冲压发动机原理及技术(7-9)

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1、 219 第第7章章 冲压发动机的燃料及材料冲压发动机的燃料及材料 7.1. 冲压发动机液体燃料特性冲压发动机液体燃料特性 冲压发动机所用的液体燃料与喷气式发动机的相同， 典型代表是美国的 JP 和 RJ 系列军 用喷气燃料。其中 JP-1、JP-2 和 JP-3 是早期的喷气燃料，多为汽油或煤油提取物。1944 年 首先发展起来的 JP-1 系煤油型燃料，易含水分；JP-2 因提炼过程耗费太多原油而没有被广 泛使用；JP-3 闪电太低（-40） ，容易挥发。后来发展了 JP-4 和 JP-5，具有良好的综合性 能。RJ 系列燃料，如 RJ-4、RJ-4I、RJ-5、RJ-7，以及 JP-9、

2、JP-10 等是一系列人工合成、含 一种或几种化合物的燃料。上述燃料的性能见 7.1 所示。 表 7.1 冲压发动机可用的喷气燃料主要特性 JP-4 JP-5 RJ-4 RJ-4I JP-5 JP-9 JP-10 JP-7 JP-8 平均分子式 C95H189 C10H19 C12H20 C12H20 C14H18 C10.6H16.2 C10H16 C12H25 C11H21 平均分子量 133 139 164 164 186 143 136 169 153 C:H 0.50 0.53 0.60 0.60 0.78 0.65 0.62 0.48 0.52 比重 0.77 0.83 0.94

3、0.94 1.08 0.94 0.94 0.79 0.81 冰点， 0 0） ，粘度高，过冷 时会立即结冻成固体，引起燃料系统关闭。 尽管有很多缺点，RJ-5 的高热值还是受到了很多人的关注，人们把它和 JP-10 等低粘度 物质混合，制备出比例不同的一系列高热值燃料，比重可以达到 1.021.04。但后来 RJ-5 的 发展遭遇了停滞： 它的原料降冰片二烯主要来自于荷兰壳牌公司一种杀虫剂的副产品， 壳牌 停止生产这种杀虫剂以后， 可商业化的大量降冰片二烯也很难再得到了。 于是人们又致力于 用成本较低的、国内易得的原材料来仿造类似 RJ-5 的混合物，RJ-7 就是一例，RJ-7 是三重 混合

4、物，包含全氢环戊二烯三聚体，环戊二烯和茚加合产物的二氢衍生物，以及 JP-10，它 的热值(42 MJ/L)比 JP-10(39.6 MJ/L)高，但粘度(400 cSt)也比 JP-10(19 cSt)大。 7.1.3. 凝胶燃料凝胶燃料 某些金属、非金属和它们的化合物如铝、硼、碳、碳化硼等，具有非常高的体积热值， 把它们添加到基础燃料中能大大提高燃料的整体能量值， 随着固体添加剂的增加， 热值在某 些情况下能成四倍的增长； 因此凝胶燃料也是高密度燃料发展中一个重要的部分。 固体组分 与基础燃料的有效混合可以借助于凝胶剂，如苯乙烯-丁二烯共聚物，壳牌的含磷 ALMB-2 聚合物，以及氧化铝颗

5、粒等来完成。很多合成凝胶燃料都很稳定，热值很高，流动性适合导 弹要求，而且在溢出或泄漏时安全性更高，在导弹飞行时能消除燃料重心的快速转变。但这 种燃料的缺点也很多， 主要包括以下几点： 固体燃料比液体更难处理， 更难获得有效的燃烧， 还要克服可能的并发症，诸如颗粒处理，喷注器磨损，燃烧效率低，固体颗粒残余，火焰温 度高和处理困难等。虽然胶状燃料有极高的热值，研究成果也有周期性的更新，但这方面的 研究一直没有实践性的应用。 7.1.4. 天然存在的金刚烷燃料天然存在的金刚烷燃料 1985 年之后，高密度燃料的一大成果是天然存在的金刚烷的发现，金刚烷是长期地质 年代后的石油降解残留物，在原油和天然

6、气中以微量组分存在，它有高度致密的分子结构，221 体积能量值高， 低温性能好， 是很有潜力的高密度燃料候选物。 金刚烷的分子结构极其特殊， 在美国莫比尔湾发现的金刚烷是致密、笼状、菱形多环烷烃分子的复杂混合物，主要组分是 一金刚烷，二金刚烷，三金刚烷，甲基取代的衍生物，以及少量的 C22H28,C26 H32和更高分 子量同系物；因为这些复杂化合物的合成难度很大，很多分子对有机化学家来说都是新的， 化学家们只制造和探讨了这类分子中最简单的类型。 金刚烷的烷基取代衍生物为液态， 低温 性能好，还兼有高效增溶剂的作用，能促进固态组分在溶液中的溶解；三个甲基基团就可以 把高溶点的二金刚烷固体转变成

7、溶点-54的低粘度流体。 美国已经设计并生产了以金刚烷为基础的高密度燃料。燃料 RF-1 的主要组分是一金刚 烷衍生物，RF-2 包含一金刚烷衍生物、二金刚烷衍生物和三金刚烷衍生物，RF-3 主要为二 金刚烷衍生物和三金刚烷衍生物，RF-4 大部分为三金刚烷衍生物。这些燃料的质量热值与 JP-10 相当，但体积热值却比它大，这是金刚烷分子结构致密性的结果。在较大的空燃比范 围内，RF-1、RF-2、RF-3 单位体积燃烧释放的能量远远大于 JP-10，证明了金刚烷类燃料提 高航程的巨大潜力。 7.1.5. 人工合成高密度燃料人工合成高密度燃料 金刚烷类燃料是天然气开采中的少量副产物， 它们的实

8、用性与天然气的生产操作密切相 关，而后者在供应及间接成本方面是很不确定的。于是人们开始研究具有相似、甚至更好的 分子结构致密性的燃料合成高密度烃类燃料。 高密度燃料的合成策略基本相同： 选择或 制备结构致密的分子作为基本材料，然后重排获得密度更高、粘度更好的结构。合成方法大 体可分为两种，一种是热聚合-异构化的方法，如前面提到的 RJ-5，用降冰片二烯和双环戊 二烯的热聚合产物作基础,加氢饱和双键,然后异构化得到液态产物，总产率一般小于 30%； 另一种是沸石催化方法， 沸石兼有对聚合和重排的催化作用， 可以得到多种共溶物的液体混 合物，产率可达 2090%，热值和低温性也更佳。 人工合成高密

9、度燃料能最大限度的设计和控制目标燃料，通过选用不同原料，采用不同 过程改善燃料性能以满足特定要求；同传统大比重煤油相比密度更大、燃烧热值更高、综合 性能更好。如果能降低它的高成本，合成高密度烃类燃料将成为极具发展前景的新型燃料。 7.1.6. 高密度吸热型碳氢燃料高密度吸热型碳氢燃料 随着冲压发动机动力导弹的飞行速度越来越快， 特别是高超声速飞行器成为当今及未来 航空航天领域发展的热点， 传统的隔热防热方式已经不能满足要求， 而利用燃料进入燃烧室 燃烧之前先流经发热部件表面带走热量的工艺是最佳方案， 即燃料本身就是最经济、 最高效 的可燃冷却剂。 从单位质量的冷却能力和燃烧热值角度考虑，液氢无

10、疑是最理想的冷却剂和推进剂。由 于液氢的定压比热和汽化潜热比碳氢燃料大， 因此液氢的总吸热能力较碳氢燃料大得多。 当 液氢从液态温度（20K）吸热升温至 1000K 时，其热沉可达 14.082106Jkg-1。液氢除了 具有高冷却能力外，还具有高的热值。液氢单位质量的燃烧热值为 123.187106Jkg-1，在 飞行马赫数 Ma8 的飞行器上， 液氢被公认是目前首选的同时满足冷却和燃烧要求的低温燃 料。但液氢燃料的使用也存在一些无法回避的问题。 （1）液氢是一种深冷的低温液体，它的液化温度很低（20K） ，要使氢液化并保持于液 化状态需要消耗能量。从理论上讲，使 H2 液化需要消耗的能量为

11、 11.8106Jkg-1左右， 而实际上所需消耗的能量远高于上述理论值，因此液氢燃料的制备成本很高。 （2）液氢燃料单位质量的燃烧热值很大，但由于其密度很小（30.071g.cm=） ，单位222 体积的燃烧热值很低，约为 8746KJ/m3。因此飞行器使用液氢燃料时需要体积庞大的储存设 备，增加了飞行器的重量、降低了飞行器的重量、降低了有效载荷，在大气层内飞行时，还 将增加飞行阻力。此为，不论是地面设备或飞机上的供储系统均需有深冷装置，携带、加注 和操作都不方便。 （3）液氢极具挥发性，且易燃易爆，当空气中氢占 18.3%59%（体积）时稍有摩擦、 撞击、静电或火花即发生爆炸，在 4%75

12、%时引起燃烧。因此无论是在路基上、还是在飞行 器上都存在着后勤和安全问题，也给军事战术带来巨大困难。 （4）液氢是低温燃料，低温液体的储存和运输对容器及管道材料有苛刻的要求，防止 氢脆和渗漏是液氢储存和使用过程中必须解决的又一关键问题。 与液氢相比碳氢类燃料具有明显的成本低廉、储运方便、安全系数高等优点，但传统的 喷气燃料的冷却能力只能局限于物理热沉， 其热稳定性和抗氧化性是有限的， 而且很容易发 生静电反应，因此只能在中等温度下使用，热沉无法满足未来高超声速飞行器的冷却要求； 另外，若将传统喷气燃料在高温下使用会发生强烈的结焦，进而堵塞发动机的燃料系统，并 使喷注器系统发生结垢或使系统的材质

13、发生腐蚀， 影响发动机的正常工作。 因此传统的喷气 燃料不适于冷却高马赫数飞行器的高温发动机。 基于以上因素，提出了高密度吸热型碳氢燃料这一概念。它除了利于其本身的物理热沉 外，还可以利用其在气相条件下发生化学反应吸收热量（化学热沉） ，即在进入燃烧室之前 裂解为小分子产物，裂解过程吸收热量，因而冷却能力大大增强，从而能满足高超声速飞行 器的冷却要求。 更优越的是它在发动机燃料箱容积受限制时， 能有效地增加导弹所携带燃料 的能量，降低发动机油耗，从而满足导弹高速和远射程的要求；或在导弹航速和射程不变的 情况下，减小发动机燃料箱容积，使导弹小型化，从而提高导弹的机动性和突防能力。 吸热型碳氢燃料

14、的研究主要围绕催化脱氢和高温热裂解/催化裂解这几种吸热机理展 开；研究重点包括燃料的选择与制备、催化剂的筛选和评价、热沉测定、结焦抑制等方面。 20 世纪 7080 年代，吸热型碳氢燃料的研究在世界范围内兴起,主要以环烷烃的催化脱 氢为重点。 催化脱氢的优点在于较低温度下有较高的转化率、 反应吸热量大、 产物单一稳定， 并且能产生大量的氢气，对燃烧和催化剂有利；缺点是选用的催化剂 Pt-Al2O3体系中的 Pt 价格昂贵，并且生成甲苯燃烧性能不好，在燃烧室内易结焦。甲基环己烷(MCH)和十氢化萘 的脱氢是当时研究的热点， 常被作为脱氢反应的模型化合物。 甲基环己烷可以算作美国的第 一代吸热碳氢

15、燃料，它能提供 2.72 MJ/kg 的热沉，可满足马赫数 46 的飞行。但在 20 世 纪 80 年代以后，由于研究重点的转移，催化脱氢的研究几乎不再有突破性的进展。如果要 在该领域取得成绩，就必须找到廉价而性能优良的催化剂和结焦抑制剂。 20 世纪 90 年代,吸热型碳氢燃料的研究转向热裂解和催化裂解。与热裂解相比，催化裂 解需要的反应温度低，吸热反应速率快，产物的选择性高、燃烧速率快、不易结焦，更受各 国研究机构青睐。目前为止，裂解反应仍是美国在吸热燃料方面研究的焦点；美军研制的吸 热碳氢燃料既有含几百种碳氢分子的石油精馏产品如 JP-7，JP-8(空军和陆军通用的单一燃 料)；又有纯物

16、质或少数纯物质的混合物如 JP-10。美国对 JP-7、JP-8+100、JP-10 等液体碳 氢燃料进行催化裂解地面试验，结果表明，700时 JP-7、JP-8+100 的物理热沉没有明显的 差别， 均为 2.06MJ/kg， 化学热沉以 JP-7 最高(1.07 MJ/kg)， JP-8+100 其次(0.82MJ/kg)， JP-10 的热沉值最低(0.54MJ/kg)， 三者提供的总热沉都可以满足马赫数为 46 的超声速飞行； 尽管 三者裂解的主要产物相同，但产物分布有明显不同。 吸热燃料作为冷却剂，首先要考虑的是其热稳定性能，即在被加热的条件下燃料系统表 面以及燃料主体中形成固体沉积物的程度， 能否满足正常飞行要求。 减轻沉积的措施包括添 加剂、燃料脱氧和表面处理，其中添加剂和燃料脱氧是最有效的手段。美国提高燃料高温热 稳定性有两大思路：添加热稳定性添加剂（如 JP-8+100）和研制高热稳定性的新型燃料（如223 JP-900） ，都取得了不错的成绩。 为改善燃料性能，各国都在进行添加剂的研