金属燃料及其在冲压发动机中的应用综述

doi:10.7527/S1000-6893.2026.33429

Abstract

Abstract:

Metal fuels， with their high energy density， show significant advantages in improving engine specific impulse and thrust， and have become a frontier in propulsion technology research. This paper reviews the characteristics， fuel forms， and the progress in the application of metal fuels in ramjet engines. The physicochemical characteristics and energy performance of common metal fuels such as lithium， beryllium， boron， magnesium， and aluminum are analyzed. The working mechanisms， performance characteristics， and advantages and disadvantages of the pill-type and powder-type metal fuel forms are compared. This paper focuses on summarizing the application of metal fuels in air ramjet engines， water ramjet engines， and cross-medium engines. The test and numerical simulation results of combustion organization， flow field optimization， and performance enhancement from both domestic and international research are classified and summarized. Furthermore， the current technical challenges are revealed. A summary and outlook on the key technical challenges in the combustion organization of metal fuel engines are presented. This provides reference for future research and engineering applications of metal fuels.

Key words: metal fuels, propulsion system, air ramjet engine, water ramjet engine, cross-medium engine

CLC Number:

V435

Ping’an LIU, Shang LIU, Aimin PANG, Yuxin YANG, Zhiwen WU, Tao YAN, Shixuan HUI, Kejing XU. Review on metal fuels and its application in ramjet engines[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(17): 633429.

Figures/Tables 18

Table 1

Common metal fuels and their properties［13］

金属燃料	Li	Be	B	Mg	Al
SEM图像
相对分子质量	6.94	9.01	10.81	24.31	26.97
密度/（g $∙$ cm^-3）	0.54	1.86	2.22	1.74	2.70
熔点/K	452	1 558	2 570	920	930
沸点/K	1 609	3 243	2 820	1 370	2 720
质量燃烧热/（kJ $∙$ g^-1）	42.90	66.45	59.30	24.70	31.10
体积燃烧热/（kJ $∙$ cm^-3）	23.00	123.00	131.60	43.00	83.90
氧化物	Li₂O	BeO	B₂O₃	MgO	Al₂O₃
熔点/K	1 840	2 843	720	3 075	2 323
沸点/K	2 873	4 173	2 320	3 350	3 800

Table 1

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

Fig.9

Fig.10

Fig.11

Fig.12

Fig.13

Fig.14

Table 2

Comparison of common definitions of engine combustion efficiency（ηc）

方法	基本定义	主要反映内容	主要优点	主要缺点	适用性
基于特征速度^［154］	$η c = c * c t h *$	燃烧室将化学能转化为高温高压气体的能力	计算简单，只需压力、流量等整体参数；广泛用于发动机试验评价	无法区分燃烧不完全、热损失或流动损失；对反应机理信息反映较少	最经典、最常用的方法；常用于发动机整体性能评价
基于燃料转化率^［155］	$η c = m ˙ r e a c t m ˙ f u e l$	燃料参与化学反应的比例	直接反映燃料是否充分反应；适用于颗粒燃烧研究	需要收集未反应燃料或颗粒；试验难度大	常用于金属颗粒燃烧机理研究
基于能量释放^［155］	$η c = Q a c t u a l Q t h$	燃料化学能转化为气体热能的程度	符合热力学本质；能够反映热损失影响	需要准确测量温度、流量和比热；误差较大	多用于热力学理论分析或数值模拟
基于燃烧产物^［156］	根据产物与理论产物比例计算	反应路径与产物生成情况	可反映反应机理和不完全燃烧产物	需要复杂的成分分析；采样困难	常用于反应路径机理研究

Table 2

Table 3

Fig.15

References 168

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年份	阶段定位与研究重点	代表性成果	文献
2007—2008	药柱式水冲压发动机原理验证与基础参数研究	首次实现铝基药柱式水冲压发动机稳定燃烧（一次进水，效率70.3%）；明确一次水燃比、进水位置、进水口数量及液滴粒径的优化范围	［118，120，136，138］
2009—2011	二次进水策略的提出与多参数设计方法构建	发现最佳二次水燃比，建立水燃比选择方法；提出燃烧室长度与进水位置设计方法（燃烧效率+16.93%）；明确进水角度（30°~65°）与雾化锥角（50°~110°）最优范围	［122-123，125-126］［135，142］
2012—2014	燃烧室构型优化与燃烧过程机理研究	确立非壅塞式构型为最优燃烧室方案；揭示点火过程关键影响因素	［119，121，124］
2016—2018	点火特性深化与粉末式技术探索	明确点火药特性对点火过程的影响规律；实现铝粉粉末式水冲压发动机稳定燃烧	［128，149-150］
2022—2025	燃料多元化拓展与粉末式技术深化	验证旋流式粉末燃料水冲压发动机构型可行性；实现硼基药柱式水冲压发动机稳定燃烧	［127，129］

Review on metal fuels and its application in ramjet engines

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