燃料作为冷却剂的再生冷却被认为是碳氢燃料超燃冲压发动机最佳的冷却方式。然而随着发动机飞行马赫数的提高和发动机可重复使用需求的提出,再生冷却面临着燃料热沉不足的困境。使用再生冷却通道出口高温气态大分子碳氢燃料组织超声速气膜,进而辅助再生冷却的碳氢燃料再生/气膜复合冷却方式,能够同时利用燃料的吸热和隔热两方面冷却能力,并且有望降低燃烧室壁面摩擦阻力,成为解决再生冷却困境的最佳方式之一。但是,碳氢燃料超声速气膜与高温含氧主流掺混过程中会发生非平衡氧化裂解反应,为超声速气膜流动换热过程及其冷却特性和摩阻分布特性带来了新的特点和挑战,并且最终会对发动机性能产生影响。本文围绕以上问题开展如下研究:为了揭示非平衡氧化裂解反应对碳氢燃料超声速气膜冷却流动换热机理的影响,首先建立带有非平衡氧化裂解反应的碳氢燃料超声速气膜冷却流动换热数值模型。模型同时考虑了适用于超燃冲压发动机燃烧室工况的吸热型热裂解反应和吸/放热共存的氧化裂解反应。在模型的基础上,初步分析了碳氢燃料超声速气膜与高温含氧主流不断掺混的过程中氧化裂解反应的发生发展特性,发现在边界层内氧化裂解反应逐步发生,并且形成燃烧火焰。需要特别指出的是,燃烧火焰的形成远离壁面,被限制在边界层外缘区域。边界层内碳氢燃料气膜的燃烧释热,可能会增加燃烧室壁面热载荷,为热防护带来新的难度。基于氧化裂解反应发生发展特性,进一步对带有氧化裂解反应的碳氢燃料超声速气膜冷却特性展开分析,发现氧化裂解反应为气膜冷却特性带来双重影响,而不是仅带来不利影响。反应首先降低壁面温度为冷却特性带来有利影响,而后提升壁面温度带来不利影响。由于大分子碳氢燃料本身高密度和分子链较长等特性,导致碳氢燃料超声速气膜具有低速低动量喷射、反应吸/放热并存以及反应具有非平衡特性等特点。因此,边界层内反应能量的改变呈现空间非线性分布,在壁面附近主要发生吸热反应,在边界层外缘附近主要发生放热反应,从而导致反应对冷却特性的双重影响。其中,主流马赫数的增加显著提升氧化裂解反应为冷却特性带来有利影响的比例。氧化裂解反应不仅对超声速气膜冷却特性产生影响,也为超声速气膜摩阻分布特性带来影响。研究表明,氧化裂解反应对碳氢燃料超声速气膜的阻力特性具有分区影响。将流场根据化学反应特征划分为吸热区和放热区。吸热区内碳氢燃料低粘度属性和壁面速度梯度的增加对阻力特性的影响相互抵消。在放热区内由于大分子碳氢燃料自身的低粘度属性,和放热反应在边界层内营造低密度环境降低雷诺应力进而降低壁面速度梯度,两方面共同作用导致放热区内减阻特性显著。综合冷却特性和减阻特性发现,氧化裂解反应为防热和减阻的耦合匹配带来了非常有利的条件。由于吸热区靠近气膜进口位置,不带有化学反应的碳氢燃料超声速气膜防热和减阻耦合匹配性能良好,提升放热区内防热和减阻的耦合匹配性能意义更为显著。在放热区内,存在一个较大数值的气膜冷却当量比使得防热和减阻耦合匹配性能最好。最后,基于带有氧化裂解反应超声速气膜冷却特性和减阻特性,从总体角度评估碳氢燃料再生/气膜复合冷却对发动机热边界和推力性能的影响。在用作气膜冷却的燃料质量流量为再生冷却燃料质量流量20%的前提下,相较于单一再生冷却,再生/气膜复合冷却能够显著拓宽发动机热边界。燃烧室长径比显著影响再生/气膜复合冷却对发动机热边界的拓展能力,燃烧室长径比越小,复合冷却对发动机热边界的拓宽范围越大。长径比为7.5时,复合冷却能够将发动机热边界拓宽1.35,气膜的氧化裂解反应进一步将热边界拓宽0.07。在额外携带20%燃料质量流量并且碳氢燃料气膜燃烧效率为0.5的前提下,碳氢燃料再生/气膜复合冷却能够在拓宽发动机热边界的同时,通过降低燃烧室壁面摩擦阻力和燃料气膜燃烧的共同作用,提升发动机的比冲和比推力。