高密度液体碳氢燃料合成及应用进展

介绍了高密度碳氢燃料合成及应用的最新进展.从原料、合成路线、性能特征、成本等方面评价了各种高密度碳氢燃料的优缺点和应用前景.分析了高密度碳氢燃料合成与应用的共性特征,提出燃料分子设计与定向合成、燃料复配等急需解决的问题,提出了下一步工作的重点.     

液氧/烃助推发动机方案

本文讨论的是用于新型运载火箭的助推发动机方案,这种运载火箭采用高能高密度的烃类燃料。对这些烃类燃料进行了讨论,此外,对发动机设计人员在采用这些燃料时所关心的一些问题也一起进行了讨论。对使用这些燃料的各种发动机方案的特性和它们的物理性能一起进行了比较。初步结论表明,把液氢引入液氧/烃助推发动机能带来许多好处。     

密度大于1的高密度液体碳氢燃料合成及复配研究

以双环戊二烯为原料合成了三种高密度燃料组元C10、C15及C20,其密度依次增加,但低温性质逐渐变差.为制备密度大于1且低温性质良好的高密度燃料,进行二元及三元复配,建立了复配燃料密度及低温粘度与组成的关系.C10可显著改善燃料的低温性质,而C20则可提高燃料密度.确定了兼具高密度和低粘度的燃料组成区域: C15为主组分,C10含量低于25%,C20的含量低于10%.此组成的复配燃料密度大于1 g·cm-3 (15 ℃),净热值达42.0 MJ·L-1,粘度小于500 mm2·s-1 (-40 ℃),倾点小于-70 ℃,具有良好的应用前景.     

飞航式导弹的发展促进了燃料的研究

为了使飞航式导弹以有限的体积达到最大的射程,空军和海军急需高密度冲量的燃料,因此正在进行有机分子合成和重新排列成高密度、高能量烃类燃料的基础研究。如果这项研究能使空军空中发射的和海军潜艇发射的飞航式导弹射程增加30％,研究的结果也很有可能改进战术空中发射的冲压发动机导弹和单级进入轨道的航天飞机。美国政府几年前就开始重视高密度、高能量燃料了,当时,谢尔     

运载器采用液氢和烃类燃料的性能比较

过去对液氢和烃类燃料在运载器上的应用已进行过比较。本文的目的在于更清楚地说明不同燃料怎样地影响运载器的性能。     

高密度高热安定烷基金刚烃燃料的合成及性质研究进展

烷基金刚烃具有高密度和高热安定性等特点,可为航空航天飞行器提供充足的推进能量和冷却能力。综述了烷基金刚烃燃料的合成进展,包括多环烷烃重排反应和金刚烷基化合物烷基化反应。分析了重排反应受热力学控制的特性,结合量子化学计算与实验产物分布推测重排反应路径;讨论了以金刚烷基化合物为原料烷基化反应具有区域选择性,能够实现定向合成指定烷基结构(甲基、乙基、丙基、丁基等)的金刚烃。同时,总结了烷基金刚烃燃料性质,归纳了针对烷基金刚烃燃料热安定性的评价方法和结果,分析了构效关系。其中,烷基金刚烃的密度和分子结构的紧凑程度有关,取代烷基链越长,密度越低,黏度越大;烷基金刚烃碳环数越多,密度越大。燃料的冰点和分子结构对称性有关,对称度越低,冰点越低。碳氢燃料热安定性主要由分子结构中包含的碳原子的种类及数量决定,其中各种碳原子稳定性顺序为季碳原子>伯碳原子>仲碳原子>叔碳原子。因此,未来有望采用具有区域选择性的高效合成方法,将烷基定向取代于金刚烃母体的叔碳原子上,实现从叔碳原子到季碳原子的转变,提升热安定性的同时保持烷基金刚烃较高的密度,这为未来定向高通量合成高密度、高热安定烷基金刚烃燃料提供了新的思路。     

高触变性高密度凝胶碳氢燃料的制备及性能

采用有机凝胶剂(Gn)和气相二氧化硅(SiO_2)分别与HD-01、HD-03、HD-03-I、QC四种纯液体高密度燃料制备了相应的凝胶碳氢燃料,研究了所需凝胶剂Gn和SiO_2的最小添加量,测定了凝胶碳氢燃料的密度、黏度、热值等基础物理性质。考察了其热稳定性、离心稳定性、长期存储挥发性等稳定性能,以及流变性能。结果表明,至少添加6%SiO_2才能使纯液体高密度燃料形成凝胶碳氢燃料,而Gn最小添加量不大于1%,且Gn对燃料本身的密度和热值几乎没有影响;Gn凝胶碳氢燃料在-40℃低温保存、长期室温存储或高速离心后无液体渗出现象;Gn凝胶碳氢燃料的黏度随剪切速率增加而明显下降,接近纯液体燃料黏度;通过扫描电镜发现Gn凝胶剂在燃料中可自组装形成三维纤维网状结构,搅拌或高温(150℃)可破坏该结构,静置或降温又可恢复,使得Gn凝胶碳氢燃料具有明显优于SiO_2凝胶燃料的流变性和触变性,更利于管道运输和雾化。     

金刚烷类高能量密度燃料研究进展

从三个方面对金刚烷类高能量密度燃料的研究及应用发展进行了综述,包括金刚烷类化合物的分子结构与性能关系、金刚烷及其含能衍生物的合成方法、金刚烷类高能量密度燃料的应用现状,基于此对金刚烷类燃料的可能发展方向提出了展望,建议金刚烃的绿色合成工艺以及金刚烷类燃料复配技术值得进一步研究。     

燃料空气炸药的发展现状及展望

燃料空气炸药及新发展的温压炸药是高效、高威力的战斗部装药。综述了燃料空气炸药的组成、爆炸威力特点,介绍了燃料空气炸药的发展历程,分析了该炸药的性能影响因素,指出了新一代燃料空气炸药技术的发展方向。     

添加纳米铝的高密度悬浮燃料点火性能

为了探究含金属颗粒悬浮燃料的点火和燃烧特性,制备了含5%纳米铝颗粒(Al NPs)的HD-01和四环庚烷(QC)的高密度悬浮燃料,采用雾化激波管测试了两种悬浮燃料在不同压力和温度下的点火延时P,通过拟合计算得到了表观点火活化能,分析了悬浮燃料的点火燃烧机理,采用高速摄像机记录了点火燃烧的流场图像。结果表明,悬浮燃料静置4周后无颗粒聚沉现象;在0.05 MPa和0.1 MPa下、1450 K和1750 K内,Al NPs可使HD-01和QC燃料的点火延时缩短约50%,表观点火活化能由161.4 k J·mol~(~(-1))和120.3 k J·mol~(-1)分别降低至156.5 k J·mol~(-1)和112.8 k J·mol~(-1);推测燃烧机理为铝原子优先与O2反应生成O自由基,进而加速燃烧反应。此外,Al NPs能够完全燃烧并促进燃料燃烧过程中的能量释放。     

吸热型碳氢燃料的研究进展

吸热型碳氢燃料是实现高超音速飞行的首选燃料,从燃料的选择、催化剂的筛选、热沉的测定、复合结焦抑制剂的开发等方面展开论述了国内外的研究进展,并提出今后的研究方向.     

裂解态正癸烷点火延迟时间的理论研究（英）

在先进飞行器发动机中,吸热碳氢燃料在进入燃烧室之前会发生热裂解反应,生成未反应燃料和小分子裂解产物的混合物(称为裂解态燃料)。本工作研究了在1300~1800 K、0.1~3.0 MPa和当量比为1.0的条件下,不同的裂解转化率、裂解压力、点火压力和自由基对正癸烷裂解着火特性的影响。通过采用一种精确的组合机理,从理论上计算了流动反应器中3.0和5.0 MPa下正癸烷裂解组分,与文献中的实验结果吻合较好。结果表明,正癸烷在3 MPa和5 MPa下裂解的出口转化率分别为46.2%和58.8%,裂解产物分布一致,但乙烯的含量随着压力的升高明显的降低,而烷烃含量随着压力的增大而增加。尽管自由基总体含量很低,但在3 MPa条件下裂解产物中的自由基浓度依然高于5 MPa条件下。对于点火延迟时间的计算结果则表明,裂解态正癸烷的点火延迟时间随着转化率的增大而延长,且在5 MPa下随着转化率的变化更明显。相同转化率下,5 MPa下的裂解态正癸烷的点火延迟时间比3 MPa下更短。此外,与无自由基的裂解正癸烷相比,裂解正癸烷中自由基的存在可以加速着火过程,转化率小于40%时,着火延迟时间缩短15%以上。     

三氟化氯与碳氢燃料反应放能试验研究

在对三氟化氯与碳氢燃料反应机理进行分析的基础上,进行了密闭环境下三氟化氯与碳氢燃料的反应放能试验研究.结果表明:三氟化氯与碳氢燃料可以发生剧烈反应,释放大量的能量,将碳氢燃料部分雾化并喷出密闭空间,激活的碳氢燃料一旦接触空气,便诱发碳氢燃料的剧烈爆燃;在无氧条件下,三氟化氯与碳氢燃料爆炸反应所释放的能量相当于1.8倍T...     

高活性集中放热的Al-Mg-Zr合金燃料的制备与性能

采用紧耦合气雾化法制备了Mg含量为5%~30%的新型Al-Mg-Zr三元合金燃料。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)/能量分散谱(EDS)和热重-差热分析(TG-DTA)分别表征了合金粉的相组成、形貌和氧化放热行为,并提出了一个氧化反应机制模型,解释合金粉的集中氧化放热现象。结果表明,合金粉的相组成主要有Al、Al_3Mg_2、Al_3Zr和Al_(12)Mg_(17),且粉末具有良好的球形度。随着Mg含量的升高,Al-Mg-Zr合金发生氧化反应的温度明显降低,氧化过程由多步氧化逐渐转变为一步氧化,能量释放量先增后减。Al_(78)Mg_(20)Zr_2和Al_(73)Mg_(25)Zr_2粉末分别在945℃和938℃呈现集中氧化放热,并且Al_(78)Mg_(20)Zr_2粉末的集中氧化反应比较完全,该粉末的最高氧化放热焓为-9798.8μV·s·mg~(-1)。     

肼类燃料气体检测技术

肼类燃料对人体有一定的毒性，在环境和作业场所中，须严格控制其蒸气浓度，因此在使用过程中对其蒸气浓度的监测非常重要，特此综述了肼类燃料气体检测技术的研究进展。     

吸热型碳氢燃料模型化合物裂解性能研究

高超声速飞行使飞行器表面热负荷急剧增加,要求燃料作为推进剂供给飞行器动力的同时满足冷却要求.不同燃料的物理热沉相差无几,利用吸热型碳氢燃料的裂解反应获得热沉势在必行.在这种条件下,单纯的热裂解已不能满足要求,引发及催化裂解作为提高燃料裂解性能的途径成为研究热点.本实验分别以正十二烷、异辛烷和甲基环己烷作为模型化合物,对...     

载气比对滑动弧裂解丙烷组分影响的研究

为了提升脉冲爆轰发动机的点火性能达到稳定点火起爆的目的,在氮气气氛下采用高压直流滑动弧放电等离子体裂解器对气体燃料-丙烷进行裂解实验。将进气流量中丙烷和氮气的摩尔比定义为载气比,在不同载气比下进行试验,得到丙烷转化率制氢能耗、氢气选择性和裂解产物中不同组分的体积分数,并分析能量输入密度对丙烷转化率的影响。结果表明,当进气流量中的载气比从1降低至0.2时,丙烷转化率由97.4%逐渐降低至91.8%,输入能量密度随载气比的增大逐渐降低;丙烷/氮气混合气经过等离子体作用后的裂解产物中,氢气体积分数最高,为81.80%,乙炔次之,体积分数为7.90%;丙烷/氮气混合气裂解产物中碳氢化合物各组分体积分数随载气比的增加有所增大;当载气比为0.8时,高压直流滑动弧放电等离子体可获得较高氢气选择性的同时,还可以保持较低的制氢能耗。研究结果可对碳氢燃料航空航天发动机辅助点火燃烧提供一定参考。     

高密度笼状烃衍生物的合成及热性能

以环戊二烯(CPD)或甲基环戊二烯(MCPD)为原料,通过Diels-Alder反应、[2+2]环加成反应、羰基和含氮试剂的加成反应合成了五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷、甲基五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷的腙类衍生物,通过质谱、红外光谱、核磁共振氢谱等确证了产物结构,并通过PDSC研究了部分化合物在高温下的热分解性能。高张力笼状烃衍生物可改善笼状烃的挥发性能,分解过程放热,且分解温度随压力增大略有升高,可用作新型炸药或高能燃料组分。     

自燃型三唑氰基硼烷复合物推进剂燃料的合成与性能

为制备高密度、低粘度、高比冲、宽液态温度范围、热稳定性好的新颖推进剂燃料,以1,2,3?三唑为原料,在碱作用下与卤代烃发生N-烷基化反应,并与氯化氢气体成盐酸盐,该盐再与氰基硼氢化钠发生复分解反应,得到一系列新颖三唑氰基硼烷复合物。点火实验表明,该系列复合物可作为液体推进剂燃料。利用傅里叶变换红外光谱(FT?IR),核磁共振(~1H NMR、~(13)C NMR、~(11)B NMR)、高分辨质谱(HRMS)等对其结构进行了表征;分别利用差示扫描量热法(DSC)、排气法密度仪、粘度仪和高速摄影等,测定化合物的热分解温度、密度、粘度和点火延迟时间等性能;运用Gaussian 09软件、密度泛函理论(DFT)B3LYP/6?31++G(d,p)基组优化化合物结构,并基于此优化结构计算化合物的生成焓,据此运用Explo5 v6.02软件计算其理论比冲。结果表明,1?丙基三唑氰基硼烷复合物(3)的生成焓为1.5 k J·g~(-1),具有最短的点火延迟时间(12 ms),密度1.024 g?cm~(-3),熔点低于-70℃,热分解起始温度达233℃(onset),粘度16 m Pa?s,理论比冲为201.7 s,密度比冲达357 s?g?cm~(-3)。