水反应金属燃料在超高速鱼雷推进系统中的应用

对水反应金属燃料和其他燃料进行了比较和分析,阐述了用于超高速鱼雷的水反应金属燃料体系。通过热力学计算,分析了水反应金属燃料的能量特性及其影响因素,并对水反应金属燃料应用于超高速鱼雷推进系统的可能途径进行了探讨。通过分析得出,水反应金属燃料充分利用雷外海水作为能源,具有显著的高能量特性,可明显提高超高速鱼雷承载燃料的能力,是超高速鱼雷的最佳能源选择;水反应金属燃料能以液态或固态形式应用于发动机,发动机形式宜采用喷射式,但环境压力对发动机比冲影响较大,其使用效率随航行深度的增加而降低。

铝基水反应金属燃料性能初步研究

提出水反应金属燃料双反应区模型,结合化学反应过程对其进行了热力特性分析,初步研究了铝基水反应金属燃料配方等因素对发动机性能的影响。

镁基水反应金属燃料及水冲压发动机初步试验

通过热力学计算预估水冲压发动机的性能,确定了燃料配方,并研制出试验用镁基水反应金属燃料。成功进行了水冲压发动机原理样机热试车,对水冲压发动机及其燃料的性能进行了初步研究。

水反应金属燃料发动机比冲性能与燃烧室长度设计理论研究

运用热力计算原理,计算并分析了两相流影响条件下水反应金属燃料发动机的比冲性能。采用经验公式,对发动机中金属颗粒燃烧时间进行了计算分析,估算了金属颗粒燃烧长度,为燃烧室长度设计提供了依据。结果表明,存在最佳水燃比,使发动机达到最优比冲性能;两相流影响下比冲损失较大,金属颗粒燃烧时间随水燃比、雷诺数增加而显著减少;通过对颗粒燃烧时间的计算,可初步设计燃烧室长度。

水反应金属燃料能量特性分析

提出了水反应金属燃料与水/金属燃料发动机概念;通过比较多种化学推进剂能量特性,可知水反应金属燃料能量密度明显高于传统火箭燃料,可以预见它在水下高速推进系统中具有广阔应用前景;通过热力计算,分析了水反应金属燃料能量特性的影响因素。

水反应金属燃料发动机初步试验

介绍了水反应金属燃料发动机试验系统,提出了水燃比、工作压强及试验燃烧效率计算方法,为试验设计和发动机性能评价提供了依据。对水反应金属燃料发动机进行了试验研究,并根据试验结果对药柱组分、发动机结构及供水系统进行了改进。试验表明,中等含量金属燃料加水后可稳定燃烧,通过增加燃料中镁含量、稳定进水流量和增加补燃室长度等措施,可有效提高发动机燃烧效率。

镁/铝合金水反应金属燃料推进剂的燃烧性能

通过高能球磨工艺制备了高活性球磨镁/铝合金粉,并制备了两组镁/铝基水反应金属燃料推进剂,用固体推进剂燃速测试系统测定了其燃速。采用氧弹量热仪测定了推进剂的爆热值,并收集推进剂的一次燃烧固相产物,将其放置于水蒸汽高温管式炉中模拟二次燃烧。采用SEM、XRD及化学分析方法表征了水反应金属燃料的一、二次燃烧固相产物。结果表明,高活性球磨镁/铝合金水反应金属燃料推进剂具有更高的燃速和爆热值;二次燃烧产物剩余铝含量更低,二次燃烧产物反应更彻底;高活性球磨镁/铝合金能够改善其水反应金属燃料推进剂的一次燃烧效果,可提高其在二次燃烧中铝的燃烧效率。

高金属含量水反应金属燃料稳态燃烧模型

为探索水冲压发动机稳态燃烧机理,以水反应金属燃料在水蒸气环境下的稳态燃烧试验为基础,建立了镁基高金属含量水反应金属燃料稳态燃烧模型,燃料中金属镁含量大于70%。将镁基水反应金属燃料稳态燃烧过程分为惰性加热区、凝相反应区和气相反应区,指出燃面附近气相火焰结构由4部分组成,分别为AP预混火焰、AP/HTPB扩散火焰、AP/Mg扩散火焰和Mg/H2 O扩散火焰;提出凝相镁颗粒的熔化蒸发为燃速控制过程,以液滴蒸发燃烧模型为基础建立了燃面熔融镁蒸发模型;对影响燃速的主要因素进行讨论,认为燃料组分一定时,环境压强及环境中水蒸气浓度的提高将带来燃速的增加;在计算压强范围内,AP预混火焰对燃烧过程的影响可忽略,Mg/H2O最终扩散火焰对燃烧过程具有决定性的影响。

铝/镁基水反应金属燃料的燃烧特性研究

为了探索在水冲压发动机中高金属含量铝/镁合金水反应金属燃料的稳态燃烧,开展了其一次燃烧和二次燃烧实验研究,其中铝/镁合金含量达到80%。采用氧弹量热仪收集一次燃烧固相产物,并将一次燃烧固相产物置于水蒸气高温管式炉中模拟二次燃烧。采用TGA对铝、镁和铝/镁合金进行了热性能分析,并采用XRD,SEM及化学分析方法对铝/镁合金和推进剂的一、二次燃烧固相产物进行了表征。结果表明,铝/镁合金的启动氧化温度530℃优于镁的600℃,铝/镁合金在第二阶段的氧化性能优于铝的。铝/镁合金为Mg17Al12,一次燃烧固相产物中主要存在Mg Al,Mg2Al3,Mg Al2等合金相和Mg O,在二次燃烧的固相产物中有Mg O,Al和Al2Mg O4,其中剩余Al的含量随着管式炉温度增大先增大后减小。分析认为铝/镁合金在燃烧过程中镁先行发生了反应,而后其中的铝才发生反应。

镁基水反应金属燃料一次燃烧波特性研究

采用单幅火焰照相、Π形微热电偶等技术,研究了镁基水反应金属燃料一次燃烧火焰特性,得到了燃烧波温度分布曲线及各温度区厚度等参数。初步分析了燃料体系在燃烧表面附近的燃烧特征。结果显示,燃烧室压强为1.0 MPa时,燃面温度和气相火焰温度分别为556℃和1 270℃;随着燃烧室压强的增大,镁基水反应金属燃料凝聚相反应区厚度增大,燃面温度升高,气相火焰温度升高,火焰明亮程度增强;气相火焰中包含着镁的异相反应,产物中含有大量的镁蒸气。

水反应金属燃料发动机三维两相燃烧数值模拟

用三维湍流N-S方程及颗粒轨道模型描述水反应金属燃料发动机内部喷雾两相湍流燃烧过程。通过耦合求解气液两相流模型方程,得到发动机燃烧流场。通过模拟Mg与水的反应,分析比较了一次和二次进水方案的不同流场特性。研究结果表明,二次进水方案更有利于火焰稳定和提高燃烧性能。

水反应金属燃料发动机的性能调节

在水反应金属燃料发动机性能分析研究基础上,分析了壅塞式和非壅塞式发动机构型优缺点及性能调节特性,着重探讨了非壅塞式水反应金属燃料发动机燃气流量自适应调节规律和特点。计算结果分析表明,非壅塞式发动机具有水燃比自适应调节特性,且高压强指数水反应金属燃料调节效果显著。

配方参数对镁基水反应金属燃料/水蒸汽反应特性的影响

采用可视化燃烧实验器模拟发动机的水蒸汽环境,用高速摄影拍摄燃料在水蒸汽中的燃烧过程,并用热电偶测温,研究了燃料配方参数对镁基水反应金属燃料/水蒸汽反应的影响规律。研究结果表明,镁基水反应金属燃料与水反应分快速反应和慢速反应两阶段,反应速率随时间和反应程度的增加而降低;镁基水反应金属燃料/水反应的快速反应时间和反应程度是表征燃料/水反应特性的两个关键参数;增加燃料的氧粘比和细镁粉含量、添加Fe类添加剂都可以提高燃料/水反应速率和反应程度,而增大镁含量会使燃料/水反应速率及反应程度降低。保证镁含量60%以上燃料的能量性能、工艺性能和力学性能的前提下,应尽量提高燃料氧粘比和细镁粉含量。

水反应金属燃料在水蒸气环境下的稳态燃烧特性

为探索高金属含量水冲压发动机的稳态燃烧机理,开展了镁基高金属含量水反应金属燃料在水蒸气氛围下的稳态燃烧试验研究,燃料中金属镁含量高于70%。采用直径0.5 mm的K型热电偶测量燃料燃烧波曲线,并拍摄了火焰图片。结果显示,工作压强2.0 MPa时,燃料稳态燃烧的燃面温度约为900.1℃,气相平衡火焰温度约为1 214.9℃;燃烧火焰明亮并紧贴燃面,没有颗粒燃烧形成的火星或轨迹。分析总结了镁基高金属含量水反应金属燃料在水蒸气氛围下的稳态燃烧特性,认为镁颗粒在燃面以熔融状态存在,并与水蒸气在燃面附近进行剧烈的放热反应,水蒸气向燃面的扩散过程是稳态燃烧的关键。

镁基水反应金属燃料与水反应模型及数值分析

为研究宽广温度范围内镁基水金属燃料/水反应特性,在总结国内外研究成果的基础上,建立了包含镁/水和碳/水两个主要反应的镁基水反应金属燃料/水反应模型,其中镁/水反应在不同温度段分别采用动力学和扩散分段控制,镁/水扩散燃烧模型考虑部分氧化镁在镁液滴表面凝聚;碳/水反应为反应动力学控制,反应动力学模型依据阿仑尼乌斯公式。采用数值分析方法,研究了水燃比和镁含量对燃料/水和镁/水反应特性的影响规律。研究结果表明:燃料/水反应特性的计算结果与实验值相符;在保证一定燃料自持燃烧温度的基础上,提高镁含量,选择合适的水燃比,有利于提高燃料/水的反应特性,促进燃料/水反应快速、充分的进行。

水反应金属燃料发动机二维多相燃烧数值模拟

水反应金属燃料发动机系统构型研究需要以燃烧数值模拟作为研究基础.基于FLUENT软件,建立了水反应金属燃料发动机内多相湍流燃烧仿真模型,开展了二维轴对称数值模拟研究.计算研究和分析表明,燃气发生器加补燃室结构的水反应金属燃料发动机流场结构复杂;喉径变化对液滴掺混效果、金属颗粒燃烧效率和液滴蒸发效率影响显著.

提高水反应金属燃料能量性能的理论分析

采用最小自由能热力计算方法,计算了不同配方水反应金属燃料的能量性能,分析了粘合剂、氧化剂、高能添加剂、金属的种类及含量对燃料能量性能的影响。计算结果表明:镁基水反应金属燃料的基础上,添加含能粘合剂(聚叠氮缩水甘油醚(PGAP)、聚3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环(PAMMO)、聚二叠氮甲基氧丁环与四氢呋喃共聚物(PBAMO-THF))、高能金属添加剂(Al和Mg-Al合金)及增加金属含量均有利于提高燃料的燃温和理论比冲;氧化剂和高能添加剂的种类、氧粘比(氧化剂与粘合剂质量比)对燃料的燃温和理论比冲影响不明显。采用PBAMO-THF,Al分别取代端羟基聚丁二烯(HTPB)和Mg,金属含量由70%提高到80%时,燃料的理论比冲(水燃比φ=3)由4550.5 N.s/kg提高到5451.0N.s/kg。

镁基水反应金属燃料发动机性能分析方法与试验验证

采用一维两相多组分反应流法,对镁基水反应金属燃料发动机进行了性能分析,计算得到了稳态工作时发动机流场参数分布、液滴蒸发过程及性能参数。通过试验验证了程序的可行性和可信性,分析了产生误差的原因。提出了采用实际测量温度和燃烧效率对燃气入口条件进行修正的方法,减小了模型计算误差。采用修正模型计算了发动机性能随一次水燃比变化规律,计算结果表明存在最佳一次水燃比。研究结果对发动机设计和性能分析具有参考价值和实际意义。

铝基水反应金属燃料动力系统建模与仿真

铝基水反应金属燃料动力系统采用高能量密度燃料,可大幅提高无人水下航行器的航程,是极具潜力的新型水下能源动力系统。文中分析了铝基水反应金属燃料动力系统工作原理,建立了全系统的性能计算模型,提出了该模型的求解方法,利用模型计算了系统关键节点的热力工作参数,获得了关键节点的热力工作参数和设备性能参数对系统热效率的影响规律。仿真结果表明,铝基水反应金属燃料动力系统比锂电池等目前常用的水下能源动力系统具有显著优势,且通过优化其热力工作参数,可进一步提高铝基水反应金属燃料动力系统的热效率。

含能粘合剂BGAP在水反应金属燃料中的应用研究

水反应金属燃料是一种近年来备受关注的水下武器的高能推进剂。为了提高水反应金属燃料的能量性能,可以考虑将普通的HTPB粘合剂替换成为含能粘合剂。本文对含能粘合剂BGAP在水反应金属燃料中的应用作了比较系统的阐述。首先介绍了BGAP的主要物理化学性质和特点,然后利用正交试验等方法考察了应用BGAP的金属燃料的制作工艺以及它的燃速特性、药柱密度,获得了对BGAP金属燃料的燃速和密度影响较大的影响因素。最终获得的适用配方的燃速可达10.7mm/s,密度可达1.59g/cm3。研究结果表明,BGAP可以应用在水反应金属燃料中,并且燃料的燃速和密度较为理想。