粉末發(fā)動機技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望①

董新剛，霍東興，張 強，楊玉新

(1.中國航天科技集團有限公司第四研究院，西安 710025；2.中國航天科技集團有限公司四院四十一所，西安 710025)

0 引言

提高能量密度、提高推力可控性水平是航天發(fā)動機研究者始終追求的目標。為此，混合發(fā)動機[1]、凝膠/膏體發(fā)動機(推進劑為gelled propellants，slurry propellants，pasty propellants，或colloid propellants)、電控推進劑[2]、粉末發(fā)動機等概念在近年來逐漸被提出，這些概念大多都設(shè)法應(yīng)用固體顆粒物質(zhì)，因為這種物質(zhì)密度大、能量高。固體顆粒是一個寬泛的概念，根據(jù)顆粒直徑一般分為[3]nanosized particle(d<0.1 μm)、ultra-fine particle(0.1～1.0 μm)、superfine particle(1.0～10 μm)、granular particle(10～100 μm)、granule(100 μm～3.0 mm)、grain(3.0～10 mm)，通常將直徑小于1 mm的離散顆粒的集合體稱為粉末。粉末物質(zhì)是介于固體和流體之間的一種物質(zhì)，微觀上它是固體，宏觀上它又能夠流動，這種性質(zhì)使它具有密度高、穩(wěn)定性好、應(yīng)用較為方便等特點。炸藥、黑火藥等很多含能物質(zhì)都是以固體顆粒形式存在的[1]，在火箭發(fā)動機誕生的時代，火箭發(fā)動機的先驅(qū)者們就提出并實踐了利用粉末推進劑的方案。但是，由于粉末物質(zhì)的輸送和控制極為困難，火箭技術(shù)的先驅(qū)Herman Oberth教授在1930年代認為“Powder believes it must explode all at once；from the old use in shells and guns，it is too well-trained always to destroy.”[4]。后來才出現(xiàn)了將粉末物質(zhì)制作成固體推進劑的方案，即把燃料顆粒、氧化劑顆粒用膠粘劑粘合在一起，并獲得合適的力學(xué)、燃燒性能，固體顆粒的總質(zhì)量含量可達80%左右。為提高液體推進劑的能量密度，將一定質(zhì)量的固體顆粒如Mg、Al、B、B4C等加入液體燃料中，形成液漿/膏體推進劑，以期獲得更高的發(fā)動機性能[5-11]，但出現(xiàn)了液體粘度隨溫度變化大、霧化顆粒較大、顆粒聚集等問題，導(dǎo)致燃燒效率不高，許多研究者正致力于解決這些問題[12]。金屬在常溫下多為固體，也有人曾設(shè)想把金屬熔融成為液體[13]，像液體發(fā)動機那樣來利用金屬物質(zhì)，但這是不可能的[14]。在水下動力中，可以用熔融的金屬作為燃料[15]，不屬本文的研究范圍。

可見，粉末推進劑就像粉末物質(zhì)一樣，很早就已經(jīng)存在，但由于粉末輸送、流量調(diào)節(jié)、沉積等問題很難解決，直接應(yīng)用存在困難，因此粉末發(fā)動機技術(shù)發(fā)展緩慢。粉末物質(zhì)是工業(yè)領(lǐng)域以及人們?nèi)粘Ｉ顟?yīng)用第二多的一類物質(zhì)[16]，針對粉末的輸送、包裝、篩分、壓制、流量控制等應(yīng)用經(jīng)驗不斷豐富，為解決上述難題奠定了良好基礎(chǔ)。近幾十年來，美國、法國、俄羅斯、德國等軍事強國在含能物質(zhì)的應(yīng)用方面開展了細致的基礎(chǔ)研究工作，促進了固體推進技術(shù)、綠色能源、凝膠推進劑等技術(shù)的快速發(fā)展，太空開發(fā)、高性能導(dǎo)彈推進、水下動力等發(fā)展需求，使粉末發(fā)動機技術(shù)逐漸成為研究熱點。

關(guān)于粉末發(fā)動機技術(shù)的綜述性報道極少，僅有粉末燃料沖壓發(fā)動機、粉末火箭發(fā)動機等方面的進展報道[17-19]，粉末發(fā)動機的種類不全面，無法展現(xiàn)粉末發(fā)動機領(lǐng)域的全貌及內(nèi)在聯(lián)系。鑒于粉末發(fā)動機涉及學(xué)科領(lǐng)域?qū)拸V，種類較多且工作原理復(fù)雜，本文首先對粉末發(fā)動機進行分類，然后對各類粉末發(fā)動機的研究現(xiàn)狀進行綜述，闡明各種粉末發(fā)動機的異同，最后對粉末發(fā)動機技術(shù)進行總體評估，提出了關(guān)鍵技術(shù)及基本要求，為粉末發(fā)動機的進一步發(fā)展提供參考。

1 粉末發(fā)動機的研究現(xiàn)狀

1.1 分類

根據(jù)工作原理及推進劑種類，對目前在研的粉末發(fā)動機進行如下分類。

1.2 研究現(xiàn)狀

1.2.1 粉末火箭發(fā)動機

粉末火箭發(fā)動機是指同時攜帶氧化劑和燃料，并且至少有一種組元為粉末物質(zhì)的發(fā)動機。Al/AP火箭發(fā)動機是最典型的粉末火箭發(fā)動機，氧化劑AP和燃料Al分別貯存，分別供應(yīng)至燃燒室進行混合燃燒。金屬粉末/H2O火箭發(fā)動機的兩種組元可以分別存貯，分別供應(yīng)；也可以預(yù)混到一起形成凝膠推進劑(Slurry propellants)；還可以冷凍/固化成固體推進劑，如鋁冰推進劑(ALICE)。

早期的粉末火箭由于裝藥與燃燒場所無法隔離，穩(wěn)定性和安全性較差，粉末火箭的發(fā)展受到較大沖擊。粉末火箭發(fā)動機1960年代之前的發(fā)展情況可參閱文獻[18]。由此可知，性能穩(wěn)定可靠的粉末輸送裝置是粉末火箭發(fā)動機穩(wěn)定工作的重要基礎(chǔ)。

金屬粉末燃燒機理的研究不可避免地要解決金屬粉末的播撒問題，一種用活塞推送、氣體流化的裝置很早就被大量應(yīng)用[20-21]，但這僅能滿足實驗室應(yīng)用，粉末流量很小，流量控制方法也非常簡陋。受這種粉末輸送裝置的啟發(fā)，直到1960年代后期才出現(xiàn)真正意義的粉末輸送裝置，粉末火箭發(fā)動機技術(shù)從此得到快速發(fā)展。

(1)Al/AP火箭發(fā)動機

Al/AP火箭發(fā)動機的原理示意圖見圖1[22]。

氧化劑AP和燃料Al均為粉末態(tài)物質(zhì)，用兩個輸送裝置分別把它們注入燃燒室進行混合燃燒，生成的高溫高壓燃氣從噴管噴出，產(chǎn)生推力。

貝爾航空公司1971年～1972年對Al/AP發(fā)動機進行了大量試驗驗證[23-24]。試驗發(fā)動機有關(guān)設(shè)計參數(shù)為：推力室內(nèi)徑102.9 mm/88.9 mm兩種規(guī)格，長度309.4 mm/250.4 mm兩種規(guī)格，噴管喉徑32.1 mm。通過調(diào)整內(nèi)徑和長度，獲得燃燒室特征長度L*分別為65、85、105。噴注器結(jié)構(gòu)有兩種形式，一種是AP和Al同軸噴注，另一種為帶有混合腔的混合噴注；點火藥包括4 g無煙粉劑及12.4 g的BKNO3顆粒。通過30多次的冷流試驗，獲得了粉末輸送系統(tǒng)的壓降、流量特性。之后進行了14發(fā)熱試車，其中500磅推力熱試驗進行了8次，900磅推力的熱試進行了6次。

圖1 Al/AP火箭發(fā)動機原理圖[22]

試驗采用的粉末推進劑有多種組合，其中鋁粉直徑約3～5 μm，AP顆粒的平均直徑有兩種，分別為20、55 μm。試驗發(fā)現(xiàn)燃燒室壓強存在一定的低頻脈動，原因是粉末輸送系統(tǒng)與鋁粉的燃燒延遲之間存在耦合。試驗表明，減小粉末顆粒尺寸，壓強脈動會減弱。壓強最平穩(wěn)的試驗是采用X-65鋁粉(3 μm)和20 μm的AP，壓強脈動在±5%內(nèi)，500磅推力和900磅推力兩種級別的試驗發(fā)動機最大比沖效率分別為0.90和0.93。部分試驗結(jié)果見表1，其中比沖為真空比沖，噴管擴張比為6。表2為Al/AP火箭發(fā)動機理論性能，燃燒室壓強為3.45 MPa，擴張比為6。

在Al/AP粉末火箭發(fā)動機研究中，貝爾航空公司采用了正推流化床(Positive Displacement Fluidized Bed)粉末輸送裝置[24]，即用驅(qū)動氣驅(qū)動活塞推動粉末進給，流化氣穿過活塞，將粉末從頭部流化輸出。該輸送裝置的外徑114.3 mm，通過控制活塞前后的壓差來控制粉末流量，壓差范圍為0.34～2.07 MPa，粉末流量范圍為0.23～2.27 kg/s。

表1 Al/AP粉末火箭發(fā)動機性能試驗結(jié)果[24]

表2 Al/AP粉末火箭發(fā)動機理論性能[24]

近年來，西北工業(yè)大學(xué)對這種粉末輸送裝置進行了結(jié)構(gòu)簡化和優(yōu)化，見圖2。采用該裝置，西北工業(yè)大學(xué)對Al/AP火箭發(fā)動機進行了系統(tǒng)研究[25-31]，不但成功驗證了發(fā)動機的多次啟動和推力調(diào)節(jié)能力，還在發(fā)動機點火系統(tǒng)設(shè)計、燃燒流動特性以及顆粒燃燒及火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘然A(chǔ)研究方面取得了長足進展。

圖2 粉末輸送裝置

李悅[25]采用顆粒軌道模型對Al/AP粉末火箭燃燒流場進行數(shù)值模擬，研究了不同氧燃比、不同顆粒粒徑對燃燒流動的影響，驗證了用特征長度來確定燃燒室體積大小的合理性，為試驗發(fā)動機設(shè)計提供了參考。鄧哲[26]在Al粉粒徑20 μm，AP粒徑95.86 μm，AP/Al質(zhì)量比3∶1以及固相粉塵總濃度3223 g/m3的情況下，成功調(diào)試出Al/AP/N2氣固兩相本生燈層流火焰，得到層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?2 cm/s。同時研究了顆粒粒徑、顆粒質(zhì)量比、環(huán)境壓強等因素對點火燃燒性能的影響，建立了Al/AP混合物激光點火模型，為粉末火箭發(fā)動機燃燒室、火焰穩(wěn)定器、點火裝置的設(shè)計提供了依據(jù)。LI Yue[27]計算表明，在3 MPa時，混合比(O/F)由1.5增大到5.0時，比沖在217.6～224.2 s范圍內(nèi)先增大后減小，混合比為2.5時取得最大值，燃燒溫度由4140 K逐漸降低至3415 K，凝相質(zhì)量含量在29.5%～47%范圍內(nèi)；并用實驗研究了AP/Al粉末火箭的多脈沖性能，分別進行了間隔1 h的三脈沖試驗和間隔15 s的四脈沖實驗，表明供粉及其點火燃燒過程正常。多脈沖實驗也表明，提高燃燒室壓強可以抑制壓強振蕩，提高燃燒效率，但是響應(yīng)時間隨之加長。武冠杰[28]采用40 μm的Al粉和100 μm的AP粉末進行點火試驗，表明隨著燃燒室壓強的升高，燃燒效率增大，最高可達86.7%；在噴管喉徑8 mm不變，且氧燃比不變的情況下，發(fā)動機推力調(diào)節(jié)比達到了1∶2.94。李旺[29]用數(shù)值模擬的方法分析了非同軸式粉末噴注、火焰穩(wěn)定器、鋁粉顆粒粒徑對發(fā)動機流場特性的影響，表明采用非同軸的供粉方式可以促進反應(yīng)物摻混燃燒，安裝火焰穩(wěn)定器、減小鋁粉粒徑可以促進鋁粉燃燒，提升燃燒室的壓強和溫度。

從以上實驗研究可見，Al/AP粉末火箭熱試過程中多次出現(xiàn)壓強振蕩，粉末的穩(wěn)定輸送是穩(wěn)定燃燒的首要條件。孫海俊等[30-31]研究了高壓環(huán)境粉末流化輸送與發(fā)動機燃燒振蕩的耦合機制，表明顆粒起動過程大致分為靜態(tài)起動、顆粒大量輸出和顆粒少量輸出三個階段。實驗研究了氣固兩相壅塞輸送特性，建立了氣固壅塞流動判據(jù)。結(jié)合多脈沖實驗結(jié)果，分析了粉末輸送與燃燒室壓強振蕩之間的關(guān)聯(lián)性，指出在氣固壅塞條件下，二者幾乎沒有關(guān)聯(lián)性，燃燒室壓強更加平穩(wěn)。李超[22]研究了粉末噴注壓降對Al/AP粉末火箭發(fā)動機工作特性的影響。發(fā)現(xiàn)流化氣質(zhì)量流量對火箭工作過程存在一定影響，過小會導(dǎo)致粉末供給系統(tǒng)卡頓，過大會導(dǎo)致發(fā)動機性能降低。由于粉末推進劑輸運時滯導(dǎo)致燃燒室壓強振蕩，通過提高噴注壓降可以有效抑制這一振蕩。

50年來，Al/AP粉末火箭發(fā)動機項技術(shù)不斷成熟，粉末流量控制水平，燃燒穩(wěn)定性不斷提升；粉末輸送、粉末流量調(diào)節(jié)、粉末物質(zhì)的流化機理的研究取得重要進展。同時看到，Al/AP粉末火箭發(fā)動機目前還處于實驗室驗證階段，粉末輸送裝置的穩(wěn)定性、可靠性還需要進一步研究，對振動、過載環(huán)境的適應(yīng)性還需要試驗考核。

(2)金屬粉末/CO2火箭發(fā)動機

直接利用外星球當(dāng)?shù)刭Y源，是長期、持續(xù)進行太空開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一[32-33]。火星大氣中的CO2占95.3%，溫度約240 K，大氣壓0.07～0.09 MPa，低溫條件使得CO2容易通過增壓液化獲取。FOOTE[34]對火星表面多次起飛/降落的載荷及速度進行計算分析，表明Mg/CO2火箭推進盡管比沖較低，但由于需要在火星表面多次起飛/降落，而CO2隨處可取，這種方案比從地球攜帶雙組元推進劑的火箭方案好得多。

GOROSHIN[14]對多種Mg/CO2火箭發(fā)動機方案，認為直接利用鎂粉的Mg/CO2雙組元推進方案是最好的選擇，見圖3。鎂粉和CO2分別置于貯箱內(nèi)，并用燃氣發(fā)生器進行驅(qū)動。CO2分多個流道注入燃燒室，其中一部分對鎂粉進行流化。

圖3 Mg/CO2火箭發(fā)動機原理圖[14]

SHAFIROVICH[35]對metal/CO2推進概念進行了回顧，包括金屬在CO2中的燃燒、發(fā)動機類型及其特性，以及在火星上制取液體CO2、金屬燃料等的方案，認為Mg、Al與CO2的點火燃燒基礎(chǔ)研究已經(jīng)開展了很多，是金屬粉末/CO2火箭發(fā)動機的優(yōu)選燃料；Mg/CO2小型原型機已經(jīng)成功驗證，技術(shù)準備度已經(jīng)足夠高，可以開展該領(lǐng)域的工程開發(fā)。

何國強[36]進行Mg/CO2粉末火箭發(fā)動機試驗，測量燃燒室的溫度發(fā)現(xiàn)，燃燒區(qū)域主要位于燃燒室后半段。張勝敏[37]采用高能火花塞點火，驗證了發(fā)動機可以實現(xiàn)多次點火啟動及關(guān)機，且關(guān)機次數(shù)、時間間隔等可以任意調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)粉末推進劑流量，獲得的推力調(diào)節(jié)比為6.5。

鋁是地殼含量最高的金屬元素，具有成本低、燃燒無污染的特性；與鎂相比，鋁的密度更高。鋁和空氣、O2、CO2、H2O燃燒可以釋放大量熱量，因此鋁粉是重要的含能金屬。但是，鋁的熔點低(933 K)，而氧化鋁的熔點很高(2282 K)，氧化膜對氧氣的阻擋作用使鋁很難被氧化。為搞清其中的機理，促進鋁的燃燒反應(yīng)，鋁和這些氣體的燃燒過程研究近乎浩如煙海。LARITCHEV[38]對三種微米級的鋁粉在空氣和CO2中的燃燒過程進行實驗，發(fā)現(xiàn)都有三個反應(yīng)加速階段，亞微米鋁和微米鋁的放熱過程是不同的，采用10～15 nm的鋁粉，可以極大提高燃燒速率。

總之，金屬粉末/CO2火箭發(fā)動機的應(yīng)用方向是火星開發(fā)，它將直接利用火星大氣中的CO2，大大降低空間推進系統(tǒng)的成本。至于CO2的捕獲問題，國內(nèi)外都已經(jīng)開展研究，不屬本文的研究范圍。

(3)金屬粉末/O2火箭發(fā)動機

月球土壤中的氧含量約43%、鋁含量6%、鎂為4%。為減少從地球攜帶的推進劑質(zhì)量，降低空間推進的費用，ISMAIL等[13,35,39]提出應(yīng)用月球當(dāng)?shù)刭Y源，以Al/O2火箭發(fā)動機作為推進系統(tǒng)。MEYER[13]評估了月球上升/下降火箭發(fā)動機(以月球上的鋁和氧為推進劑)的設(shè)計問題，提出鋁/LOX體系的四種概念的發(fā)動機概念：液體金屬噴注/LOX、固體含鋁藥柱/LOX混合發(fā)動機、Al/LOX凝膠單組元推進劑、鋁粉燃料/LOX，針對鋁的燃燒、喉部侵蝕以及推力室的冷卻問題對各種概念進行對比，表明后兩種概念的可行性較強。ISMAIL[39]對已有的粉末貯存、粉末輸送、粉末噴注、粉末的點火和燃燒等子系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行了回顧，認為這些子系統(tǒng)的技術(shù)可以支撐Al/O2粉末火箭發(fā)動機的設(shè)計，建議對這些技術(shù)進行評估和優(yōu)選，開展Al/O2粉末火箭發(fā)動機的設(shè)計和開發(fā)。

MEYER[40]實驗了鋁粉/氧氣在混合比0.5～3.0范圍內(nèi)的燃燒效率，獲得的特征速度效率和真空比沖效率分別為72%和68%，推測是因為混合效果差，導(dǎo)致燃燒效率低；同時發(fā)現(xiàn)，鋁鎂合金(9.8%Mg)合金粉末沒有看出比純鋁有優(yōu)勢。BELONI[41]研究了鋁粉的電火花點火，鋁粉粒徑有3～4.5 μm和10～14 μm兩種，發(fā)現(xiàn)這種點火可以形成單個顆粒的點火，也能形成氣霧膠火焰，隨著點火能量的增大，點燃的顆粒數(shù)量會增多。

金屬粉末/O2火箭發(fā)動機目前主要是Al/O2火箭發(fā)動機，應(yīng)用方向是月球開發(fā)，它將直接利用月球上的Al和氧，大大降低空間推進系統(tǒng)的成本。

(4)金屬粉末/H2O火箭發(fā)動機

鋁在工業(yè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，早在1950年代，就發(fā)現(xiàn)熔融的鋁和水很容易發(fā)生劇烈爆炸。研究發(fā)現(xiàn)，爆炸之前總是伴隨著局部溫度的驟升，并且需要振動的刺激[42]。這表明，鋁水反應(yīng)的確可以釋放大量的熱。鋁水燃燒在1960年代就開始研究[43]。同時，用水制氫被認為是新能源開發(fā)的重要方向，目前采用的技術(shù)途徑包括太陽能分解水[44]、電解水以及金屬水反應(yīng)制氫[45-46]。盡管1 kg鋁粉和水反應(yīng)后只生成0.11 kg 的氫氣，但同時釋放了15.2 MJ的熱量。鋁水反應(yīng)的氫能、熱能在能源開發(fā)、空間推進、水下動力領(lǐng)域在近年來受到熱切關(guān)注。

MILLER[47]計算了Mg/H2O和Al/H2O火箭的比沖。Al/steam的最大比沖為3200 m/s(水蒸氣溫度500 K，噴管擴張比100，考慮兩相流損失)，在H2O/Al約為1時取得最大值，隨著H2O/Al比的增大，比沖值緩慢下降，說明實際應(yīng)用中H2O/Al比的可取范圍較寬。Al/液體水的最大比沖約3000 m/s，是因為液態(tài)水的蒸發(fā)消耗了部分熱能。和文獻[24]類似，采用了正推活塞流化床裝置進行粉末輸送，通過軟管將密相粉末注入燃燒室。軟管內(nèi)的固相保持在跳躍速度(saltation speed)以上，以避免粒子在管內(nèi)沉積，鋁粉的平均粒徑為5～15 μm，固氣比約15∶1。分析表明，粉末流量可以通過控制活塞壓差以及出口直徑來實現(xiàn)。他們還開展了Mg/水蒸氣、Al/水蒸氣的燃燒試驗，最長的持續(xù)燃燒時間達到635 s。

考慮到Al/H2O推進劑的制造問題以及月球的低溫環(huán)境，鋁和低溫氧化劑的燃燒研究成為Al/H2O推進劑的一個重要方向。同時，由于Al/H2O的非預(yù)混燃燒難度較大，機理復(fù)雜，也促使一些研究者通過較簡單的Al/H2O預(yù)混燃燒研究來揭示其中的機理。圖4為鋁冰推進劑的燃燒尾焰。

Fig.4 鋁冰固體推進劑的燃燒尾焰[43]

采用納米鋁和H2O的鋁冰推進劑(ALICE)的主要研究情況詳見表3[48-54]。

鋁水反應(yīng)是Al/H2O火箭發(fā)動機、Al/H2O沖壓發(fā)動機的共同基礎(chǔ)，本小節(jié)綜述的有關(guān)燃燒機理研究以火箭發(fā)動機為主要應(yīng)用目標，對Al/H2O沖壓發(fā)動機也是適用的。

(5)其他粉末火箭發(fā)動機

貝爾航空公司在1972年驗證了PE/AP雙組元粉末推進劑用作燃氣發(fā)生器的可行性[55]，發(fā)現(xiàn)流化粉末有它們自身的獨特的流動和燃燒問題，比如間歇燃燒，只有解決了這些問題，這一概念才能實現(xiàn)其潛在優(yōu)勢。

Al/AP火箭的推進劑均為凝相，且AP的分解溫度為673 K，氧化劑的分解時間可能導(dǎo)致氧化性氣氛與鋁粉摻混效果不佳，導(dǎo)致燃燒振蕩。而N2O具有較低的臨界溫度，臨界壓強較高，常用作自增壓氣體，它的分解溫度低，文獻[56]研究了Al/N2O粉末火箭的燃燒性能，表明燃燒性能較高。

KUNINAKA等[57-59]發(fā)明了一種基于粉末推進劑的空間推進裝置，先利用靜電或者電磁力把粉末推進劑粒子轉(zhuǎn)移到推力室，然后用激光點火，產(chǎn)生推力。這種構(gòu)想，提供了一種新的粉末輸送思路，同時需要一種由氧化劑和燃料共同復(fù)合而成的單組元粉末推進劑。

1.2.2 粉末沖壓發(fā)動機

粉末沖壓發(fā)動機是指以粉末物質(zhì)為燃料，以環(huán)境物質(zhì)如空氣、水等為氧化劑的發(fā)動機，其中氧化劑的捕獲依靠高速沖壓作用來實現(xiàn)。粉末沖壓發(fā)動機的優(yōu)點是：燃料密度大，比沖高，流量調(diào)節(jié)比大。

(1)金屬粉末/空氣沖壓發(fā)動機

金屬粉末作為沖壓發(fā)動機燃料的概念很早就已經(jīng)產(chǎn)生，BRANSTETTER等[20]實驗了鋁和空氣的燃燒特性，燃燒室內(nèi)徑為50.8 mm。表明鋁粉和空氣可以穩(wěn)定燃燒，在當(dāng)量比為0.080 6～0.240 1范圍內(nèi)的燃燒效率約75%，但在燃燒室內(nèi)形成的固體沉積是用作沖壓噴氣燃料的嚴重障礙。

超燃沖壓發(fā)動機需要燃料在超音速氣流中完全燃燒，應(yīng)用液體燃料的超燃沖壓發(fā)動機取得了很大成就。但GOROSHIN等[21]建議在超燃沖壓發(fā)動機中應(yīng)用粉末燃料，理由為：1)無論是液體還是固體碳氫燃料，燃燒溫度高時(在高超音速條件下)會發(fā)生離解，降低了比沖，而金屬粉末燃料可以避免。2)在固體推進劑中添加金屬粉末，一般最多添加50%，否則會出現(xiàn)工藝可行性、一次燃燒沉積問題。3)固體燃料中添加金屬粉末，流量調(diào)節(jié)困難，沉積嚴重；在液體燃料中添加金屬粉末會使液體燃料輸送困難。GOROSHIN還將正推流化床裝置進一步發(fā)揚光大，在超燃沖壓發(fā)動機中直接用引自進氣道的高溫空氣流來流化粉末燃料，大大簡化了發(fā)動機結(jié)構(gòu)，見圖5。

2006年以來，國防科技大學(xué)對粉末沖壓發(fā)動機技術(shù)做了大量研究。韓超[60]設(shè)計了粉末沖壓發(fā)動機燃料供應(yīng)系統(tǒng)：粉末燃料貯存在燃料貯箱中，由活塞按照一定的速度推動；高速氣流進入環(huán)形集氣腔，然后經(jīng)傾斜的切孔噴出；粉末與高速氣流相遇，被剪切并攜帶在縮放通道中進一步加速。通過程序開發(fā)和試驗研究，實現(xiàn)了高精度控制活塞速度從而達到燃料流量的可控調(diào)節(jié)。申慧君[61]建立了氣固兩相流動層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎隳Ｐ筒⒀芯苛烁鞣N因素對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀ㄟ^理論計算和數(shù)值仿真，研究了寬馬赫數(shù)和大空域時各種因素下，發(fā)動機性能變化規(guī)律。通過改變?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)改變回流區(qū)，從而使粉末燃料能獨立持續(xù)穩(wěn)定的燃燒。通過發(fā)動機直連式試車試驗和數(shù)值仿真，研究了燃燒室內(nèi)補燃室各種進氣方案、旋轉(zhuǎn)流動、穩(wěn)定火焰結(jié)構(gòu)、粉末燃料顆粒大小及其顆粒速度等對發(fā)動機燃燒效率的影響。XIA Zhixun等[62]在直連試驗臺上進行了Mg粉/空氣沖壓發(fā)動機的燃燒試驗，Mg粉的粒度為200～220目，采用突擴、鈍體、旋流等不同的火焰穩(wěn)定方式，但燃燒效率最高僅72.8%。

圖5 粉末沖壓發(fā)動機原理圖[21]

為提高粉末燃料燃燒效率，孔龍飛[63]通過發(fā)動機熱試實驗對比，表明駐渦式結(jié)構(gòu)具有減少燃燒沉積和提高燃燒效率的特點。同時進一步研究了駐渦式鎂粉粉末燃料啟動、燃燒和沉積的影響因素(一二次進氣方式和比例)，總結(jié)出了一種能使發(fā)動機點火更可靠且燃燒沉積更少的方案。楊晉朝[64]建立了鎂粉塵云的一維層流預(yù)混燃燒模型，對粉末燃料沖壓發(fā)動機預(yù)燃室內(nèi)鎂粉塵云燃燒過程進行了研究。李超等[65]分析了加入鎂的硼基粉末燃料沖壓發(fā)動機的比沖性能，表明當(dāng)鎂質(zhì)量含量低于0.3時，可在較大的空燃比范圍內(nèi)維持較高的燃燒溫度，與液體和固體沖壓發(fā)動機相比，在比沖和密度比沖方面具有更突出的優(yōu)勢。

(2)金屬粉末/水沖壓發(fā)動機

如上所述，金屬粉末/H2O火箭發(fā)動機的主要應(yīng)用方向是太空開發(fā)，目的是應(yīng)用月球、火星等的當(dāng)?shù)刭Y源，降低太空開發(fā)成本。而金屬粉末/水沖壓發(fā)動機主要用于水下推進，如超空泡魚雷的推進等。DANIEL[66]、林明東等[67]對熱動力魚雷的多種動力，如HAP/OTTO燃料、Li/SF6閉式循環(huán)、金屬水反應(yīng)燃料和渦輪機等的能量密度進行對比，從性能、成本等綜合考慮，認為金屬/水反應(yīng)燃料由于具有很高的能量密度，是魚雷熱動力技術(shù)未來的主要研究方向。

國內(nèi)外水沖壓發(fā)動機的構(gòu)型主要有兩種形式，即藥柱式水沖壓發(fā)動機和粉末式水沖壓發(fā)動機。藥柱式水沖壓發(fā)動機采用金屬燃料、助燃劑、粘合劑等制成的固體推進劑作為能源，該發(fā)動機結(jié)構(gòu)與固體火箭沖壓發(fā)動機比較類似；由于藥柱中含有部分非金屬組元，其性能受到一定限制。粉末式水沖壓發(fā)動機攜帶金屬粉末作為燃料，以引入發(fā)動機的水作為氧化劑，因此能量密度更高。

近20年來，以水沖壓發(fā)動機為應(yīng)用目標的鋁水非預(yù)混燃燒反應(yīng)的研究大量開展。FOOTE等[68]測得鋁粒子在O2/Ar混合氣(質(zhì)量百分比分別為80%和20%)中的燃燒溫度約2900 K，在水蒸汽中的燃燒溫度約2500 K。平均直徑為17 μm的鋁粒子在水蒸汽中的燃燒效率約95%(當(dāng)量比(O/F)/(O/F)st≈1.10，點火后的駐留時間約為22 ms)。在測定輻射強度和燃燒溫度的基礎(chǔ)上，用蒙特卡羅數(shù)值方法估計了燃燒產(chǎn)物的輻射熱損失率：在O2/Ar混合氣中燃燒時的最大熱損失率計算值為9.5 W/cm3，在水蒸汽中燃燒時的最大熱損失率計算值為4.8 W/cm3。文獻[69]對水反應(yīng)Al粉燃料的制備和Al/H2O燃燒反應(yīng)的研究現(xiàn)狀進行了綜述，分析認為，Al的超細化和對其包覆處理能夠提高Al粉的抗氧化能力與水反應(yīng)活性，改善Al粉貯存性能及水反應(yīng)的燃燒性能。DREIZIN等[70]詳細研究了鋁粒子在CO2、H2O、O2氣氛中的點火燃燒過程，發(fā)現(xiàn)在任何氧化環(huán)境中，鋁粒子的點火都受到氧化性氣體在顆粒表面氧化膜內(nèi)的擴散過程的影響。水的存在極大影響著氧化物的性質(zhì)，存在CO2時，這一影響進一步加大。HUANG Haitao等[71]研究了Al及鋁鎂合金粉末與水蒸氣的燃燒過程，表明鋁鎂合金粉末的點火溫度較低，燃燒效率較高。

國內(nèi)從事粉末水沖壓發(fā)動機技術(shù)研究的主要有國防科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)。金建民[72]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對粉末水沖壓發(fā)動機進行了設(shè)計和研究。首先介紹了燃燒室殼體的再生冷卻系統(tǒng)的傳熱機理，包括燃燒室內(nèi)壁面的對流換熱，薄壁內(nèi)的熱傳導(dǎo)和冷卻管內(nèi)冷卻水的吸熱三個過程，對這三個過程的計算方法和數(shù)學(xué)模型進行了系統(tǒng)分析和介紹。提出了粉末水沖壓發(fā)動機構(gòu)型設(shè)計方案，對燃燒室流場進行了數(shù)值模擬和對比分析，認為大速差射流穩(wěn)燃裝置的效果較好，通過直連試驗進行了試驗驗證。林明東等[67]考慮水沖壓發(fā)動機進水方案特點，建立兩級進水管路系統(tǒng)模型；基于水沖壓發(fā)動機熱力計算方法，建立水沖壓發(fā)動機進水流量模型；基于試驗抽樣方法，對不同管路系統(tǒng)的壓降特性進行對比分析，對于進水管路系統(tǒng)設(shè)計具有重要參考意義。文獻[73]研究了超細鋁粉(0.4～0.95 μm)與水燃燒后的兩相流特征，發(fā)現(xiàn)燃燒產(chǎn)物凝相含量及其顆粒尺寸對噴管兩相流損失影響很大。凝相顆粒0.4～0.7 μm，含量約36%時，試驗測得的平均比沖為4900 N·s/kg。

除上述開式循環(huán)外，應(yīng)用于水下動力的鋁水反應(yīng)還可以設(shè)計成閉式循環(huán)。在閉式循環(huán)系統(tǒng)中，水作為氧化劑，鋁作為燃料，利用反應(yīng)后產(chǎn)生的熱量來加熱水產(chǎn)生高溫高壓水蒸氣與氫氣推動渦輪做功并收集氫氣。MILLER等[74]報道了應(yīng)用于AUV的鋁水反應(yīng)能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)的鋁水反應(yīng)燃燒室為渦流燃燒室，這樣可以通過渦流消除氧化膜的影響。渦流燃燒室產(chǎn)生的燃氣含有大量的Al2O3顆粒，會對渦流葉片造成磨損，為此提出了一種高溫分離方案，能夠把水蒸氣和高溫Al2O3顆粒進行分離。陳顯河等[75]在以往方案的基礎(chǔ)上，通過增加蒸發(fā)器和固體換熱器系統(tǒng)以及采用雙燃燒室加壁面冷卻換熱等方式，提出了幾種新的系統(tǒng)方案。對這幾種方案的輸出功率、能量密度、系統(tǒng)效率等參數(shù)進行對比分析，表明了各方案的性能特點，為今后鋁水燃燒無人水下航行器混合動力系統(tǒng)總體設(shè)計提供參考。VLASKIN等[76]分析了鋁水反應(yīng)的發(fā)電效率，表明增加空氣-氫氣燃料電池，以及增加H2燃燒并驅(qū)動渦輪，可以將系統(tǒng)的總效率提高到80%。

可以看出，鋁水反應(yīng)在水下推進、金屬制氫、發(fā)電等方面都有著良好的應(yīng)用前景，但鋁及其氧化物的性質(zhì)決定了鋁水反應(yīng)的困難性，除了采用納米鋁粉、凝膠化等手段來促進反應(yīng)外，等離子體增強技術(shù)在近年來也得到研究。KLIMO等[77]采用了等離子體增強的方法來促進鋁水燃燒，利用Al∶H2O∶Ar=1∶4∶17的等離子體進行實驗表明，采用非平衡等離子體增強，反應(yīng)速率可能會提高到100～1000倍。LEE等[78]開發(fā)了一種直流水蒸氣等離子體點火器，通過在大氣條件下的鋁粉點火燃燒試驗，采用光譜分析的方法，得到了OH粒子的強度，證明了它對鋁粒子點火的有效性。設(shè)計的水蒸氣等離子體點火器，穩(wěn)定電壓200 V，電流8 A，功率1.6 kW，等離子體炬內(nèi)的壓強0.17 MPa。

(3)金屬粉末/CO2沖壓發(fā)動機

在火星開發(fā)中，以CO2為氧化劑的吸氣式推進系統(tǒng)引起人們的關(guān)注，這樣就免去了CO2的增壓、液化、噴注等系統(tǒng)，直接利用超音速進氣道來捕獲CO2。WICKMAN[79]研究了以鋁粉為燃料，以CO2為氧化劑的動力方案。基本想法是用渦噴發(fā)動機直接以鎂粉為燃料，以CO2為氧化劑，從而可以把渦噴發(fā)動機直接在火星上應(yīng)用。試驗中，讓鎂粉先在火箭燃燒室和CO2燃燒，然后驅(qū)動渦噴發(fā)動機。結(jié)果火箭工作正常，而渦輪發(fā)動機工作幾秒就被碳粉堵塞。盡管試驗沒有實現(xiàn)預(yù)想目的，但驗證了鎂粉和CO2的確能夠在低壓0.21 bars條件下燃燒。這也說明，以Mg粉為燃料，在火星上以沖壓模式工作的發(fā)動機是可行的。USHIJIMA等[80]分析了Mg/CO2沖壓發(fā)動機的工作特性，其中空燃比5～10，飛行速度Ma=2～5時，燃燒室溫度高于1000 K，在Ma=3～5范圍內(nèi)，比沖為950～1200 s。HARA等[81]通過實驗得到結(jié)論，隨著補燃室壓強的升高，Mg-Al在CO2中的燃燒時間減少，隨著火焰面積的加大，補燃室內(nèi)的燃燒效率提高。

1.2.3 粉末爆震發(fā)動機

粉末燃料的爆轟問題很早就開始研究，早期主要涉及炸藥爆炸、云爆彈[82-83]以及安全防爆[84-85]等領(lǐng)域。爆震發(fā)動機目前所用的燃料多為氣體(如氫氣、甲烷等)和液體(如汽油、煤油等)，但這些燃料的體積熱值普遍較低；液體燃料等凝相含能物質(zhì)爆震技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、實驗測量技術(shù)的發(fā)展，使爆震發(fā)動機技術(shù)取得長足進展[86]。粉末燃料憑借其質(zhì)量熱值高、貯存使用安全性高、不需考慮霧化等優(yōu)點，粉末燃料爆震發(fā)動機已經(jīng)引起人們重視[18]。

WILLIAM[82]用長度2754 mm，直徑分別為19.5、26.4、44、55.2 mm的管道實驗了鋁粉/氧氣混合物的爆轟，在26.4 mm管道中的爆轟誘導(dǎo)距離小于1.6 mm，這一參數(shù)隨著鋁粉濃度的增大而增加；爆轟波速度約1550 m/s，波后壓強約3.1 MPa。鄭淼等[87]用兩相流模型對一維定常狀態(tài)下的鋁粉塵爆轟進行數(shù)值模擬，得到鋁粉塵在空氣中爆轟時的物理參數(shù)，3、5、7 μm的鋁顆粒的點火延遲、爆轟波壓力以及溫度，計算表明，顆粒直徑大于14 μm時，不能產(chǎn)生自持爆轟。KRISHNAN等[88]提出了利用固體推進劑顆粒的脈沖爆震的發(fā)動機概念，它在推力控制、重復(fù)使用性等方面比液體發(fā)動機有優(yōu)勢。初步評估表明，這一概念發(fā)動機可用于空間推進器、爆震沖壓以及脈沖爆震發(fā)動機的起爆等方面。

劉龍等[19]總結(jié)了氣相氛圍中懸浮粉末燃料爆震燃燒的實驗和數(shù)值模擬研究進展，歸納了影響爆震波速度、穩(wěn)定性、細觀結(jié)構(gòu)和胞格尺寸的主要因素。同時，介紹了粉末燃料應(yīng)用于爆震發(fā)動機或燃燒室的案例，提出了下一步需要開展的研究工作。

2 發(fā)展現(xiàn)狀總體評估

火箭發(fā)動機的鼻祖是中國古代的“火箭”，當(dāng)時的推進劑就是火藥——粉末物質(zhì)。在現(xiàn)代火箭發(fā)展初期，粉末火箭也被發(fā)明和試驗，但由于粉末物質(zhì)似固非固、似液非液，難以控制，當(dāng)時大多數(shù)研究者都認為液體火箭更有前途。的確，近百年來液體發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展不斷壯大，各種動力形式深入發(fā)展。但是，液體發(fā)動機質(zhì)量比較低，推進劑安全性不高，人們一直在尋求更好的推進方案。固體粉末物質(zhì)高能量高密度的優(yōu)勢受到人們的青睞，除了在固體推進劑中成功應(yīng)用外，富含粉末物質(zhì)的凝膠/膏體推進技術(shù)也是重要發(fā)展方向。目前研制的含能材料可以組合出更高性能的固體推進劑，但由于工藝性、吸濕性問題，無法實現(xiàn)應(yīng)用，空間推進系統(tǒng)公司(Space Propulsion Systems Inc.)提出的微單元固體推進劑技術(shù)(Microcellular Solid Propellant Technology)就是一種解決方案。可見，粉末含能物質(zhì)的發(fā)展和應(yīng)用方興未艾。

液體發(fā)動機的推進劑為液態(tài)，物態(tài)單一，控制方便；而粉末物質(zhì)的輸送需要流化(氣固流或液固流)，即使制成固體推進劑，也必然涉及到多相流。流體力學(xué)特別是多相流、顆粒流本身就是一門新興學(xué)科，基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展不充分必然會制約工程技術(shù)的發(fā)展，這也許是粉末發(fā)動機技術(shù)發(fā)展緩慢的主要因素。從應(yīng)用需求來看，在當(dāng)前需求背景下，液體發(fā)動機、固體發(fā)動機等基本可以滿足需求；但在水下推進、月球開發(fā)、火星開發(fā)領(lǐng)域，在同時滿足能量密度、調(diào)節(jié)性能、低成本等方面，粉末發(fā)動機優(yōu)勢明顯。

目前在研的粉末發(fā)動機種類較多，Al/AP粉末火箭發(fā)動機、金屬粉末/空氣沖壓發(fā)動機研究得最多，均進行了大量的地面試驗研究，初步解決了粉末輸送、粉末燃燒組織技術(shù)。但是，該類發(fā)動機未見到有飛行試驗的報道，可能是因為粉末輸送的穩(wěn)定性、粉末流量調(diào)節(jié)精度還沒有達到飛行試驗的要求。其他類型的粉末發(fā)動機應(yīng)用方向較為單一，金屬粉末/O2火箭主要用于月球開發(fā)，金屬粉末/CO2火箭或者金屬粉末/CO2沖壓發(fā)動機主要用于火星開發(fā)，金屬粉末/H2O沖壓發(fā)動機將用于超空泡魚雷推進。粉末爆震發(fā)動機技術(shù)才處于概念驗證階段。

總的來看，粉末發(fā)動機技術(shù)就像粉末流化技術(shù)一樣，既古老又充滿生機，只要掌握了粉末物質(zhì)的控制方法，粉末輸送及流量調(diào)節(jié)技術(shù)取得全面突破，各種類型的粉末發(fā)動機將會得到快速發(fā)展。

3 粉末發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)及基本要求

粉末發(fā)動機是將粉末物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，不管是粉末火箭發(fā)動機，還是粉末沖壓發(fā)動機，都會涉及如下三個關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 粉末推進劑的配方技術(shù)

粉末發(fā)動機以粉末物質(zhì)為能量源，不同類型的發(fā)動機粉末種類可能不同，但對粉末燃料的基本要求為：

(1)裝填率高，密度大。高能量密度是粉末發(fā)動機的重要優(yōu)勢，應(yīng)該利用各種手段提高裝填率，爭取將裝填率穩(wěn)定到70%～75%以上。貝爾航空公司用粒徑分別為30 μm和3 μm的鋁粉以質(zhì)量比70/30的比例進行混合，可將鋁粉的裝填率提高到77%[24]。

(2)能量高。針對具體的應(yīng)用方式，必須篩選能量盡可能高的物質(zhì)。鋁、鋰、硼、鎂與水、空氣、CO2的燃燒熱較高，是粉末燃料的優(yōu)選原料。高氯酸銨含氧量大，是粉末氧化劑的優(yōu)選原料。

(3)顆粒粒度分布要與輸送裝置相匹配。對于正推活塞流化床裝置，顆粒粒度應(yīng)該在1 μm以上，否則流動性差，流化困難，也容易出現(xiàn)堵塞。

以上要求對于配方的選擇往往存在矛盾，這時需要綜合權(quán)衡和優(yōu)化。

3.2 粉末推進劑輸送及流量調(diào)節(jié)技術(shù)

總結(jié)過去70年提出或用過的粉末輸送方法[39,60,89]，主要有五種：螺旋輸送[36]，壓力輸送，活塞輸送，粉末泵(文丘里式[60,90]，氣動隔膜泵[91])，盤槽輸送(slotted disk)。其中壓力輸送和活塞輸送可以設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)，適應(yīng)性較強，正推活塞流化床裝置[23-24]就屬于這種輸送方法，而其他輸送方法結(jié)構(gòu)單一。除此之外，近年來HITOSHI等[57-59]還提出了利用靜電或者電磁力輸送粉末推進劑的方案，YOSHIHAMA[92]提出了模擬小腸蠕動來輸送粉末的方法。

目前正推活塞流化床裝置[23-24]是行之有效的粉末輸送方法，但與工程應(yīng)用的需求差距還很大，主要體現(xiàn)在：

(1)可靠性較低，活塞間隙的設(shè)計僅憑經(jīng)驗設(shè)計，活塞卡頓[22]等故障的機理不清楚；

(2)對于振動、過載等環(huán)境的適應(yīng)性還有待驗證；

(3)流量調(diào)節(jié)方法以及流量測量方法需要進一步發(fā)展和改進；

(4)粉末燃料輸送的安全性需要給予足夠重視，可以從推進劑配方、粉末輸送方法等方面來解決，如對某些活性成分采用包覆工藝降低感度，合理選擇粉箱內(nèi)的擠壓壓強以及流動速度，降低摩擦生熱和靜電積累等。

3.3 粉末燃料燃燒組織技術(shù)

目前Al/AP粉末火箭發(fā)動機的燃燒效率最高約86%，金屬粉末/空氣沖壓發(fā)動機的燃燒效率約75%～85%，納米鋁粉與液態(tài)水的燃燒效率、及鋁粉與水蒸氣的燃燒效率約85%～95%。

燃燒是發(fā)動機能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。需要進一步開展粉末燃料燃燒組織技術(shù)的研究，借鑒航空發(fā)動機旋流燃燒技術(shù)、渦流燃燒技術(shù)，或者采取高溫火焰增強、等離子體促燃等技術(shù)，把燃燒效率穩(wěn)定到90%以上。粉末燃料的爆震燃燒技術(shù)需要進一步發(fā)展，為該新型發(fā)動機的研制奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

(1)目前在研的粉末發(fā)動機種類較多，根據(jù)工作原理可劃分為粉末火箭發(fā)動機、粉末沖壓發(fā)動機、粉末爆震發(fā)動機三大類。

(2)粉末發(fā)動機應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V，發(fā)展前景良好。不同推進劑體系的粉末發(fā)動機應(yīng)用方向差異較大：Al/AP推進劑火箭發(fā)動機是最典型的粉末發(fā)動機，應(yīng)用領(lǐng)域和常規(guī)火箭發(fā)動機的相同，其技術(shù)成熟度相對較高。金屬粉末/空氣沖壓發(fā)動機主要用于超音速導(dǎo)彈或高超音速導(dǎo)彈推進領(lǐng)域。金屬粉末/CO2推進劑體系(無論是火箭還是沖壓)主要應(yīng)用于火星開發(fā)。金屬粉末/H2O推進劑體系可用于水下推進、空間推進、金屬制氫等領(lǐng)域，是目前的研究熱點。

(3)無論哪種類型的粉末發(fā)動機，都會涉及三項關(guān)鍵技術(shù)：粉末推進劑配方、粉末推進劑輸送及流量調(diào)節(jié)、粉末燃料燃燒組織技術(shù)。其中粉末推進劑輸送及流量調(diào)節(jié)技術(shù)是粉末發(fā)動機的技術(shù)瓶頸。正推活塞流化床裝置是行之有效的粉末輸送方法，但由于涉及復(fù)雜的稠密多相流、顆粒流，輸送系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、安全性，以及流量調(diào)節(jié)精度還有待提高。只要掌握了粉末物質(zhì)的輸送及流量調(diào)節(jié)技術(shù)取得全面突破，各種類型的粉末發(fā)動機將會出現(xiàn)井噴式發(fā)展。