新型高密度燃料性能研究

葉丹陽(yáng)，曹新發(fā)，韋 偉

（中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十二所，湖北 襄陽(yáng)441003）

0 引言

高密度張力環(huán)籠型碳?xì)浠衔锸歉呙芏任鼰崽細(xì)涞囊环N，它們的分子由碳、氫兩種元素組成，具有高的正生成熱和遠(yuǎn)高于普通碳?xì)浠衔锏拿芏戎担é选? g/cm3）。由于在合成過(guò)程中通過(guò)拉緊C-H鍵角至90°或60°，使化合物具有立方烷或四面體的結(jié)構(gòu)，從而向化合物中引入張力能量，使其具有更高的燃燒熱值。在這類分子中一旦某一個(gè)鍵被打破，整個(gè)分子就很快破碎而釋放出很大的能量。

這類高張力烴類化合物主要是一些立方烷、二氫盆式苯衍生物和烷烴二聚體等，不但可作為固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)富燃料推進(jìn)劑的高能添加劑，而且因其能溶于碳?xì)浠衔铮赏茝V應(yīng)用于液體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的碳?xì)淙剂虾臀鼰崽細(xì)淙剂希x予這些碳?xì)淙剂蟽?yōu)異的能量性能和點(diǎn)火燃燒性能。

某新型固體碳?xì)浠衔颒D-2是高密度張力環(huán)籠型碳?xì)浠衔镏芯哂袘?yīng)用潛力的一種，可以在航空煤油（RP-3）中大量溶解，并形成穩(wěn)定溶液，增加燃料的熱值。本文對(duì)HD-2與RP-3的復(fù)配燃料的性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及說(shuō)明

在西北工業(yè)大學(xué)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、內(nèi)流場(chǎng)與熱結(jié)構(gòu)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了火箭－沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī) (RBCC)航空煤油點(diǎn)火燃燒性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中壓強(qiáng)測(cè)試點(diǎn)的位置在第一個(gè)噴注凹腔后的第一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)（P15測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖1），該點(diǎn)測(cè)試壓強(qiáng)數(shù)據(jù)變化能夠表征點(diǎn)火凹腔內(nèi)的燃料的燃燒性能。

1.2 復(fù)配燃料基本性能測(cè)試

本節(jié)研究添加不同配比HD-2的RP-3燃料復(fù)配燃料的各項(xiàng)使用性能，并由此選擇使用性能最好的配比濃度。

如圖2、圖3所示，隨著HD-2含量的增加，復(fù)配燃料的密度成正比例增加，粘度成指數(shù)函數(shù)增加；圖4表明，隨著HD-2含量的增加，復(fù)配燃料的閃點(diǎn)升高，燃料的穩(wěn)定性增強(qiáng)；圖5的線性關(guān)系曲線說(shuō)明，增加HD-2含量，復(fù)配燃料的燃燒熱值成正比例增加。

通過(guò)以上多種性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)HD-2的RP-3燃料的性能，HD-2加入RP-3燃料中可使燃料的密度和體積熱值進(jìn)一步提高，閃點(diǎn)略有升高，密度和單位體積燃燒熱隨HD-2含量的增加而增大，HD-2含量達(dá)50%時(shí)，密度和單位體積燃燒熱分別增加40%和12.1%，即使HD-2的含量達(dá)50%時(shí)，復(fù)配燃料仍為流動(dòng)性較好的液體，滿足火箭對(duì)液體燃料的性能要求，由此證明HD-2是一種有較好應(yīng)用前景的高密度燃料配方，以其為基本組分的復(fù)配燃料將會(huì)有廣泛的應(yīng)用。

1.3 HD-2和RP-3復(fù)配燃料燃燒實(shí)驗(yàn)

表1 燃燒實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Conditions of combustion experiment

在本測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)初始條件見(jiàn)表1，其中燃料的燃燒性能通過(guò)氣體壓強(qiáng)的變化來(lái)判定。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，作為點(diǎn)火用的乙烯的進(jìn)氣量發(fā)生改變時(shí)，復(fù)配后的液體燃料在燃燒過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)燃燒熄滅或燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，壓強(qiáng)的變化見(jiàn)圖6、圖7和圖8。在相同條件下，當(dāng)航煤燃燒時(shí)，4～6 s出現(xiàn)熄火；含10%的復(fù)配燃料燃燒時(shí)，4～5 s出現(xiàn)熄火，后續(xù)燃燒正常；含15%的復(fù)配燃料燃燒時(shí)，未出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，燃燒持續(xù)正常。以上測(cè)試表明：加入HD-2后，6～8 s間壓強(qiáng)變化的穩(wěn)定性有明顯的改善。通過(guò)燃燒壓強(qiáng)與推力的計(jì)算，表明：隨著HD-2含量的增加，推力也增加，從而進(jìn)一步證實(shí)在燃燒過(guò)程中，含有張力環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物對(duì)燃料燃燒能量有巨大的貢獻(xiàn)。

在HD-2這類高密度碳?xì)浠衔锓肿又校坏┠骋粋€(gè)鍵被打破，整個(gè)分子就很快破碎并釋放出很大的能量。所以當(dāng)復(fù)配燃料進(jìn)入燃燒室后，其中的HD-2化合物分子迅速裂解為小分子產(chǎn)物，快速燃燒，釋放能量，從而提高了燃料的燃燒效率和系統(tǒng)的整體推力。

2 結(jié)論

由復(fù)配燃料的基本性能測(cè)試和點(diǎn)火燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高密度碳?xì)浠衔颒D-2在RP-3燃料中相容性很好，復(fù)配后燃料的熱值、點(diǎn)火燃燒性能和推力性能均得到明顯提高。因此，HD-2系列的航煤燃料可作為亞燃和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)燃料配方，具有廣闊的應(yīng)用前景。

致謝：感謝西北工業(yè)大學(xué)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、內(nèi)流場(chǎng)與熱結(jié)構(gòu)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供燃燒實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

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