粉末燃料高效裝填技術研究①

楊晉朝，夏智勛，胡建新，孔龍飛

(國防科技大學高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室，長沙 410073)

0 引言

粉末燃料沖壓發動機是一種新概念沖壓發動機，它使用金屬粉末為燃料、沖壓空氣為氧化劑和工質。具有比沖高、能量密度大、結構簡單、燃燒產物穩定、燃料存儲和使用過程中安全性高、燃料流量可主動調節等優點，在未來超聲速導彈設計中受到廣泛關注［1－2］。

粉末燃料沖壓發動機使用高能量密度的固體顆粒(鎂、鋁、硼、碳等)作為燃料，理論體積比沖高。但由于粉末燃料的裝填率不可能達到100%，所以發動機的實際體積比沖比理論體積比沖要低。為了使粉末燃料高效燃燒，發動機中使用的粉末燃料粒徑都較小，在微米級以下。理論與實踐都表明，顆粒越小，顆粒團聚、顆粒表面吸附作用越明顯，松裝密度越低［3］，這都使粉末燃料的裝填率不能達到較高水平。在文獻［4］中粉末燃料裝填率只達到了37%，文獻［2，5］也只達到了40%。因此，導致粉末燃料的體積熱值降低很多。在裝填率為40%的情況下，Mg粉末燃料的體積熱值為17.3 kJ/cm3，而煤油和鋁鎂貧氧推進劑(組分為:20%Al，20%Mg，40%AP，20%HTPB)的體積熱值分別為33.84 kJ/cm3和 33.26 kJ/cm3，可見，雖然 Mg的質量熱值很高，但Mg粉末燃料的體積熱值與煤油和鋁鎂貧氧推進劑相比處于劣勢;燃燒熱值更高的Al粉末燃料的體積熱值(33.6 kJ/cm3)與這兩者相比，也無優勢可言［1］。

因此，要體現粉末燃料沖壓發動機體積比沖高的優越性，必須提高粉末燃料的裝填率，進而使其擁有較高的體積比沖。本文在對理想球形顆粒和非理想顆粒堆積理論全面系統分析的基礎上，提出了理想的最緊密裝填理論，并最終提出了一種簡單有效的粉末燃料高效裝填方法。……