镁粉二次燃烧增强碳氢燃料冲压发动机推力

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31786

流体力学与飞行力学

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镁粉二次燃烧增强碳氢燃料冲压发动机推力

王旭¹^,², 刘佳迅¹, 刘永祺¹, 窦苏沂¹, 李庆宇¹, 徐旭¹^,³, 杨庆春¹^,³()

^1.北京航空航天大学宇航学院，北京 102206
^2.北京航空航天大学沈元学院，北京 100191
^3.北京航空航天大学航天液体动力全国重点实验室，北京 102206

收稿日期:2025-01-09 修回日期:2025-01-22 接受日期:2025-02-10 出版日期:2025-09-25 发布日期:1900-01-01
通讯作者: 杨庆春 E-mail:yangqc@buaa.edu.cn
基金资助:
省部级项目;北京航空航天大学博士卓越学术基金;沈元博士卓越学术基金

Secondary combustion of magnesium powder to enhance kerosene-fueled scramjet thrust

Xu WANG¹^,², Jiaxun LIU¹, Yongqi LIU¹, Suyi DOU¹, Qingyu LI¹, Xu XU¹^,³, Qingchun YANG¹^,³()

^1.School of Astronautics，Beihang University，Beijing 　100191，China
^2.Shenyuan Honors College，Beihang University，Beijing 　100191，China
^3.National Key Laboratory of Aerospace Liquid Propulsion，Beihang University，Beijing 　102206，China

Received:2025-01-09 Revised:2025-01-22 Accepted:2025-02-10 Online:2025-09-25 Published:1900-01-01
Contact: Qingchun YANG E-mail:yangqc@buaa.edu.cn
Supported by:
Provincial or Ministerial Level Project;Academic Excellence Foundation of Beihang University for PhD students;Outstanding Research Project of Shenyuan Honers College

摘要/Abstract

摘要：

为了验证在碳氢燃料冲压发动机完全燃烧气体中加入镁粉二次燃烧以提升发动机推力性能方案的可行性，搭建了粉末增强型冲压发动机试验系统。在模拟马赫数6.0和30 km飞行条件下开展了发动机试验，并通过改进推力测量方法来获得镁粉超燃冲压发动机燃烧室推力和燃烧性能参数。试验围绕发动机方案可行性、粉/燃气比以及粉末滞留距离对推力性能的影响展开研究。结果表明：该方案具备可行性。镁粉主要与发动机燃气中水蒸气和二氧化碳反应，且水蒸气占主导。在喷注13%镁粉时发动机比推力增益达到86.6%，对应燃烧效率为65.1%。综合考虑发动机尺寸与发动机性能时，粉末滞留距离与燃烧室总长比建议设定在0.62附近。

关键词: 金属燃料, 碳氢燃料, 粉末超燃冲压发动机, 镁粉, 推力性能

Abstract:

To verify the feasibility of enhancing thrust performance in hydrocarbon-fueled scramjet engines through secondary combustion by injecting magnesium powder for fully combusted exhaust gases， a magnesium powder-enhanced direct-connect scramjet experimental system was developed. Experiments were conducted under simulated flight conditions of Mach number 6.0 at an altitude of 30 km. An improved thrust measurement method was employed to obtain the thrust and combustion performance parameters of the powder-based scramjet combustor. The study focused on evaluating the feasibility of the powder enhanced scramjet， the effects of the powder-gas ratio， and the powder residence distance on thrust performance. Results demonstrated the viability of the proposed scheme， with magnesium powder primarily reacting with water vapor and carbon dioxide in the exhaust gases， where water vapor was the dominant reactant. When 13% magnesium powder was injected， the engine achieved a specific thrust gain of 86.6% and a combustion efficiency of 65.1%. Considering both engine size and performance， the recommended ratio of powder residence distance-to-combustor chamber length is approximately 0.62.

Key words: metal fuel, hydrocarbon fuel, powder scramjet, magnesium powder, thrust performance

中图分类号:

V436⁺.1

王旭, 刘佳迅, 刘永祺, 窦苏沂, 李庆宇, 徐旭, 杨庆春. 镁粉二次燃烧增强碳氢燃料冲压发动机推力[J]. 航空学报, 2025, 46(18): 131786.

Xu WANG, Jiaxun LIU, Yongqi LIU, Suyi DOU, Qingyu LI, Xu XU, Qingchun YANG. Secondary combustion of magnesium powder to enhance kerosene-fueled scramjet thrust[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(18): 131786.

图/表 31

图 1

图 2

表1

图 3

图 4

图 5

图 6

表2

粉末增强型冲压发动机试验条件

工况	当量比ER	$粉末燃气$ /%	粉末喷注位置/m
1	1.0
2	1.0	5（SiO₂）	0.8
3	1.0	7
4	1.3	7
5	1.0	5
6	1.0	10
7	1.0	12
8	1.0	13
9	1.0	7	0.9
10	1.0	7	1.1
11	1.0	7	1.2

表2

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图16

表3

发动机推力性能参数

工况	$F s, f$ /（N·s·kg^-1）	$F s, P$ /（N·s·kg^-1）	G/%
ER1.0	606.5	793.2	30.8
ER1.3	648.2	805.9	24.3

表3

图 17

图 18

表4

图 19

图 20

表5

发动机比冲性能参数

粉/燃比	$I s, f$ /s	$I s, P$ /s
5%	824.6	492.5
7%	831.7	484.8
10%	832.6	458.0
12%	833.0	472.6
13%	841.6	494.3

表5

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

图 26

参考文献 25

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

工况	测量马赫数	计算马赫数	相对误差/%
RP-3	1.875	1.809	3.5
RP-3+7%Mg	1.531	1.515	1.1
RP-3+10%Mg	1.469	1.429	2.7
RP-3+12%Mg	1.484	1.426	3.9

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Secondary combustion of magnesium powder to enhance kerosene-fueled scramjet thrust

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