以燃料为冷源对来流空气进行冷却的预冷组合发动机为高超声速飞行提供了新的推进思路。在可以投入实际应用之前,这类发动机依然面临一些急需解决的问题。首先,预冷发动机众多的循环方案虽然为高速推进提供了更多的选项,然而,当前对预冷家族缺乏系统性地研究,而对不同循环方案碎片化的分析使得对整个发动机家族难免产生不一致,甚至矛盾的认识。其次,作为预冷空气的热沉来源,燃料所能提供的冷源极其有限,因此为实现冷源的高效利用,这不仅需要对相关换热过程进行优化,更需要从最基础的热力循环优化设计入手才能从根本上保证冷源的利用效率;最后,作为一类工作原理独特的新型循环,预冷发动机能否充分发挥其性能潜力,这不仅取决于发动机的设计,同时还取决于对发动机的运行控制,特别对于间接预冷发动机这样的复杂循环。针对这些问题,本课题开展了如下几方面工作:首先,考虑到预冷组合发动机热力循环构建灵活,可选方案众多,构建不同发动机的统一分析模型,这对于从整体视角分析此类发动机性能变化所依赖的共性因素和规律至关重要。为此,开展了换热器预冷的组合发动机热力循环总体建模及分析,对直接预冷及间接预冷发动机不同循环方案进行了归纳,在预冷压缩系统这一描述不同预冷发动机核心工作原理的共性框架基础上建立了预冷循环总体模型,以此开展预冷循环发动机性能提升、燃料物性影响、预冷压缩系统性能评价指标等研究,为后续深入开展循环性能研究奠定了模型及理论基础。其次,基于所发展的预冷发动机总体分析模型,开展换热器预冷的组合发动机性能研究。结合所定义的预冷压缩系统有效度参数,在部件法框架下构建发动机及预冷压缩系统性能分析数值模型,讨论从运行参数、燃料物性和预冷压缩系统方案方面提升预冷压缩系统理论压比及有效度的方法,特别对利用可热解燃料的化学吸热效应提升理论压比的效果开展了评估。从预冷循环性能极限的角度分析进气道+预冷压缩双压缩系统压比的权衡分配问题,最后对常见典型候选燃料的预冷发动机及飞行任务层面的性能进行研究,进一步揭示了预冷循环的性能特点。再次,为保证有限冷源的高效利用并降低预冷燃料消耗量,开展多分支间接预冷压缩系统最优构型研究。首先对单分支间接预冷压缩方案性能优劣开展了评估,基于理论优化分析构建多分支中介循环梯级再生-压缩系统最优构型设计方法,并从中介工质冷却能力最佳利用角度开展多分段串级预冷系统最优空气冷却方案研究,通过数值优化或与文献设计方法对比验证所给设计方法的正确性。在预冷压缩系统及发动机两个层面对比分析单分支及多分支方案的性能,阐明多分支方案在系统总热容流率失配时的性能优势,并评估采用燃料再冷却方案进一步提升多分支预冷压缩系统性能的潜力。最后,为保证发动机非设计点的安全高效运行,以单分支间接预冷发动机为对象开展了发动机变工况特性及调节规律研究。构建了发动机变工况分析模型,基于循环性能与换热器设计的耦合优化方法给出部件的设计点参数,确定了发动机控制量并分析控制量对核心发动机状态调节的作用机制;开展了发动机变工况控制特性研究,分析发动机性能随关键状态变量的关系,据此确定了发动机被控参数及最大状态控制规律,基于同类型发动机进气道特性及运行轨迹,最后在相对真实的运行条件下对所给控制规律的正确性进行了进一步验证。