新型高密度燃料性能研究

叶丹阳，曹新发，韦 伟

（中国航天科技集团公司四院四十二所，湖北 襄阳441003）

0 引言

高密度张力环笼型碳氢化合物是高密度吸热碳氢的一种，它们的分子由碳、氢两种元素组成，具有高的正生成热和远高于普通碳氢化合物的密度值（ρ≥1 g/cm3）。由于在合成过程中通过拉紧C-H键角至90°或60°，使化合物具有立方烷或四面体的结构，从而向化合物中引入张力能量，使其具有更高的燃烧热值。在这类分子中一旦某一个键被打破，整个分子就很快破碎而释放出很大的能量。

这类高张力烃类化合物主要是一些立方烷、二氢盆式苯衍生物和烷烃二聚体等，不但可作为固体火箭冲压发动机富燃料推进剂的高能添加剂，而且因其能溶于碳氢化合物，可望推广应用于液体燃料冲压发动机的碳氢燃料和吸热碳氢燃料，赋予这些碳氢燃料优异的能量性能和点火燃烧性能。

某新型固体碳氢化合物HD-2是高密度张力环笼型碳氢化合物中具有应用潜力的一种，可以在航空煤油（RP-3）中大量溶解，并形成稳定溶液，增加燃料的热值。本文对HD-2与RP-3的复配燃料的性能进行了研究。

1 实验

1.1 实验装置及说明

在西北工业大学固体火箭发动机燃烧、内流场与热结构国防科技重点实验室进行了火箭－冲压组合发动机 (RBCC)航空煤油点火燃烧性能实验。实验数据中压强测试点的位置在第一个喷注凹腔后的第一个测压点（P15测点，见图1），该点测试压强数据变化能够表征点火凹腔内的燃料的燃烧性能。

1.2 复配燃料基本性能测试

本节研究添加不同配比HD-2的RP-3燃料复配燃料的各项使用性能，并由此选择使用性能最好的配比浓度。

如图2、图3所示，随着HD-2含量的增加，复配燃料的密度成正比例增加，粘度成指数函数增加；图4表明，随着HD-2含量的增加，复配燃料的闪点升高，燃料的稳定性增强；图5的线性关系曲线说明，增加HD-2含量，复配燃料的燃烧热值成正比例增加。

通过以上多种性能测试实验，测定了添加不同质量分数HD-2的RP-3燃料的性能，HD-2加入RP-3燃料中可使燃料的密度和体积热值进一步提高，闪点略有升高，密度和单位体积燃烧热随HD-2含量的增加而增大，HD-2含量达50%时，密度和单位体积燃烧热分别增加40%和12.1%，即使HD-2的含量达50%时，复配燃料仍为流动性较好的液体，满足火箭对液体燃料的性能要求，由此证明HD-2是一种有较好应用前景的高密度燃料配方，以其为基本组分的复配燃料将会有广泛的应用。

1.3 HD-2和RP-3复配燃料燃烧实验

表1 燃烧实验条件Tab.1 Conditions of combustion experiment

在本测试中，实验初始条件见表1，其中燃料的燃烧性能通过气体压强的变化来判定。通过以上实验数据可以看出，作为点火用的乙烯的进气量发生改变时，复配后的液体燃料在燃烧过程中不会出现燃烧熄灭或燃烧不稳定现象，压强的变化见图6、图7和图8。在相同条件下，当航煤燃烧时，4～6 s出现熄火；含10%的复配燃料燃烧时，4～5 s出现熄火，后续燃烧正常；含15%的复配燃料燃烧时，未出现熄火现象，燃烧持续正常。以上测试表明：加入HD-2后，6～8 s间压强变化的稳定性有明显的改善。通过燃烧压强与推力的计算，表明：随着HD-2含量的增加，推力也增加，从而进一步证实在燃烧过程中，含有张力环结构的化合物对燃料燃烧能量有巨大的贡献。

在HD-2这类高密度碳氢化合物分子中，一旦某一个键被打破，整个分子就很快破碎并释放出很大的能量。所以当复配燃料进入燃烧室后，其中的HD-2化合物分子迅速裂解为小分子产物，快速燃烧，释放能量，从而提高了燃料的燃烧效率和系统的整体推力。

2 结论

由复配燃料的基本性能测试和点火燃烧实验结果表明，高密度碳氢化合物HD-2在RP-3燃料中相容性很好，复配后燃料的热值、点火燃烧性能和推力性能均得到明显提高。因此，HD-2系列的航煤燃料可作为亚燃和超燃冲压发动机的基础燃料配方，具有广阔的应用前景。

致谢：感谢西北工业大学固体火箭发动机燃烧、内流场与热结构国防科技重点实验室提供燃烧实验设备。

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