鋁粉燃料連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性

續(xù)晗， 羅永晨， 倪曉冬， 肖博文， 張鋒， 蘇曉杰， 鄭權(quán)， 翁春生

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210094)

0 引言

爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)，采用釋熱速率極快的爆轟燃燒方式將燃料的化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，形成推力。一方面得益于其較高的熱循環(huán)效率，另一方面受益于其精簡(jiǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，使得爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)成為推進(jìn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)按照其工作模式可以大致分為以下三類：脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)[2]、連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(RDE)[3]以及斜爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。按照其應(yīng)用方式可以分為火箭式爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓式爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)以及組合式爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)。上述大量研究都是圍繞著氣體燃料[5]或者液體燃料開展[6]，針對(duì)固體燃料的RDE研究則較少。

固體燃料相對(duì)于氣體和液體燃料而言，有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：部分固體燃料的能量密度更高，穩(wěn)定性更好，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，便于存儲(chǔ)運(yùn)輸，且原材料取材廣泛，價(jià)格低廉。另一方面，固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)也有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括其可靠性更好，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單等。另外，固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火前不需要復(fù)雜及耗時(shí)較長(zhǎng)的燃料裝填過(guò)程，因此其發(fā)射周期更短，響應(yīng)更快[7]。如果將固體燃料粉末化，形成固體粉末燃料，則將帶來(lái)更多的燃料優(yōu)勢(shì)：粉末燃料隨流性較好，方便調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)多次啟動(dòng)及推力可調(diào)的能力。由于固體粉末燃料的上述優(yōu)勢(shì)，使得其在推進(jìn)領(lǐng)域得到廣泛研究，如粉末的流化輸送研究、粉末沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究、粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究等。然而上述大量研究都圍繞著定壓燃燒方式開展，少有研究采用爆轟燃燒方式的粉末發(fā)動(dòng)機(jī)。如果將爆轟燃燒的循環(huán)優(yōu)勢(shì)與固體粉末的燃料優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，形成固體粉末燃料RDE，將為飛行器等帶來(lái)更高性能且具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的新型動(dòng)力技術(shù)。

俄羅斯和美國(guó)近幾年來(lái)開展了粉末爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究。Bykovskii等[8-11]通過(guò)對(duì)煤粉爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了煤粉/氫氣/空氣混合物的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒，并分析比較了不同煤粉燃料帶來(lái)的不同粉末爆轟特性。Sajvadori等[12]和Dunn等[13-16]同樣實(shí)現(xiàn)了煤粉/氫氣/空氣混合物的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒，并且發(fā)現(xiàn)煤粉的加入可以拓寬RDE的工作范圍。然而上述粉末燃料RDE的研究均基于煤粉為燃料，且均需氫氣的加入才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒，一旦沒有了氫氣的加入，爆轟波則會(huì)傳播失效，這不利于飛行器的工作。

本文以鋁粉為燃料、空氣為氧化劑，無(wú)需借助其他助爆氣體，實(shí)現(xiàn)了鋁粉/空氣RDE的正常工作；對(duì)鋁粉燃料RDE的爆轟特性及推進(jìn)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性探索，將其與相同發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及相同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下噴注氫氣/空氣時(shí)的爆轟特性及推進(jìn)性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出了鋁粉燃料的獨(dú)特爆轟特性及推進(jìn)性能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

鋁粉燃料RDE采用盤式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1(a)中，P1、P2、P3、P4為4個(gè)壓強(qiáng)傳感器，用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的爆轟波傳播過(guò)程。4個(gè)傳感器兩兩一組，組間間隔90°方位角，每組的2個(gè)傳感器徑向位置分別為40 mm和67 mm。燃料和空氣通過(guò)外圓噴入直徑為150 mm的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。為避免回火問(wèn)題，燃料和空氣分別通過(guò)空氣腔和燃料腔噴入燃燒室內(nèi)進(jìn)行混合，噴射方向如圖1(b)小箭頭所示。圖1(b)中，d為預(yù)混區(qū)直徑。因此所形成的混合區(qū)域距離外圓壁面有一定距離，爆轟波在混合區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)傳播。根據(jù)研究燃料不同，可以噴入鋁粉/空氣，從而實(shí)現(xiàn)鋁粉/空氣RDE的工作；亦可噴入氫氣/空氣，從而實(shí)現(xiàn)氫氣/空氣RDE的工作。本文對(duì)該盤式RDE分別噴注鋁粉/空氣及氫氣/空氣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，從而方便對(duì)比相同發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型下不同形態(tài)燃料的爆轟特性及推進(jìn)性能。內(nèi)圓為發(fā)動(dòng)機(jī)爆轟產(chǎn)物的出口，直徑為50 mm。通過(guò)布置在燃燒室一側(cè)的H2/O2預(yù)爆轟管點(diǎn)火起爆，形成初始爆轟波。該爆轟波傳入發(fā)動(dòng)機(jī)盤式燃燒室內(nèi)，沿燃燒室外圓壁面順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)傳播，爆轟產(chǎn)物通過(guò)內(nèi)圓持續(xù)不斷噴出，從而形成持續(xù)推力。

圖1 RDE結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotating detonation engine

為方便對(duì)比相同發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及相同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，不同燃料形態(tài)所帶來(lái)的不同爆轟特性及推進(jìn)性能，實(shí)驗(yàn)中對(duì)鋁粉/空氣和氫氣/空氣的供給均采用1的當(dāng)量比，空氣質(zhì)量流量均為260 g/s。其中空氣質(zhì)量流量通過(guò)音速噴嘴壅塞限流的方式來(lái)控制，并在管路中安裝流量計(jì)用于空氣流量的監(jiān)控；氫氣燃料同樣采用音速噴嘴壅塞限流方式控制其流量，并在氫氣管路中安裝流量計(jì)用于氫氣流量的監(jiān)控；鋁粉采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞的方式供應(yīng)，通過(guò)精確控制活塞位移速度及位移行程來(lái)控制鋁粉的供給流量和時(shí)長(zhǎng)。

圖2 鋁粉電鏡掃描圖Fig.2 SEM photo of the aluminum powder

表1 鋁粉物理化學(xué)性質(zhì)

1.2 測(cè)試方法

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的爆轟特性通過(guò)布置在燃燒室不同位置處的4個(gè)高頻壓強(qiáng)傳感器獲得，如圖1(a)所示。高頻壓強(qiáng)傳感器型號(hào)為美國(guó)PCB Piezotronics公司生產(chǎn)的PCB 113B24，其最小分辨率為0.035 kPa，共振頻率大于等于500 kHz，上升時(shí)間小于1 μs，足以捕捉爆轟波的傳播過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)推力通過(guò)PCB Piezotronics公司生產(chǎn)的高頻推力傳感器PCB 208C03采集，該傳感器的最小分辨率為0.02 N，量程為2.224 kN，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)頂部軸線位置(見圖1(b))，傳感器另一側(cè)與臺(tái)架固定面接觸，該推力傳感器最小分辨率為0.02 N。所有測(cè)量信號(hào)都通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行同步采集，采集頻率為500 kHz。

2 結(jié)果與討論

圖3和圖4分別為鋁粉/空氣及氫氣/空氣RDE的熱試車實(shí)驗(yàn)過(guò)程。兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的熱試車實(shí)驗(yàn)都經(jīng)歷了預(yù)噴射、點(diǎn)火起爆、持續(xù)工作及熄火4個(gè)過(guò)程。對(duì)比圖3及圖4可以看出，鋁粉/空氣RDE的預(yù)噴射過(guò)程伴有大量粉塵云，并且點(diǎn)火起爆后的尾焰更長(zhǎng)，亮度更亮。這一現(xiàn)象將在后文討論中進(jìn)行分析解釋。

圖3 鋁粉/空氣RDE工作過(guò)程Fig.3 Working process of Al/Air rotating detonation engine

圖4 氫氣/空氣RDE工作過(guò)程Fig.4 Working process of H2/air rotating detonation engine

2.1 爆轟波傳播特性分析

圖5為鋁粉/空氣及氫氣/空氣RDE燃燒室中的壓強(qiáng)振蕩曲線。該壓強(qiáng)曲線由布置在燃燒室外邊緣的壓強(qiáng)傳感器3測(cè)得，具體位置如圖1(a)所示。圖5中每次壓強(qiáng)上升都代表著爆轟波經(jīng)過(guò)一次壓強(qiáng)傳感器3所在位置，峰值壓強(qiáng)則代表著爆轟波的強(qiáng)度。由圖5可見，鋁粉/空氣的峰值壓強(qiáng)Δp=0.707 MPa，要略高于氫氣/空氣的峰值壓強(qiáng)Δp=0.638 MPa。值得一提的是，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃燒室靜壓在0.3 MPa左右。根據(jù)鋁粉/空氣混合物的Chapman-Jouguet(C-J)爆轟理論計(jì)算，此壓強(qiáng)下鋁粉/空氣混合物的當(dāng)量比為1時(shí)，鋁粉/空氣爆轟波峰值壓強(qiáng)pd(Al/air)=24.8×p0，p0為初始?jí)簭?qiáng)。該C-J理論值被Zhang等[17]通過(guò)鋁粉爆轟實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，誤差在10%以內(nèi)。氫氣/空氣混合物在此壓強(qiáng)下，當(dāng)量比為1時(shí)的C-J爆轟峰值壓強(qiáng)為pd(H2/air)=15.9×p0。對(duì)于氣相爆轟而言，C-J爆轟峰值壓強(qiáng)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合較好[18]。由此可見，在相同初始?jí)簭?qiáng)、相同當(dāng)量比下，鋁粉/空氣的爆轟峰值壓強(qiáng)約是氫氣/空氣的1.6倍。根據(jù)C-J理論公式可知，爆轟峰值壓強(qiáng)和混合物熱值呈正比，因此鋁粉/空氣混合物具有更大的爆轟峰值壓強(qiáng)是由于鋁粉/空氣混合物的能量密度更大導(dǎo)致的。

圖5 鋁粉/空氣與氫氣/空氣RDE中壓強(qiáng)振蕩曲線(由傳感器3采集)Fig.5 Oscillation curves of pressures in Al/air and H2/air RDEs obtained by pressure sensor 3

圖6 爆轟波波頭、斜激波與傳感器之間相互位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of relative positions among detonation wave，oblique wave and pressure sensors

值得討論的是，對(duì)比本文實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的峰值壓強(qiáng)，無(wú)論是鋁粉/空氣還是氫氣/空氣，其值都小于上文所提及的C-J理論爆轟峰值壓強(qiáng)，其原因分析如下。首先，本文實(shí)驗(yàn)采用非預(yù)混的方式，氧化劑和還原劑在燃燒室內(nèi)邊預(yù)混邊參與爆轟燃燒，因此摻混不均勻性會(huì)帶來(lái)爆轟壓強(qiáng)值的虧損。其次，本文實(shí)驗(yàn)中所得峰值壓強(qiáng)是由傳感器3所測(cè)得的，由于傳感器座孔加工干涉問(wèn)題，使得傳感器3所測(cè)位置無(wú)法貼近燃燒室外壁面。而爆轟波波頭的傳播比較貼近燃燒室外壁面，因此傳感器無(wú)法測(cè)得爆轟波波頭的峰值壓強(qiáng)，只能測(cè)得爆轟波形成的斜激波壓強(qiáng)，如圖6所示。斜激波壓強(qiáng)相對(duì)于爆轟波波頭壓強(qiáng)要弱許多，因此所測(cè)值要比理論C-J爆轟峰值壓強(qiáng)低。雖然無(wú)法測(cè)得爆轟波波頭峰值壓強(qiáng)，但斜激波的壓強(qiáng)是與爆轟波波頭壓強(qiáng)呈正比的，因此對(duì)比斜激波壓強(qiáng)也可以從側(cè)面反映爆轟波的強(qiáng)弱。本文實(shí)驗(yàn)所測(cè)鋁粉/空氣的峰值壓強(qiáng)(Δp=0.707 MPa)略高于氫氣/空氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Δp=0.638 MPa)，與C-J理論值的規(guī)律一致，從而進(jìn)一步說(shuō)明由于鋁粉/空氣混合物具有更高的能量密度，因此可以帶來(lái)更高的爆轟峰值壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)更高的增壓能力。

值得討論的第2個(gè)問(wèn)題是，本文實(shí)驗(yàn)測(cè)的鋁粉/空氣峰值壓強(qiáng)(Δp=0.707 MPa)，僅為氫氣/空氣(Δp=0.638 MPa)的1.1倍(高11%)，遠(yuǎn)小于上文所提C-J理論計(jì)算的1.6倍(高56%)，其原因分析如下。首先，本文實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的峰值壓強(qiáng)是斜激波的峰值壓強(qiáng)，雖然斜激波的壓強(qiáng)和爆轟波波頭峰值壓強(qiáng)呈正比，但是并不線性，因此實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的斜激波強(qiáng)度倍數(shù)不能完全吻合C-J理論爆轟強(qiáng)度倍數(shù)。另一方面，本文實(shí)驗(yàn)所用固體燃料為0.53 μm中位徑鋁粉，而Zhang等[17]驗(yàn)證鋁粉/空氣C-J理論值的實(shí)驗(yàn)用鋁粉為100 nm粒徑粉末，遠(yuǎn)小于本文實(shí)驗(yàn)用鋁粉粒徑。根據(jù)Zhang等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋁粉粒徑的增大，有越來(lái)越多的未燃鋁粉出現(xiàn)在爆轟波聲速面之后，其后燃所釋放的化學(xué)能無(wú)法用于供給前導(dǎo)激波，因此會(huì)存在爆轟波峰值壓強(qiáng)虧損，導(dǎo)致實(shí)際爆轟峰值壓強(qiáng)低于理論C-J爆轟峰值壓強(qiáng)。本文實(shí)驗(yàn)采用的鋁粉粒徑范圍為0.04～8 μm，其中大顆粒鋁粉無(wú)法參與爆轟燃燒，這是本文實(shí)驗(yàn)所測(cè)倍數(shù)低于C-J理論倍數(shù)的第2個(gè)原因。

進(jìn)一步地，上述機(jī)理可以用來(lái)解釋圖3及圖4中鋁粉/空氣和氫氣/空氣RDE正常工作時(shí)尾焰的差異。一方面，由于所用鋁粉中位徑較大，部分大顆粒鋁粉未在爆轟波聲速面之前參與爆轟燃燒，而發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室長(zhǎng)度較短，因此部分大顆粒鋁粉在噴出燃燒室后還在持續(xù)后燃，形成更長(zhǎng)更亮的尾焰。另一方面，鋁粉的能量密度較大，化學(xué)反應(yīng)放熱更加劇烈，因此尾焰更為明亮。

圖7為鋁粉/空氣及氫氣/空氣RDE壓強(qiáng)曲線的快速傅里葉變換(FFT)分析圖。由圖7可以看出鋁粉/空氣RDE的工作頻率(f=3.65 kHz)要低于氫氣/空氣RDE(f=4.09 kHz)。由(1)式可知，在供給當(dāng)量比都為1下，鋁粉/空氣的爆轟波傳播速度要比氫氣/空氣的爆轟波傳播速度低11%。

vd=f·d·π

(1)

式中：vd為爆轟波的平均傳播速度；f為主頻。

圖7 鋁粉/空氣與氫氣/空氣RDE中壓強(qiáng)振蕩的FFTFig.7 FFT plots of Al/air and the H2/air RDEs

根據(jù)鋁粉/空氣混合物的C-J爆轟理論計(jì)算，初始?jí)簭?qiáng)0.3 MPa下，鋁粉和空氣混合物的當(dāng)量比為1時(shí)，鋁粉/空氣C-J爆轟速度D(Al/air)=1 878.2 m/s。該C-J理論值同樣被Zhang等[17]通過(guò)鋁粉爆轟實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，誤差在10%以內(nèi)。氫氣/空氣混合物在此壓強(qiáng)下，當(dāng)量比為1時(shí)的C-J爆轟速度D(H2/air)=1 986.6 m/s。同樣，對(duì)于氣相爆轟而言，C-J爆轟速度和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合地較好[18]。由此可見，鋁粉/空氣的C-J爆轟壓強(qiáng)雖然比氫氣/空氣的高56%，但是其C-J爆轟速度要比氫氣/空氣的低5.4%。而本文實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鋁粉/空氣爆轟速度要比氫氣/空氣的低11%，這同樣是由于所使用的鋁粉中位徑較大，部分大顆粒鋁粉在聲速面后進(jìn)行后燃，存在爆轟速度的虧損，導(dǎo)致其低于理論C-J爆轟速度。換言之，雖然供給當(dāng)量比為1，但鋁粉實(shí)際參與爆轟燃燒的當(dāng)量比是小于1的。綜上所述可以推測(cè)，對(duì)于鋁粉燃料RDE，采用粒徑更小的鋁粉燃料(納米級(jí))，會(huì)使更多的鋁粉參與爆轟燃燒，實(shí)際爆轟當(dāng)量比就會(huì)更加接近供給當(dāng)量比，進(jìn)一步提升爆轟壓強(qiáng)及爆轟速度，從而提升推進(jìn)性能。

2.2 爆轟波傳播模態(tài)分析

圖8和圖9分別為鋁粉/空氣及氫氣/空氣RDE穩(wěn)定工作時(shí)燃燒室內(nèi)圖1所示不同位置處4個(gè)壓強(qiáng)傳感器所采集到的壓強(qiáng)曲線圖。由圖8和圖9可以看出，兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的壓強(qiáng)振蕩較為規(guī)律，起峰順序?yàn)椋簤簭?qiáng)傳感器3(壓強(qiáng)傳感器4)→壓強(qiáng)傳感器1(壓強(qiáng)傳感器2)，表明爆轟波在兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳播都是沿順時(shí)針方向。這是因?yàn)轭A(yù)爆轟管中的爆轟波都是沿順時(shí)針方向傳入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的(見圖1(a))。由于壓強(qiáng)傳感器1和2處在同一個(gè)方位角上，這兩個(gè)位置處的起峰時(shí)刻基本一致。壓強(qiáng)傳感器3和4同樣如此。爆轟波在發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳播模態(tài)可以通過(guò)(2)式～(4)式獲得：

(2)

(3)

(4)

圖8 鋁粉/空氣RDE中不同位置處壓強(qiáng)振蕩曲線Fig.8 Pressure profiles in different positions of Al/air RDE

圖9 氫氣/空氣RDE中不同位置處壓強(qiáng)振蕩曲線Fig.9 Pressure profiles in different positions of H2/air RDE

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)推力性能分析

圖10為鋁粉/空氣及氫氣/空氣RDE的推力曲線，其中的平均推力值通過(guò)(5)式得出：

(5)

式中：Ta為發(fā)動(dòng)機(jī)的平均推力值；T(t)為隨時(shí)間變化的推力值；t1為推力達(dá)到最大峰值的時(shí)刻；t2為停止供應(yīng)燃料的時(shí)刻。

圖10 鋁粉/空氣與氫氣/空氣RDE的推力曲線Fig.10 Thrust profiles of Al/air and H2/air RDEs

由圖10可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)一致且均無(wú)噴管下，空氣流量同為260 g/s，供給當(dāng)量比同為1下，鋁粉/空氣RDE的推力要比氫氣/空氣RDE的推力高35%。這是因?yàn)殇X粉燃料的體積能量密度(定當(dāng)量比下單位體積混合物的化學(xué)能)更大：在空氣流量260 g/s，供給當(dāng)量比1下，氫氣流量為7.5 g/s，鋁粉流量為67 g/s。按照氫氣熱值為140 kJ/g、鋁粉熱值為30.2 kJ/g來(lái)計(jì)算，相同供給條件下，氫氣的供給能量為7.5 g/s×140 kJ/g=1 050 kJ/s，鋁粉的供給能量為67 g/s×30.2 kJ/g=2 023.4 kJ/s。因此鋁粉的供給能量接近于氫氣的2倍，然而鋁粉的推力卻只比氫氣提高了35%，其原因2.1節(jié)中已給出：實(shí)驗(yàn)所用鋁粉中位徑較大，部分大顆粒無(wú)法參與爆轟燃燒而參與了后續(xù)的爆燃，使得熱循環(huán)效率下降，因此推力無(wú)法等比例增高。

值得注意的是，推力曲線最初上升的35 N是由于燃料/空氣預(yù)噴射所產(chǎn)生的推力，而后的推力增益才是燃料/空氣化學(xué)反應(yīng)熱量釋放所形成的。

3 結(jié)論

本文對(duì)鋁粉/空氣盤式RDE進(jìn)行了熱試車實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了鋁粉和純空氣的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒并獲得了穩(wěn)定推力，為吸氣式粉末燃料RDE奠定了一定的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。通過(guò)與供給當(dāng)量比同為1的氫氣/空氣盤式RDE熱試車實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得到以下主要結(jié)論：

1) 在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)一致且均無(wú)噴管下，空氣流量同為260 g/s，供給當(dāng)量比同為1下，鋁粉的體積能量密度接近于氫氣的2倍，但鋁粉/空氣RDE的推力卻只比氫氣/空氣RDE的推力高了35%。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用鋁粉的中位徑較大，部分大顆粒鋁粉無(wú)法參與爆轟燃燒，而參與了后續(xù)的爆燃，因此熱循環(huán)效率有所下降。

2) 鋁粉/空氣的C-J理論爆轟壓強(qiáng)比氫氣/空氣的高56%，而本文實(shí)驗(yàn)所測(cè)鋁粉/空氣的峰值壓強(qiáng)要比氫氣/空氣的峰值壓強(qiáng)高11%。一方面是由于本文實(shí)驗(yàn)所測(cè)的峰值壓強(qiáng)為爆轟形成的斜激波的壓強(qiáng)，與爆轟壓強(qiáng)雖然呈正比，但并不線性。另一方面是由于實(shí)驗(yàn)所用鋁粉中位徑較大，部分大顆粒鋁粉在聲速面后進(jìn)行后燃，其所釋放的化學(xué)能無(wú)法用于供給前導(dǎo)激波，因此會(huì)存在爆轟波峰值壓強(qiáng)虧損，導(dǎo)致其低于理論C-J爆轟峰值壓強(qiáng)。但即便如此，鋁粉/空氣的爆轟壓強(qiáng)還是要高于氫氣/空氣。

3) 鋁粉/空氣的C-J理論爆轟速度要比氫氣/空氣的低5.4%，而本文實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鋁粉/空氣爆轟速度要比氫氣/空氣的低11%，這同樣是因?yàn)樗褂玫匿X粉中位徑較大，所以部分大顆粒鋁粉在聲速面后進(jìn)行后燃，存在爆轟速度的虧損，導(dǎo)致其低于理論C-J爆轟速度。

4) 鋁粉/空氣RDE的工作模態(tài)同氫氣/空氣RDE一樣，均為單波模態(tài)。

雖然同為粉末燃料，然而鋁粉燃料相對(duì)于煤粉燃料而言，具有更快的化學(xué)反應(yīng)速率，并且單位體積下鋁粉的化學(xué)反應(yīng)放熱量要高于煤粉。因此，相對(duì)于煤粉燃料，鋁粉燃料在前導(dǎo)激波作用后可及時(shí)放出足夠的熱量來(lái)支持前導(dǎo)激波的自持傳播，因此不需要借助其他助爆氣體即可實(shí)現(xiàn)鋁粉燃料連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播。而煤粉燃料由于化學(xué)反應(yīng)放熱速率較慢，且單位體積內(nèi)的放熱量較低，因此其放熱無(wú)法支持前導(dǎo)激波的自持傳播，需要借助氫氣等助爆氣體來(lái)維持前導(dǎo)激波的傳播，這不利于工程應(yīng)用。

本文實(shí)驗(yàn)雖不需借助任何助爆氣體，實(shí)現(xiàn)了鋁粉燃料和純空氣的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒，但所采用的鋁粉中位徑為0.53 μm，粒徑依然較大，因此存在部分大顆粒鋁粉在聲速面后進(jìn)行后燃，無(wú)法參與爆轟燃燒，導(dǎo)致爆轟壓強(qiáng)及爆轟速度的虧損。如果采用納米級(jí)鋁粉，將會(huì)有更多的鋁粉參與爆轟燃燒，進(jìn)一步提升爆轟壓強(qiáng)及波速。對(duì)于鋁粉燃料RDE而言，可進(jìn)一步縮短燃燒室長(zhǎng)度、提升實(shí)際熱循環(huán)效率，從而進(jìn)一步提升推進(jìn)性能。