)物燃燒釋放出來，從而達到冷卻機體、提高能量的利用率、減少飛行器負載的目的。
各航天大國主要采用固體催化劑或有機引發(fā)劑作用下的吸熱碳氫燃料吸熱化學反應來冷卻飛行器。目前，國內(nèi)外還沒有研制出轉化效率高、壽命長的EHF反應催化劑，催化劑的積炭結焦是一直難以解決的瓶頸問題。不僅如此，固體催化劑還要涉及反應物的傳質問題、催化劑的形狀、在反應器上的固定方式研究等。而有機引發(fā)劑多是含N、S、P等雜原子化合物，毒性及污染都非常嚴重。上述問題一直限制吸熱碳氫燃料的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高超聲速飛行器的冷卻方法。
特征在于1)利用飛行馬赫數(shù)1～20Ma的高超聲速飛行器的溫度200～1200℃，壓力1～40Mpa的高溫高壓條件，將水和吸熱碳氫燃料分別預熱升溫到溫度為374℃以上、壓力為22.0MPa以上的超臨界狀態(tài)，吸收熱量；2)在超臨界水作用下吸熱碳氫燃料發(fā)生吸熱化學反應，生成小分子混合產(chǎn)物，反應條件為溫度400～800℃，壓力25～40Mpa，反應吸收飛行器的熱量，降低飛行器高溫部件表面溫度。
本發(fā)明的優(yōu)點是不使用固體催化劑，避免反應傳質問題，反應在均相發(fā)生，速率快；簡化反應器設計，減少反應器的固體部件，減輕飛行器自重，提高運載能力。轉化過程吸熱量大，產(chǎn)物中氫含量高，生成的小分子產(chǎn)物燃燒性能好；完全避免EHF在固體催化劑上的結焦。另外，水清潔，價廉，操作方便，安全，使航天燃料的發(fā)展走綠色化的道路。
具體實施例方式
本發(fā)明利用超臨界水具有傳質性能好(低粘度、高擴散系數(shù))、溶解性能好等特點，將非均相反應轉變?yōu)榫喾磻?，提高反應速率；利用超臨界水的高反應活性，提高轉化過程吸熱量及產(chǎn)物中氫含量，從而提高吸熱碳氫燃料的吸熱能力及燃燒性能；實施例1400℃下正庚烷的超臨界水解反應1)利用兩只高壓釜，將126g水和100g正庚烷分別預熱升溫到400℃，壓力升到25Mpa，吸熱量為342.3kJ；2)超臨界水和超臨界正庚烷進入超臨界反應器混合，正庚烷在超臨界水作用下發(fā)生反應，反應溫度400℃，反應吸熱量218.8kJ，兩部分總吸熱量之和為561.1kJ，生成物中H2質量含量為13.27％，熱值為3694.3kJ，燃燒性能良好，反應過程無結焦。
實施例2800℃下正庚烷的超臨界水解反應1)利用兩只高壓釜，將126g水和100g正庚烷分別預熱升溫到800℃，壓力升到25Mpa，吸熱量為593.4kJ；2)超臨界水和超臨界正庚烷進入超臨界反應器混合，正庚烷在超臨界水作用下發(fā)生反應，反應溫度800℃，反應吸熱量218.8kJ。兩部分總吸熱量之和為812.2kJ，生成物中H2質量含量為13.27％，熱值為3694.3kJ，燃燒性能良好，反應過程無結焦。
實施例3400℃下異辛烷的超臨界水解反應1)利用兩只高壓釜，將144g水和114g異辛烷分別預熱升溫到400℃，壓力升到25Mpa，吸熱量為334.0kJ；2)超臨界水和超臨界異辛烷進入超臨界反應器混合，異辛烷在超臨界水作用下發(fā)生反應，反應溫度400℃，反應吸熱量322.8kJ。兩部分總吸熱量之和為656.8kJ，生成物中H2質量含量為13.18％，熱值為4188.8kJ，燃燒性能良好，反應過程無結焦。
實施例4800℃下異辛烷的超臨界水解反應
2)利用兩只高壓釜，將144g水和114g異辛烷分別預熱升溫到800℃，壓力升到25Mpa，吸熱量為498.6kJ；2)超臨界水和超臨界異辛烷進入超臨界反應器混合，異辛烷在超臨界水作用下發(fā)生反應，反應溫度800℃，反應吸熱量332.8kJ。兩部分總吸熱量之和為831.4kJ，生成物中H2質量含量為13.18％，熱值為4188.8kJ，燃燒性能良好，反應過程無結焦。
實施例5400℃下甲基環(huán)己烷的超臨界水解反應1)利用兩只高壓釜，將126g水和98g甲基環(huán)己烷分別預熱升溫到400℃，壓力升到25Mpa，吸熱量為292.7kJ；2)超臨界水和超臨界甲基環(huán)己烷進入超臨界反應器混合，甲基環(huán)己烷在超臨界水作用下發(fā)生反應，反應溫度400℃，反應吸熱量286.2kJ。兩部分總吸熱量之和為578.9kJ，生成物中H2質量含量為12.5％，熱值為3449.1kJ，燃燒性能良好，反應過程無結焦。
實施例6800℃下甲基環(huán)己烷的超臨界水解反應2)利用兩只高壓釜，將126g水和98g甲基環(huán)己烷分別預熱升溫到800℃，壓力升到25Mpa，吸熱量為436.3kJ；2)超臨界水和超臨界甲基環(huán)己烷進入超臨界反應器混合，甲基環(huán)己烷在超臨界水作用下發(fā)生反應，反應溫度800℃，反應吸熱量286.2kJ。兩部分總吸熱量之和為722.5kJ，生成物中H2質量含量為12.5％，熱值為3449.1kJ，燃燒性能良好，反應過程無結焦。
權利要求
1.一種高超聲速飛行器的冷卻方法，其特征在于1)利用飛行馬赫數(shù)1～20Ma的高超聲速飛行器的溫度200～1200℃，壓力1～40Mpa的高溫高壓條件，將水和吸熱碳氫燃料分別預熱升溫到溫度為374℃以上、壓力為22.0MPa以上的超臨界狀態(tài)，吸收熱量；2)在超臨界水作用下吸熱碳氫燃料發(fā)生吸熱化學反應，生成小分子混合產(chǎn)物，其反應條件為溫度400～800℃，壓力25～40Mpa，反應吸收飛行器的熱量，降低飛行器高溫部件表面溫度。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高超聲速飛行器的冷卻方法，其特征在于所說的吸熱碳氫燃料是以直鏈烷烴、支鏈烷烴、環(huán)烷烴、烯烴、芳烴及其衍生物為主要組成的混合物燃料。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高超聲速飛行器的冷卻方法，其特征在于所說的吸熱化學反應是裂解反應或脫氫反應或裂解反應和脫氫反應。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高超聲速飛行器的冷卻方法。它利用飛行馬赫數(shù)1～20Ma的高超聲速飛行器在溫度200～1200℃，壓力1～40Mpa的高溫高壓條件，將水和吸熱碳氫燃料分別預熱升溫到溫度為374℃以上、壓力為22.0MPa以上的超臨界狀態(tài)，吸收熱量；利用吸熱碳氫燃料在超臨界水作用下發(fā)生吸熱化學反應，生成小分子混合產(chǎn)物，其反應條件為溫度400～800℃，壓力25～40Mpa，反應吸收飛行器的熱量，降低飛行器高溫部件表面溫度。本發(fā)明的優(yōu)點是轉化過程吸熱反應速率高，吸熱碳氫燃料的總吸熱能力大，生成小分子產(chǎn)物的燃燒性能好，可以避免燃料結焦。
文檔編號B64C1/00GK1539705SQ20031010833
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月28日 優(yōu)先權日2003年10月28日
發(fā)明者何龍, 呂秀陽, 何 龍 申請人:浙江大學