含能碳氫燃料燃燒特性及發動機應用研究進展

靳雨樹，徐旭，楊慶春，*

1．北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191

2．中國空氣動力研究與發展中心 超高速空氣動力研究所，綿陽 621000

高性能液體碳氫燃料是航空航天及國防領域的關鍵核心技術［1-2］。液體碳氫燃料的能量特性對航空航天發動機及飛行器性能有顯著影響，提高碳氫燃料的密度和體積熱值是提升其能量特性的重要途徑［3-5］。對于火箭發動機，可優化火箭整體尺寸、提高運載能力、增加有效載荷等；對于沖壓發動機，可提升發動機比沖性能，進一步優化動力系統結構和飛行器整體設計。

傳統液體碳氫燃料基本來源于石油煉制產物，受原油組分限制，密度最高約0.8 g/mL，體積熱值約35 MJ/L。采用人工合成和燃料復配等方式是提高碳氫燃料能量特性的有效途徑［6-10］，經這些方式制備的高性能液體碳氫燃料密度一般在0.9 g/mL 以上，體積熱值提高至40 MJ/L，一定程度滿足了當前航空航天動力系統的需求，但其密度超過1 g/mL 時低溫性能和應用性能顯著下降［11］。在液體碳氫燃料中添加鋁、硼等高能金屬（非金屬）固體顆粒，并添加表面分散劑或凝膠劑可制備成物理和化學特性穩定的含能碳氫燃料，高能固體顆粒的密度和體積熱值均顯著高于液體燃料，因此含能碳氫燃料具有更理想的理論能量特性，有望成為未來更高動力需求的重要解決方案［12-16］。

本文對含能碳氫燃料的燃料體系、單液滴燃燒實驗和發動機應用進展等3 方面內容進行綜述，首先，介紹了含能碳氫燃料的發展需求和主要類型，重點介紹了漿體燃料和含能凝膠燃料的燃料組成及其在實際應用中的優劣勢和關鍵技術；其次，對含微米顆粒碳氫燃料和含納米顆粒碳氫燃料的單液滴燃燒實驗研究成果進行了總結分析；然后，對含能碳氫燃料在液體火箭發動機和沖壓發動機2 類典型航空航天發動機中的應用研究進展進行介紹；最后，提出了含能碳氫燃料的未來發展建議。

1 含能碳氫燃料概述

1.1 含能碳氫燃料的發展需求

液體碳氫燃料是目前航空航天推進系統的主要動力來源，燃料的性能直接決定飛行器性能，提高液體碳氫燃料的能量特性對未來高性能推進系統及高性能飛行器的發展至關重要。圖1展示了多種液體碳氫燃料和新型含能碳氫燃料的密度和體積熱值數據，可以發現碳氫燃料的發展以更高密度和更高體積熱值為主要趨勢。

圖1 典型高密度碳氫燃料的密度和體積熱值Fig.1 Density and volumetric heat value of typical high-density hydrocarbon fuels

傳統的液體碳氫燃料主要包括RP-3、JP-4、JP-5 等，均為石油煉制產品，其中，航空煤油RP-3 以鏈烷烴為主要成分，密度約0.78 g/mL，體積熱 值 約33 MJ/L［17］；JP-4（C9.5H18.9）是 美 國20 世紀末使用最廣泛的液體碳氫燃料之一，密度和體積熱值與RP-3 接近，其冰點和黏度較低，揮發性高，適合有低溫操作需求的場景，在空軍的導彈武器中應用較廣［18］；JP-5（C10H19）是高閃點型液體碳氫燃料，密度0.83 g/mL，體積熱值約35 MJ/L，其低揮發性特點能確保燃料在艦船上儲存的安全性，在海軍中應用較廣［19］。然而，這3 種傳統碳氫燃料的密度基本達到石油提取物的上限，已不能滿足當前動力系統的更高需求。

根據碳氫類化合物的分子結構和構效關系，采用人工合成和燃料復配等方式是繼續提高碳氫燃料密度的有效途徑［6］，經這種方案制備的液體碳氫燃料主要包括二聚體多環碳氫燃料、高張力籠狀碳氫燃料等類型。二聚體多環碳氫燃料包括RJ-4、RJ-4-I、JP-10、HD-01 等，燃料密度均在0.92 g/mL 以上，體積熱值超過38.5 MJ/L。其中，JP-10（C10H16）是目前美國使用的最為成功的高密度碳氫燃料［20］，其原料來源廣泛、合成成本更低，已成為用量最大、用途最廣、綜合性能最好的高密度液體碳氫燃料，是美國導彈標準燃料，“戰斧”海基巡航導彈、“捕鯨叉”反艦導彈等大量使用JP-10 作為燃料，高超聲速飛行器、脈沖爆震發動機和軍用燃料電池等中也有應用［21-23］。HD-01（C10H16）是天津大學開發的中國第1 個高密度燃料［24-26］，以掛式四氫雙環戊二烯為單一組分，性能指標與美國JP-10 一致。高張力籠狀碳氫燃料也是目前極具潛力的高密度碳氫燃料類型，其具有高度緊湊的分子結構，含有較高的張力能，因此密度和體積熱值都很高。四環庚烷［27-30］（QC，C7H8）是目前比較受關注的高張力籠狀碳氫燃料類型，密度為0.98 g/mL，體積熱值約43.9 MJ/L，高于目前使用的大多數液體碳氫燃料。

通過人工合成和燃料復配等途徑提高碳氫燃料密度和體積熱值等能量特性參數的努力取得了較為滿意的成果，但未來的進一步提升空間十分有限，一方面，液體碳氫燃料的質量熱值往往隨密度的增加而降低，因此密度比沖的提升受到限制，另一方面，液體碳氫燃料的低溫應用性能隨著密度增加也會顯著惡化，無法滿足實際的應用需求［31-32］。

在液體碳氫燃料中添加高能固體顆粒是繼續提高燃料密度和體積熱值的重要技術途徑［33-34］，幾乎所有的高能固體顆粒均有著高于碳氫燃料的體積熱值，甚至達到3～4 倍，有些高能固體顆粒的質量熱值也高于碳氫燃料，如圖2所示。

圖2 各類高能固體顆粒與液體碳氫燃料的質量熱值和體積熱值對比Fig.2 Comparison of mass and volumetric heat values of various energetic additives with liquid hydrocarbon fuels

20世紀60年代開始，Gordon［35］、Zurawski［36］、Rapp［37-38］、Palaszewski［39-42］等陸續對各類 高 能 固體顆粒在液體碳氫燃料中添加帶來的性能影響開展理論計算、基于飛行任務的評估以及工程應用的可行性研究。研究結果表明：相同條件下，在液體燃料中加入鋰、鈹、硼、鋁等可以提高推進劑理論質量比沖，鐵會導致質量比沖降低；在可以提高質量比沖的含能顆粒中，鋰和鈹由于分子量較小，能量密度大，提升質量比沖效果十分明顯，但其較低的密度使得實際應用時效果并不理想，實際飛行任務還需考慮燃料的安全問題，鈹具有毒性，不利于推進劑的制備和加注等操作，在氫/氟推進劑中加入鋰會出現特殊的安全問題。

總體來看，目前最具應用潛力的含能添加物為硼（B）和鋁（Al），圖1 中即展示了在JP-10 和QC 這2 類具有代表性的液體碳氫燃料中添加不同質量分數的硼和鋁對應的含能碳氫燃料密度和體積熱值數據，可以明確看到硼或鋁顆粒的加入可以顯著提高燃料的能量特性參數，相關的研究工作也主要沿著含硼碳氫燃料和含鋁碳氫燃料的燃燒特性和應用研究繼續開展。

1.2 含能碳氫燃料的主要類型

早期的研究中，對于固體顆粒的處理只是將其與液體燃料簡單混合形成懸浮液，而這種懸浮液的儲存時間達不到使用要求，短時間內即會出現大量沉降，使燃料密度不均勻，燃料的實際能量特性與理論差距巨大。因此，解決含能碳氫燃料中固體顆粒的團聚和沉降問題是其工程應用的必經之路，目前主要有2 種解決方案，表1 給出了2 種含能碳氫燃料類型對應的燃料組成示意圖、各自優缺點和關鍵技術。

表1 2 種含能碳氫燃料類型對比Table 1 Comparison of two types of energetic hydrocarbon fuels

1.2.1 漿體燃料

漿體燃料（Slurry Fuel）是最早提出、處理方法最簡單的含能碳氫燃料類型。在普通液體碳氫燃料中加入固體顆粒后，繼續加入表面活性劑（Surfactants），可以促進固體顆粒與液體分子間產生某種化學鍵而使固體顆粒在液體中保持穩定懸浮狀態。

在早期的理論研究和實驗研究中，由于制造技術限制，固體顆粒的尺寸都比較大，最小尺寸均在微米級以上。隨著納米技術的發展，使得在液體燃料中添加更細小的、直徑在1～100 nm 之間的納米固體顆粒成為可能。固體顆粒直徑的大幅減小，意味著粒子相對表面積大幅增大，這使得固體顆粒與氣體分子的接觸面積增大，可以有效地提高化學反應效率，使固體顆粒的能量能夠充分釋放。然而，納米顆粒間存在的特殊力學效應使其更易發生團聚和沉降現象。

Gedanken［43］提出了利用超聲波方法進一步促進納米顆粒在液體燃料中均勻分散的方法，其原理為當液體暴露在超聲波環境中時，傳入其內部的聲波使得液體內出現高壓低壓循環區，由此可產生能夠克服納米粒子間引力的動力，從而使得納米粒子充分分散而不發生團聚。Gan 和Qiao［44］嘗試在不同液體燃料中添加固體顆粒并通過超聲波化學技術使之混合，其在乙醇中添加納米鋁粉的樣本在常溫常壓保存24 h 后仍然沒有出現沉降。Li 等［45］采用超聲方法對含納米硼顆粒的乙醇燃料進行處理，發現硼顆粒在24 h 內可以在乙醇燃料中保持穩定懸浮狀態。鄂秀天鳳等［46-47］同樣使用超聲處理方法對含納米硼和納米鋁的碳氫燃料進行處理，研究表明在經過5 d的靜置后，依舊有77% 的納米顆粒保持懸浮狀態。

對納米固體顆粒進行表面改性也是保持漿體燃料穩定性的重要手段［48-49］，通過改變納米顆粒的表面結構和狀態，一方面可以改善納米顆粒的表面活性，賦予其新的機械、物理、化學性能，另一方面可以消除納米顆粒的帶電效應并在顆粒表面形成勢壘［50］，從而改善漿體燃料中納米顆粒的分散特性，減弱團聚效應，提高漿體燃料的穩定性。Javed 等［51］將油酸和納米鋁顆粒添加至球磨機中制備了油酸包覆的納米鋁顆粒，并在此基礎上制備了含納米鋁的煤油漿體燃料，采用這種方案制備的漿體燃料可維持10 h 的穩定。鄂秀天鳳等［52］在制備納米鋁顆粒的同時加入高分子聚合物對納米顆粒進行包覆，使納米顆粒表面原子形成化學鍵，提高了含納米鋁顆粒在JP-10漿體燃料中的分散穩定性。鄂秀天鳳等［33］在制備含納米硼JP-10 漿體燃料時，同時對納米硼顆粒、保護配體和JP-10 液體進行加熱，使硼顆粒表面發生改性，最終得到了穩定性良好的含納米硼漿體燃料。Mathe 等［53］在抽吸等離子體反應器制備納米鋁顆粒的同時，蒸發棕櫚酸并將其包覆在納米顆粒表面，獲得了平均粒徑140 nm 的表面處理納米鋁顆粒。

使用表面分散劑、超聲處理技術和顆粒表面改性技術所得到的含納米顆粒漿體燃料基本可以滿足地面試驗需要，含能顆粒在一定時間內可保持良好的均勻分散狀態。然而，顆粒間團聚和沉降的趨勢依舊存在，長時間貯存時會導致漿體燃料的安全性和穩定性出現問題，在工程領域的應用性較差。

1.2.2 含能凝膠燃料

含能凝膠燃料是在凝膠燃料（Gel Fuel）基礎上發展的含能碳氫燃料類型。凝膠燃料是在普通液體碳氫燃料中加入少量凝膠劑（Gelling Agent）后形成的本身具有較好穩定性和骨架支撐結構的燃料［54-55］，在此基礎上添加高能固體顆粒使其懸浮于凝膠體系后依舊可以保持穩定的狀態，密度也比較均勻［56-57］。凝膠劑常分為2 類［58］：有機凝膠和無機凝膠，前者是親液性、高極性的合成聚合物以及經改性的天然有機物，凝膠燃料之間主要通過所添加的有機高分子之間的氫鍵及相互聯系，形成穩定的三維網狀結構，燃燒性能更好；無機凝膠是各種精細分散的固體顆粒，凝膠燃料主要依靠不能燃燒的無機微粒的布朗運動及范德華力形成網狀結構。

美國在含能凝膠燃料方面進行了大量研究。1933年，金屬化液體燃料開始在內燃機內實踐應用，就是含能凝膠燃料的雛形。20 世紀60年代研究的重點是鋁-肼多相燃料、液氧/液氫/鈹多相燃料、液氟/肼/鋁多相燃料等，20 世紀70年代美國國防部進行了自燃式雙組元凝膠推進劑的研發工作，重點放在肼衍生物的凝膠燃料與紅色發煙硝酸的凝膠氧化劑的組合方面。20 世紀80年代，Lewies 研究中心著重研究了RP-1/Al 凝膠體系。Rapp 和Zurawski［37-38］選擇不同的凝膠劑及5 μm和15 μm 這2 種粒徑的鋁粉制備了24 種含鋁RP-1煤油凝膠，對燃料凝膠的穩定性、流動性、加速儲存穩定性進行實驗研究，結果表明，推進劑中固體顆粒質量分數為50%以下時，在9.6g的離心加速度下體系未發生物理分離，凝膠劑的穩定性作用良好。20 世紀90年代之后，美國Argonide公司、NASA 格林研究中心與賓夕法尼亞州立大學合作研究了RP-1/Al 配方，并評估了其燃燒性能［59］，結果表明：當添加質量分數30%以上平均粒徑為100 nm 的超細鋁粉之后，推進劑系統獲得了良好的動力學穩定性，而且納米鋁粉能夠完全燃燒，同時也加速了RP-1 的點火。將凝膠推進劑應用于運載火箭、空間發動機等領域是美國現階段的重要任務。

21世紀，以色列理工學院［60］、印度理工學院［13］和中國天津大學［61-64］等研究人員面向航空航天發動機的應用需求，均開發了不同類型的含硼顆粒、鋁顆粒凝膠燃料體系，開展了關于含能凝膠燃料的供應、噴注、霧化、燃燒等發動機應用特性研究，具體結果將在第2 節和第3 節中進行介紹。目前的研究結果表明含能凝膠燃料確實可以有效改善納米固體顆粒的均勻分散特性，有利于燃料能量特性的提升。

含能凝膠燃料雖然可以有效改善固體顆粒的均勻分散特性，具有較高的應用潛力，但其仍然存在一些需要解決的問題才能實現工程化應用：① 含能凝膠燃料屬于非牛頓流體，意味著適用于牛頓流體如煤油等傳統液體燃料的供應系統不再適用，需要開發相應的含能凝膠燃料供應系統才能實現其工程化應用；② 含能凝膠燃料噴注霧化問題，由于非牛頓流體的黏性特性十分復雜，基于牛頓流體設計的噴注器很難實現含能凝膠燃料的良好霧化，進而影響燃料的燃燒特性。

2 含能碳氫燃料的單液滴燃燒實驗

含能碳氫燃料的基礎理論研究已證明其具有比液體碳氫燃料更優異的能量特性，開展含能碳氫燃料單液滴的基礎性燃燒實驗研究對直觀認識含能碳氫燃料的燃燒特性具有重要意義。

世界各國研究人員對純液體碳氫燃料的單液滴燃燒過程已進行了大量理論研究和實驗研究。Spalding［65］在穩態常物性和球對稱等假設條件下，通過理論推導得到了著名的d2定律并在實驗中得到了驗證［66］，即液滴的蒸發燃燒時間與液滴初始粒徑的平方呈線性變化關系；此外，液滴擴散燃燒中燃燒速率也與壓力P1/3相關［67-68］，含能碳氫燃料的單液滴燃燒特性研究均以此為基礎展開。

2.1 含微米顆粒碳氫燃料的單液滴燃燒實驗

19 世紀80年代開始，含微米顆粒碳氫燃料的單液滴燃燒實驗研究在美國賓夕法尼亞州立大學、普林斯頓大學、加利福尼亞大學等幾所高校開展起來，對含微米鋁/硼碳氫燃料液滴的蒸發特性、燃燒特性、顆粒團聚現象、爆裂現象等問題獲得了深入的認識和解釋，并提出了有關含微米顆粒碳氫燃料液滴的蒸發、燃燒模型，表2［69-76］羅列了含微米顆粒碳氫燃料單液滴燃燒實驗研究的典型參數和主要研究結論。

表2 含微米鋁/硼顆粒碳氫燃料的單液滴燃燒實驗Table 2 Experiment on single droplet combustion of hydrocarbon fuel containing Al/B micron-sized particles

含微米鋁漿體燃料的單液滴燃燒實驗研究主要集中在賓夕法尼亞州立大學，Wong 和Turns［69］使用掛滴法對含有平均粒徑4μm鋁顆粒的JP-10 燃料進行點火和燃燒特性研究，實驗中首次發現了漿體燃料液滴的爆裂（Disruption）現象，研究者對該現象的影響因素進行了研究，并對影響爆裂現象出現時間的條件進行了定量研究。實驗結果表明：增加漿體液滴初始直徑、降低火焰溫度，均可延長液滴的點火時間。作為對照，在JP-10/Al 漿體燃料中加入表面分散劑、亞微米級碳顆粒制備了3 組漿體燃料作為對比，實驗結果表明：在JP-10/Al 漿體燃料中加入表面分散劑和少量碳顆粒均會顯著改善液滴點火特性。3 種漿體燃料液滴燃燒后團聚體的掃描電鏡圖像表明：未表面處理的JP-10/Al 漿體燃料液滴燃燒后的團聚體結構較為緊實，表面為多孔可透水結構，平均直徑較初始液滴直徑偏小，添加表面分散劑的JP-10/Al 漿體燃料液滴燃燒后形成表面多孔、整體松散的團聚體，對于表面處理后的JP-10/Al/C 漿體燃料液滴，燃燒后的團聚體為表面較為致密的中空結構，這可能是碳顆粒的加入使團聚體表面殼體性質發生變化，形成更加堅實致密的殼體，致使燃燒過程中發生爆裂現象，因此表面出現空缺部分。

Wong 和Turns［70］在前期實驗研究的基礎上，使用掛滴法和新設計的飛滴法對JP-10/Al/C 漿體燃料液滴燃燒過程中的爆裂現象進行了詳細研究。實驗使用的漿體燃料分為多組，平均直徑4 μm 的鋁顆粒和平均直徑0.35 μm 的碳顆粒占漿體燃料總質量的66%，而碳顆粒在固體顆粒中的比例在10%～80%范圍內變化，共8 組，表面分散劑和穩定劑的比例也有不同，共6 組。研究結果表明：漿體液滴燃燒過程中的爆裂強度及團聚體形態與鋁/碳顆粒的相對含量有關，其相對比例影響了液滴早期汽化過程中外殼的孔隙度和塑性；團聚體的破碎可使液滴燃盡時間迅速縮短；漿體液滴的爆裂時間與液滴初始直徑呈正比關系，與液滴瞬態升溫時間近似成比例，但與固體顆粒的質量分數無關。

Mueller 和Turns［71］使用氣體霧化噴嘴作為飛滴法中液滴的生成裝置，對含60%微米鋁顆粒的RP-1 漿體燃料進行燃燒特性研究。通過鋁蒸汽實時探測技術對液滴流向不同位置處的已經燃燒的液滴比例進行了測量，給出了定量比較結果；其還使用理論建模方法考察漿體液滴燃燒過程中鋁顆粒尺寸對表面殼體的影響，建立了形成不滲透殼體后一段時間內的壓力累積和機械應力累積模型，根據模型計算得到的結果與實驗結果比較一致。

含微米硼漿體燃料的單液滴燃燒實驗研究主要集中在普林斯頓大學，分別由Antaki 和Takahashi 帶領的2 個團隊負責，前者主要使用掛滴法對直徑＞1 mm 的含硼漿體燃料液滴進行研究，后者則主要使用飛滴法對直徑＜1 mm 的含硼漿體燃料液滴開展實驗，對添加劑的影響進行了更為細致的研究并得到了豐富的結果，2 個團隊所提出的理論模型［77-78］與對應實驗結果的一致性較好。

Antaki 和Williams［72-73］使用掛滴法對添加平均粒徑2 μm 硼顆粒的JP-10 漿體燃料進行了單液滴燃燒特性研究，微米硼顆粒的質量分數在0%～70%之間變化，實驗發現：含硼燃料液滴的燃燒過程中硼顆粒并未燃燒；硼顆粒的質量分數不同時液滴的燃燒過程有較大差別：當硼質量分數f較低時，可以觀察到液滴燃燒時出現周期性氣體噴射現象，f＜0.4 時液滴直徑在燃燒前期逐漸減小且符合d2定律，燃燒后期則基本不變，f＞0.5 時液滴直徑在整個燃燒過程中幾乎不變；其還使用理論建模的方法對液滴燃燒過程進行了研究，給出了液滴直徑隨時間變化、液滴燃盡時間隨液滴直徑變化等計算結果，與實驗結果對比符合良好。

Takahashi 等［74］使用飛滴法對液滴直徑更小的含硼JP-10 漿體燃料液滴進行燃燒特性研究，微米硼顆粒的質量分數在0%～30%之間變化，使用平焰點火器對滴落過程的漿體燃料液滴進行加熱，實驗探究了火焰氧氣質量分數、火焰溫度對燃燒特性的影響。研究結果表明：含微米硼顆粒的JP-10 燃料液滴燃燒時會出現爆裂現象，研究人員將含硼漿體燃料的單液滴燃燒過程分為4 個階段：硼顆粒在液滴表面團聚、形成剛性多孔殼體、形成不可滲透殼體和發生爆裂，大尺寸爆裂碎片可能再次發生上述過程。

Takahashi 等［75-76］在前期研究結果的基礎上，對硼顆粒尺寸、添加劑種類對液滴燃燒特性的影響進行了更為細致的研究，硼顆粒選用0.88 μm無定型硼和6.7 μm 晶體硼2 種，添加劑則選用熱物理化學特性有一定差別的山梨醇三油酸酯和C32 聚酯，制備了顆粒質量分數為10%和30%的含硼JP-10 漿體燃料。燃燒過程的拍攝圖片和分析表明：含添加劑的含硼漿體燃料燃盡時間較短，伴隨爆裂過程和綠色火焰，光譜分析認為是硼的燃燒產物氧化硼發出的；不含添加劑的含硼漿體燃料需要接近2 倍的時間才完成燃燒，全過程并無綠色火焰和爆炸聲，認為硼顆粒并未燃燒。在這一結果的基礎上，Takahashi 等認為添加劑對于硼顆粒的燃燒具有關鍵作用。通過對不同成分的漿體燃料液滴進行實驗，獲得了液滴燃盡時間、燃盡距離數據，并對產物進行圍觀掃描電鏡分析和顯微切片分析。

圖3［75］展示了Takahashi團隊對含微米硼 漿體燃料單液滴的燃燒過程和重要機制的總結：液滴燃燒過程初期，硼顆粒會在液滴表面張力和液滴蒸發的共同作用下在表面聚集并形成多孔的殼體，隨著燃燒的進行和添加劑的熱分解發生，熱分解產物與團聚顆粒相互作用慢慢形成了不可滲透的殼體，在內部液滴不斷受熱和壓力增加的過程中，最終發生爆裂現象。在相關研究結果的基礎上，Takahashi 團隊還對影響漿體燃料液滴爆裂過程的影響因素進行總結，包括氧氣濃度、氣體溫度、顆粒質量分數、顆粒尺寸、添加劑濃度、熱分解溫度和液滴初始直徑等，具體影響過程可參考文獻［76］。

圖3 含微米硼漿體燃料液滴的典型燃燒過程［75］Fig.3 Typical combustion process of slurry fuel droplets containing micro-sized boron ［75］

總的來看，含微米鋁/硼漿體燃料的單液滴燃燒過程均存在典型的爆裂/微爆現象，該現象是多種因素共同作用導致的。① 不可滲透硬質殼體是爆裂現象發生的前提：燃燒過程中，漿體燃料液滴中的微米級固體顆粒會在液滴表面形成可滲透的硬質殼體，然而，添加劑的熱分解產物或亞微米級的其他顆粒會填充殼體的空隙、改變其表面孔隙特征，最終導致不可滲透硬質殼體的生成；② 內部壓力持續累計是爆裂現象發生的直接原因：當硬質殼體形成后，液滴的持續受熱會導致顆粒內部液體的溫度升高，達到沸點的液體會不斷蒸發并提高殼體內部壓力，最終導致硬質殼體的破裂和燃氣噴射。

含微米顆粒漿體燃料的爆裂現象可以加速液滴燃燒進程，提高液滴完全燃燒程度，然而，產物分析表明微米級固體顆粒很難充分燃燒，造成含能碳氫燃料的燃燒效率無法達到理想程度，實際燃燒表現與理論能量特性差距較大。

2.2 含納米顆粒碳氫燃料的單液滴燃燒實驗

20 世紀以來，納米技術及納米顆粒制備工藝不斷發展，在液體碳氫燃料中添加納米級固體顆粒成為可能，由于納米級顆粒具有更高的反應表面積，氧化/燃燒反應更加劇烈，有望使含能碳氫燃料的實際燃燒表現更接近理想水平，因此含納米固體顆粒碳氫燃料的單液滴燃燒特性實驗研究也隨之廣泛開展起來。美國普渡大學、亞利桑那州立大學、韓國高等科技院、中國國防科技大學等研究人員于2008年開始陸續對加入納米鋁/硼碳氫燃料的單液滴燃燒特性進行更加細致的實驗研究，目前的研究工作主要圍繞燃燒過程和爆裂機制，并與含微米顆粒碳氫燃料的實驗結果進行對比。表3［44，79-89］羅列了含納米顆粒碳氫燃料單液滴燃燒實驗研究的典型參數和主要研究結論。

表3 含納米鋁/硼顆粒碳氫燃料的單液滴燃燒實驗研究Table 3 Experiment on single droplet combustion of hydrocarbon fuel containing Al/B nano-sized particles

亞利桑那州立大學Tyagi 等［79］研究了納米鋁粉添加對柴油燃料液滴點火性能的影響，實驗在一塊加熱平板上進行，通過記錄不同工況下的點火成功率，研究納米顆粒尺寸對點火性能的影響規律。結果表明：添加10 nm 和50 nm 粒徑的納米鋁顆粒確實有利于液體燃料的點火，研究人員認為這與燃料中納米顆粒對輻射和傳熱傳質特性的提升有關，含納米鋁顆粒柴油液滴可以在更低的溫度下實現點火。

普渡大學Gan 和Qiao［44，80-81］使用掛滴法對添加納米鋁和微米鋁顆粒的癸烷/乙醇漿體燃料進行了單液滴燃燒特性實驗研究。對比分析了鋁顆粒尺寸對漿體燃料單液滴燃燒特性的影響，給出了液滴直徑隨燃燒進程的變化曲線，借助厚度僅78 μm 的Pt/Pt-Rh K 型熱電偶對液滴的溫度進行實時測量，對燃燒過程的進程建立了直觀認識和分析基礎。研究發現：含納米鋁漿體燃料的單液滴燃燒過程可以分為5 個階段：初始加熱和點火階段、經典液滴燃燒階段、液滴微爆階段、表面活性劑燃燒階段和鋁顆粒燃燒階段，各階段液滴溫度和直徑隨時間變化的曲線如圖4 所示；含微米鋁漿體燃料的單液滴燃燒過程則僅出現前3 個階段，如圖5 所示。該差異是燃燒早期形成的顆粒團聚體表面特性不同所致，含納米鋁漿體燃料液滴燃燒后形成表面均勻、多孔、可滲透殼體，含微米鋁漿體燃料液滴燃燒后則形成致密、不可滲透殼體。

圖4 含納米鋁癸烷漿體燃料液滴燃燒過程中直徑與溫度的變化［44］Fig.4 Droplet size and temperature history during combustion of an n-decane/nano-Al droplet ［44］

圖5 含微米鋁癸烷漿體燃料液滴燃燒過程中直徑與溫度的變化［44］Fig.5 Droplet size and temperature history during combustion of an n-decane/micron-Al droplet ［44］

Gan 等［82-83］在前期實驗的基礎上，對添加納米硼的癸烷/乙醇漿體燃料進行了進一步的單液滴燃燒特性實驗研究，含硼癸烷燃料添加了表面分散劑促進硼顆粒的均勻分散，含硼乙醇燃料本身的分散特性較好。高速攝像和普通相機拍攝的燃燒過程圖片表明：前者出現周期性且高強度的液滴噴射和液滴爆裂現象，燃燒較為完全，高強度的爆裂原因是正癸烷和添加劑的沸點不同，后者則始終存在強度較低的液滴噴射和液滴爆裂現象，存在少量燃燒產物，連續低強度爆裂是因為乙醇吸收空氣中的水分后液滴內各組分沸點不同。

Tanvir 和Qiao［84-85］使用飛滴法對含納米鋁顆粒的乙醇漿體液滴開展進一步的燃燒特性實驗，相比掛滴法產生的直徑0.5～2.5 mm 的漿體液滴，飛滴法可以進一步減小漿體液滴直徑至0.1～0.5 mm，更接近實際發動機實驗中的液滴霧化水平，在液滴滴落路徑上設置一個高溫電加熱線圈實現點火。研究發現：較小尺寸的漿體液滴燃燒僅包含純液體燃料燃燒、乙醇/鋁同時燃燒2 個階段，鋁顆粒燃燒較完全且沒有機會形成較大的團聚體；研究還發現添加納米鋁顆粒可以增加液滴的熱傳導特性，提高液滴的燃燒速率，當鋁顆粒質量分數為5%時，大約提高140%。

韓國高等科技院Javed 等［86］使用掛滴法對含納米鋁正庚烷漿體燃料液滴進行燃燒特性的實驗研究，實驗在常壓環境下開展，流經液滴的干空氣溫度在600～850 ℃變化。結果表明：含鋁正庚烷液滴的燃燒偏離經典的d2定律，液滴經歷頻繁的微爆（以多次液滴膨脹和爆裂為典型特征），導致燃燒時間相比純凈正庚烷液滴明顯縮短，微爆強度隨氣流溫度的升高而增強。

此外，Javed 等［87］還使用類似的方法對含納米鋁顆粒的煤油液滴進行了點火和燃燒特性的實驗研究，干空氣的溫度范圍調整為400～800 ℃，納米鋁顆粒質量分數變為0.1%～1.0%。研究發現含鋁煤油液滴的燃燒同樣偏離經典的d2定律，液滴燃燒過程中出現多次微爆現象；相比純煤油液滴，含鋁煤油液滴的總燃燒時間明顯縮短。

國防科技大學楊大力等［88-89］在煤油凝膠燃料中加入微米級硼顆粒制備了5 種含硼凝膠燃料，硼顆粒和凝膠劑質量分數均在2%～10%范圍內變化。研究結果表明：硼顆粒的加入會使凝膠液滴的微爆現象加劇；硼含量一定時，凝膠劑越多，含硼凝膠液滴穩定燃燒的時間越久，但微爆程度加劇，燃燒產物更加致密，可能會對硼顆粒的燃燒效率產生影響；凝膠劑含量一定時，硼含量越多，含硼凝膠液滴穩定燃燒的相對時間縮短，微爆程度加劇，且硼含量達到10%時可能存在不完全燃燒。

上述研究成果表明：含納米顆粒碳氫燃料的單液滴燃燒特征過程、固體顆粒運動過程、殼體特性等與含微米顆粒碳氫燃料存在一定差異；含納米顆粒碳氫燃料燃燒時同樣存在爆裂/微爆現象，但原因更加復雜，目前的實驗研究數量偏少，還不足以形成較為成熟的解釋；固體顆粒尺寸減小至納米級別時，燃燒產物明顯減少且團聚現象并不顯著，說明含納米顆粒碳氫燃料的燃燒比含微米顆粒碳氫燃料更加完全，在實際應用中也具有更高潛力。

3 含能碳氫燃料的發動機應用

含能高密度碳氫燃料的單液滴燃燒特性研究工作已經取得了豐富的研究成果，對單液滴特征燃燒過程和典型燃燒機制形成了較為明確的認識，但其在航空航天發動機中的熱態燃燒試驗、能量特性評估、應用性能研究等工作還十分欠缺，相關的公開文獻資料也僅十余篇，表4［90-95］和 表5［96-103］分別總結了含能高密度碳氫燃料在火箭發動機和沖壓發動機中的應用研究進展。

表4 含鋁/硼顆粒碳氫燃料在火箭發動機中的燃燒試驗Table 4 Experiment on combustion of hydrocarbon fuel containing Al/B particles in rocket engine

表5 含鋁/硼顆粒碳氫燃料在沖壓發動機中的燃燒試驗Table 5 Experiment on combustion of hydrocarbon fuel containing Al/B particles in ramjet engine

3.1 火箭發動機

美國賓夕法尼亞州立大學Mordosky 等［90］在火箭發動機中對添加平均粒徑100 nm 鋁顆粒的RP-1 凝膠燃料進行了熱態試驗，發動機使用外氣內液同軸直流噴注器，試驗氧燃比范圍為0.5～5.0，發動機室壓范圍為1.0～2.8 MPa，納米鋁顆粒的質量含量分別為0%、5%、10%、30%、55%。試驗結果表明：含納米顆粒RP-1 凝膠燃料的燃燒效率在82.1%～88.3%范圍內變化；納米鋁粉的質量分數為5%時，含鋁RP-1 凝膠燃料的燃燒效率相比RP-1 純凝膠燃料的燃燒效率提高6%，且多組試驗結果統計的置信水平達到96%，其余3 組質量分數（10%、30%、55%）的含鋁凝膠燃料與RP-1 純凝膠燃料相比，平均燃燒效率基本一致；Mordosky 等［90］還 與Palaszewski 和Zakany［104-106］開展的含微米鋁RP-1 凝膠燃料的研究結果進行對比分析，通過參數歸一化處理，發現含納米鋁的凝膠燃料燃燒效率更高；試驗中還發現當鋁顆粒質量分數達到55%時，凝膠燃料的性態更偏近漿體且出現了較明顯的沉積現象。

美國阿拉巴馬大學Ellison 等［91］在采用旋流撞擊式噴注器的火箭發動機中進行了RP-1/Al凝膠燃料的燃燒試驗，納米鋁顆粒的質量分數固定為16%，試驗中保持氧氣流量不變，通過調整凝膠燃料流量使氧燃比范圍在0.56～1.56 之間變化，發動機實際室壓為1.2～1.6 MPa。試驗結果表明：在所研究當量比范圍內，發動機燃燒效率在72%～97%之間變化，但離散程度較大且與氧燃比無明顯相關性。

2015年開始，北京航空航天大學和北京空天技術研究所針對含能高密度碳氫燃料在火箭發動機中的燃燒特性開展了一系列試驗研究。Luo等［92］在采用直流離心式噴注器的火箭發動機中對含納米鋁顆粒JP-10 漿體燃料進行了細致研究，漿體燃料含有質量分數為16%的平均粒徑30～50 nm 的鋁顆粒，并添加2%的表面分散劑防止鋁顆粒團聚，試驗過程中保持總流量不變，同時調節氧氣和燃料流量實現氧燃比在1.7～1.9 范圍內變化，發動機實際室壓為2.8～3.0 MPa。結果表明：JP-10 漿體燃料相比JP-10液體燃料的燃燒效率有一定提高，所研究氧燃比范圍內增幅約3%～9%；Luo 等還使用熱重分析、X 射線能量光譜分析、掃描電鏡分析和激光動態光散射分析等手段對不同位置采集的燃燒產物進行了微觀檢驗，對漿體燃料燃燒過程和特征形成進一步認識和解釋。

邵昂等［93］在Luo 等工作的基礎上，對漿體燃料供應系統進行了改進，相比之前的擠壓式供應系統，新設計的液壓驅動體積控制供應系統可以保證流量的精確供應，其對JP-10 液體燃料、JP-10+21%Al 漿體燃料分別開展了火箭發動機的熱態燃燒試驗，氧燃比在1.6～2.0 之間變化，室壓為2.0～2.5 MPa。研究結果表明：氧燃比從1.6變化至2.0的過程中，JP-10+21%Al漿體燃料的燃燒效率相比JP-10 燃料由偏低4.8%變為偏高2.5%，隨著氧氣變得充分，燃燒溫度提高，納米鋁顆粒燃燒更加完全；鋁顆粒加入可以提高燃料密度，因此JP-10+21%Al 漿體燃料的密度比沖相比純液體燃料提高5.5%～14.6%；出口沉積物的能譜分析表明JP-10+21%Al 漿體燃料燃燒產物中鋁顆粒氧化率為74.1%，掃描電鏡圖片表明產物中包含大量直徑500 nm～3 μm 的團聚體。

劉毅等［94］對新型高密度碳氫燃料四環庚烷（QC）及QC+15%Al 漿體燃料進行了燃燒特性試驗研究，鋁顆粒平均粒徑為100 nm，氧燃比在1.6～2.0 之間變化，室壓為2.5～2.8 MPa。結果表明：QC+15%Al 漿體燃料的燃燒效率稍低于QC 純凈燃料，隨著氧燃比增加，前者的燃燒效率從86.3%上升到89.1%，納米鋁顆粒的燃燒更加充分；漿體燃料的高密度特性使其對應的發動機密度比沖相比純液體燃料提高約3%；產物分析表明發動機噴管出口沉積物主要由碳、鋁和氧化鋁組成，鋁顆粒的氧化率約91%。

作者團隊［95］首次在火箭發動機中開展了含納米硼碳氫燃料的燃燒特性試驗研究，并與含納米鋁碳氫燃料進行了直接對比，基礎液體碳氫燃料包括HD-01 和QC 燃料，漿體燃料包括HD-01+10%Al、HD-01+10%B、QC+10%B、QC+20%B 這4種，由于每種燃料對應的恰當氧燃比均不相同，研究采用余氧系數作為基準進行性能參數的分析與對比，余氧系數在0.6～0.8 之間變化，發動機室壓為1.9～2.2 MPa。試驗結果表明：添加納米鋁/硼顆粒均會導致燃料燃燒效率下降，這與納米固體顆粒的團聚和不完全燃燒有直接關系，較低的燃燒效率和固體顆粒帶來的兩相流損失共同導致發動機質量比沖下降；由于含納米顆粒漿體燃料的密度較高，因此其密度比沖相比純液體燃料有一定提升，具體地，添加納米鋁顆粒的效果優于納米硼顆粒，在HD-01 純液體燃料中添加10%的納米鋁和納米硼顆粒分別使密度比沖提高4.31%和1.72%，如圖6［95］所示，在工程應用中有一定潛力；提高納米顆粒含量可進一步提升發動機密度比沖性能，QC 燃料中添加10%和20%硼顆粒可分別使發動機密度比沖提升1.48%和3.46%，但會帶來更嚴重的固相沉積問題。

圖6 不同余氧系數下HD-01 純液體燃料及2 種HD-01 漿體燃料的密度比沖對比［95］Fig.6 Density specific impulse comparison of HD-01 fuel and two HD-01 slurry fuels at different excess oxidizer coefficients ［95］

總體來看，在恰當的燃料成分和合理的發動機工作參數下，添加納米固體顆粒有可能提升燃料的燃燒效率；由于含能碳氫燃料的高密度特性，其燃燒時對應的密度比沖相比液體碳氫燃料明顯提升，不同顆粒類型和不同顆粒質量分數帶來的效果有一定差異；含能碳氫燃料在火箭發動機中燃燒會造成一定的燃燒產物沉積現象，未來還需開展更深入的研究。

3.2 沖壓發動機

德國宇航中心的Von Kampen 等［96］與Negri和Ciezki［97-98］在一個專門設計的燃燒器中開展了含微米鋁顆粒和納米鋁顆粒Jet-Al 凝膠燃料的燃燒試驗研究。初期的研究較為簡單，結果表明隨著理論燃燒溫度提高，凝膠燃料的燃燒效率隨之提高，環境壓力的提高也會帶來類似影響。此后，在加熱器溫度400 ℃，當量比0.75 設計狀態下開展3 種含能凝膠燃料的燃燒特性試驗和產物微觀分析，發動機室壓在0.86～0.96 MPa 范圍內變化。含能凝膠燃料主要成分為62.5% 的Jet-Al 碳氫燃料、7.5%的膠凝劑和30%的鋁顆粒，3 種含能凝膠燃料的鋁顆粒類型不同，分別為30%微米鋁顆粒、15%微米鋁顆粒+15%納米鋁顆粒、30%納米鋁顆粒，其中微米鋁顆粒的平均直徑為0.78 μm，納米鋁顆粒的平均直徑為160 nm。燃燒試驗表明：前述3 種含能凝膠燃料燃燒效率的平均值分別為79.0%、77.8% 和75.6%，添加納米鋁帶來的效果不如微米鋁；燃燒產物的理化分析表明3 種燃料的氧化率基本在30%～50%之間，大部分的鋁顆粒未氧化燃燒；掃描電鏡圖片顯示納米鋁顆粒明顯團聚，直徑約200 μm，X 射線能量光譜分析結果顯示產物以鋁元素為主，氧元素含量很少。

以色列理工學院Gafni 等［99-100］在亞燃沖壓發動機中對4 種含微米鋁顆粒的煤油凝膠燃料開展燃燒特性試驗研究，鋁顆粒質量分數范圍為5%～23%，亞燃沖壓發動機采用頭部和身部分別進氣的結構方案，氫氧燃燒型加熱器總溫在700～1 200 K 范圍內變化，沖壓發動機室壓在0.5～1.6 MPa 范圍內變化，實際當量比為0.4～1.6。試驗結果表明：添加微米級活性鋁和鎳包覆鋁顆粒均導致凝膠燃料的燃燒效率下降，發動機質量比沖損失，鋁顆粒質量分數越高影響越明顯；由于發動機質量比沖損失過大，含能凝膠燃料的高密度特性未能使其對應的密度比沖提升，鋁顆粒含量較高時甚至出現損失。

國防科技大學Xiao 等［101］在亞燃沖壓發動機中對含微米硼煤油凝膠燃料進行了點火燃燒試驗研究，使用乙醇/氧氣燃燒型加熱器提供馬赫數Ma=3、總溫625 K 的高焓空氣，一部分與含能凝膠燃料同時從頭部噴入開始燃燒，另一部分從身部噴入進行二次補燃。試驗結果表明：硼顆粒質量分數分別為30%和40%時，燃燒效率分別為90%和80%，即硼顆粒質量分數提高，凝膠燃料燃燒效率下降；燃燒室長度由600 mm 減小至450 mm 時，燃燒效率下降了9%。

作者團隊［102-103］在直連式超燃沖壓發動機試驗臺完成了JP-10+16%Al 漿體燃料和JP-10 液體燃料的燃燒特性試驗研究與分析對比，沖壓燃燒室入口馬赫數為2，總溫1 700 K，當量比分別為0.56、0.73 和0.91。該研究首次在超燃沖壓發動機中開展了含納米顆粒碳氫燃料的燃燒特性試驗研究，并針對發動機的實際應用特性開展了一系列研究工作。結果表明：含納米鋁漿體燃料的黏度較高，具有非牛頓流體特性，傳統的直流式噴注器無法實現漿體燃料的可靠噴注，采用自激振蕩噴注器可實現含納米鋁漿體燃料的穩定噴注和高效霧化；JP-10+Al 漿體燃料比JP-10液體燃料的燃燒效率有明顯提高；添加納米鋁顆粒使沖壓發動機燃燒室密度比沖有明顯提升，不同當量比時的提升效果如圖7［102］所示，當量比0.56 時的顯著差異是由于JP-10 純液體燃料與JP-10 漿體燃料對應發動機燃燒模態不同，當量比0.73 時密度比沖提升11.33%；含納米鋁漿體燃燒時會在發動機內壁面產生明顯的固相沉積，當量比越高，固相沉積物越多，甚至干擾發動機測量系統獲得有效結果；納米鋁顆粒的加入會導致發動機工作時壁面熱流密度顯著增加，在所研究當量比范圍內，JP-10+Al 漿體燃料相比JP-10純液體燃料對應的壁面熱流密度提高約32%，燃燒時壁面的傳熱建模和計算結果表明，漿體燃料燃燒時導致的粗糙沉積層通過摩擦效應加強了高溫燃氣與壁面的對流換熱過程，最終導致壁面熱流密度的顯著增加。

圖7 不同當量比時JP-10 純液體燃料與JP-10+16%Al 漿體燃料的密度比沖對比［102］Fig.7 Density specific impulse comparison of JP-10 fuel and JP-10+16%Al slurry fuel at different equivalence ratios ［102］

4 結論與展望

本文重點回顧了含能碳氫燃料的發展歷史和當前需求，介紹了2 類含能碳氫燃料的典型組成、優缺點和關鍵技術，全面總結了含能碳氫燃料的單液滴燃燒實驗研究工作，詳細介紹了含能碳氫燃料在2 類典型航空航天發動機中的應用研究進展。主要結論如下：

1）漿體燃料的技術成熟度較高，應用于液體燃料發動機的供應和噴注霧化系統中改動較小，因此在前期驗證性試驗研究中采用較多，但漿體燃料長時間儲存時會發生固體顆粒的團聚沉降問題，造成顆粒燃燒不完全和燃料性能惡化；含能凝膠燃料屬于非牛頓流體，在實際工程應用中需解決燃料供應和噴注霧化等問題，然而，凝膠燃料體系可有效改善固體顆粒的分散特性，促進固體顆粒充分燃燒，實現含能碳氫燃料實際性能的提升，工程應用潛力更高。

2）含能碳氫燃料的單液滴燃燒實驗研究證明其具有更佳的燃燒特性：相比純液體碳氫燃料，含能碳氫燃料的燃燒溫度更高，點火延遲時間更短；其次，含能碳氫燃料液滴的燃燒過程存在液滴爆裂、蒸汽噴射等獨特現象，在合適的燃料配方和燃燒環境中，這些現象可以促使含能碳氫燃料液滴的燃燒時間縮短。

3）含能碳氫燃料在航空航天發動機中的應用研究還處在探索階段，具有一定的應用潛力：火箭發動機中，基本確定了含能碳氫燃料的適用性和穩定工作能力，相比液體碳氫燃料，應用含能碳氫燃料可提升發動機的密度比沖性能；沖壓發動機中，初步驗證了含能碳氫燃料的適用性，采用匹配的噴注方案可獲得良好的噴注霧化特性，相比液體燃料，含能碳氫燃料的燃燒效率和發動機密度比沖均有顯著提升。

縱觀含能碳氫燃料的發展歷程和研究現狀，本文對其下一步發展提出建議：

1）含能凝膠燃料體系是含能碳氫燃料未來工程化應用的重要技術方案，需要進一步研究含能凝膠燃料的基礎理化特性、制備技術、穩定儲存技術等。

2）針對性地開展含納米鋁、硼顆粒碳氫燃料的單液滴燃燒實驗研究，探究不同燃料組成、液滴參數、燃燒環境參數下含能碳氫燃料的燃燒特性，建立和發展含能碳氫燃料的單液滴點火燃燒模型。

3）結合航空航天發動機的實際工程應用需求，有序開展含能碳氫燃料在航空航天發動機各分系統的驗證性試驗研究，綜合評估含能碳氫燃料的工程應用潛力。