粉末燃料沖壓發動機研究進展*

胡春波，李 超，孫海俊，武冠杰

(西北工業大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072)

粉末燃料沖壓發動機研究進展*

胡春波，李 超，孫海俊，武冠杰

(西北工業大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072)

粉末燃料沖壓發動機采用高能金屬或硼粉為燃料，兼具液體燃料沖壓發動機推力可調、比沖高及固體火箭沖壓發動機安全可靠、結構簡單等優點，尤其是固體/粉末或液體/粉末燃料組合沖壓發動機，粉末燃料的加入不僅可大幅提高傳統沖壓發動機的比沖等性能，還能改善并增加其原有功能，是極具發展潛力的新一代導彈動力裝置之一。針對粉末燃料沖壓發動機及其相關研究領域的發展現狀進行了概述分析，并以此梳理出粉末燃料供給、發動機燃燒組織、發動機點火等粉末燃料沖壓發動機主要關鍵技術，同時對發動機技術提出了高性能粉末燃料研究、沖壓空氣作為驅動流化氣可行性研究、發動機快速響應和環境適應潛力及工作可靠性研究等幾點研究展望。通過對粉末燃料沖壓發動機相關研究技術進行綜述梳理，明確了其研究的重點和難點，為發展高性能沖壓發動機提供了一定參考。

粉末燃料沖壓發動機；粉末燃料供給；發動機燃燒組織；發動機點火

0 引言

新一代超聲速導彈的發展對其動力裝置的性能提出了更高的要求。具有能量高、可在大空域多彈道正常工作、反應速度快、體積小、質量輕、維護使用方便和儲存性能好等優點[1]的發動機將有廣闊的應用前景。

粉末燃料沖壓發動機是以高能金屬(Al、Mg)或硼等粉末為燃料，以沖壓空氣為氧化劑和工質的一類新型沖壓發動機。由于其燃料形態為常溫微小固體顆粒，因此相比于傳統液體燃料沖壓發動機和固體火箭沖壓發動機，粉末燃料沖壓發動機具備以下優點[1]：

(1)粉末燃料(Al、Mg、B)具有高的能量熱值和體積熱值，因此以其為燃料的沖壓發動機有較高的比沖和密度比沖。

(2)粉末燃料沖壓發動機的燃料形式為常溫固態粉末，與常規藥柱形式的固體推進劑相比，不存在儲存老化問題，因此燃料成本大幅下降；同時粉末燃料相比固體推進劑具有較高的抗敏感性，從而大大提高了粉末燃料在制造、存儲和使用過程中的安全性，即便在高過載環境下也具有很好的安全性。

(3)粉末燃料在流化氣作用下以氣固兩相形式流動，因此具有較強的流率調控性，使粉末燃料沖壓發動機具備多次啟動和推力調節功能。同時粉末燃料沖壓發動機的燃料流量調節屬于冷調節方式，且其密度比沖較高，與目前在研的流量可調沖壓發動機相比，性能更優，特別適合于工作空域大，要求多彈道飛行等方面任務。

(4)隨著導彈飛行馬赫數的增加，進入燃燒室的空氣溫度不斷升高，常規沖壓發動機所用碳氫燃料高溫燃燒產物易發生離解，導致發動機比沖迅速降低，而粉末燃料在高溫下則無此問題，即使在高速飛行狀態下，能量依然能夠得到充分的釋放。因此，粉末燃料還是理想的超燃沖壓發動機燃料。

(5)粉末燃料輸送形式靈活，可與現有固體燃料或液體燃料沖壓發動機搭配使用，形成固體/粉末、液體/粉末組合沖壓發動機，從而提高單一燃料形式沖壓發動機比沖性能。

由此可見，粉末燃料沖壓發動機的諸多優點使其具備強勁的發展潛力，但由于其尚處于初步研究階段，且涉及諸如氣固兩相輸送、顆粒燃料點火和發動機燃燒組織等多方面問題，目前許多技術難題還未得到解決。本文通過對粉末燃料沖壓發動機以及相關領域的發展現狀進行詳細概述，同時對其關鍵技術進行梳理，為粉末燃料沖壓發動機研究者提供一定的參考。

1 相關領域研究進展

典型的粉末燃料沖壓發動機結構如圖1所示，主要由粉末燃料供給裝置、進氣道、發動機燃燒室、點火器、火焰穩定器及尾噴管等部件組成。粉末燃料儲存在儲箱內，在氣流夾帶作用下進入燃燒室與沖壓空氣燃燒釋放熱量，高溫燃氣由噴管膨脹做功產生推力。

以下對粉末燃料沖壓發動機理論和實驗、粉末燃料供給系統及粉末燃料點火特性等方面的研究進展進行概述。

1.1 粉末燃料沖壓發動機理論與實驗研究

早在20世紀，美國研究者便提出了以金屬鋁為燃料的沖壓發動機概念[2-3]，并開展了相關研究工作。研究表明，相比于其他形式(如鋁條)，鋁以顆粒形式在燃燒室燃燒時可獲得相對穩定的燃燒，同時研究還指出，缺乏有效的粉末流化技術以及燃燒室內凝相產物沉積較多是鋁燃料沖壓發動機在應用中的最大阻礙。此外，由于當時導彈整體發展水平對動力裝置要求較低，其他形式發動機即可滿足需求，從而導致金屬粉末燃料沖壓發動機的研究工作一度被擱置起來[4]。

近十多年來，隨著火星探測和高超聲速飛行器等研究領域的興起，粉末燃料沖壓發動機又被重新提及。2001年，美國研究者Goroshin S等[5]針對碳氫燃料在高溫下容易離解等問題，提出使用金屬/硼粉末燃料作為高超聲速飛行器的燃料，并通過熱力計算對比了多種粉末燃料和碳氫燃料的比沖特性。同時針對鋁/空氣兩相層流預混火焰的傳播特性進行了詳細研究。結果證明，粉末燃料可實現自持穩定燃燒，并指出硼粉需添加鋁粉或鎂粉才能實現穩定燃燒，進而提出了一種以金屬/硼粉末為燃料的高超聲速沖壓發動機構型，如圖2所示。

而Linnell J等[6]以火星探測為背景，提出了一種用于火星大氣層飛行的粉末燃料沖壓發動機，該發動機以金屬Mg粉為燃料，以火星大氣層中的CO2為氧化劑，但由于火星表面CO2濃度較低，要實現發動機的良好工作，則需解決粉末燃料低壓點火和進氣道增壓等技術難題。

法國航空航天研究院(ONERA)[7]對粉末燃料沖壓發動機進行了點火實驗研究，并于2002年完成了φ200 mm粉末燃料沖壓發動機地面熱試實驗，其發動機構型如圖3所示。同時指出，粉末燃料的精確供給是粉末燃料沖壓發動機的關鍵技術之一，但需要附加流化氣源是發動機的缺點之一。而該發動機詳細的點火試驗細節并未見公開報道。

國防科技大學申慧君、孔龍飛等[8-9]在理論分析粉末燃料沖壓發動機性能的基礎上，以鎂粉為燃料，設計了突擴式、鈍體式、駐渦式3種構型的粉末燃料沖壓發動機，并成功進行了地面直連試驗，驗證了發動機多次點火啟動的可行性，實現了發動機自持燃燒，其發動機熱試獲得的發動機燃燒效率分別為77.04%和81.34%，圖4、圖5分別為其發動機結構和發動機熱試照片。

西北工業大學李超等[10]采用鋁顆粒為燃料，開展了不同進氣位置、流化氣量等對發動機點火性能的影響研究。其研究實現了粉末燃料的穩定供給和鋁粉燃料沖壓發動機的自持穩定燃燒，并提高了發動機結構的集成化程度，其最高燃燒效率達到73.05%，圖6、圖7分別為其發動機結構和發動機熱試照片。

西安航天動力技術研究所馬利鋒等[11]在總結國內外研究的基礎上，提出了一種新的發動機構型——固體/粉末燃料組合沖壓發動機(圖8)，該發動機以硼粉顆粒為燃料，采用二次進氣方式，一次進氣保證空燃比在燃料的當量比附近，滿足發動機啟動和穩定燃燒的要求，二次進氣增大了發動機空燃比，有利于發動機比沖性能的發揮，同時也避免了大量空氣集中于發動機頭部從而導致燃氣溫度降低的現象。通過發動機頭部徑向分布的4股高溫高速燃氣射流噴入補燃室，一方面有利于粉末燃料與空氣的摻混，另一方面提高了粉末燃料的溫度，促進了粉末燃料的點火和燃燒。

1.2 供粉系統研究

供粉系統是實現粉末燃料沖壓發動機穩定燃燒和推力調節的關鍵。

美國貝爾航空公司(Bell Aero space Company)的Loftus 等[12-13]針對Al/AP粉末火箭發動機提出了一種流化床式的粉末供給裝置，如圖9所示。粉末裝填在燃料儲箱中，流化氣從活塞桿引入，經儲箱尾部的布風板進入粉末床體，并攜帶粉末從出口噴出，活塞在另一路控制氣作用下將儲箱內的粉末壓緊。但由于系統結構較復雜，不利于粉末燃料沖壓發動機系統集成化和輕質化應用。

Goroshin S等[14]提出一種結構簡單的粉末燃料供應系統，如圖10所示。流化氣從頭部的環形切縫中吹入，高速掠過粉體表面，儲箱內的粉末燃料在氣相拖曳力的作用下被卷起并噴出，實現了燃料的流化。儲箱尾部的活塞桿不斷將燃料向前推動，因此保證了燃料的連續供應，且其燃料流量可依靠活塞運動速度控制。在其試驗中該供應系統可實現粉末燃料穩定供應3～6 min。

美國賓西法尼亞州立大學[15]應用研究實驗室提出鋁粉-海水反應作為動力系統的水下沖壓發動機概念，該實驗室對這種新型沖壓發動機的燃料供應系統進行了試驗研究，其粉末燃料供應系統最大尺寸結構可裝填59 kg的鋁粉，工作時間長達1 h。粉末流量通過改變活塞壓力和噴射孔尺寸實現，試驗證明，該結構的粉末燃料沖壓發動機燃料供應系統可獲得較穩定的流量。圖11為其燃料供應系統實物照片。

韓超[16]參考工業氣力輸送裝置設計了一套粉末燃料供應系統，該系統可在高壓條件下工作，活塞由直線電機推動前進，并進行了粉末燃料供應可行性試驗研究。試驗證明此裝置基本滿足粉末流量穩定可調的要求。圖12為粉末燃料沖壓發動機燃料供應系統。

申慧君[8]設計的粉末燃料供應系統如圖13所示，并開展了相關試驗研究，使用科氏流量計對氣固兩相流量進行了在線測量，調試出燃料流量穩定的工況，同時通過數值模擬研究了粉末燃料的摻混流化過程。

西北工業大學[10]在總結國內外研究的基礎上提出了一種氣壓驅動活塞式粉末燃料供給裝置，如圖14所示，實現了粉末燃料的穩定供給。張虎等[17]針對該供粉系統在冷流標定過程中的顆粒質量流率測量問題，提出了一種稠密氣固兩相流中顆粒質量流量的測量方法，并基于旋風分離器和電子天平設計了一套氣固兩相流中固體質量流量的測量裝置。

孫海俊等[18]以粉末燃料沖壓發動機為背景，通過實驗研究了發動機熱試中粉末質量流率間接測量方法的準確性，圖15為測量結果對比。此外，他還提出了2種粉末質量流率的調節方法，并對2種方法進行了理論分析。

從上述研究現狀來看，供粉裝置的發展經歷了從電機驅動活塞到氣壓驅動活塞的變化。電機驅動活塞式粉末供給系統對活塞運動穩定性調控具有明顯的優勢，但系統對電機功率提出了較高的要求，尤其是儲箱內壓強較高時，如不采取等壓平衡等方式，電機很難推動活塞，而活塞運動速度調節也很難通過電機實現；另一發面，由于活塞與電機桿直接相連，會相應增加粉末供給系統長度，不利于系統集成化。相比而言，氣壓驅動活塞式粉末供給系統雖然在氣路設計等方面較為復雜，但其可通過調節驅動氣和流化氣量方式實現活塞速度調節，且驅動氣與流化氣可共用一氣源，無需額外增設活塞驅動裝置，當驅動腔與流化腔兩邊壓差大于阻力時，便可推動活塞運動。與此同時該方式可去除活塞導桿，提高系統集成度。可見，氣壓驅動活塞式粉末供給系統更適用于粉末發動機，而未來的研究重點應是對驅動與流化氣量和儲箱內壓強進行更為精確的供給與控制。

1.3 粉末顆粒點火燃燒特性研究

粉末燃料沖壓發動機直接以微小固體顆粒作為燃料，粉末燃料在沖壓發動機燃燒室中的燃燒過程屬于典型的粉塵燃燒過程。因此，研究顆粒燃燒是理解粉塵燃燒的基礎。國內外關于金屬鎂、鋁及硼的點火燃燒過程已經開展了大量研究，本文在此進行簡單梳理。

鎂的燃燒特性研究工作起始于20世紀50年代末，此時的研究工作集中于鎂顆粒點火過程和燃燒過程的實驗研究。90年代以來，隨著基礎理論和試驗技術水平的不斷提高，鎂顆粒點火燃燒的試驗、理論及計算模型等方面的研究均得到了長足的發展。在試驗研究方面：開展了高壓環境、微重力環境、不同氧化劑氣氛等條件下顆粒點火燃燒特性的研究。理論研究方面，則主要是根據試驗結果建立相應的理論模型，通過計算分析進一步了解整個過程的瞬態特征并解釋試驗現象。此外，還開展了粉塵云點火燃燒特性研究。鎂的點火與燃燒過程的研究工作主要集中于氧氣與二氧化碳的介質中，普遍認為，在這2種介質中，鎂的燃燒過程主要受氣相擴散過程控制。鎂沸點和熔點都較低，易于氣化和燃燒，點火性能好。2004年Goldshleger 等[19]研究了單個鎂顆粒在氧氣/氬氣混合氣中的氧化和燃燒特性。楊晉朝[20]則著眼于鎂基粉末燃料沖壓發動機的可靠點火和燃燒，開展了大量理論研究，針對鎂顆粒群的著火機理、發動機燃燒室內燃料顆粒的不均勻分布現象及局部顆粒濃度較高區域的著火燃燒，分別建立了點火燃燒模型。此外，還基于粉末燃料沖壓發動機的自持燃燒，開展了一維鎂粉塵云層流燃燒的理論和試驗研究。

20世紀50年代末，各國先后開展了鋁顆粒點火燃燒機理研究。研究表明，鋁在氧氣中燃燒很難啟動，一個重要原因是鋁表面有一層致密的氧化膜阻止其與氧氣反應。Brooks和Beckstead等[21-22]在總結以往研究成果的基礎上，給出了鋁點火的相關結論，他們指出，鋁的點火可能遵循以下2種潛在方式：(1)保護性氧化物外殼破裂，使得鋁顆粒能夠暴露在氧化劑環境當中；(2)氧化劑穿過保護性氧化物外殼向里擴散，引起顆粒的自身加熱。但這2種方式的主導性仍存在爭議。研究表明，保護性氧化物外殼破裂是鋁點火的主導機制。一般而言，鋁顆粒粒徑在10～60 μm之間時，其點火溫度一般在1 700～2 200 K之間。1968年，Belyaev等[23]研究得到了單個鋁顆粒的燃燒時間為τ=0.67D1.5/aK0.9，并被廣泛接受和大量引用。

近年來，隨著納米技術的發展，國內外學者開始探究納米鋁顆粒的燃燒特性，Chowdhury 等[24]利用絲線反應器研究了不同氧化層厚度時納米鋁與納米氧化銅的著火延遲時間。結果表明，氧化層越厚，相同升溫條件下的著火延遲越長，且著火延遲時間和溫度、升溫速率都有關。Chakraborty等[25]利用分子動力學模擬分析了顆粒團燒結的可能性，并結合燒結理論解釋了納米顆粒燃燒時間與粒徑的弱相關性。Ermoline等[26]發現考慮顆粒尺寸效應時，顆粒溫度和燃燒時間都將改變；而Allen等[27]分析了換熱模型中熱容納系數對燃燒時間和燃燒溫度的影響，發現對于納米鋁顆粒燃燒過程熱容納系數取值可小至 0.005。孔成棟[28]利用平焰燃燒器，研究了納米鋁顆粒的燃燒機理及反應動力學。

以粉末燃料沖壓發動機和粉末火箭發動機為背景，鄧哲[29]開展了粉末推進劑層流火焰傳播特性研究，為粉末推進劑的燃燒理論提供了理論基礎，圖16為鋁粉/空氣本生燈火焰。

相比于鎂、鋁，硼作為燃料時具有兩相流損失少、質量熱值和體積熱值高等優點。但由于硼點火困難及燃燒效率低，因此其在發動機中不能完全燃燒，能量特性得不到充分發揮。為尋求改善硼點火和燃燒性能的方法，從20世紀50年代初開始對硼粒子的點火燃燒作了大量的試驗研究，并總結了硼顆粒的點火、燃燒模型[30-32]。總體來說，國外研究者偏重于硼顆粒點火燃燒的機理研究，TaKuo Kuwahara等[33-35]通過實驗研究了Mg、Al、Zr、Ti等金屬添加物對硼顆粒點火和燃燒的影響。Yuji Kazaoka等[36]利用電加熱設備，并結合光譜儀和紋影拍攝得到了硼顆粒著火和燃燒過程中可見光火焰面和紅外區的凝相B2O3火焰鋒的變化規律。

國內早期關于硼顆粒的研究側重于硼在推進劑里的應用[37-39]。近年來，關于硼顆粒點火機理和模型[40-41]的研究也逐漸興起。研究表明，減小粒徑可明顯促進硼顆粒燃燒，但當硼顆粒粒徑較小(小于1 μm)時，此時進一步減小粒徑對于燃燒時間的影響不大[42]。此外，在硼顆粒中添加一定量的其他物質，如鋰、鎂等金屬，可有效地促進硼的點火和燃燒，表面包覆也是改善硼點火燃燒性能比較好的一種方法。

通過以上概述分析可看出，目前國內外關于粉末燃料沖壓發動機的研究仍處于起步研究階段。試驗證明了發動機的可行性，但在諸多技術環節還需要深入研究。

2 粉末燃料沖壓發動機關鍵技術

正如上文所述，粉末燃料沖壓發動機的研究中涉及到氣體動力學、燃燒學、多相流、材料學等諸多學科。各學科相互交叉共同構成了粉末燃料沖壓發動機研究中的關鍵技術。而這其中粉末燃料供給、粉末燃料燃燒組織和發動機點火等技術為粉末燃料沖壓發動機亟待解決的關鍵技術。

2.1 粉末燃料供給技術

粉末供給技術是粉末燃料沖壓發動機的核心技術，實現粉末燃料的連續、穩定、可控供給是發動機可靠工作的前提。粉末燃料供給裝置的主要設計思想是利用氣體將儲箱內的粉末燃料流態化，同時在活塞的推動作用下保證粉末燃料的連續供給，最終以氣固兩相流的形式噴入燃燒室，完成燃料供應過程。要實現粉末供給系統的高效設計，需進一步提高粉末流量的調控精度，并開展過載、振動以及聲場作用下粉末流化機制和氣固輸送穩定性研究，同時解決粉末流量調節比低等問題。

2.2 粉末燃料燃燒組織技術

粉末燃料在燃燒室中的燃燒過程屬于典型的粉塵燃燒過程，粉末燃料沖壓發動機直接以固體顆粒作為燃料。通過對粉末燃料噴注器的優化設計使其能在較大的粉末燃料質量流率調節比內均具有較好的噴注、離散效果。此外，為使發動機具有優良的自持燃燒性能，可采取一定的火焰穩定措施，如采用一定形式的火焰穩定器[10-11]，或者借助外部高溫火源或流場自補償形成的點火源實現持續穩定燃燒[17]。

2.3 發動機點火技術

粉末燃料沖壓發動機點火時，燃料以氣固兩相流的形式噴入燃燒室，由于噴注速度快、燃料初溫低，以及金屬、硼顆粒點火溫度高，對發動機的點火及火焰穩定都帶來了較大困難。目前，研究者分別采用電熱絲點火[43]、固體燃氣發生器點火[44]和高能火花塞點火[11]等方式對粉末燃料沖壓發動機進行了成功的點火實驗，但上述點火方式均存在點火可靠性低以及結構復雜等問題，還不能滿足粉末燃料沖壓發動機點火器小型化、輕質化、可靠性高等要求。因此，尋求高效可靠的點火方式是發展粉末燃料沖壓發動機的關鍵技術之一。

值得注意的是，固體/粉末或液體/粉末組合沖壓發動機由于固體或液體推進劑持續燃燒，為粉末燃料提供了高溫熱源，故無需額外增設粉末燃料點火器，這也是該類組合沖壓發動機的一大特色。

2.4 發動機工作過程控制技術

當前粉末燃料沖壓發動機工作過程中并未采用控制反饋，當發動機被控物理量(如燃燒室壓強)因擾動發生偏差時，系統不能采取任何措施來減小或者抑制這種偏差，導致發動機工作狀態無法實現自動調節和精確、穩定控制。因此，對于發動機的工作過程應采用閉環控制，實現粉末燃料質量流率和發動機燃燒室壓力的閉環控制，以降低發動機系統對不確定干擾和內部參數變化的敏感度，提高整個發動機系統控制精度，增強發動機工作過程的系統穩定性。

3 結束語

粉末燃料沖壓發動機兼具液體燃料沖壓發動機及固體火箭沖壓發動機的優點，符合未來超聲速動力裝置的發展需要，在未來超聲速動力裝置中有著廣泛的應用前景。因此，針對粉末燃料沖壓發動機相關技術的發展，提出如下幾點展望：

(1)高性能粉末燃料研究

通過粉末燃料改性研究(包覆、團聚等處理)，進一步提高粉末燃料能量特性、輸運特性和化學活性，降低粉末燃料點火溫度，使之具有更高的理論比沖和成氣量、更佳的裝填性能和流化性能以及更短的顆粒滯留時間。

(2)沖壓空氣作為驅動流化氣可行性研究

基于發動機一體化以及輕質化設計要求，可探索研究用沖壓空氣作為活塞驅動氣體和粉末流化氣體的可行性，從而簡化發動機系統結構，提高發動機性能。

(3)發動機快速響應研究

發動機快速響應的實現包括控制反饋系統、作動系統、發動機沖量的實現等諸多環節。控制反饋系統可采用數字控制器作為發動機的控制中心，通過控制程序的優化技術，實現對發動機的快速控制。

(4)環境適應潛力及工作可靠性研究

發動機受高低溫環境、振動環境、發動機貯存時間等諸多因素影響條件下發動機工作特性為研究內容，探索發動機環境適應潛力和工作可靠性。

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(編輯：劉紅利)

A summary of powder-fueled ramjet

HU Chun-bo，LI Chao，SUN Hai-jun，WU Guan-jie

(Science and Technology on Combustion Internal Flow and Thermal-Structure Laboratory，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

The powder-fueled ramjet makes use of metal powder and boron as propellant,which offers a combination of high impulse,security,thrust modulation,simple structure and low cost that are not completely achieved by liquid and solid ramjet,especially for solid/powder and liquid/powder combination ramjet,adding powder fuel not only improved the specific impulse,but also added new functions,and it is a development direction for the next generation of missile propulsion.The study of powder-fueled ramjet is still at its beginning stage,and related research technologies and development tendency of the engine is not clear yet.A brief introduction of powder-fueled ramjet technology and related research foundation is made in this paper,based on these,it is pointed out that the powder fuel supply,the combustion organization,the engine ignition are the critical technology to be urgent solved.Furthermore,high-performance powder fuel research,feasibility of ram air act as driving gas and fluidization gas research,rapid response research,environmental compatibility and operation reliability research are the development direction of powder-fueled ramjet technology.Based on this summary,the key point and difficult point of the engine is emphasized,which offers a reference for the development of the engine.

powder-fueled ramjet；powder fuel supply；engine combustion organization；engine ignition

2017-01-04；

2017-04-24。

國家自然科學基金(51576166)。

胡春波(1966—)，男，教授，主要研究領域為粉末發動機。E-mail： huchunbo@nwpu.edu.cn

V435

A

1006-2793(2017)03-0269-08

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.03.001