胡春波，李 超，孫?？?，武冠杰

(西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)研究進(jìn)展*

胡春波，李 超，孫?？?，武冠杰

(西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)采用高能金屬或硼粉為燃料，兼具液體燃料沖壓發(fā)動機(jī)推力可調(diào)、比沖高及固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，尤其是固體/粉末或液體/粉末燃料組合沖壓發(fā)動機(jī)，粉末燃料的加入不僅可大幅提高傳統(tǒng)沖壓發(fā)動機(jī)的比沖等性能，還能改善并增加其原有功能，是極具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮鷮?dǎo)彈動力裝置之一。針對粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)及其相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概述分析，并以此梳理出粉末燃料供給、發(fā)動機(jī)燃燒組織、發(fā)動機(jī)點(diǎn)火等粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)主要關(guān)鍵技術(shù)，同時對發(fā)動機(jī)技術(shù)提出了高性能粉末燃料研究、沖壓空氣作為驅(qū)動流化氣可行性研究、發(fā)動機(jī)快速響應(yīng)和環(huán)境適應(yīng)潛力及工作可靠性研究等幾點(diǎn)研究展望。通過對粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)相關(guān)研究技術(shù)進(jìn)行綜述梳理，明確了其研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，為發(fā)展高性能沖壓發(fā)動機(jī)提供了一定參考。

粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)；粉末燃料供給；發(fā)動機(jī)燃燒組織；發(fā)動機(jī)點(diǎn)火

0 引言

新一代超聲速導(dǎo)彈的發(fā)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(yīng)速度快、體積小、質(zhì)量輕、維護(hù)使用方便和儲存性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]的發(fā)動機(jī)將有廣闊的應(yīng)用前景。

粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)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(zhì)的一類新型沖壓發(fā)動機(jī)。由于其燃料形態(tài)為常溫微小固體顆粒，因此相比于傳統(tǒng)液體燃料沖壓發(fā)動機(jī)和固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)，粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)具備以下優(yōu)點(diǎn)[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(fā)動機(jī)有較高的比沖和密度比沖。

(2)粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)的燃料形式為常溫固態(tài)粉末，與常規(guī)藥柱形式的固體推進(jìn)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(jìn)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(huán)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(qiáng)的流率調(diào)控性，使粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)具備多次啟動和推力調(diào)節(jié)功能。同時粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)的燃料流量調(diào)節(jié)屬于冷調(diào)節(jié)方式，且其密度比沖較高，與目前在研的流量可調(diào)沖壓發(fā)動機(jī)相比，性能更優(yōu)，特別適合于工作空域大，要求多彈道飛行等方面任務(wù)。

(4)隨著導(dǎo)彈飛行馬赫數(shù)的增加，進(jìn)入燃燒室的空氣溫度不斷升高，常規(guī)沖壓發(fā)動機(jī)所用碳?xì)淙剂细邷厝紵a(chǎn)物易發(fā)生離解，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)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(tài)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(fā)動機(jī)燃料。

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

由此可見，粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)使其具備強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿?，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(diǎn)火和發(fā)動機(jī)燃燒組織等多方面問題，目前許多技術(shù)難題還未得到解決。本文通過對粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)以及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)概述，同時對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理，為粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)研究者提供一定的參考。

1 相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)展

典型的粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由粉末燃料供給裝置、進(jìn)氣道、發(fā)動機(jī)燃燒室、點(diǎn)火器、火焰穩(wěn)定器及尾噴管等部件組成。粉末燃料儲存在儲箱內(nèi)，在氣流夾帶作用下進(jìn)入燃燒室與沖壓空氣燃燒釋放熱量，高溫燃?xì)庥蓢姽芘蛎涀龉Ξa(chǎn)生推力。

以下對粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)理論和實(shí)驗(yàn)、粉末燃料供給系統(tǒng)及粉末燃料點(diǎn)火特性等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行概述。

1.1 粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)理論與實(shí)驗(yàn)研究

早在20世紀(jì)，美國研究者便提出了以金屬鋁為燃料的沖壓發(fā)動機(jī)概念[2-3]，并開展了相關(guān)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(wěn)定的燃燒，同時研究還指出，缺乏有效的粉末流化技術(shù)以及燃燒室內(nèi)凝相產(chǎn)物沉積較多是鋁燃料沖壓發(fā)動機(jī)在應(yīng)用中的最大阻礙。此外，由于當(dāng)時導(dǎo)彈整體發(fā)展水平對動力裝置要求較低，其他形式發(fā)動機(jī)即可滿足需求，從而導(dǎo)致金屬粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)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(lǐng)域的興起，粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)又被重新提及。2001年，美國研究者Goroshin S等[5]針對碳?xì)淙剂显诟邷叵氯菀纂x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(jì)算對比了多種粉末燃料和碳?xì)淙剂系谋葲_特性。同時針對鋁/空氣兩相層流預(yù)混火焰的傳播特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。結(jié)果證明，粉末燃料可實(shí)現(xiàn)自持穩(wěn)定燃燒，并指出硼粉需添加鋁粉或鎂粉才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，進(jìn)而提出了一種以金屬/硼粉末為燃料的高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)構(gòu)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(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)以金屬M(fèi)g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(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的良好工作，則需解決粉末燃料低壓點(diǎn)火和進(jìn)氣道增壓等技術(shù)難題。

法國航空航天研究院(ONERA)[7]對粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)行了點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究，并于2002年完成了φ200 mm粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)地面熱試實(shí)驗(yàn)，其發(fā)動機(jī)構(gòu)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(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，但需要附加流化氣源是發(fā)動機(jī)的缺點(diǎn)之一。而該發(fā)動機(jī)詳細(xì)的點(diǎn)火試驗(yàn)細(xì)節(jié)并未見公開報(bào)道。

國防科技大學(xué)申慧君、孔龍飛等[8-9]在理論分析粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)性能的基礎(chǔ)上，以鎂粉為燃料，設(shè)計(jì)了突擴(kuò)式、鈍體式、駐渦式3種構(gòu)型的粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)，并成功進(jìn)行了地面直連試驗(yàn)，驗(yàn)證了發(fā)動機(jī)多次點(diǎn)火啟動的可行性，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)自持燃燒，其發(fā)動機(jī)熱試獲得的發(fā)動機(jī)燃燒效率分別為77.04%和81.34%，圖4、圖5分別為其發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)熱試照片。

西北工業(yè)大學(xué)李超等[10]采用鋁顆粒為燃料，開展了不同進(jìn)氣位置、流化氣量等對發(fā)動機(jī)點(diǎn)火性能的影響研究。其研究實(shí)現(xiàn)了粉末燃料的穩(wěn)定供給和鋁粉燃料沖壓發(fā)動機(jī)的自持穩(wěn)定燃燒，并提高了發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的集成化程度，其最高燃燒效率達(dá)到73.05%，圖6、圖7分別為其發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)熱試照片。

西安航天動力技術(shù)研究所馬利鋒等[11]在總結(jié)國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的發(fā)動機(jī)構(gòu)型——固體/粉末燃料組合沖壓發(fā)動機(jī)(圖8)，該發(fā)動機(jī)以硼粉顆粒為燃料，采用二次進(jìn)氣方式，一次進(jìn)氣保證空燃比在燃料的當(dāng)量比附近，滿足發(fā)動機(jī)啟動和穩(wěn)定燃燒的要求，二次進(jìn)氣增大了發(fā)動機(jī)空燃比，有利于發(fā)動機(jī)比沖性能的發(fā)揮，同時也避免了大量空氣集中于發(fā)動機(jī)頭部從而導(dǎo)致燃?xì)鉁囟冉档偷默F(xiàn)象。通過發(fā)動機(jī)頭部徑向分布的4股高溫高速燃?xì)馍淞鲊娙胙a(bǔ)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(jìn)了粉末燃料的點(diǎn)火和燃燒。

1.2 供粉系統(tǒng)研究

供粉系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)穩(wěn)定燃燒和推力調(diào)節(jié)的關(guān)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(fā)動機(jī)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(jīng)儲箱尾部的布風(fēng)板進(jìn)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(nèi)的粉末壓緊。但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不利于粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)系統(tǒng)集成化和輕質(zhì)化應(yīng)用。

Goroshin S等[14]提出一種結(jié)構(gòu)簡單的粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)，如圖10所示。流化氣從頭部的環(huán)形切縫中吹入，高速掠過粉體表面，儲箱內(nèi)的粉末燃料在氣相拖曳力的作用下被卷起并噴出，實(shí)現(xiàn)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(xù)供應(yīng)，且其燃料流量可依靠活塞運(yùn)動速度控制。在其試驗(yàn)中該供應(yīng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)粉末燃料穩(wěn)定供應(yīng)3～6 min。

美國賓西法尼亞州立大學(xué)[15]應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室提出鋁粉-海水反應(yīng)作為動力系統(tǒng)的水下沖壓發(fā)動機(jī)概念，該實(shí)驗(yàn)室對這種新型沖壓發(fā)動機(jī)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)最大尺寸結(jié)構(gòu)可裝填59 kg的鋁粉，工作時間長達(dá)1 h。粉末流量通過改變活塞壓力和噴射孔尺寸實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)的粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)燃料供應(yīng)系統(tǒng)可獲得較穩(wěn)定的流量。圖11為其燃料供應(yīng)系統(tǒng)實(shí)物照片。

韓超[16]參考工業(yè)氣力輸送裝置設(shè)計(jì)了一套粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在高壓條件下工作，活塞由直線電機(jī)推動前進(jìn)，并進(jìn)行了粉末燃料供應(yīng)可行性試驗(yàn)研究。試驗(yàn)證明此裝置基本滿足粉末流量穩(wěn)定可調(diào)的要求。圖12為粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)燃料供應(yīng)系統(tǒng)。

申慧君[8]設(shè)計(jì)的粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)如圖13所示，并開展了相關(guān)試驗(yàn)研究，使用科氏流量計(jì)對氣固兩相流量進(jìn)行了在線測量，調(diào)試出燃料流量穩(wěn)定的工況，同時通過數(shù)值模擬研究了粉末燃料的摻混流化過程。

西北工業(yè)大學(xué)[10]在總結(jié)國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上提出了一種氣壓驅(qū)動活塞式粉末燃料供給裝置，如圖14所示，實(shí)現(xiàn)了粉末燃料的穩(wěn)定供給。張虎等[17]針對該供粉系統(tǒng)在冷流標(biāo)定過程中的顆粒質(zhì)量流率測量問題，提出了一種稠密氣固兩相流中顆粒質(zhì)量流量的測量方法，并基于旋風(fēng)分離器和電子天平設(shè)計(jì)了一套氣固兩相流中固體質(zhì)量流量的測量裝置。

孫?？〉萚18]以粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)為背景，通過實(shí)驗(yàn)研究了發(fā)動機(jī)熱試中粉末質(zhì)量流率間接測量方法的準(zhǔn)確性，圖15為測量結(jié)果對比。此外，他還提出了2種粉末質(zhì)量流率的調(diào)節(jié)方法，并對2種方法進(jìn)行了理論分析。

從上述研究現(xiàn)狀來看，供粉裝置的發(fā)展經(jīng)歷了從電機(jī)驅(qū)動活塞到氣壓驅(qū)動活塞的變化。電機(jī)驅(qū)動活塞式粉末供給系統(tǒng)對活塞運(yùn)動穩(wěn)定性調(diào)控具有明顯的優(yōu)勢，但系統(tǒng)對電機(jī)功率提出了較高的要求，尤其是儲箱內(nèi)壓強(qiáng)較高時，如不采取等壓平衡等方式，電機(jī)很難推動活塞，而活塞運(yùn)動速度調(diào)節(jié)也很難通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)；另一發(fā)面，由于活塞與電機(jī)桿直接相連，會相應(yīng)增加粉末供給系統(tǒng)長度，不利于系統(tǒng)集成化。相比而言，氣壓驅(qū)動活塞式粉末供給系統(tǒng)雖然在氣路設(shè)計(jì)等方面較為復(fù)雜，但其可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動氣和流化氣量方式實(shí)現(xiàn)活塞速度調(diào)節(jié)，且驅(qū)動氣與流化氣可共用一氣源，無需額外增設(shè)活塞驅(qū)動裝置，當(dāng)驅(qū)動腔與流化腔兩邊壓差大于阻力時，便可推動活塞運(yùn)動。與此同時該方式可去除活塞導(dǎo)桿，提高系統(tǒng)集成度?？梢?，氣壓驅(qū)動活塞式粉末供給系統(tǒng)更適用于粉末發(fā)動機(jī)，而未來的研究重點(diǎn)應(yīng)是對驅(qū)動與流化氣量和儲箱內(nèi)壓強(qiáng)進(jìn)行更為精確的供給與控制。

1.3 粉末顆粒點(diǎn)火燃燒特性研究

粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)直接以微小固體顆粒作為燃料，粉末燃料在沖壓發(fā)動機(jī)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(chǔ)。國內(nèi)外關(guān)于金屬鎂、鋁及硼的點(diǎn)火燃燒過程已經(jīng)開展了大量研究，本文在此進(jìn)行簡單梳理。

鎂的燃燒特性研究工作起始于20世紀(jì)50年代末，此時的研究工作集中于鎂顆粒點(diǎn)火過程和燃燒過程的實(shí)驗(yàn)研究。90年代以來，隨著基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)技術(shù)水平的不斷提高，鎂顆粒點(diǎn)火燃燒的試驗(yàn)、理論及計(jì)算模型等方面的研究均得到了長足的發(fā)展。在試驗(yàn)研究方面：開展了高壓環(huán)境、微重力環(huán)境、不同氧化劑氣氛等條件下顆粒點(diǎn)火燃燒特性的研究。理論研究方面，則主要是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立相應(yīng)的理論模型，通過計(jì)算分析進(jìn)一步了解整個過程的瞬態(tài)特征并解釋試驗(yàn)現(xiàn)象。此外，還開展了粉塵云點(diǎn)火燃燒特性研究。鎂的點(diǎn)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(zhì)中，普遍認(rèn)為，在這2種介質(zhì)中，鎂的燃燒過程主要受氣相擴(kuò)散過程控制。鎂沸點(diǎn)和熔點(diǎn)都較低，易于氣化和燃燒，點(diǎn)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(fā)動機(jī)的可靠點(diǎn)火和燃燒，開展了大量理論研究，針對鎂顆粒群的著火機(jī)理、發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)燃料顆粒的不均勻分布現(xiàn)象及局部顆粒濃度較高區(qū)域的著火燃燒，分別建立了點(diǎn)火燃燒模型。此外，還基于粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)的自持燃燒，開展了一維鎂粉塵云層流燃燒的理論和試驗(yàn)研究。

20世紀(jì)50年代末，各國先后開展了鋁顆粒點(diǎn)火燃燒機(jī)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(yīng)。Brooks和Beckstead等[21-22]在總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)上，給出了鋁點(diǎn)火的相關(guān)結(jié)論，他們指出，鋁的點(diǎn)火可能遵循以下2種潛在方式：(1)保護(hù)性氧化物外殼破裂，使得鋁顆粒能夠暴露在氧化劑環(huán)境當(dāng)中；(2)氧化劑穿過保護(hù)性氧化物外殼向里擴(kuò)散，引起顆粒的自身加熱。但這2種方式的主導(dǎo)性仍存在爭議。研究表明，保護(hù)性氧化物外殼破裂是鋁點(diǎn)火的主導(dǎo)機(jī)制。一般而言，鋁顆粒粒徑在10～60 μm之間時，其點(diǎn)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(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者開始探究納米鋁顆粒的燃燒特性，Chowdhury 等[24]利用絲線反應(yīng)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(jié)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(guān)。Chakraborty等[25]利用分子動力學(xué)模擬分析了顆粒團(tuán)燒結(jié)的可能性，并結(jié)合燒結(jié)理論解釋了納米顆粒燃燒時間與粒徑的弱相關(guān)性。Ermoline等[26]發(fā)現(xiàn)考慮顆粒尺寸效應(yīng)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(shù)對燃燒時間和燃燒溫度的影響，發(fā)現(xiàn)對于納米鋁顆粒燃燒過程熱容納系數(shù)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(jī)理及反應(yīng)動力學(xué)。

以粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)和粉末火箭發(fā)動機(jī)為背景，鄧哲[29]開展了粉末推進(jìn)劑層流火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯?，為粉末推進(jìn)劑的燃燒理論提供了理論基礎(chǔ)，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(zhì)量熱值和體積熱值高等優(yōu)點(diǎn)。但由于硼點(diǎn)火困難及燃燒效率低，因此其在發(fā)動機(jī)中不能完全燃燒，能量特性得不到充分發(fā)揮。為尋求改善硼點(diǎn)火和燃燒性能的方法，從20世紀(jì)50年代初開始對硼粒子的點(diǎn)火燃燒作了大量的試驗(yàn)研究，并總結(jié)了硼顆粒的點(diǎn)火、燃燒模型[30-32]?？傮w來說，國外研究者偏重于硼顆粒點(diǎn)火燃燒的機(jī)理研究，TaKuo Kuwahara等[33-35]通過實(shí)驗(yàn)研究了Mg、Al、Zr、Ti等金屬添加物對硼顆粒點(diǎn)火和燃燒的影響。Yuji Kazaoka等[36]利用電加熱設(shè)備，并結(jié)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(qū)的凝相B2O3火焰鋒的變化規(guī)律。

國內(nèi)早期關(guān)于硼顆粒的研究側(cè)重于硼在推進(jìn)劑里的應(yīng)用[37-39]。近年來，關(guān)于硼顆粒點(diǎn)火機(jī)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(jìn)硼顆粒燃燒，但當(dāng)硼顆粒粒徑較小(小于1 μm)時，此時進(jìn)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(zhì)，如鋰、鎂等金屬，可有效地促進(jìn)硼的點(diǎn)火和燃燒，表面包覆也是改善硼點(diǎn)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(nèi)外關(guān)于粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)的研究仍處于起步研究階段。試驗(yàn)證明了發(fā)動機(jī)的可行性，但在諸多技術(shù)環(huán)節(jié)還需要深入研究。

2 粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

正如上文所述，粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)的研究中涉及到氣體動力學(xué)、燃燒學(xué)、多相流、材料學(xué)等諸多學(xué)科。各學(xué)科相互交叉共同構(gòu)成了粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)研究中的關(guān)鍵技術(shù)。而這其中粉末燃料供給、粉末燃料燃燒組織和發(fā)動機(jī)點(diǎn)火等技術(shù)為粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 粉末燃料供給技術(shù)

粉末供給技術(shù)是粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)粉末燃料的連續(xù)、穩(wěn)定、可控供給是發(fā)動機(jī)可靠工作的前提。粉末燃料供給裝置的主要設(shè)計(jì)思想是利用氣體將儲箱內(nèi)的粉末燃料流態(tài)化，同時在活塞的推動作用下保證粉末燃料的連續(xù)供給，最終以氣固兩相流的形式噴入燃燒室，完成燃料供應(yīng)過程。要實(shí)現(xiàn)粉末供給系統(tǒng)的高效設(shè)計(jì)，需進(jìn)一步提高粉末流量的調(diào)控精度，并開展過載、振動以及聲場作用下粉末流化機(jī)制和氣固輸送穩(wěn)定性研究，同時解決粉末流量調(diào)節(jié)比低等問題。

2.2 粉末燃料燃燒組織技術(shù)

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(fā)動機(jī)直接以固體顆粒作為燃料。通過對粉末燃料噴注器的優(yōu)化設(shè)計(jì)使其能在較大的粉末燃料質(zhì)量流率調(diào)節(jié)比內(nèi)均具有較好的噴注、離散效果。此外，為使發(fā)動機(jī)具有優(yōu)良的自持燃燒性能，可采取一定的火焰穩(wěn)定措施，如采用一定形式的火焰穩(wěn)定器[10-11]，或者借助外部高溫火源或流場自補(bǔ)償形成的點(diǎn)火源實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定燃燒[17]。

2.3 發(fā)動機(jī)點(diǎn)火技術(shù)

粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)點(diǎn)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(diǎn)火溫度高，對發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火及火焰穩(wěn)定都帶來了較大困難。目前，研究者分別采用電熱絲點(diǎn)火[43]、固體燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火[44]和高能火花塞點(diǎn)火[11]等方式對粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)行了成功的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，但上述點(diǎn)火方式均存在點(diǎn)火可靠性低以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，還不能滿足粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)點(diǎn)火器小型化、輕質(zhì)化、可靠性高等要求。因此，尋求高效可靠的點(diǎn)火方式是發(fā)展粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

值得注意的是，固體/粉末或液體/粉末組合沖壓發(fā)動機(jī)由于固體或液體推進(jìn)劑持續(xù)燃燒，為粉末燃料提供了高溫?zé)嵩?，故無需額外增設(shè)粉末燃料點(diǎn)火器，這也是該類組合沖壓發(fā)動機(jī)的一大特色。

2.4 發(fā)動機(jī)工作過程控制技術(shù)

當(dāng)前粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)工作過程中并未采用控制反饋，當(dāng)發(fā)動機(jī)被控物理量(如燃燒室壓強(qiáng))因擾動發(fā)生偏差時，系統(tǒng)不能采取任何措施來減小或者抑制這種偏差，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)無法實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和精確、穩(wěn)定控制。因此，對于發(fā)動機(jī)的工作過程應(yīng)采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)粉末燃料質(zhì)量流率和發(fā)動機(jī)燃燒室壓力的閉環(huán)控制，以降低發(fā)動機(jī)系統(tǒng)對不確定干擾和內(nèi)部參數(shù)變化的敏感度，提高整個發(fā)動機(jī)系統(tǒng)控制精度，增強(qiáng)發(fā)動機(jī)工作過程的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)兼具液體燃料沖壓發(fā)動機(jī)及固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，符合未來超聲速動力裝置的發(fā)展需要，在未來超聲速動力裝置中有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，針對粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，提出如下幾點(diǎn)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(tuán)聚等處理)，進(jìn)一步提高粉末燃料能量特性、輸運(yùn)特性和化學(xué)活性，降低粉末燃料點(diǎn)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(qū)動流化氣可行性研究

基于發(fā)動機(jī)一體化以及輕質(zhì)化設(shè)計(jì)要求，可探索研究用沖壓空氣作為活塞驅(qū)動氣體和粉末流化氣體的可行性，從而簡化發(fā)動機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高發(fā)動機(jī)性能。

(3)發(fā)動機(jī)快速響應(yīng)研究

發(fā)動機(jī)快速響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)包括控制反饋系統(tǒng)、作動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)沖量的實(shí)現(xiàn)等諸多環(huán)節(jié)。控制反饋系統(tǒng)可采用數(shù)字控制器作為發(fā)動機(jī)的控制中心，通過控制程序的優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的快速控制。

(4)環(huán)境適應(yīng)潛力及工作可靠性研究

發(fā)動機(jī)受高低溫環(huán)境、振動環(huán)境、發(fā)動機(jī)貯存時間等諸多因素影響條件下發(fā)動機(jī)工作特性為研究內(nèi)容，探索發(fā)動機(jī)環(huán)境適應(yīng)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(xué)基金(51576166)。

胡春波(1966—)，男，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榉勰┌l(fā)動機(jī)。E-mail： huchunbo@nwpu.edu.cn

V435

A

1006-2793(2017)03-0269-08

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.03.001