吸气式发动机燃料研究进展及展望

针对航天吸气式发动机的发展趋势,分析了其对燃料能量密度、热沉、点火及燃烧等关键性能的要求。总结评述了国内外燃料性能改善的多种技术途径,如通过合成新型液体燃料和添加含能粒子提高燃料能量,借助添加剂和催化反应提高燃料热沉,通过设计合成高反应性燃料分子和借助高活性添加剂缩短点火延迟和提高燃烧效率的技术途径等。提出了满足吸气式发动机近期及中期发展目标的燃料体系,包括积净热值达到60MJ/L的高能量密度燃料,满足长时间运行马赫5～6,马赫7～8,组合动力预冷发动机及马赫数9飞行的燃料。     

高能量密度液体燃料的火箭发动机燃烧性能研究

为进一步提升火箭发动机的燃烧性能,采用模型火箭发动机研究了四种高能量密度液体燃料及一种添加纳米铝颗粒的纳米流体燃料的燃烧性能,分析几种燃料的燃烧效率、比冲、点火延迟时间等燃烧特性,以及纳米颗粒的燃烧产物。结果表明,在氧燃比为1.6～2.0的工况范围内,液体燃料的燃烧效率和质量比冲顺序为QC(四环庚烷)HD-01HD-03≈LGHD-03,密度比冲顺序为QC HD-03≈LGHD-03HD-01。QC燃料因其特殊的张力分子结构具备较高的密度、热值和化学活性,燃烧效率可达91.5%,质量比冲和密度比冲分别为230s和2276N·s/m3。向四环庚烷中添加15wt%纳米铝颗粒后,燃烧效率和质量比冲略有下降,但密度比冲可提高到2340N·s/m3,点火延迟时间较四环庚烷可缩短26ms,燃烧固体产物为碳,氧化铝和铝,纳米铝的燃烧效率约为91%。添加纳米铝颗粒的四环庚烷燃料是一种有潜力的新型液体高密度燃料。     

含能纳米流体型燃料研究进展

含能纳米流体型燃料是将含能纳米颗粒均匀分散于液体基础燃料中制得,具有高密度、高体积热值等特性,是高能量密度燃料的重要研究方向。本文首先总结了含能纳米颗粒的固、液和气相制备方法及纳米流体型燃料的一步和两步制备方法,阐述了范德华力、空间位阻、静电斥力以及溶剂化排斥协同作用以稳定固液两相的原理,介绍了纳米流体燃料稳定性评价方法 （沉降与离心法、粒度观测法、光谱吸收法等）及提高燃料稳定性的途径（添加表面活性剂、纳米颗粒表面改性等）;进一步,解析了纳米颗粒表面改性同时提高燃料稳定性和燃烧特性的作用机制,分析了含能纳米颗粒提高燃料能量密度和燃烧速率、缩短点火延迟时间的机理。然后,综述了含能纳米流体型燃料凝胶化的研究进展,该燃料以凝胶态储存,经剪切或升温变稀后以纳米流体相态进行输送和雾化,是解决含能纳米流体型燃料沉降问题的重要手段。最后,提出了纳米流体型燃料的未来研究方向,如合成新型基础燃料、设计含能小分子凝胶剂、开发低成本规模化制备工艺等。     

含铝金属化浆体推进剂火箭发动机燃烧性能试验研究

为研究含铝浆体推进剂的燃烧特性,对浆体推进剂模型火箭发动机开展了一系列试验研究。分别将质量分数为21%的纳米铝粉颗粒以及质量分数为12%的氢化铝复合粒子加入到JP-10燃料中,对比分析了浆体燃料与纯净燃料在燃烧性能方面的差异。燃烧试验的氧燃比为1.6~2.0。试验结果表明:与纯净JP-10燃料相比,加入金属颗粒的JP-10浆体燃料在雾化和燃烧过程中产生了严重的结块聚集效应,导致其燃烧效率与质量比冲明显降低,而由于浆体燃料密度远大于纯净JP-10燃料,含纳米铝颗粒的浆体燃料的密度比冲相比于纯净JP-10燃料有大幅提高,提高幅度为5.5%~14.6%。试验还发现浆体燃料的点火延迟略低于纯净JP-10燃料,金属颗粒的加入对推进剂点火性能有积极的影响。试验中采集了喷管出口的固体燃烧产物并进行了XRD,EDS,SEM,TEM等多种手段分析,发现浆体燃料中铝的氧化率约为64%~74%,颗粒团聚现象明显,主要呈球形,尺寸分布不均,约为500nm~3μm。     

航天推进用高密度液体碳氢燃料:合成与应用

高密度燃料已成为重要的航天推进液体燃料。简要介绍了国外高密度燃料的合成进展,包括JP-10,T-10,RJ-5,RJ-7等;重点介绍了天津大学的燃料研究进展,包括HD-01、密度大于1g/ml的燃料、四环庚烷、金刚烃燃料、生物质高密度燃料等,并报道了四环庚烷的自燃特性。为解决超声速飞行条件下燃料的点火及主动冷却问题,制备了油溶性纳米Pd和Pt颗粒添加剂,分别降低了JP-10的点火温度,提高了JP-10的裂解热沉。     

油溶性钯纳米颗粒催化高密度燃料点火燃烧研究

点火和燃烧是高密度燃料在新型发动机上应用的关键技术之一。使用十八酸作为保护剂制备了纳米钯金属颗粒,采用红外、核磁、差热分析和透射电镜等手段对其进行了表征。发现颗粒的平均粒径随着合成液中十八酸与钯前驱化合物摩尔比的增加而减小,纳米颗粒可长期稳定分散在燃料中而不沉降。评价了纳米颗粒催化高密度燃料HD-01的点火燃烧性能,发现添加质量分数为0.01‰,十八酸/Pd原料配比为4:1的颗粒可将HD-01的点火燃烧温度降低约230°C。     

含有纳米铝颗粒的高密度悬浮燃料研究

铝颗粒是一种高密度高能量的燃料添加剂,研究了一条通过表面改性使纳米铝颗粒分散在液体碳氢燃料中,进而制备高密度悬浮燃料的路线。采用三正辛基氧膦对铝颗粒进行表面改性,表征了改性颗粒的结构和在燃料中的分散稳定性,测试了悬浮燃料的密度、能量和粘度。结果表明,表面改性能够阻止铝颗粒的团聚和沉降,使其较长时间内稳定分散在高密度燃料HD-03中;含有铝颗粒的悬浮燃料的密度和体积热值显著提高,保持液体状态和良好流动性。其中,含有10wt%和30wt%铝颗粒时的燃料密度分别为1.06g/m L,1.14g/m L,体积能量分别为44.3MJ/L,45.4MJ/L,动力粘度分别为80m Pa·s,2000m Pa·s。