吸气式高超声速飞行器由于燃烧释热和气动加热等原因,会面临非常严重的热防护问题。为保证其主要部件-超燃冲压发动机的可靠性和耐久性,通常需要依靠再生冷却以及膜冷却等主动冷却方式。在冷却过程中,除了利用燃料的显焓吸热之外,还可以利用吸热型碳氢燃料的热裂解化学反应吸热能力。值得注意的是,经过再生冷却过程的吸热型碳氢燃料仍然具有一定的隔热能力,未裂解或者未完全裂解的吸热型碳氢燃料还能提供一定的化学吸热。基于此,本文提出了吸热型碳氢燃料再生/膜复合冷却方案,以期进一步地扩展吸热型碳氢燃料的冷却能力,降低发动机冷却系统的负担。由于裂解反应的发生,吸热型碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却和膜冷却过程是一个带有化学反应的流动换热过程,并且值得注意的是,带有裂解吸热反应的再生冷却过程是一个特殊的能量回收过程。因此,研究含有裂解吸热反应的再生及膜冷却的流动换热过程,并在此基础上研究超燃冲压发动机主动冷却系统设计参数对流动换热及能量回收过程的影响,对掌握带有化学反应的再生及膜冷却机理和结构参数影响规律有重要的意义。本文面向含有化学反应的碳氢燃料再生及膜冷却相关问题,开展了如下几个方面的工作:建立跨临界正癸烷高裂解率下化学反应流动换热数值模型,考虑了真实气体物性以及裂解反应。对所采用的物性计算方法进行了精度验证并对整体模型的可用精度和范围进行了验证,模型裂解率使用范围扩展至76%。在模型的基础上,初步分析了再生冷却通道内冷却剂速度、温度以及裂解反应之间的三维耦合特性,发现在单面加热的超燃冲压发动机再生冷却通道内,热分层现象极其严重,它会引起裂解率的严重分层现象。针对再生冷却过程是能量回收过程的特点,研究了再生冷却通道内由于流场参数不均匀导致的物理热沉及化学热沉分层现象以及化学反应的发生对于热沉分层的影响,发现由于热分层和裂解率分布不均匀带来的物理热沉以及化学热沉分层现象极其严重,会对能量回收过程造成非常不利的影响。通过分析再生冷却系统热沉影响因素,发现通过尺寸参数优化,可以对热分层现象进行切实可行的控制,在非化学反应区,存在一个最佳通道高宽比,使得热沉分层最小,对能量回收过程最有利,而在化学反应区,则是通道高宽比越小,越能提高化学吸热量,减小热沉分层,对能量回收过程更有利。通过对再生冷却通道内的跨临界化学反应流动换热进行数值模拟,揭示了吸热型碳氢燃料在超燃冲压发动机再生冷却通道内存在除了跨临界传热恶化以外的高温区域严重热分层带来的传热恶化现象。这一特殊的传热恶化机制使得在再生冷却通道的非化学反应区,增大高宽比所带来的对换热的正面效应很快就被更为严重的热分层带来的传热恶化消除,冷却通道的最佳高宽比停留在较小的数值上。而压力以及燃料种类的改变造成的物性变化规律的改变会改变最佳高宽比的大小。在化学反应区,发现化学反应会通过吸热和裂解率分层特性对换热产生利弊双重影响,而增大高宽比会带来更严重的热分层,增大裂解率不均匀并减小裂解吸热,对换热的不利影响远大于肋效应的增强。因此,在化学反应区,高宽比越小,换热情况越好。总体来说,对于使用大分子碳氢燃料的超燃冲压发动机再生冷却系统来说,由于严重热分层带来的传热恶化以及化学反应的存在,不宜使用较大的高宽比。提出多效利用碳氢燃料冷却能力的再生/膜复合冷却方案,通过数值模拟和原理性实验验证,发现在燃烧室中,采用高温吸热型碳氢燃料作为冷却气时,可以有效的进行隔热,从而降低壁面温度。研究发现在气膜冷却过程中裂解反应对冷却具有双重作用,它既会吸热从而降低冷却膜温度,对冷却有利,也会通过扰动流场增强主流与冷却流的掺混,对冷却不利。化学反应所带来的利弊影响相互平衡最终决定了其对膜冷却效果的影响。气膜的注入马赫数以及气膜厚度的增加均会增强冷却效率,但是会使得化学反应所带来的有利影响减弱,不利影响增强。研究还发现,对于带有裂解吸热反应的气膜冷却来说,激波对气膜冷却的不利影响被大大减弱。