含硼凝胶冲压发动机技术研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31256

综述

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含硼凝胶冲压发动机技术研究进展

冯昱嘉¹, 孙振华¹^,²(), 王坤³, 郭家琦¹

^1.中国空空导弹研究院，洛阳 471009
^2.空基信息感知与融合全国重点实验室，洛阳 471009
^3.中国人民解放军94857部队，芜湖 241000

收稿日期:2024-09-23 修回日期:2024-10-15 接受日期:2024-11-07 出版日期:2024-11-21 发布日期:2024-11-20
通讯作者: 孙振华 E-mail:rainszh@163.com

Advances in boron-loaded gel ramjet technologies

Yujia FENG¹, Zhenhua SUN¹^,²(), Kun WANG³, Jiaqi GUO¹

^1.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China
^2.National Key Laboratory of Air-Based Information Perception and Fusion，Luoyang 471009，China
^3.94857 Troops of the PLA，Wuhu 241000，China

Received:2024-09-23 Revised:2024-10-15 Accepted:2024-11-07 Online:2024-11-21 Published:2024-11-20
Contact: Zhenhua SUN E-mail:rainszh@163.com

摘要/Abstract

摘要：

在液体燃料中添加硼粉、胶凝剂及其他改性物质制成的含硼凝胶推进剂是为冲压发动机等限体积推进装置提供动力的理想燃料，但是含硼凝胶推进剂的应用也带来了新的技术挑战，包括但不限于具有优良稳定性和流变特性的高含硼量凝胶推进剂制备，推进剂的可控供给和高效雾化，以及发动机的高效燃烧组织。概述了含硼凝胶推进剂的发展历史和国内外已开展的相关研究工作，对凝胶推进剂的雾化技术进行了详细介绍，并提出了仍有待进一步深入研究的问题。总结了含硼凝胶的单液滴和喷雾燃烧特性，梳理了国内外关于含硼凝胶冲压发动机的研究工作，介绍了含硼凝胶冲压发动机的燃烧组织特性。最后，对含硼凝胶冲压发动机的未来研究方向进行了展望。

关键词: 冲压发动机, 含硼凝胶推进剂, 非牛顿流体, 雾化技术, 燃烧组织

Abstract:

The boron-loaded gel propellant， made by adding boron powder， gelling agents and other modified substances into liquid fuel， is an ideal fuel providing power for limited volume propulsion devices such as ramjets. However， the application of boron-loaded gel propellant also brings new technical challenges such as preparation of high-boron-content gel propellant with excellent stability and rheological properties， controllable supply and efficient atomization of propellant， and efficient combustion organization of ramjets. The development history of boron-loaded gel propellant and related research work are summarized， and the atomization technology of gel propellant is introduced in detail. On the basis of integrating a large number of research achievements， the problems that still need to be further studied are presented. The combustion characteristics of single droplets and spray of boron-loaded gel fuel are summarized， the research work on boron-loaded gel ramjets at home and abroad reviewed， and the combustion organization characteristics of boron-loaded gel ramjets introduced. Finally， the research direction of boron-loaded gel ramjets is summarized.

Key words: ramjet, boron-loaded propellant, non-Newtonian fluid, atomization technology, combustion organization

中图分类号:

V235.21

冯昱嘉, 孙振华, 王坤, 郭家琦. 含硼凝胶冲压发动机技术研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(14): 31256.

Yujia FENG, Zhenhua SUN, Kun WANG, Jiaqi GUO. Advances in boron-loaded gel ramjet technologies[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(14): 31256.

图/表 41

表 1

图 1

图 2

表 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

表 3

旋流雾化器参数对凝胶雾化特性的影响

参数	$D t$	$D n$	$n$
流量	$+$	$+$	$+$
流量系数	$+$	$-$	$+$
破碎长度	$-$	$-$	$-$
雾化锥角	$-$	$\$	$-$

表 3

图 10

图 11

图 12

图 13

表 4

悬浮液物性及喷嘴参数对泡腾喷雾场物理参数的影响规律

参数	$S M D$	速度	温度
喷嘴直径	$+$	$-$	$-$
气液比	$-$	$+$	$~$
表面张力	$+$	$\$	$\$
颗粒含量	$+$	$~$	$-$
弛豫时间	$+$	$\$	$\$
喷注压强	$-$	$\$	$\$
零剪切黏性	$+$	$\$	$\$

表 4

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

表 5

含硼凝胶燃烧特性及燃烧组织相关研究

研究者	研究方法	主要研究成果或结论
Solomon等	单液滴燃烧试验	观测到含硼凝胶周期性微爆过程；硼颗粒添加使得凝胶煤油组分燃烧时间显著增长；液体组分耗尽后，硼以海绵状多空聚团形式存在^［16-17］；高氯酸盐和铝的添加可抑制含硼凝胶液滴燃烧过程中硼颗粒的团聚，并使硼颗粒从液滴中喷发，提前开始燃烧^［18］
Solomon等	单液滴数学物理模型构建及仿真	基于缩核模型建立了蒸发过程煤油/B/Al/高氯酸盐凝胶体系单液滴内部温度分布计算方法，评估了单液滴热特性，分析了液滴直径、环境压力、表面热流密度、固体组分含量对蒸发过程的影响^［19-20］
Balas和Natan	发动机内流场数学物理模型构建及仿真	冷气掺混促进氧化产物冷凝可使发动机比冲提高10%以上，且随着巡航高度的降低，比冲至多可提高25%^［21］
Madhumitha等	单液滴燃烧试验	含硼量提高使得液滴燃烧速率常数、微爆频率、硼燃烧完全度提高；高含硼量液滴具有更低的火焰高度^［22］
Madhumitha等	单液滴燃烧试验	铝和钛均能显著降低硼的点火延迟；铝的添加抑制了硼的完全燃烧，而钛能够促进硼的完全燃烧；镁颗粒添加可显著降低点火延迟时间，但对硼的完全度无显著影响^［23-24］
Kuznetsov等	发动机地面直连试验	搭建含硼凝胶冲压发动机直连试验台并设计制造实验室级发动机^［37］
杨大力等	单液滴燃烧试验	胶凝剂含量提高导致液滴微爆开始时间推迟，微爆强度提高；硼含量提高导致液滴微爆开始时间提前，微爆强度提高胶凝剂含量及硼含量对燃料单液滴燃烧特性影响的试验研究^{［1，26-27］}
杨大力等	喷雾燃烧试验	硼的添加可以强化换热，加快喷雾液滴中煤油蒸发；硼颗粒含量增加，喷雾火焰托举高度降低，火焰长度及火焰宽度增大；喷雾速度过高导致有限空间内液滴无法充分燃烧；喷口附近出现微爆现象，火焰其他部分未观测到微爆现象^［1，28］
肖云雷等	发动机地面直连试验发动机内流场数学物理模型构建及仿真	建立硼团聚燃烧模型和发动机内流场数值仿真方法；通过试验和仿真获得了试验发动机燃烧组织特性^{［15，30］}
靳雨树等	发动机地面直连试验	添加少量硼（16%）可提高煤油凝胶在超声速燃烧室中的燃烧效率^［31-32］
梁坤等	爆轰试验	实现了40%含硼量煤油凝胶燃料在氢氧预混气中的起爆，试验条件下爆轰管中压力峰值达到8.65 MPa，爆轰波传播速度达到2 750 m/s^［33］

表 5

图 19

图 20

表 6

各因素对凝胶液滴“微爆”特性的影响

参数	“微爆”发生时间	“微爆”强度
环境压力	$+$	$-$
环境温度	$-$	$+$
环境氧化剂浓度	$-$	$~$
金属颗粒/胶凝剂含量	$-$	$~$
表面活化剂	$-$	$-$

表 6

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

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图 28

图 29

图 30

图 31

图 32

表 7

表 8

图 33

参考文献 118

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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

含能固体	密度/（g·cm^-3）	熔点/K	沸点/K	质量热值/（MJ·kg^-1）	体积热值/（MJ·L^-1）	耗氧量（O₂）/g
Al	2.70	933	2 740	31.05	83.85	0.89
Mg	1.74	923	1 390	24.91	43.34	0.67
B	2.34	2 450	3 931	57.97	135.51	2.22
Li	0.54	452	1 615	86.27	46.59	1.15
Na	0.97	371	1 156	11.16	10.83	0.70

研究者	燃料组分	胶凝剂组分	研究内容
Solomon等^［16-20］	38.25%JP-8+55%B+6.75%胶凝剂溶液	50%甲基异戊酮（溶剂）+50%有机胶凝剂	单液滴燃烧特性试验研究
	35%煤油+35.75%B+7.125%高氯酸纳+7.125%Al+15%胶凝剂	paraffin 624	单液滴燃烧特性试验研究
	35%煤油+35.75%B+7.125%高氯酸纳+7.125%Al+15%胶凝剂	paraffin 624	基于缩核模型的单液滴蒸发过程的建模与分析
Balas和Natan^［21］	57%Jet-A+40%B+3%胶凝剂	硬脂酸铝	燃料燃烧产物冷凝过程对冲压发动机性能影响的数值仿真研究
Madhumitha等^［22-24］	Jet A-1+10%/20%/30%B+5.5%胶凝剂	Thixatrol ST	硼含量对燃料流变特性及单液滴燃烧特性影响的试验研究
Madhumitha等^［22-24］	64.5% Jet A-1+30%含能颗粒（B+10%/20%/30% Al/Ti/Mg）+5.5%胶凝剂	Thixatrol ST	Al/Ti/Mg的添加对含硼凝胶液滴点火燃烧特性影响的试验研究
Jyoti和Baek^［25］	乙醇+10%/20%B+6%胶凝剂	甲基纤维素	含硼量对燃料流变特性影响的试验研究
杨大力等^{［1，26-28］}	煤油+B+胶凝剂 B含量：2%、5%、10% 胶凝剂含量：2%、5%、10%	有机胶凝剂	胶凝剂含量及硼含量对燃料单液滴燃烧特性影响的试验研究
杨大力等^{［1，26-28］}	煤油+5%/10%/15%/20%/25%/30%B+3%胶凝剂	聚酰胺树脂	含硼煤油凝胶流变特性及喷雾燃烧特性试验研究
肖云雷等^{［15，29-30］}	RP-1+5%/10%/20%/30%/40% B+3%胶凝剂	聚酰胺树脂	含硼凝胶推进剂雾化特性及发动机燃烧组织研究
黄利亚等^［2］	煤油+40%/45%/50%B+2.7%/1.8%/2.2%正己醇+2.5%/2.0%/2.5%胶凝剂	33.3%辛酰纤维素+66.6%Thixatrol ST	燃料配方与制备方法优化研究及应用于发动机的直连点火燃烧试验
靳雨树等^［31-32］	83.16%JP-10+16%B+0.84%胶凝剂	正丁醚	煤油凝胶中硼的添加对超燃冲压发动机工作特性影响的试验研究
梁坤等^［33］	煤油+30%/40%/50%B+胶凝剂	Thixatrol ST	含硼凝胶雾化及爆轰燃烧特性试验研究

变量	数值
推进剂含硼量/%	30	40
推进剂流量/（g·s^-1）	11.65	10.60
空燃比	23.3	25.3
余油系数	0.57	0.50
燃烧室平均压强/MPa	0.362 1	0.341 1
燃烧室理论温度/K	1 955	1 856
基于特征速度的燃烧效率/%	96.6	93.2
基于温度的燃烧效率/%	90.1	80.1

推进剂含硼量/%	余油系数	空燃比	燃烧效率/%
0	0.60	23.66	95.15
0	0.78	18.20	84.99
0	0.96	14.79	77.23
16	0.62	21.73	96.84
16	0.79	17.05	87.06
16	0.99	13.61	79.76

含硼凝胶冲压发动机技术研究进展

Advances in boron-loaded gel ramjet technologies

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