CN109694759A - 一种冲压发动机用粉浆燃料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冲压发动机用粉浆燃料，是为了解决现有技术无法兼顾高能量、高密度、高燃烧性能、高调节比性能的问题。本发明包括固体颗粒及液体填料，将多级配的固体颗粒堆积掺混均匀至体积不变时，按本发明中要求的比例加入液体填料进行搅拌混合后得到此种燃料。本发明成本低廉，兼顾了高能量、高密度、高燃烧性能和高调节比等性能，适用于冲压发动机领域。

Description

一种冲压发动机用粉浆燃料
技术领域
本发明涉及一种燃料，适用于火箭发动机及冲压发动机领域。
背景技术
目前冲压发动机常用的燃料为固体燃料、液体燃料及新型凝胶和膏体燃料。冲压发动机燃料的能量、密度、流量调节能力及燃烧性能都非常重要。固体富燃燃料由粘合剂和氧化剂和高能添加剂组成，受工艺影响，其粘接剂的含量高，限制了其高能组分添加量，固体燃料还要添加适量氧化剂组分(如高氯酸铵)来提高一次燃烧产物的产气量，以保证一次喷射效率，所以固体富燃燃料密度高(1.55～1.65g/cm3)，但能量低(9000N·s/kg)、而且由于一次燃烧产物为高温气固两相混合物，其流量调节阀体的热防护难度高，其流量调节能力差。液体燃料能量高，实际比冲能够达到12000N·s/kg以上。不需要一次燃烧，故流量调节能力强，但其缺点也十分明显，其密度值普遍在1g/cm3以下，液氢的密度更低。在液体燃料中加入铝粉或者硼粉等高密度组分，即凝胶和膏体燃料，能量、密度都较高。但是为了防止其中的高密度颗粒沉淀，需要添加剂，使凝胶和膏体燃料的粘性非常大，造成喷注雾化性能差，导致燃烧性能较差，同时也使得温度适应范围变窄。
发明内容
为了解决现有燃料技术的不足和缺陷，本发明提供一种用于冲压发动机的粉浆燃料。
本发明粉浆燃料由液体填料和固体颗粒组成，固液质量比为3～5:1，其密度为1.2g/cm3～2g/cm3。固体颗粒相互接触支撑，液体填料填充固体颗粒之间的空隙，所以不需要添加剂防止其中的高密度颗粒沉淀。根据堆积理论，固体颗粒在确定粒度级配并搅拌均匀一定时间以后其体积将维持一定值保持不变，其密度为堆积密度。使用液体填料前的固体颗粒与使用液体填料后的粉浆燃料表观体积相等。
常用的固体颗粒有固体碳氢燃料(蒽、芴、金刚烷、立方烷等)、金属颗粒(Mg、Al、B、镁铝合金等)、金属氢化物(AlH3、硼烷等)和经过预处理的金属颗粒(丁羟团聚铝粉、丁羟团聚硼粉等)，常用的液体填料有液体碳氢燃料(液态烃类、美国RJ、JP系列航空煤油，如RJ-4、RJ-5、JP-4、JP-5、JP-7、JP-8、JP-9、JP-10等)。
本发明优点：
(1)兼顾了液体燃料的高能量和固体燃料的高密度，若以粒度10～40μm纯铝为固体颗粒(体积分数约60％)，JP-10为液体填料(体积分数约40％)，其实际比冲能够达到12000N·s/kg，密度能够达到1.99g/cm3；
(2)粉浆燃料流量调节能力更强，粉浆具有一定的流动性，相比固体燃料来说不经过一次燃烧，可以使用液体燃料的挤压喷注供应方式，流量阀设计难度低，相比膏体和凝聚燃料没有防沉淀添加剂，宽温度流量调节适应性更好；
(3)粉浆燃料相比固体燃料安全性更强，由于不需要进行一次燃烧，故燃料中没有氧化剂；
(4)雾化性能和燃烧性能比凝胶燃料更好，由于固体颗粒相互接触支撑，不存在颗粒沉淀问题，不需要添加凝胶剂，故雾化性能和燃烧性能比膏体和凝胶燃料更好。
附图说明
图1为本发明燃料内部结构图，其中1容器，2液体填料，3固体颗粒。
图2为实施例中粒度10～40μm铝粉的扫描电镜图。
图3为实施例中粒度1～5μm铝粉的扫描电镜图。
图4为实施例中粒度100～200μm蒽粉的扫描电镜图。
图5为实施例中粒度1～3μm硼粉的扫描电镜图。
图6为实施例中粒度3～20μm表面吸附镁的硼粉的扫描电镜图。
图7为实施例中粒度70～120μm镁铝合金粉的扫描电镜图。
图8为实施例中粒度5～10μmAlH3粉的扫描电镜图。
图9为实施例中粒度80～120μm丁羟团聚硼粉的扫描电镜图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步解释说明。
实施例1
首先取1kg铝粉样品(真密度为2.74g/cm3、粒度范围10～40μm、微观形貌如图2所示)放入图1中容器1充分搅拌30min后体积不再缩小，测得其体积为625.78cm3，测量得到固体颗粒3的密实堆积密度1.598g/cm3。
使用美国JP-10液体碳氢燃料的真密度为0.94g/cm3，将固体颗粒3与液体填料2按照质量比4.08搅拌混合(在1kg铝粉中加入0.245kgJP-10液体碳氢燃料)，充分搅拌30min后体积不再缩小，最终得到粉浆燃料的表观体积为625.78cm3，密度为1.99g/cm3，1kg铝粉的堆积体积与所制作的粉浆燃料的体积是相等，本发明密度明显高于单独铝粉的堆积密度和JP-10密度。
实施例2
首先取1kg铝粉样品(真密度为2.74g/cm3、粒度范围1～5μm、微观形貌如图3所示)放入图1中容器1充分搅拌30min后体积不再缩小，测得其体积为803.99cm3，测量得到固体颗粒的密实堆积密度1.244g/cm3。
使用美国RJ-5液体碳氢燃料的真密度为1.08g/cm3，将固体颗粒3与液体填料2按照质量比3.41搅拌混合(在1kg铝粉中加入0.293kgRJ-10液体碳氢燃料)，充分搅拌30min后体积不再缩小，最终得到粉浆燃料的表观体积为803.99cm3，密度为1.83g/cm3，1kg铝粉的堆积体积与所制作的粉浆燃料的体积是相等，本发明密度明显高于单独铝粉的堆积和RJ-5密度。
实施例3
首先取1kg蒽粉样品(真密度为1.28g/cm3、粒度范围100～200μm、微观形貌如图4所示)放入图1中容器1充分搅拌30min后体积不再缩小，测得其体积为2008.03cm3，测量得到固体颗粒的密实堆积密度0.498g/cm3。
使用美国JP-10液体碳氢燃料的真密度为0.94g/cm3，将固体颗粒3与液体填料2按照质量比0.87搅拌混合(在1kg蒽粉中加入1.153kgJP-10液体碳氢燃料)，充分搅拌30min后体积不再缩小，最终得到粉浆燃料的表观体积为2008.03cm3，密度为1.072g/cm3，1kg蒽粉的堆积体积与所制作的粉浆燃料的体积是相等，本发明密度明显高于蒽粉的堆积和JP-10密度。
实施例4
首先取1kg硼粉样品(真密度为2.32g/cm3、粒度范围1～3μm、微观形貌如图5所示)放入图1中容器1充分搅拌30min后体积不再缩小，测得其体积为1051.52cm3，测量得到固体颗粒的密实堆积密度0.951g/cm3。
使用美国JP-10液体碳氢燃料的真密度为0.94g/cm3，将固体颗粒3与液体填料2按照质量比1.71搅拌混合(在1kg硼粉中加入0.583kgJP-10液体碳氢燃料)，充分搅拌30min后体积不再缩小，最终得到粉浆燃料的表观体积为1051.525cm3，密度为1.506g/cm3，1kg硼粉的堆积体积与所制作的粉浆燃料的体积是相等，本发明密度明显高于硼粉的堆积和JP-10密度。
实施例5
首先取1kg表面吸附镁的硼粉样品(真密度为2.09g/cm3、粒度范围3～20μm、微观形貌如图6所示)放入图1中容器1充分搅拌30min后体积不再缩小，测得其体积为1259.45cm3，测量得到固体颗粒的密实堆积密度0.794g/cm3。
使用美国JP-10液体碳氢燃料的真密度为0.94g/cm3，将固体颗粒3与液体填料2按照质量比1.36搅拌混合(在1kg硼粉中加入0.734kgJP-10液体碳氢燃料)，充分搅拌30min后体积不再缩小，最终得到粉浆燃料的表观体积为1259.45cm3，密度为1.377g/cm3，1kg表面吸附镁的硼粉的堆积体积与所制作的粉浆燃料的体积是相等，本发明密度明显高于表面吸附镁的硼粉的堆积和JP-10密度。
实施例6
首先取1kg镁铝合金粉样品(真密度为2.14g/cm3、粒度范围70～120μm微观形貌如图7所示)放入图1中容器1充分搅拌30min后体积不再缩小，测得其体积为859.10cm3，测量得到固体颗粒的密实堆积密度1.164g/cm3。
使用美国JP-10液体碳氢燃料的真密度为0.94g/cm3，将固体颗粒3与液体填料2按照质量比2.58搅拌混合(在1kg镁铝合金粉中加入0.388kgJP-10液体碳氢燃料)，充分搅拌30min后体积不再缩小，最终得到粉浆燃料的表观体积为859.10cm3，密度为1.616g/cm3，1kg镁铝合金粉的堆积体积与所制作的粉浆燃料的体积是相等，本发明密度明显高于镁铝合金粉的堆积和JP-10密度。
实施例7
首先取1kgAlH3粉样品(真密度为1.42g/cm3、粒度范围5～10μm微观形貌如图8所示)放入图1中容器1充分搅拌30min后体积不再缩小，测得其体积为2132.20cm3，测量得到固体颗粒的密实堆积密度0.469g/cm3。
使用美国JP-10液体碳氢燃料的真密度为0.94g/cm3，将固体颗粒3与液体填料2按照质量比0.75搅拌混合(在1kg镁铝合金粉中加入1.342kgJP-10液体碳氢燃料)，充分搅拌30min后体积不再缩小，最终得到粉浆燃料的表观体积为2132.20cm3，密度为1.098g/cm3，1kgAlH3粉的堆积体积与所制作的粉浆燃料的体积是相等，本发明密度明显高于AlH3粉的堆积和JP-10密度。
实施例8
首先取1kg丁羟团聚硼粉样品(真密度为2.07g/cm3、粒度范围80～120μm微观形貌如图9所示)放入图1中容器1充分搅拌30min后体积不再缩小，测得其体积为1270.65cm3，测量得到固体颗粒的密实堆积密度0.787g/cm3。
使用美国JP-10液体碳氢燃料的真密度为0.94g/cm3，将固体颗粒3与液体填料2按照质量比1.35搅拌混合(在1kg丁羟团聚硼粉中加入0.740kgJP-10液体碳氢燃料)，充分搅拌30min后体积不再缩小，最终得到粉浆燃料的表观体积为1270.65cm3，密度为1.370g/cm3，1kgAlH3丁羟团聚硼粉的堆积体积与所制作的粉浆燃料的体积是相等，本发明密度明显高于丁羟团聚硼粉粉的堆积和JP-10密度。

Claims (7)

1.一种冲压发动机用粉浆燃料，其特征在于：由液体填料和固体颗粒组成，固液质量比为3～5:1，其密度为1.2g/cm3～2g/cm3。
2.根据权利要求1所述的冲压发动机用粉浆燃料，其特征在于所述液体填料为航空煤油或高密度烃燃料。
3.根据权利要求1所述的冲压发动机用粉浆燃料，其特征在于所述固体颗粒为固体碳氢燃料颗粒、金属颗粒、金属氢化物颗粒或经过预处理的金属颗粒。
4.根据权利要求3所述的冲压发动机用粉浆燃料，其特征在于所述固体碳氢燃料颗粒为蒽、芴、金刚烷或立方烷。
5.根据权利要求3所述的冲压发动机用粉浆燃料，其特征在于所述金属颗粒为Mg、Al、B或镁铝合金。
6.根据权利要求3所述的冲压发动机用粉浆燃料，其特征在于所述金属氢化物颗粒为AlH3或硼烷。
7.根据权利要求3所述的冲压发动机用粉浆燃料，其特征在于所述经过预处理的金属颗粒为丁羟团聚铝粉或丁羟团聚硼粉。
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