CN105565266A - 一种高超声速飞行器用吸热型载氢燃料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高声速飞行器用吸热型载氢燃料，属于飞行器燃料领域。本发明所述的载氢燃料主要组分为轻金属氢化物或轻金属氢化物与配位金属氢化物的一种或多种，所制备得到的载氢燃料密度高(ρ20℃≥0.75g/cm3)，热沉值高(850℃有效热沉值高于7.0MJ/kg)，绝热燃温高(≥3500K)，点火延迟时间短，可在超燃冲压发动机中快速组织燃烧。

Description

一种高超声速飞行器用吸热型载氢燃料
技术领域
本发明属于一种高超声速飞行器用燃料。具体涉及的是一种超高声速飞行器主动冷却式超燃冲压发动机用吸热型燃料，属于飞行器燃料领域。
技术背景
高超声速是指飞行速度大于5马赫。高超声速武器由于具有快速打击、强突防、远程精确打击、高效毁伤能力成为目前航空航天武器研究重点。燃料在高超声速武器中承担着推进与冷却双重功效。武器高速飞行与空气磨擦产生热负荷，热负荷大致与Ma平方成正比，根据估算，飞行器飞行速度达6Ma，机身与燃烧室温度分别为1371℃、2427℃，飞行速度达8Ma，机身与燃烧室温度分别为2204℃、2816℃，已远远超过现有所有材料的耐受温度，必须采取有效冷却措施。燃料在进入燃烧室之前，通过冷却通道利用物理热沉或化学反应吸热对飞行器高温部件冷却，自身裂解为更易燃烧小分子化合物。利用吸热型燃料不仅是发动机冷却的需要也是提高发动机推力和性能的关键措施，燃料吸热后物性改变对燃烧性能的附加贡献对超燃冲压发动机的净推力也至关重要。
目前，高超声速武器所用燃料主要为吸热型碳氢燃料及液氢。吸热型碳氢燃料与液氢相比具有容易储存、携带，便于实际应用的优点，但重要的缺点是化学反应速度慢(比氢慢了3～5个数量级)、热值低(单位质量的热值只有氢的1/3)和有限的热沉(单位质量的热沉只有液氢的1/6)，一般认为碳氢燃料只能用到马赫数4～8的发动机，马赫数6以上需要利用有催化反应的吸热碳氢燃料，液体甲烷有可能用于马赫数大于8，但马赫数10以上由于发动机实际尺寸重量的严格限制，气流在燃烧室中的驻留时间仅允许1ms左右，要求选择的燃料能尽可能快地燃烧释热。
液氢反应速度快、单位质量热值、热沉值高，且比热容随温度升高而增大，液氢是目前认为唯一适用Ma8以上高超声速飞行器用燃料，但液氢密度低，仅为0.071g/cm3，单位体积燃烧热值很低，约8.746MJ/L，会增加飞行器的设计重量，降低有效载荷；同时，液氢的制备成本高，安全性能差，对存储和运输的容器及管道材料要求苛刻，后勤成本需求高，而且存在低温保存和挥发问题，用于武器系统有重大缺陷。
我国高超声速武器发展目标为“更高、更快、更远”。为了实现飞行速度>8Ma、射程>16000km，必须研制出一种高热沉、高热值、在燃烧室内能快速反应的非常规高能量密度吸热型燃料，以适应中远期临近空间推进需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有飞行器燃料的上述不足，提供一种高能量、高密度、高热沉值、在燃烧室内能快速组织燃烧的高超声速飞行器用燃料。
本发明设计思想是利用飞行器高速飞行气动加热使固态载氢燃料液化，液态燃料通过主动冷却通道利用物理温升及裂解反应吸热对飞行器高温部件进行冷却，自身转化为轻金属、H2等高温裂解产物，高温裂解产物随后进入燃烧室与来流空气进一步燃烧反应，产生高温高压燃气为飞行器提供动力。
本发明的技术方案为：
一种高超声速飞行器用吸热型载氢燃料，其以轻金属氢化物或轻金属氢化物与配位金属氢化物为主要组分。
一种高超声速飞行器用吸热型载氢燃料，其包含如下质量百分含量的组分：
轻金属氢化物：70～97％；
配位金属氢化物：0～35％；
低熔点金属：2～20％；
熔点、分解温度调节剂：0.1～10％；
其它组分：0.5～3％。
其中所述的轻金属氢化物为LiH、AlH3、MgH2、ZrH2中的一种或多种混合物。所述的配位金属氢化物为LiBH4、Mg(BH4)2、LiAlH4中的一种或多种。所述的低熔点金属为K、Na、Li、Be、Ga、Pb、Sn、Al中的一种或多种。所述的熔点、分解温度调节剂为钛、镍、钴、钾、钠的卤化物的一种或多种组合物。所述的其它组分为二氧化硅。
本发明所述的一种高超声速飞行器用吸热型载氢燃料制备方法包括如下步骤：
在手套箱内将上述组分燃料混合均匀后，按一定球料比装入球磨罐内，在行星球磨机内球磨一定时间后，制得高超声速飞行器用吸热型载氢燃料。
本发明所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料的与现有技术相比取得的预料不到的技术效果为：
1)本发明所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料载氢燃料密度高(ρ20℃≥0.75g/cm3)，热沉值高(850℃有效热沉值高于7.0MJ/kg)，绝热燃温高(≥3500K)，点火延迟时间短，可在超燃冲压发动机中快速组织燃烧。
2)本发明所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料与液氢相比，吸热型载氢燃料具有密度高(ρ20℃≥0.75g/cm3)，可常温贮存、安全性能好、成本低、便于实际应用等优势，用于高超声速武器可使武器机动性能更好，载荷一定时可增加射程或射程一定时增大有效载荷。
3)本发明所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料与吸热型碳氢燃料相比，载氢燃料具有热值高(≥39MJ/Kg)，热沉值高(850℃有效热沉值高于7.0MJ/kg)，绝热燃温高(≥3500K)，点火延迟时间短，可在超燃冲压发动机中快速组织燃烧，可使武器飞行马赫数更高。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明，但并不用以限定专利的保护范围。实施例1本发明所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料
将LiH、LiBH4、Li、KCl、SiO2按70:28:1:0.5:0.5混合均匀，在球磨罐内球磨5小时，制得载氢燃料。燃料密度：0.782g/cm3，热值：39.6MJ/L分解温度：520℃。
实施例2本发明所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料
将LiH、K、TiCl按97:2:1混合均匀，在球磨罐内球磨6小时，制得载氢燃料。燃料密度：0.793g/cm3，热值：39.2MJ/L，分解温度：680℃。
实施例3本发明所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料
将LiH、ZrH2、Pb、NaCl、SiO2按75:20:2:0.5:2.5混合均匀，在球磨罐内球磨5小时，制得载氢燃料。燃料密度：0.842g/cm3，热值：40.3MJ/L，分解温度：657℃。

Claims (8)

1.一种高超声速飞行器用吸热型载氢燃料，其特征在于，其主要组分为轻金属氢化物或轻金属氢化物与配位金属氢化物的一种或多种混合物。
2.如权利要求1所述一种高超声速飞行器用吸热型载氢燃料，其特征在于，其包含如下质量百分含量的组分：
轻金属氢化物：70～97％；
配位金属氢化物：0～35％；
低熔点金属：2～20％；
熔点、分解温度调节剂：0.1～10％；
其它组分：0.5～3％。
3.如权利要求1或2所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料，其特征在于，所述轻金属氢化物为LiH、AlH3、MgH2、ZrH2、B10H16中的一种或多种。
4.如权利要求1或2所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料，其特征在于，所述配位金属氢化物为LiBH4、Mg(BH4)2、LiAlH4中的一种或多种。
5.如权利要求1或2所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料，其特征在于，所述的低熔点金属为K、Na、Li、Be、Ga、Pb、Sn、Al中的一种或多种。
6.如权利要求1或2所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料，其特征在于，所述的熔点、分解温度调节及为钛、镍、钴、钾、钠的卤化物的一种或多种。
7.如权利要求1或2所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料，其特征在于，所述的其它组分为二氧化硅。
8.一种权利要求1或2所述的高超声速飞行器用吸热型载氢燃料制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：在手套箱内将各组分燃料混合均匀后，按一定球料比装入球磨罐内，在行星球磨机内球磨一定时间后，制得高超声速飞行器用吸热型载氢燃料。
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