冲压发动机具备结构简单、质量轻、高推重比、成本低等优势。随着飞行速度的增加,当马赫数超过4.5以后,来流总温超过1100K,传统的气膜冷却方案已经不适用,燃料再生冷却成为可选热防护方案。随着长航时工作要求的提出,燃料热沉和结焦等特性对于发动机再生冷却过程有着很严重的影响。再生冷却的热防护方式,是将发动机工作时的燃烧用燃料作为冷却剂流经燃烧室和喷管冷却通道,对其内壁进行对流冷却,经发动机喷嘴喷入燃烧室进行燃烧,使通过内壁传出的热能又回到做功循环中。本课题的目的在于研究新型高能量高密度烃类碳氢燃料的吸热和结焦等特性,评价其作为长航时高马赫亚燃冲压发动机再生冷却的可行性;同时设计合理的再生冷却热防护方案,解决发动机热防护难题。本文拟开展以下几个方面研究:首先开展了发动机内流热环境研究。根据发动机工作范围,通过数值模拟及试验测试的方法获得相对准确的热环境输入,为冷却系统设计提供条件。接着,完成了再生冷却传热技术研究。在发动机工作过程中,加热后的碳氢燃料有可能存在液态、超临界态和裂解态等多种状态,成分非常复杂,传热研究难度很大。本文通过电加热试验系统完成了高密度烃的热沉、结焦、换热特性等试验研究,分析了再生冷却结构和工作参数如冷却燃料流量、内壁材料和厚度、冷却流道尺寸等因素对冷却效果的影响规律,为再生冷却结构设计提供依据。其次,完成了再生冷却系统匹配性研究,包括再生冷却工作过程、冷却系统组成、工作参数的设计及优化等内容。高马赫长航时亚燃冲压发动机要求在全弹道工作范围内,冷却系统工作匹配。开展了再生冷却结构设计技术研究:冷却结构的设计合理性是影响再生冷却效果及系统安全性的关键,主要研究内容包括冷却结构用材料选择、结构设计、强度校核等方面。基于以上研究,提出了新型长航时高马赫亚燃冲压发动机热防护方案。采用再生冷却作为高马赫亚燃冲压发动机的热防护方案,热防护方式、燃料燃烧组织方式有别于其他亚燃冲压发动机,可满足亚燃冲压发动机宽范围工作过程中大幅度变工况过程中的冷却需求。最后,开展了高马赫亚燃冲压发动机再生冷却试验研究。在固定燃烧燃料当量比、不同的冷却燃料流量下,完成了整机开环试验,得到了系统油压、油温、发动机壁温等数据;通过对试验数据分析,表明发动机在Ma3.5/H20km状态下再生冷却各系统能匹配工作,探索了不同冷却燃料流量下油温变化规律以及涡区和进气区的燃烧室壁温变化规律,为后续流量调控系统的设计提供了数据支撑。在再生冷却闭环试验中,燃料通过冷却通道后直接供应到喷嘴喷进燃烧室燃烧,冷却和燃烧形成闭环工作,试验选择了一个典型工作状态点即Ma3.5/H18km;试验获取了油压、燃烧室内压、油温、燃烧室壁温等数据,燃烧室段至喷管喉道段外壁温较高,其他部位较低。发动机工作过程中,随油温升高,系统压力逐渐升高,油温400℃时,冷却通道入口油压最高升至5.7MPa。本次试验初步验证了再生冷却系统的工作匹配性,获得比较可行的再生冷却热防护试验方法及试验流程。验证了闭环条件下高马赫再生冷却亚燃冲压发动机的工作性能,再生冷却通道设计可基本满足长航时高马赫亚燃冲压发动机冷却需求。