使用化学引发剂对JP-7型喷气推进燃料进行超临界热解：散热体、产物及焦炭分析

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Supercritical pyrolysis of a jet propulsion JP-7-type fuel with chemical initiators: heat sink, product, and coke analysis

提升热沉能力同时减少焦炭沉积是超音速航空推进系统热管理的关键挑战。本研究采用五种化学引发剂（DTBP、TEMPO、TEA、DPS、CHP）对JP-7型燃料进行超临界热裂解，发现引发剂的H/C比显著影响热沉性能与焦炭形成。DTBP（H/C=2.25）热沉达3331 kJ/kg但焦炭沉积40 mg，而DPS（H/C=0.83）焦炭仅14 mg但热沉较低。通过建立H/C比与热沉及焦炭形成的相关性模型，为优化航空发动机再生冷却技术提供新思路。

　　在超音速航空器的热管理系统和推进系统开发中，提高冷却性能同时抑制焦炭形成始终是一项关键挑战。本研究聚焦于使用不同化学引发剂对JP-7型航空燃料进行超临界裂解特性分析。JP-7是一种广泛应用于超音速飞行器的燃料，尤其在SR-71黑鸟侦察机的J58发动机中得到了应用。本研究通过在模拟操作条件下，将JP-7型燃料与五种不同的化学引发剂混合，以评估其对裂解产物分布、热吸收能力和焦炭生成的影响。这些引发剂包括二叔丁基过氧化物（DTBP）、2,2,6,6-四甲基哌啶1-氧基（TEMPO）、三乙胺（TEA）、二苯基硒醚（DPS）以及异丙苯过氧化氢（CHP）。研究在665°C的温度和40巴的超临界压力下进行，以模拟超音速推进系统中的极端环境。

研究发现，基于氧的DTBP引发剂（H/C比为2.25）表现出最高的热吸收能力（1432 Btu/lb，3331 kJ/kg），但同时也导致了显著的焦炭沉积（40 mg）。相比之下，基于硒的DPS引发剂（H/C比为0.83）虽然热吸收能力较低（1293 Btu/lb，3007 kJ/kg），却有效抑制了焦炭形成（14 mg）。这表明引发剂的化学结构与其热吸收能力和焦炭生成之间存在密切关联。研究还揭示了总热吸收能力、引发剂的H/C比以及焦炭形成行为之间的相关性，为在高温和惰性气氛下进行热裂解反应的化学引发剂选择提供了新的视角。

本研究的成果对于优化航空推进系统中的吸热冷却和焦炭管理策略具有重要意义。在超音速飞行器中，推进系统需要在极端温度条件下维持高效运行，同时避免因裂解过程中产生的焦炭而导致系统性能下降。因此，理解引发剂如何影响裂解反应的热吸收能力和焦炭生成，有助于开发更高效的热管理方案。此外，研究还强调了在实际应用中，化学引发剂的引入可能带来一系列挑战，例如引发剂的再利用性、系统堵塞风险以及在超音速和高超音速飞行器中可能出现的流动障碍问题。

在超临界裂解条件下，燃料的热吸收能力不仅受到化学反应的影响，还与物理因素密切相关。热吸收能力通常被分为化学热吸收和物理热吸收两部分，其中化学热吸收主要来自于燃料分子在高温下裂解所释放的能量，而物理热吸收则涉及燃料与周围环境之间的热交换。本研究通过实验方法，对JP-7型燃料在不同引发剂作用下的热吸收能力进行了系统评估，并结合裂解产物的组成分析，揭示了引发剂如何通过影响自由基生成来改变裂解反应的路径和产物分布。

基于氧的DTBP引发剂在裂解过程中能够有效促进自由基的形成，从而提高燃料的热吸收能力。然而，这种高热吸收能力是以牺牲燃料的稳定性为代价的，导致了更多的焦炭沉积。相反，基于硒的DPS引发剂由于其化学结构的特殊性，能够抑制自由基的过度生成，从而减少焦炭的形成，但同时也降低了燃料的热吸收能力。这一发现表明，化学引发剂的设计需要在热吸收能力和焦炭生成之间进行权衡，以满足不同应用场景的需求。

此外，研究还发现，不同引发剂对裂解产物分布的影响各异。例如，DTBP引发剂可能促进更多的轻质产物生成，而DPS引发剂则倾向于生成更多的重质产物。这种差异不仅影响了燃料的热吸收性能，还可能对推进系统的整体效率产生重要影响。因此，理解引发剂如何改变裂解产物的分布，有助于优化燃料配方和裂解过程，从而提高推进系统的性能和可靠性。

在超音速推进系统中，裂解反应通常发生在高温高压条件下，这要求燃料和引发剂具有良好的热稳定性和化学兼容性。然而，现有研究显示，尽管催化剂在某些情况下可以提高裂解效率并减少焦炭形成，但在实际应用中仍面临诸多挑战，例如催化剂的再利用性、系统堵塞以及在高超音速飞行器中可能出现的流动障碍问题。因此，寻找一种既能提高热吸收能力又能有效抑制焦炭生成的化学引发剂，成为当前研究的重点。

本研究通过实验方法，对JP-7型燃料在不同引发剂作用下的裂解行为进行了系统分析。研究结果显示，不同引发剂在热吸收能力和焦炭生成方面存在显著差异，这种差异与引发剂的化学结构密切相关。基于氧的DTBP引发剂由于其较高的H/C比，能够提供更强的热吸收能力，但同时也带来了更多的焦炭沉积。而基于硒的DPS引发剂虽然热吸收能力较低，却能有效抑制焦炭的形成，显示出在特定应用中的优势。

在超音速飞行器的热管理中，冷却性能的提升至关重要。然而，传统的空气冷却技术在高温环境下往往难以满足需求，因此需要探索新的冷却方法。近年来，吸热燃料和再生冷却技术（RCT）成为研究热点。RCT通过将燃料循环通过发动机内部通道，使其在高温下发生非催化裂解，从而吸收大量热量并降低点火延迟时间。这种方法不仅能够有效冷却关键部件，还能改善燃烧效率和发动机寿命。然而，RCT的应用仍然面临一些挑战，例如燃料添加剂的化学复杂性以及裂解性能的不稳定性，这主要取决于燃料本身和添加剂的性质。

为了克服这些挑战，本研究通过引入不同的化学引发剂，探索了其对裂解反应的影响。实验结果表明，化学引发剂的选择对裂解反应的热吸收能力和焦炭生成具有重要影响。DTBP引发剂虽然能够显著提高热吸收能力，但其裂解产物中焦炭的生成量较高，这可能对推进系统的运行造成不利影响。相比之下，DPS引发剂在抑制焦炭生成方面表现出色，尽管其热吸收能力有所下降，但仍然能够满足一定的冷却需求。这一发现为未来在高温环境下进行燃料裂解的研究提供了新的思路。

在超音速飞行器的推进系统中，裂解反应不仅需要高效地吸收热量，还需要避免产生过多的焦炭。焦炭的形成可能会导致系统堵塞，影响燃料的流动性和燃烧效率，进而降低推进系统的整体性能。因此，寻找一种能够在高温条件下有效促进裂解反应，同时减少焦炭生成的化学引发剂，是当前研究的重要方向。本研究通过实验方法，评估了不同化学引发剂在裂解过程中的表现，为未来在高温和高压环境下进行燃料裂解的研究提供了重要的数据支持。

此外，本研究还强调了化学引发剂在裂解反应中的作用机制。化学引发剂通常具有比燃料分子更弱的化学键，因此能够在较低的能量输入下促进自由基的生成，从而加速裂解反应的进行。这种自由基生成机制不仅提高了燃料的热吸收能力，还可能改变裂解产物的分布，进而影响推进系统的整体性能。因此，理解化学引发剂如何影响自由基的生成和裂解反应的路径，对于优化燃料裂解过程和提高推进系统的效率具有重要意义。

在实际应用中，化学引发剂的选择需要综合考虑多个因素，包括热吸收能力、焦炭生成量、裂解产物分布以及引发剂的化学稳定性。不同引发剂在这些方面表现出不同的特性，因此需要根据具体的应用需求进行优化。例如，在需要高热吸收能力的情况下，可以选择基于氧的DTBP引发剂；而在需要抑制焦炭生成的情况下，则可以选择基于硒的DPS引发剂。这种灵活性使得化学引发剂成为优化裂解反应的重要工具。

本研究的结果不仅为超音速推进系统的热管理提供了新的见解，也为未来在高温和高压环境下进行燃料裂解的研究奠定了基础。通过比较不同化学引发剂在裂解过程中的表现，研究人员能够更好地理解引发剂如何影响裂解反应的热吸收能力和焦炭生成，从而为开发更高效的热管理方案提供理论支持。此外，研究还指出，化学引发剂的设计需要结合燃料的化学性质和裂解条件，以实现最佳的热吸收和焦炭管理效果。

总的来说，本研究通过系统分析不同化学引发剂对JP-7型燃料裂解行为的影响，揭示了引发剂的化学结构与其热吸收能力和焦炭生成之间的关系。这一发现不仅有助于优化超音速推进系统的热管理策略，还为未来在高温环境下进行燃料裂解的研究提供了重要的参考。同时，研究也强调了在实际应用中，化学引发剂的选择需要权衡多个因素，以实现最佳的热吸收和焦炭管理效果。通过进一步的研究和实验，有望开发出更加高效和稳定的化学引发剂，从而推动超音速航空器的热管理技术发展。