邱賢平, 韋 偉, 王 亞, 陳克海, 魯統(tǒng)潔, 金 鳳, 葉丹陽

(中國航天科技集團四院四十二所, 湖北 襄陽 441003)

1 引 言

軍事技術(shù)的變革和飛行器技術(shù)不斷發(fā)展對動力系統(tǒng)提出了越來越苛刻的要求,碳氫燃料作為動力源是動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,為滿足飛行器高航速、遠航程的需求,除采用先進的發(fā)動機構(gòu)型設(shè)計以最大限度提高發(fā)動機效率外,研制高密度碳氫燃料提高燃料的密度、體積燃燒熱值成為各國研究的重點[1-4]。獲得高密度碳氫燃料的一條有效途徑為合成由多個封閉環(huán)平面組成、具有空間立體構(gòu)型的碳氫化合物,如立方烷、金剛烷和四環(huán)烷等籠狀化合物,該類化合物具有較大的密度和較高的碳氫比,同時由于具有高度緊湊的分子結(jié)構(gòu),含有較大的張力能,在燃燒中可以釋放出來,因此具有更高的燃燒熱值,但是該類化合物及其衍生物一般為固態(tài)或者低溫粘度不佳,不能直接作為液體沖壓發(fā)動機的燃料使用,因此通過低冰點燃料和高密度籠狀碳氫燃料的復(fù)配,獲得兼具高密度和低溫性質(zhì)的復(fù)配燃料成為獲得具有較高密度和燃燒熱值的碳氫燃料的另外一條有效途徑[5-6]。有文獻報道,往通常的碳氫燃料中加入質(zhì)量分數(shù)30%的立方烷,能使燃料的體積能量密度增加約14%,在燃料中添加四環(huán)烷后,推進劑的比沖顯著增加[7]。

五環(huán)[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷(PCU,C11H14)分子結(jié)構(gòu)(Scheme 1)中含1個四元環(huán)和4個五元環(huán),結(jié)構(gòu)緊湊,有較大的張力能,密度1.23 g·cm-3,是高密度籠狀碳氫化合物中極具應(yīng)用潛力的一種化合物。美國Stedman[8]和Alan[9]課題組分別對PCU的合成進行了詳細研究,主要合成方法為環(huán)戊二烯與對苯醌通過Diels-Alder加成反應(yīng)、紫外光光環(huán)化反應(yīng)和黃鳴龍還原反應(yīng)得到PCU。由于PCU容易升華,不適合應(yīng)用于碳氫富燃料推進劑配方體系的固體推進劑[10],李春迎等[11]通過熱性能研究發(fā)現(xiàn)PCU的分解是一個吸熱過程,而且隨著壓力增大,分解吸熱量增加,推測其可作為吸熱型碳氫燃料組分用于液體超音速沖壓發(fā)動機,同時利用其密度高、熱值大的特點,可以將其作為高能添加劑提高液體碳氫燃料的能量水平。而PCU作為一種高能量密度燃料,其感度性能未見公開報道,同時由于PCU具有較高的碳氫比,在空氣中不易燃燒,作為高能添加劑與碳氫燃料復(fù)配后,燃料能否在有限長度的超聲速燃燒室內(nèi)實現(xiàn)順利點火及穩(wěn)定燃燒是其應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機需要解決的首要問題,而該類復(fù)配燃料的超聲速燃燒性能研究還未見公開報道。為此,本課題組研究了PCU的熱性能和感度性能,并將PCU作為添加劑溶于沖壓發(fā)動機常用燃料航空煤油RP-3,探索了復(fù)配燃料的理化性能,同時在直連式超聲速燃燒實驗平臺上進行了超聲速燃燒性能研究,對PCU作為高能添加劑推廣應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機,具有較大的指導(dǎo)價值。

Scheme 1 Molecular structure of Pentacyclo[5.4.0.02,6.03,10.05,9]undecane](PCU)

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

儀器: 2920型高壓差示掃描量熱儀,美國TA公司; PARR1266氧彈式量熱儀,美國PARR儀器設(shè)備有限公司; WL1型撞擊感度儀; VM1型摩擦感度儀; SYD-265G低溫運動黏度試驗器: 上海吉昌地質(zhì)儀器有限公司; SYP l002-lI閉口閃點試驗器: 上海神開石油儀器有限公司; SYD-2430石油產(chǎn)品冰點試驗器: 上海吉昌地質(zhì)儀器有限公司。

試劑: PCU參考文獻[9]方法制備,純度98%; 航空煤油RP-3,錦西煉油廠。

2.2 性能測試實驗

PCU的撞擊感度和摩擦感度分別采用WL1型撞擊感度儀和VM1型摩擦感度儀進行測試,執(zhí)行標準分別為《復(fù)合固體推進劑撞擊感度試驗方法》(QJ3039-1998)和《復(fù)合固體推進劑摩擦感度試驗方法》(QJ2913-1997); 復(fù)配燃料的密度、熱值、閃點、冰點及黏度的測定采用GB/T1884-2000、GB/T384-1981、GB/T261-1983(1991)、GB/T2430-1981、GB/T265-988等標準方法。復(fù)配燃料的超音速燃燒性能測試在中國科學(xué)院力學(xué)所高溫氣體動力學(xué)國家重點實驗室的直連式超聲速燃燒實驗平臺上進行,直聯(lián)式超燃平臺由空氣加熱器、設(shè)備噴管、多功能模型燃燒室以及煤油加熱與輸運系統(tǒng)組成,整個實驗的運行、控制與數(shù)據(jù)采集可實時顯示,由一臺計算機完成[12-13]。

3 結(jié)果與討論

3.1 PCU的性能

3.1.1 PCU的熱性能

PCU的燃燒熱值采用氧彈式熱量計測定,制備的PCU充氧定容爆熱Hu為44.5 MJ·kg-1,通過其密度1.23 g·cm-3可知其體積燃燒熱值為54.7 MJ·L-1,較航空煤油RP-3的體積熱值37.5 MJ·L-1提高了46%。由于PCU易升華,通過密閉的高壓DSC測試其熱性能,在3 MPa的條件下測試發(fā)現(xiàn)制備的PCU在199.56 ℃處有顯著的吸熱峰,PCU的熱分解發(fā)生在282.53 ℃。

3.1.2 PCU的感度性能

撞擊感度測試在WL1型落錘感度儀上進行,在97.99 N落錘、50 cm落高條件下,爆炸百分數(shù)為0%,PCU的撞擊感度H50>50 cm,I50>49 J; 摩擦感度測試在VM1型摩擦感度儀進行測試上進行,在測試角度90°,測試壓強4.0 MPa條件下測得PCU的摩擦感度為0。

3.2 復(fù)配燃料性能

3.2.1 PCU與航空煤油RP-3復(fù)配燃料理化性能

航空煤油RP-3為現(xiàn)階段超音速沖壓發(fā)動機研究的常用燃料,但是它的能量水平較低,而PCU的密度和熱值均高出航空煤油很多,因此將PCU溶于航空煤油后可提升其密度和熱值,提高復(fù)配燃料的能量水平。PCU在航空煤油中的溶解度較大,25 ℃時可形成質(zhì)量分數(shù)為44.6%的飽和溶液,其5%～25%的復(fù)配燃料的理化性能見表1。由表1可知當PCU質(zhì)量分數(shù)為25%時,密度達到0.853 g·cm-3,與航空煤油相比,密度提高7.8%,燃燒熱值提高9.5%。同時加入PCU后復(fù)配燃料體系的閃點小幅增加,安全性能提高。航空煤油冰點是噴氣燃料的重要指標,通過復(fù)配溶液冰點測試發(fā)現(xiàn)PCU組分可以使航空煤油冰點降低,在航空煤油的冰點-59 ℃時還未見PCU晶體析出,25%的復(fù)配燃料的冰點比航空煤油低3 ℃,說明PCU的加入可以改善航空煤油的低溫性能,-40 ℃時復(fù)配燃料的運動粘度在6.99～13.64 mm2·s-1之間,具有良好的低溫粘度性能,在噴氣燃料領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

表1 PCU/RP-3復(fù)配燃料性能

Table 1 Properties of the PCU/RP-3 blending fuels

solutionofＰＣＵinＲＰ?3／％density／g·cm－3combustionheatvalue／ＭＪ·kg－1flashpoint／℃freezingpoint／℃viscosity（－40℃）／mm2·s－100．79137．5048－596．9950．80738．9750－607．54100．81939．7851－618．58150．82940．0251－629．54200．84040．6149－6211．42250．85341．0649－6213．64

3.2.2 PCU與航空煤油RP-3復(fù)配燃料超聲速燃燒性能

通過復(fù)配燃料的理化性能研究可知PCU作為添加劑可以提升航空煤油的密度和熱值,理論上由于能量水平的增加可使超然沖壓發(fā)動機的推力增加,但是PCU具有較高的碳氫比,不易燃燒,在超聲速環(huán)境中能否順利點火及穩(wěn)定燃燒是在超然沖壓發(fā)動機中應(yīng)用的關(guān)鍵問題,為防止在實驗中高碳氫比化合物高溫裂解結(jié)焦堵塞管路系統(tǒng),采用10%PCU含量的復(fù)配燃料在直連式超聲速燃燒實驗平臺上測試其超音速燃燒性能,實驗測試的條件為空氣來流馬赫數(shù)約為2.35,總壓維持在1.12～1.15 MPa,總溫1480 K,空氣流量1340 g·s-1; 燃料流量77 g·s-1,當量比為0.84,實驗中采用誘導(dǎo)氫技術(shù)輔助點火。首先測試PCU航空煤油復(fù)配燃料穩(wěn)定燃燒性能,測試方法為在燃料點火1.0 s后將誘導(dǎo)氫關(guān)閉,觀察煤油燃燒2.9 s穩(wěn)定性情況,如果燃燒靜壓在關(guān)閉氫氣后下降,說明燃料無法維持穩(wěn)定燃燒,實驗測試的具體時序為: 誘導(dǎo)氫氣3.5 s進入,5.0 s關(guān)閉; 超臨界態(tài)煤油4.0 s進入,7.9 s停止。由圖1測試結(jié)果可見，復(fù)配燃料燃燒靜壓至7.9 s一直未下降,表明在超音速條件下PCU航空煤油復(fù)配燃料能繼續(xù)穩(wěn)定燃燒。圖2為燃料在直連式超聲速燃燒實驗平臺中燃燒時的燃燒靜壓分布圖,其中三條曲線分別為基線、航空煤油燃燒曲線和含有10%PCU復(fù)配燃料的燃燒曲線。由圖2可見,加入PCU后復(fù)配燃料的燃燒曲線和航空煤油的燃燒曲線相似,但復(fù)配燃料比航空煤油燃燒時的靜壓升高較為明顯,從327 kPa上升到339 kPa,這說明加入PCU后可增加超然沖壓發(fā)動機的推力,同時可知復(fù)配燃料的燃燒較航空煤油靠后,存在著點火延遲現(xiàn)象,分析原因主要是PCU為籠形化合物,需先吸熱裂解為小分子后才開始燃燒。

圖1 燃燒靜壓隨時間分布

Fig.1 The distributions of static pressure with times

圖2 燃燒靜壓隨燃燒室的分布

Fig.2 The distributions of static pressure with combustion room

4 結(jié) 論

制備的PCU燃燒熱值為44.5 MJ·kg-1,撞擊感度H50>50 cm,I50>49 J,摩擦感度為0,為一類鈍感的高能量密度碳氫燃料。PCU在航空煤油RP-3中的溶解度較大,25 ℃時可形成質(zhì)量分數(shù)為44.6%的飽和溶液,當添加25%的PCU時,復(fù)配燃料的燃燒熱與密度比航空煤油RP-3分別提高9.5%和7.8%。閃點升高至49 ℃,冰點降低至-62 ℃。-40 ℃時復(fù)配燃料的運動粘度在6.99～13.64 mm2·s-1之間。測試結(jié)果表明,含PCU的復(fù)配燃料在直連式超聲速燃燒實驗平臺中燃燒穩(wěn)定,且復(fù)配燃料的燃燒靜壓從327 kPa上升到339 kPa,表明PCU是一類性能優(yōu)良的高密度碳氫燃料添加劑,在液體碳氫燃料超音速沖壓發(fā)動機上具有較好的應(yīng)用前景。

致謝: 感謝中國科學(xué)院力學(xué)所高溫氣體動力學(xué)國家重點實驗室范學(xué)軍研究員、王晶研究員在超聲速燃燒測試實驗中的幫助。

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