含能碳氢燃料燃烧特性及发动机应用研究进展

靳雨树，徐旭，杨庆春，*

1．北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191

2．中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所，绵阳 621000

高性能液体碳氢燃料是航空航天及国防领域的关键核心技术［1-2］。液体碳氢燃料的能量特性对航空航天发动机及飞行器性能有显著影响，提高碳氢燃料的密度和体积热值是提升其能量特性的重要途径［3-5］。对于火箭发动机，可优化火箭整体尺寸、提高运载能力、增加有效载荷等；对于冲压发动机，可提升发动机比冲性能，进一步优化动力系统结构和飞行器整体设计。

传统液体碳氢燃料基本来源于石油炼制产物，受原油组分限制，密度最高约0.8 g/mL，体积热值约35 MJ/L。采用人工合成和燃料复配等方式是提高碳氢燃料能量特性的有效途径［6-10］，经这些方式制备的高性能液体碳氢燃料密度一般在0.9 g/mL 以上，体积热值提高至40 MJ/L，一定程度满足了当前航空航天动力系统的需求，但其密度超过1 g/mL 时低温性能和应用性能显著下降［11］。在液体碳氢燃料中添加铝、硼等高能金属（非金属）固体颗粒，并添加表面分散剂或凝胶剂可制备成物理和化学特性稳定的含能碳氢燃料，高能固体颗粒的密度和体积热值均显著高于液体燃料，因此含能碳氢燃料具有更理想的理论能量特性，有望成为未来更高动力需求的重要解决方案［12-16］。

本文对含能碳氢燃料的燃料体系、单液滴燃烧实验和发动机应用进展等3 方面内容进行综述，首先，介绍了含能碳氢燃料的发展需求和主要类型，重点介绍了浆体燃料和含能凝胶燃料的燃料组成及其在实际应用中的优劣势和关键技术；其次，对含微米颗粒碳氢燃料和含纳米颗粒碳氢燃料的单液滴燃烧实验研究成果进行了总结分析；然后，对含能碳氢燃料在液体火箭发动机和冲压发动机2 类典型航空航天发动机中的应用研究进展进行介绍；最后，提出了含能碳氢燃料的未来发展建议。

1 含能碳氢燃料概述

1.1 含能碳氢燃料的发展需求

液体碳氢燃料是目前航空航天推进系统的主要动力来源，燃料的性能直接决定飞行器性能，提高液体碳氢燃料的能量特性对未来高性能推进系统及高性能飞行器的发展至关重要。图1展示了多种液体碳氢燃料和新型含能碳氢燃料的密度和体积热值数据，可以发现碳氢燃料的发展以更高密度和更高体积热值为主要趋势。

图1 典型高密度碳氢燃料的密度和体积热值Fig.1 Density and volumetric heat value of typical high-density hydrocarbon fuels

传统的液体碳氢燃料主要包括RP-3、JP-4、JP-5 等，均为石油炼制产品，其中，航空煤油RP-3 以链烷烃为主要成分，密度约0.78 g/mL，体积热 值 约33 MJ/L［17］；JP-4（C9.5H18.9）是 美 国20 世纪末使用最广泛的液体碳氢燃料之一，密度和体积热值与RP-3 接近，其冰点和黏度较低，挥发性高，适合有低温操作需求的场景，在空军的导弹武器中应用较广［18］；JP-5（C10H19）是高闪点型液体碳氢燃料，密度0.83 g/mL，体积热值约35 MJ/L，其低挥发性特点能确保燃料在舰船上储存的安全性，在海军中应用较广［19］。然而，这3 种传统碳氢燃料的密度基本达到石油提取物的上限，已不能满足当前动力系统的更高需求。

根据碳氢类化合物的分子结构和构效关系，采用人工合成和燃料复配等方式是继续提高碳氢燃料密度的有效途径［6］，经这种方案制备的液体碳氢燃料主要包括二聚体多环碳氢燃料、高张力笼状碳氢燃料等类型。二聚体多环碳氢燃料包括RJ-4、RJ-4-I、JP-10、HD-01 等，燃料密度均在0.92 g/mL 以上，体积热值超过38.5 MJ/L。其中，JP-10（C10H16）是目前美国使用的最为成功的高密度碳氢燃料［20］，其原料来源广泛、合成成本更低，已成为用量最大、用途最广、综合性能最好的高密度液体碳氢燃料，是美国导弹标准燃料，“战斧”海基巡航导弹、“捕鲸叉”反舰导弹等大量使用JP-10 作为燃料，高超声速飞行器、脉冲爆震发动机和军用燃料电池等中也有应用［21-23］。HD-01（C10H16）是天津大学开发的中国第1 个高密度燃料［24-26］，以挂式四氢双环戊二烯为单一组分，性能指标与美国JP-10 一致。高张力笼状碳氢燃料也是目前极具潜力的高密度碳氢燃料类型，其具有高度紧凑的分子结构，含有较高的张力能，因此密度和体积热值都很高。四环庚烷［27-30］（QC，C7H8）是目前比较受关注的高张力笼状碳氢燃料类型，密度为0.98 g/mL，体积热值约43.9 MJ/L，高于目前使用的大多数液体碳氢燃料。

通过人工合成和燃料复配等途径提高碳氢燃料密度和体积热值等能量特性参数的努力取得了较为满意的成果，但未来的进一步提升空间十分有限，一方面，液体碳氢燃料的质量热值往往随密度的增加而降低，因此密度比冲的提升受到限制，另一方面，液体碳氢燃料的低温应用性能随着密度增加也会显著恶化，无法满足实际的应用需求［31-32］。

在液体碳氢燃料中添加高能固体颗粒是继续提高燃料密度和体积热值的重要技术途径［33-34］，几乎所有的高能固体颗粒均有着高于碳氢燃料的体积热值，甚至达到3～4 倍，有些高能固体颗粒的质量热值也高于碳氢燃料，如图2所示。

图2 各类高能固体颗粒与液体碳氢燃料的质量热值和体积热值对比Fig.2 Comparison of mass and volumetric heat values of various energetic additives with liquid hydrocarbon fuels

20世纪60年代开始，Gordon［35］、Zurawski［36］、Rapp［37-38］、Palaszewski［39-42］等陆续对各类 高 能 固体颗粒在液体碳氢燃料中添加带来的性能影响开展理论计算、基于飞行任务的评估以及工程应用的可行性研究。研究结果表明：相同条件下，在液体燃料中加入锂、铍、硼、铝等可以提高推进剂理论质量比冲，铁会导致质量比冲降低；在可以提高质量比冲的含能颗粒中，锂和铍由于分子量较小，能量密度大，提升质量比冲效果十分明显，但其较低的密度使得实际应用时效果并不理想，实际飞行任务还需考虑燃料的安全问题，铍具有毒性，不利于推进剂的制备和加注等操作，在氢/氟推进剂中加入锂会出现特殊的安全问题。

总体来看，目前最具应用潜力的含能添加物为硼（B）和铝（Al），图1 中即展示了在JP-10 和QC 这2 类具有代表性的液体碳氢燃料中添加不同质量分数的硼和铝对应的含能碳氢燃料密度和体积热值数据，可以明确看到硼或铝颗粒的加入可以显著提高燃料的能量特性参数，相关的研究工作也主要沿着含硼碳氢燃料和含铝碳氢燃料的燃烧特性和应用研究继续开展。

1.2 含能碳氢燃料的主要类型

早期的研究中，对于固体颗粒的处理只是将其与液体燃料简单混合形成悬浮液，而这种悬浮液的储存时间达不到使用要求，短时间内即会出现大量沉降，使燃料密度不均匀，燃料的实际能量特性与理论差距巨大。因此，解决含能碳氢燃料中固体颗粒的团聚和沉降问题是其工程应用的必经之路，目前主要有2 种解决方案，表1 给出了2 种含能碳氢燃料类型对应的燃料组成示意图、各自优缺点和关键技术。

表1 2 种含能碳氢燃料类型对比Table 1 Comparison of two types of energetic hydrocarbon fuels

1.2.1 浆体燃料

浆体燃料（Slurry Fuel）是最早提出、处理方法最简单的含能碳氢燃料类型。在普通液体碳氢燃料中加入固体颗粒后，继续加入表面活性剂（Surfactants），可以促进固体颗粒与液体分子间产生某种化学键而使固体颗粒在液体中保持稳定悬浮状态。

在早期的理论研究和实验研究中，由于制造技术限制，固体颗粒的尺寸都比较大，最小尺寸均在微米级以上。随着纳米技术的发展，使得在液体燃料中添加更细小的、直径在1～100 nm 之间的纳米固体颗粒成为可能。固体颗粒直径的大幅减小，意味着粒子相对表面积大幅增大，这使得固体颗粒与气体分子的接触面积增大，可以有效地提高化学反应效率，使固体颗粒的能量能够充分释放。然而，纳米颗粒间存在的特殊力学效应使其更易发生团聚和沉降现象。

Gedanken［43］提出了利用超声波方法进一步促进纳米颗粒在液体燃料中均匀分散的方法，其原理为当液体暴露在超声波环境中时，传入其内部的声波使得液体内出现高压低压循环区，由此可产生能够克服纳米粒子间引力的动力，从而使得纳米粒子充分分散而不发生团聚。Gan 和Qiao［44］尝试在不同液体燃料中添加固体颗粒并通过超声波化学技术使之混合，其在乙醇中添加纳米铝粉的样本在常温常压保存24 h 后仍然没有出现沉降。Li 等［45］采用超声方法对含纳米硼颗粒的乙醇燃料进行处理，发现硼颗粒在24 h 内可以在乙醇燃料中保持稳定悬浮状态。鄂秀天凤等［46-47］同样使用超声处理方法对含纳米硼和纳米铝的碳氢燃料进行处理，研究表明在经过5 d的静置后，依旧有77% 的纳米颗粒保持悬浮状态。

对纳米固体颗粒进行表面改性也是保持浆体燃料稳定性的重要手段［48-49］，通过改变纳米颗粒的表面结构和状态，一方面可以改善纳米颗粒的表面活性，赋予其新的机械、物理、化学性能，另一方面可以消除纳米颗粒的带电效应并在颗粒表面形成势垒［50］，从而改善浆体燃料中纳米颗粒的分散特性，减弱团聚效应，提高浆体燃料的稳定性。Javed 等［51］将油酸和纳米铝颗粒添加至球磨机中制备了油酸包覆的纳米铝颗粒，并在此基础上制备了含纳米铝的煤油浆体燃料，采用这种方案制备的浆体燃料可维持10 h 的稳定。鄂秀天凤等［52］在制备纳米铝颗粒的同时加入高分子聚合物对纳米颗粒进行包覆，使纳米颗粒表面原子形成化学键，提高了含纳米铝颗粒在JP-10浆体燃料中的分散稳定性。鄂秀天凤等［33］在制备含纳米硼JP-10 浆体燃料时，同时对纳米硼颗粒、保护配体和JP-10 液体进行加热，使硼颗粒表面发生改性，最终得到了稳定性良好的含纳米硼浆体燃料。Mathe 等［53］在抽吸等离子体反应器制备纳米铝颗粒的同时，蒸发棕榈酸并将其包覆在纳米颗粒表面，获得了平均粒径140 nm 的表面处理纳米铝颗粒。

使用表面分散剂、超声处理技术和颗粒表面改性技术所得到的含纳米颗粒浆体燃料基本可以满足地面试验需要，含能颗粒在一定时间内可保持良好的均匀分散状态。然而，颗粒间团聚和沉降的趋势依旧存在，长时间贮存时会导致浆体燃料的安全性和稳定性出现问题，在工程领域的应用性较差。

1.2.2 含能凝胶燃料

含能凝胶燃料是在凝胶燃料（Gel Fuel）基础上发展的含能碳氢燃料类型。凝胶燃料是在普通液体碳氢燃料中加入少量凝胶剂（Gelling Agent）后形成的本身具有较好稳定性和骨架支撑结构的燃料［54-55］，在此基础上添加高能固体颗粒使其悬浮于凝胶体系后依旧可以保持稳定的状态，密度也比较均匀［56-57］。凝胶剂常分为2 类［58］：有机凝胶和无机凝胶，前者是亲液性、高极性的合成聚合物以及经改性的天然有机物，凝胶燃料之间主要通过所添加的有机高分子之间的氢键及相互联系，形成稳定的三维网状结构，燃烧性能更好；无机凝胶是各种精细分散的固体颗粒，凝胶燃料主要依靠不能燃烧的无机微粒的布朗运动及范德华力形成网状结构。

美国在含能凝胶燃料方面进行了大量研究。1933年，金属化液体燃料开始在内燃机内实践应用，就是含能凝胶燃料的雏形。20 世纪60年代研究的重点是铝-肼多相燃料、液氧/液氢/铍多相燃料、液氟/肼/铝多相燃料等，20 世纪70年代美国国防部进行了自燃式双组元凝胶推进剂的研发工作，重点放在肼衍生物的凝胶燃料与红色发烟硝酸的凝胶氧化剂的组合方面。20 世纪80年代，Lewies 研究中心着重研究了RP-1/Al 凝胶体系。Rapp 和Zurawski［37-38］选择不同的凝胶剂及5 μm和15 μm 这2 种粒径的铝粉制备了24 种含铝RP-1煤油凝胶，对燃料凝胶的稳定性、流动性、加速储存稳定性进行实验研究，结果表明，推进剂中固体颗粒质量分数为50%以下时，在9.6g的离心加速度下体系未发生物理分离，凝胶剂的稳定性作用良好。20 世纪90年代之后，美国Argonide公司、NASA 格林研究中心与宾夕法尼亚州立大学合作研究了RP-1/Al 配方，并评估了其燃烧性能［59］，结果表明：当添加质量分数30%以上平均粒径为100 nm 的超细铝粉之后，推进剂系统获得了良好的动力学稳定性，而且纳米铝粉能够完全燃烧，同时也加速了RP-1 的点火。将凝胶推进剂应用于运载火箭、空间发动机等领域是美国现阶段的重要任务。

21世纪，以色列理工学院［60］、印度理工学院［13］和中国天津大学［61-64］等研究人员面向航空航天发动机的应用需求，均开发了不同类型的含硼颗粒、铝颗粒凝胶燃料体系，开展了关于含能凝胶燃料的供应、喷注、雾化、燃烧等发动机应用特性研究，具体结果将在第2 节和第3 节中进行介绍。目前的研究结果表明含能凝胶燃料确实可以有效改善纳米固体颗粒的均匀分散特性，有利于燃料能量特性的提升。

含能凝胶燃料虽然可以有效改善固体颗粒的均匀分散特性，具有较高的应用潜力，但其仍然存在一些需要解决的问题才能实现工程化应用：① 含能凝胶燃料属于非牛顿流体，意味着适用于牛顿流体如煤油等传统液体燃料的供应系统不再适用，需要开发相应的含能凝胶燃料供应系统才能实现其工程化应用；② 含能凝胶燃料喷注雾化问题，由于非牛顿流体的黏性特性十分复杂，基于牛顿流体设计的喷注器很难实现含能凝胶燃料的良好雾化，进而影响燃料的燃烧特性。

2 含能碳氢燃料的单液滴燃烧实验

含能碳氢燃料的基础理论研究已证明其具有比液体碳氢燃料更优异的能量特性，开展含能碳氢燃料单液滴的基础性燃烧实验研究对直观认识含能碳氢燃料的燃烧特性具有重要意义。

世界各国研究人员对纯液体碳氢燃料的单液滴燃烧过程已进行了大量理论研究和实验研究。Spalding［65］在稳态常物性和球对称等假设条件下，通过理论推导得到了著名的d2定律并在实验中得到了验证［66］，即液滴的蒸发燃烧时间与液滴初始粒径的平方呈线性变化关系；此外，液滴扩散燃烧中燃烧速率也与压力P1/3相关［67-68］，含能碳氢燃料的单液滴燃烧特性研究均以此为基础展开。

2.1 含微米颗粒碳氢燃料的单液滴燃烧实验

19 世纪80年代开始，含微米颗粒碳氢燃料的单液滴燃烧实验研究在美国宾夕法尼亚州立大学、普林斯顿大学、加利福尼亚大学等几所高校开展起来，对含微米铝/硼碳氢燃料液滴的蒸发特性、燃烧特性、颗粒团聚现象、爆裂现象等问题获得了深入的认识和解释，并提出了有关含微米颗粒碳氢燃料液滴的蒸发、燃烧模型，表2［69-76］罗列了含微米颗粒碳氢燃料单液滴燃烧实验研究的典型参数和主要研究结论。

表2 含微米铝/硼颗粒碳氢燃料的单液滴燃烧实验Table 2 Experiment on single droplet combustion of hydrocarbon fuel containing Al/B micron-sized particles

含微米铝浆体燃料的单液滴燃烧实验研究主要集中在宾夕法尼亚州立大学，Wong 和Turns［69］使用挂滴法对含有平均粒径4μm铝颗粒的JP-10 燃料进行点火和燃烧特性研究，实验中首次发现了浆体燃料液滴的爆裂（Disruption）现象，研究者对该现象的影响因素进行了研究，并对影响爆裂现象出现时间的条件进行了定量研究。实验结果表明：增加浆体液滴初始直径、降低火焰温度，均可延长液滴的点火时间。作为对照，在JP-10/Al 浆体燃料中加入表面分散剂、亚微米级碳颗粒制备了3 组浆体燃料作为对比，实验结果表明：在JP-10/Al 浆体燃料中加入表面分散剂和少量碳颗粒均会显著改善液滴点火特性。3 种浆体燃料液滴燃烧后团聚体的扫描电镜图像表明：未表面处理的JP-10/Al 浆体燃料液滴燃烧后的团聚体结构较为紧实，表面为多孔可透水结构，平均直径较初始液滴直径偏小，添加表面分散剂的JP-10/Al 浆体燃料液滴燃烧后形成表面多孔、整体松散的团聚体，对于表面处理后的JP-10/Al/C 浆体燃料液滴，燃烧后的团聚体为表面较为致密的中空结构，这可能是碳颗粒的加入使团聚体表面壳体性质发生变化，形成更加坚实致密的壳体，致使燃烧过程中发生爆裂现象，因此表面出现空缺部分。

Wong 和Turns［70］在前期实验研究的基础上，使用挂滴法和新设计的飞滴法对JP-10/Al/C 浆体燃料液滴燃烧过程中的爆裂现象进行了详细研究。实验使用的浆体燃料分为多组，平均直径4 μm 的铝颗粒和平均直径0.35 μm 的碳颗粒占浆体燃料总质量的66%，而碳颗粒在固体颗粒中的比例在10%～80%范围内变化，共8 组，表面分散剂和稳定剂的比例也有不同，共6 组。研究结果表明：浆体液滴燃烧过程中的爆裂强度及团聚体形态与铝/碳颗粒的相对含量有关，其相对比例影响了液滴早期汽化过程中外壳的孔隙度和塑性；团聚体的破碎可使液滴燃尽时间迅速缩短；浆体液滴的爆裂时间与液滴初始直径呈正比关系，与液滴瞬态升温时间近似成比例，但与固体颗粒的质量分数无关。

Mueller 和Turns［71］使用气体雾化喷嘴作为飞滴法中液滴的生成装置，对含60%微米铝颗粒的RP-1 浆体燃料进行燃烧特性研究。通过铝蒸汽实时探测技术对液滴流向不同位置处的已经燃烧的液滴比例进行了测量，给出了定量比较结果；其还使用理论建模方法考察浆体液滴燃烧过程中铝颗粒尺寸对表面壳体的影响，建立了形成不渗透壳体后一段时间内的压力累积和机械应力累积模型，根据模型计算得到的结果与实验结果比较一致。

含微米硼浆体燃料的单液滴燃烧实验研究主要集中在普林斯顿大学，分别由Antaki 和Takahashi 带领的2 个团队负责，前者主要使用挂滴法对直径＞1 mm 的含硼浆体燃料液滴进行研究，后者则主要使用飞滴法对直径＜1 mm 的含硼浆体燃料液滴开展实验，对添加剂的影响进行了更为细致的研究并得到了丰富的结果，2 个团队所提出的理论模型［77-78］与对应实验结果的一致性较好。

Antaki 和Williams［72-73］使用挂滴法对添加平均粒径2 μm 硼颗粒的JP-10 浆体燃料进行了单液滴燃烧特性研究，微米硼颗粒的质量分数在0%～70%之间变化，实验发现：含硼燃料液滴的燃烧过程中硼颗粒并未燃烧；硼颗粒的质量分数不同时液滴的燃烧过程有较大差别：当硼质量分数f较低时，可以观察到液滴燃烧时出现周期性气体喷射现象，f＜0.4 时液滴直径在燃烧前期逐渐减小且符合d2定律，燃烧后期则基本不变，f＞0.5 时液滴直径在整个燃烧过程中几乎不变；其还使用理论建模的方法对液滴燃烧过程进行了研究，给出了液滴直径随时间变化、液滴燃尽时间随液滴直径变化等计算结果，与实验结果对比符合良好。

Takahashi 等［74］使用飞滴法对液滴直径更小的含硼JP-10 浆体燃料液滴进行燃烧特性研究，微米硼颗粒的质量分数在0%～30%之间变化，使用平焰点火器对滴落过程的浆体燃料液滴进行加热，实验探究了火焰氧气质量分数、火焰温度对燃烧特性的影响。研究结果表明：含微米硼颗粒的JP-10 燃料液滴燃烧时会出现爆裂现象，研究人员将含硼浆体燃料的单液滴燃烧过程分为4 个阶段：硼颗粒在液滴表面团聚、形成刚性多孔壳体、形成不可渗透壳体和发生爆裂，大尺寸爆裂碎片可能再次发生上述过程。

Takahashi 等［75-76］在前期研究结果的基础上，对硼颗粒尺寸、添加剂种类对液滴燃烧特性的影响进行了更为细致的研究，硼颗粒选用0.88 μm无定型硼和6.7 μm 晶体硼2 种，添加剂则选用热物理化学特性有一定差别的山梨醇三油酸酯和C32 聚酯，制备了颗粒质量分数为10%和30%的含硼JP-10 浆体燃料。燃烧过程的拍摄图片和分析表明：含添加剂的含硼浆体燃料燃尽时间较短，伴随爆裂过程和绿色火焰，光谱分析认为是硼的燃烧产物氧化硼发出的；不含添加剂的含硼浆体燃料需要接近2 倍的时间才完成燃烧，全过程并无绿色火焰和爆炸声，认为硼颗粒并未燃烧。在这一结果的基础上，Takahashi 等认为添加剂对于硼颗粒的燃烧具有关键作用。通过对不同成分的浆体燃料液滴进行实验，获得了液滴燃尽时间、燃尽距离数据，并对产物进行围观扫描电镜分析和显微切片分析。

图3［75］展示了Takahashi团队对含微米硼 浆体燃料单液滴的燃烧过程和重要机制的总结：液滴燃烧过程初期，硼颗粒会在液滴表面张力和液滴蒸发的共同作用下在表面聚集并形成多孔的壳体，随着燃烧的进行和添加剂的热分解发生，热分解产物与团聚颗粒相互作用慢慢形成了不可渗透的壳体，在内部液滴不断受热和压力增加的过程中，最终发生爆裂现象。在相关研究结果的基础上，Takahashi 团队还对影响浆体燃料液滴爆裂过程的影响因素进行总结，包括氧气浓度、气体温度、颗粒质量分数、颗粒尺寸、添加剂浓度、热分解温度和液滴初始直径等，具体影响过程可参考文献［76］。

图3 含微米硼浆体燃料液滴的典型燃烧过程［75］Fig.3 Typical combustion process of slurry fuel droplets containing micro-sized boron ［75］

总的来看，含微米铝/硼浆体燃料的单液滴燃烧过程均存在典型的爆裂/微爆现象，该现象是多种因素共同作用导致的。① 不可渗透硬质壳体是爆裂现象发生的前提：燃烧过程中，浆体燃料液滴中的微米级固体颗粒会在液滴表面形成可渗透的硬质壳体，然而，添加剂的热分解产物或亚微米级的其他颗粒会填充壳体的空隙、改变其表面孔隙特征，最终导致不可渗透硬质壳体的生成；② 内部压力持续累计是爆裂现象发生的直接原因：当硬质壳体形成后，液滴的持续受热会导致颗粒内部液体的温度升高，达到沸点的液体会不断蒸发并提高壳体内部压力，最终导致硬质壳体的破裂和燃气喷射。

含微米颗粒浆体燃料的爆裂现象可以加速液滴燃烧进程，提高液滴完全燃烧程度，然而，产物分析表明微米级固体颗粒很难充分燃烧，造成含能碳氢燃料的燃烧效率无法达到理想程度，实际燃烧表现与理论能量特性差距较大。

2.2 含纳米颗粒碳氢燃料的单液滴燃烧实验

20 世纪以来，纳米技术及纳米颗粒制备工艺不断发展，在液体碳氢燃料中添加纳米级固体颗粒成为可能，由于纳米级颗粒具有更高的反应表面积，氧化/燃烧反应更加剧烈，有望使含能碳氢燃料的实际燃烧表现更接近理想水平，因此含纳米固体颗粒碳氢燃料的单液滴燃烧特性实验研究也随之广泛开展起来。美国普渡大学、亚利桑那州立大学、韩国高等科技院、中国国防科技大学等研究人员于2008年开始陆续对加入纳米铝/硼碳氢燃料的单液滴燃烧特性进行更加细致的实验研究，目前的研究工作主要围绕燃烧过程和爆裂机制，并与含微米颗粒碳氢燃料的实验结果进行对比。表3［44，79-89］罗列了含纳米颗粒碳氢燃料单液滴燃烧实验研究的典型参数和主要研究结论。

表3 含纳米铝/硼颗粒碳氢燃料的单液滴燃烧实验研究Table 3 Experiment on single droplet combustion of hydrocarbon fuel containing Al/B nano-sized particles

亚利桑那州立大学Tyagi 等［79］研究了纳米铝粉添加对柴油燃料液滴点火性能的影响，实验在一块加热平板上进行，通过记录不同工况下的点火成功率，研究纳米颗粒尺寸对点火性能的影响规律。结果表明：添加10 nm 和50 nm 粒径的纳米铝颗粒确实有利于液体燃料的点火，研究人员认为这与燃料中纳米颗粒对辐射和传热传质特性的提升有关，含纳米铝颗粒柴油液滴可以在更低的温度下实现点火。

普渡大学Gan 和Qiao［44，80-81］使用挂滴法对添加纳米铝和微米铝颗粒的癸烷/乙醇浆体燃料进行了单液滴燃烧特性实验研究。对比分析了铝颗粒尺寸对浆体燃料单液滴燃烧特性的影响，给出了液滴直径随燃烧进程的变化曲线，借助厚度仅78 μm 的Pt/Pt-Rh K 型热电偶对液滴的温度进行实时测量，对燃烧过程的进程建立了直观认识和分析基础。研究发现：含纳米铝浆体燃料的单液滴燃烧过程可以分为5 个阶段：初始加热和点火阶段、经典液滴燃烧阶段、液滴微爆阶段、表面活性剂燃烧阶段和铝颗粒燃烧阶段，各阶段液滴温度和直径随时间变化的曲线如图4 所示；含微米铝浆体燃料的单液滴燃烧过程则仅出现前3 个阶段，如图5 所示。该差异是燃烧早期形成的颗粒团聚体表面特性不同所致，含纳米铝浆体燃料液滴燃烧后形成表面均匀、多孔、可渗透壳体，含微米铝浆体燃料液滴燃烧后则形成致密、不可渗透壳体。

图4 含纳米铝癸烷浆体燃料液滴燃烧过程中直径与温度的变化［44］Fig.4 Droplet size and temperature history during combustion of an n-decane/nano-Al droplet ［44］

图5 含微米铝癸烷浆体燃料液滴燃烧过程中直径与温度的变化［44］Fig.5 Droplet size and temperature history during combustion of an n-decane/micron-Al droplet ［44］

Gan 等［82-83］在前期实验的基础上，对添加纳米硼的癸烷/乙醇浆体燃料进行了进一步的单液滴燃烧特性实验研究，含硼癸烷燃料添加了表面分散剂促进硼颗粒的均匀分散，含硼乙醇燃料本身的分散特性较好。高速摄像和普通相机拍摄的燃烧过程图片表明：前者出现周期性且高强度的液滴喷射和液滴爆裂现象，燃烧较为完全，高强度的爆裂原因是正癸烷和添加剂的沸点不同，后者则始终存在强度较低的液滴喷射和液滴爆裂现象，存在少量燃烧产物，连续低强度爆裂是因为乙醇吸收空气中的水分后液滴内各组分沸点不同。

Tanvir 和Qiao［84-85］使用飞滴法对含纳米铝颗粒的乙醇浆体液滴开展进一步的燃烧特性实验，相比挂滴法产生的直径0.5～2.5 mm 的浆体液滴，飞滴法可以进一步减小浆体液滴直径至0.1～0.5 mm，更接近实际发动机实验中的液滴雾化水平，在液滴滴落路径上设置一个高温电加热线圈实现点火。研究发现：较小尺寸的浆体液滴燃烧仅包含纯液体燃料燃烧、乙醇/铝同时燃烧2 个阶段，铝颗粒燃烧较完全且没有机会形成较大的团聚体；研究还发现添加纳米铝颗粒可以增加液滴的热传导特性，提高液滴的燃烧速率，当铝颗粒质量分数为5%时，大约提高140%。

韩国高等科技院Javed 等［86］使用挂滴法对含纳米铝正庚烷浆体燃料液滴进行燃烧特性的实验研究，实验在常压环境下开展，流经液滴的干空气温度在600～850 ℃变化。结果表明：含铝正庚烷液滴的燃烧偏离经典的d2定律，液滴经历频繁的微爆（以多次液滴膨胀和爆裂为典型特征），导致燃烧时间相比纯净正庚烷液滴明显缩短，微爆强度随气流温度的升高而增强。

此外，Javed 等［87］还使用类似的方法对含纳米铝颗粒的煤油液滴进行了点火和燃烧特性的实验研究，干空气的温度范围调整为400～800 ℃，纳米铝颗粒质量分数变为0.1%～1.0%。研究发现含铝煤油液滴的燃烧同样偏离经典的d2定律，液滴燃烧过程中出现多次微爆现象；相比纯煤油液滴，含铝煤油液滴的总燃烧时间明显缩短。

国防科技大学杨大力等［88-89］在煤油凝胶燃料中加入微米级硼颗粒制备了5 种含硼凝胶燃料，硼颗粒和凝胶剂质量分数均在2%～10%范围内变化。研究结果表明：硼颗粒的加入会使凝胶液滴的微爆现象加剧；硼含量一定时，凝胶剂越多，含硼凝胶液滴稳定燃烧的时间越久，但微爆程度加剧，燃烧产物更加致密，可能会对硼颗粒的燃烧效率产生影响；凝胶剂含量一定时，硼含量越多，含硼凝胶液滴稳定燃烧的相对时间缩短，微爆程度加剧，且硼含量达到10%时可能存在不完全燃烧。

上述研究成果表明：含纳米颗粒碳氢燃料的单液滴燃烧特征过程、固体颗粒运动过程、壳体特性等与含微米颗粒碳氢燃料存在一定差异；含纳米颗粒碳氢燃料燃烧时同样存在爆裂/微爆现象，但原因更加复杂，目前的实验研究数量偏少，还不足以形成较为成熟的解释；固体颗粒尺寸减小至纳米级别时，燃烧产物明显减少且团聚现象并不显著，说明含纳米颗粒碳氢燃料的燃烧比含微米颗粒碳氢燃料更加完全，在实际应用中也具有更高潜力。

3 含能碳氢燃料的发动机应用

含能高密度碳氢燃料的单液滴燃烧特性研究工作已经取得了丰富的研究成果，对单液滴特征燃烧过程和典型燃烧机制形成了较为明确的认识，但其在航空航天发动机中的热态燃烧试验、能量特性评估、应用性能研究等工作还十分欠缺，相关的公开文献资料也仅十余篇，表4［90-95］和 表5［96-103］分别总结了含能高密度碳氢燃料在火箭发动机和冲压发动机中的应用研究进展。

表4 含铝/硼颗粒碳氢燃料在火箭发动机中的燃烧试验Table 4 Experiment on combustion of hydrocarbon fuel containing Al/B particles in rocket engine

表5 含铝/硼颗粒碳氢燃料在冲压发动机中的燃烧试验Table 5 Experiment on combustion of hydrocarbon fuel containing Al/B particles in ramjet engine

3.1 火箭发动机

美国宾夕法尼亚州立大学Mordosky 等［90］在火箭发动机中对添加平均粒径100 nm 铝颗粒的RP-1 凝胶燃料进行了热态试验，发动机使用外气内液同轴直流喷注器，试验氧燃比范围为0.5～5.0，发动机室压范围为1.0～2.8 MPa，纳米铝颗粒的质量含量分别为0%、5%、10%、30%、55%。试验结果表明：含纳米颗粒RP-1 凝胶燃料的燃烧效率在82.1%～88.3%范围内变化；纳米铝粉的质量分数为5%时，含铝RP-1 凝胶燃料的燃烧效率相比RP-1 纯凝胶燃料的燃烧效率提高6%，且多组试验结果统计的置信水平达到96%，其余3 组质量分数（10%、30%、55%）的含铝凝胶燃料与RP-1 纯凝胶燃料相比，平均燃烧效率基本一致；Mordosky 等［90］还 与Palaszewski 和Zakany［104-106］开展的含微米铝RP-1 凝胶燃料的研究结果进行对比分析，通过参数归一化处理，发现含纳米铝的凝胶燃料燃烧效率更高；试验中还发现当铝颗粒质量分数达到55%时，凝胶燃料的性态更偏近浆体且出现了较明显的沉积现象。

美国阿拉巴马大学Ellison 等［91］在采用旋流撞击式喷注器的火箭发动机中进行了RP-1/Al凝胶燃料的燃烧试验，纳米铝颗粒的质量分数固定为16%，试验中保持氧气流量不变，通过调整凝胶燃料流量使氧燃比范围在0.56～1.56 之间变化，发动机实际室压为1.2～1.6 MPa。试验结果表明：在所研究当量比范围内，发动机燃烧效率在72%～97%之间变化，但离散程度较大且与氧燃比无明显相关性。

2015年开始，北京航空航天大学和北京空天技术研究所针对含能高密度碳氢燃料在火箭发动机中的燃烧特性开展了一系列试验研究。Luo等［92］在采用直流离心式喷注器的火箭发动机中对含纳米铝颗粒JP-10 浆体燃料进行了细致研究，浆体燃料含有质量分数为16%的平均粒径30～50 nm 的铝颗粒，并添加2%的表面分散剂防止铝颗粒团聚，试验过程中保持总流量不变，同时调节氧气和燃料流量实现氧燃比在1.7～1.9 范围内变化，发动机实际室压为2.8～3.0 MPa。结果表明：JP-10 浆体燃料相比JP-10液体燃料的燃烧效率有一定提高，所研究氧燃比范围内增幅约3%～9%；Luo 等还使用热重分析、X 射线能量光谱分析、扫描电镜分析和激光动态光散射分析等手段对不同位置采集的燃烧产物进行了微观检验，对浆体燃料燃烧过程和特征形成进一步认识和解释。

邵昂等［93］在Luo 等工作的基础上，对浆体燃料供应系统进行了改进，相比之前的挤压式供应系统，新设计的液压驱动体积控制供应系统可以保证流量的精确供应，其对JP-10 液体燃料、JP-10+21%Al 浆体燃料分别开展了火箭发动机的热态燃烧试验，氧燃比在1.6～2.0 之间变化，室压为2.0～2.5 MPa。研究结果表明：氧燃比从1.6变化至2.0的过程中，JP-10+21%Al浆体燃料的燃烧效率相比JP-10 燃料由偏低4.8%变为偏高2.5%，随着氧气变得充分，燃烧温度提高，纳米铝颗粒燃烧更加完全；铝颗粒加入可以提高燃料密度，因此JP-10+21%Al 浆体燃料的密度比冲相比纯液体燃料提高5.5%～14.6%；出口沉积物的能谱分析表明JP-10+21%Al 浆体燃料燃烧产物中铝颗粒氧化率为74.1%，扫描电镜图片表明产物中包含大量直径500 nm～3 μm 的团聚体。

刘毅等［94］对新型高密度碳氢燃料四环庚烷（QC）及QC+15%Al 浆体燃料进行了燃烧特性试验研究，铝颗粒平均粒径为100 nm，氧燃比在1.6～2.0 之间变化，室压为2.5～2.8 MPa。结果表明：QC+15%Al 浆体燃料的燃烧效率稍低于QC 纯净燃料，随着氧燃比增加，前者的燃烧效率从86.3%上升到89.1%，纳米铝颗粒的燃烧更加充分；浆体燃料的高密度特性使其对应的发动机密度比冲相比纯液体燃料提高约3%；产物分析表明发动机喷管出口沉积物主要由碳、铝和氧化铝组成，铝颗粒的氧化率约91%。

作者团队［95］首次在火箭发动机中开展了含纳米硼碳氢燃料的燃烧特性试验研究，并与含纳米铝碳氢燃料进行了直接对比，基础液体碳氢燃料包括HD-01 和QC 燃料，浆体燃料包括HD-01+10%Al、HD-01+10%B、QC+10%B、QC+20%B 这4种，由于每种燃料对应的恰当氧燃比均不相同，研究采用余氧系数作为基准进行性能参数的分析与对比，余氧系数在0.6～0.8 之间变化，发动机室压为1.9～2.2 MPa。试验结果表明：添加纳米铝/硼颗粒均会导致燃料燃烧效率下降，这与纳米固体颗粒的团聚和不完全燃烧有直接关系，较低的燃烧效率和固体颗粒带来的两相流损失共同导致发动机质量比冲下降；由于含纳米颗粒浆体燃料的密度较高，因此其密度比冲相比纯液体燃料有一定提升，具体地，添加纳米铝颗粒的效果优于纳米硼颗粒，在HD-01 纯液体燃料中添加10%的纳米铝和纳米硼颗粒分别使密度比冲提高4.31%和1.72%，如图6［95］所示，在工程应用中有一定潜力；提高纳米颗粒含量可进一步提升发动机密度比冲性能，QC 燃料中添加10%和20%硼颗粒可分别使发动机密度比冲提升1.48%和3.46%，但会带来更严重的固相沉积问题。

图6 不同余氧系数下HD-01 纯液体燃料及2 种HD-01 浆体燃料的密度比冲对比［95］Fig.6 Density specific impulse comparison of HD-01 fuel and two HD-01 slurry fuels at different excess oxidizer coefficients ［95］

总体来看，在恰当的燃料成分和合理的发动机工作参数下，添加纳米固体颗粒有可能提升燃料的燃烧效率；由于含能碳氢燃料的高密度特性，其燃烧时对应的密度比冲相比液体碳氢燃料明显提升，不同颗粒类型和不同颗粒质量分数带来的效果有一定差异；含能碳氢燃料在火箭发动机中燃烧会造成一定的燃烧产物沉积现象，未来还需开展更深入的研究。

3.2 冲压发动机

德国宇航中心的Von Kampen 等［96］与Negri和Ciezki［97-98］在一个专门设计的燃烧器中开展了含微米铝颗粒和纳米铝颗粒Jet-Al 凝胶燃料的燃烧试验研究。初期的研究较为简单，结果表明随着理论燃烧温度提高，凝胶燃料的燃烧效率随之提高，环境压力的提高也会带来类似影响。此后，在加热器温度400 ℃，当量比0.75 设计状态下开展3 种含能凝胶燃料的燃烧特性试验和产物微观分析，发动机室压在0.86～0.96 MPa 范围内变化。含能凝胶燃料主要成分为62.5% 的Jet-Al 碳氢燃料、7.5%的胶凝剂和30%的铝颗粒，3 种含能凝胶燃料的铝颗粒类型不同，分别为30%微米铝颗粒、15%微米铝颗粒+15%纳米铝颗粒、30%纳米铝颗粒，其中微米铝颗粒的平均直径为0.78 μm，纳米铝颗粒的平均直径为160 nm。燃烧试验表明：前述3 种含能凝胶燃料燃烧效率的平均值分别为79.0%、77.8% 和75.6%，添加纳米铝带来的效果不如微米铝；燃烧产物的理化分析表明3 种燃料的氧化率基本在30%～50%之间，大部分的铝颗粒未氧化燃烧；扫描电镜图片显示纳米铝颗粒明显团聚，直径约200 μm，X 射线能量光谱分析结果显示产物以铝元素为主，氧元素含量很少。

以色列理工学院Gafni 等［99-100］在亚燃冲压发动机中对4 种含微米铝颗粒的煤油凝胶燃料开展燃烧特性试验研究，铝颗粒质量分数范围为5%～23%，亚燃冲压发动机采用头部和身部分别进气的结构方案，氢氧燃烧型加热器总温在700～1 200 K 范围内变化，冲压发动机室压在0.5～1.6 MPa 范围内变化，实际当量比为0.4～1.6。试验结果表明：添加微米级活性铝和镍包覆铝颗粒均导致凝胶燃料的燃烧效率下降，发动机质量比冲损失，铝颗粒质量分数越高影响越明显；由于发动机质量比冲损失过大，含能凝胶燃料的高密度特性未能使其对应的密度比冲提升，铝颗粒含量较高时甚至出现损失。

国防科技大学Xiao 等［101］在亚燃冲压发动机中对含微米硼煤油凝胶燃料进行了点火燃烧试验研究，使用乙醇/氧气燃烧型加热器提供马赫数Ma=3、总温625 K 的高焓空气，一部分与含能凝胶燃料同时从头部喷入开始燃烧，另一部分从身部喷入进行二次补燃。试验结果表明：硼颗粒质量分数分别为30%和40%时，燃烧效率分别为90%和80%，即硼颗粒质量分数提高，凝胶燃料燃烧效率下降；燃烧室长度由600 mm 减小至450 mm 时，燃烧效率下降了9%。

作者团队［102-103］在直连式超燃冲压发动机试验台完成了JP-10+16%Al 浆体燃料和JP-10 液体燃料的燃烧特性试验研究与分析对比，冲压燃烧室入口马赫数为2，总温1 700 K，当量比分别为0.56、0.73 和0.91。该研究首次在超燃冲压发动机中开展了含纳米颗粒碳氢燃料的燃烧特性试验研究，并针对发动机的实际应用特性开展了一系列研究工作。结果表明：含纳米铝浆体燃料的黏度较高，具有非牛顿流体特性，传统的直流式喷注器无法实现浆体燃料的可靠喷注，采用自激振荡喷注器可实现含纳米铝浆体燃料的稳定喷注和高效雾化；JP-10+Al 浆体燃料比JP-10液体燃料的燃烧效率有明显提高；添加纳米铝颗粒使冲压发动机燃烧室密度比冲有明显提升，不同当量比时的提升效果如图7［102］所示，当量比0.56 时的显著差异是由于JP-10 纯液体燃料与JP-10 浆体燃料对应发动机燃烧模态不同，当量比0.73 时密度比冲提升11.33%；含纳米铝浆体燃烧时会在发动机内壁面产生明显的固相沉积，当量比越高，固相沉积物越多，甚至干扰发动机测量系统获得有效结果；纳米铝颗粒的加入会导致发动机工作时壁面热流密度显著增加，在所研究当量比范围内，JP-10+Al 浆体燃料相比JP-10纯液体燃料对应的壁面热流密度提高约32%，燃烧时壁面的传热建模和计算结果表明，浆体燃料燃烧时导致的粗糙沉积层通过摩擦效应加强了高温燃气与壁面的对流换热过程，最终导致壁面热流密度的显著增加。

图7 不同当量比时JP-10 纯液体燃料与JP-10+16%Al 浆体燃料的密度比冲对比［102］Fig.7 Density specific impulse comparison of JP-10 fuel and JP-10+16%Al slurry fuel at different equivalence ratios ［102］

4 结论与展望

本文重点回顾了含能碳氢燃料的发展历史和当前需求，介绍了2 类含能碳氢燃料的典型组成、优缺点和关键技术，全面总结了含能碳氢燃料的单液滴燃烧实验研究工作，详细介绍了含能碳氢燃料在2 类典型航空航天发动机中的应用研究进展。主要结论如下：

1）浆体燃料的技术成熟度较高，应用于液体燃料发动机的供应和喷注雾化系统中改动较小，因此在前期验证性试验研究中采用较多，但浆体燃料长时间储存时会发生固体颗粒的团聚沉降问题，造成颗粒燃烧不完全和燃料性能恶化；含能凝胶燃料属于非牛顿流体，在实际工程应用中需解决燃料供应和喷注雾化等问题，然而，凝胶燃料体系可有效改善固体颗粒的分散特性，促进固体颗粒充分燃烧，实现含能碳氢燃料实际性能的提升，工程应用潜力更高。

2）含能碳氢燃料的单液滴燃烧实验研究证明其具有更佳的燃烧特性：相比纯液体碳氢燃料，含能碳氢燃料的燃烧温度更高，点火延迟时间更短；其次，含能碳氢燃料液滴的燃烧过程存在液滴爆裂、蒸汽喷射等独特现象，在合适的燃料配方和燃烧环境中，这些现象可以促使含能碳氢燃料液滴的燃烧时间缩短。

3）含能碳氢燃料在航空航天发动机中的应用研究还处在探索阶段，具有一定的应用潜力：火箭发动机中，基本确定了含能碳氢燃料的适用性和稳定工作能力，相比液体碳氢燃料，应用含能碳氢燃料可提升发动机的密度比冲性能；冲压发动机中，初步验证了含能碳氢燃料的适用性，采用匹配的喷注方案可获得良好的喷注雾化特性，相比液体燃料，含能碳氢燃料的燃烧效率和发动机密度比冲均有显著提升。

纵观含能碳氢燃料的发展历程和研究现状，本文对其下一步发展提出建议：

1）含能凝胶燃料体系是含能碳氢燃料未来工程化应用的重要技术方案，需要进一步研究含能凝胶燃料的基础理化特性、制备技术、稳定储存技术等。

2）针对性地开展含纳米铝、硼颗粒碳氢燃料的单液滴燃烧实验研究，探究不同燃料组成、液滴参数、燃烧环境参数下含能碳氢燃料的燃烧特性，建立和发展含能碳氢燃料的单液滴点火燃烧模型。

3）结合航空航天发动机的实际工程应用需求，有序开展含能碳氢燃料在航空航天发动机各分系统的验证性试验研究，综合评估含能碳氢燃料的工程应用潜力。