探索航空发动机燃烧科学前沿与先进燃烧技术及应用！_燃烧_化学_航空_材料

探索航空发动机燃烧科学前沿与先进燃烧技术及应用！

航空发动机作为 “现代工业皇冠上的明珠”，是集多学科于一体的复杂动力机械系统，其性能优劣直接关乎国家安全与空天事业发展。以推力为例，美国 F-135 发动机的最大推力可达 191 千牛，俄罗斯的 AL-41F1 发动机最大推力也能达到 175 千牛，强大的推力使战机具备出色的机动性。而燃烧科学，在航空发动机领域中占据着举足轻重的核心地位。从航空发动机发展历程来看，每一次技术代际突破均以燃烧科学的创新为核心标志。

从运行原理来看，航空发动机依靠燃烧将燃料的化学能转化为热能，进而驱动发动机运转产生推力。可以说，燃烧过程是发动机产生动力的根源，其效率和稳定性直接决定了发动机的性能表现。例如，在 F-22 战机装备的 F119 发动机中，通过优化燃烧过程，使得燃油消耗率降低了 18%，极大地提升了战机的航程。然而，在追求更高性能航空发动机的征程中，燃烧科学面临着诸多严峻挑战。例如，在高空等极端环境下，空气稀薄、气压低、温度低，这给航空发动机的点火和稳定燃烧带来极大困难。以民用客机发动机为例，在 10000 米高空巡航时，气压仅为海平面的 26% 左右，温度低至 -50℃以下，一旦发动机在高空熄火，重新点火的过程充满风险，严重危及飞行安全。此外，随着环保要求日益严苛，“高效、稳定、低污染排放” 已成为航空动力发展的必然趋势和技术门槛性要求。传统的燃烧方式在满足环保标准方面遭遇瓶颈，例如传统燃烧室产生的氮氧化物排放较高，亟待通过燃烧科学的创新研究来突破。

近年来，随着航空技术的发展，航空发动机燃烧科学也呈现出一系列新的发展趋势。一方面，随着对航空发动机性能要求的不断提高，新的燃烧技术和概念不断涌现，如超燃冲压、脉冲爆震等新型燃烧方式，为航空发动机的发展开辟了新的路径。美国在超燃冲压发动机研究方面处于领先地位，其 X-43A 飞行器使用的超燃冲压发动机，在飞行试验中达到了马赫数 9.6 的高速，这种发动机在高速飞行时，燃料在超声速气流中燃烧，极大地提升了飞行器的速度和效率。

另一方面，多学科交叉融合的趋势愈发明显。燃烧科学与材料学、物理学、计算机科学等多学科相互渗透，借助先进的数值模拟技术和测量手段，能够更深入地探究燃烧过程中的复杂物理化学现象，为燃烧技术的创新提供了有力支撑。例如，通过计算机数值模拟，可以精确分析燃烧室内的气流流动、温度分布等情况，为燃烧室的优化设计提供依据。

来源：两机动力先行

整机丨哈工大：双碳目标下氨燃料航空发动机的研究进展及展望

摘要为了获得氨燃料航空动力应用潜力评价，本文综述了氨燃料的绿色制取方法、氨燃料燃烧特性的研究成果以及氨航空发动机设计过程中可能存在的技术问题和相应的解决方案。综合已有研究成果，本文认为氨燃料航空发动机具有非常广阔的应用前景，采用氨氢混合燃烧在未来有望成为氨燃料航空动力系统的优选方案。引用格式秦江，方垍洧，王聪，等 . 双碳目标下的氨燃料航空动力研究进展及展望［J］. 推进技术，2024，45（3）：2211092. （QIN J， FANG J W， WANG C， et al. Research progress and prospect of ammonia aviation power system under background of carbon peaking and carbon neutrality goals［J］. Journal of Propulsion Technology，2024，45（3）：2211092.）01引言以碳氢化合物为主的传统化石燃料仍然是当今人类社会使用的主要能源。但是化石燃料在提供动力和热能的同时，也在大量排放温室气体，尤其是CO₂，至少造成了全球30%的温室效应,沿海地区受温室效应的影响更为严重，在如此严峻的环境问题下，很多国家都开始采取相应的措施限制碳排放。本文将针对绿色航空动力的专题，从氨燃料航空动力的发展背景、氨燃料的工业化绿色生产方法、氨燃料的燃烧特性以及在航空发动机中的应用、氨燃料应用于航空发动机中可能存在的问题以及其解决方案进行文献综述，提供了氨作为航空发动机绿色燃料的全链条系统观点，贯穿了氨燃料的生产、燃烧、发动机系统的设计以及安全应用等各个方面，为从事该主题研究的学者提供每个分支的研究进展和最新观点，并预测了未来氨燃料航空动力的发展方向。02氨的绿色制取方法简介为降低氨合成过程中的能量消耗和碳排放，近些年来受关注的较高的方法主要有电催化合成氨和光催化合成氨。电催化制氨可获得较高的转化率，并且反应压力和温度较低，使它成为氨的绿色生产中最有潜力的方案，但是氮气的化学键稳定，解离能较高，并且其在水中溶解度较低，这为电催化合成氨反应造成了极大的障碍。光催化合成氨具有传统的半导体材料成本低廉、易于制备且稳定性好等优点，但容易受到太阳能不确定性与不稳定性的影响，并且其转化效率略低于电催化合成氨。因此，此类方案仍处于基础研究阶段，需要开发更加高效的催化剂来提升效率。 03氨燃料发动机燃烧技术研究现状分析目前国内外针对氨燃料燃烧技术的研究主要集中于内燃机与燃气轮机发电、机动车辆应用等领域，尚未有直接研究其在航空发动机燃烧室中的燃烧性能。但是内燃机、燃气轮机中燃料的燃烧性能对研究航空发动机燃料燃烧性能仍然具有一定的参考价值，只是对于燃料的点火、联焰等起动过程，两者有较大的差别。（1）纯氨燃烧技术：纯氨的燃烧性能不佳，其火焰速度较慢，从而导致采用纯氨作为燃料的发动机效率和输出功率都远低于汽油发动机，无法满足航空发动机需要连续做功的条件。（2）氨的混合燃烧技术：氨与其他燃料混合燃烧的方式可以有效地改进其燃烧性能。对于氨与航空燃油的混合燃烧，目前尚未有具体的研究。与氨燃料的混合燃烧后可能会有更好的性能，此方案在未来有待进一步的研究。04氨航空发动机热力循环系统研究现状与未来展望氨以及其混合燃料在高压下会显示出更佳的燃烧性能，辛烷值高，可以适用于高压缩比的压气机中。因此，该燃料是航空发动机中较为有潜力的替代燃料。在未来航空发动机可以采用氨燃料与氢燃料混合燃烧的方式，以保证燃料的燃烧性能和低碳排放。在未来氨燃料航空发动机的设计中，氨燃料应该参与系统的热力循环过程，经换热器吸热后裂解燃烧，以保证燃料的燃烧性能。通过合理地设计发动机的系统布局和氨燃料占比，氨燃料航空发动机的性能可以媲美现有的燃油发动机，并且在高当量比、高功重比的航空发动机设计中更具前景。该发动机的设计计算与优化在未来还有待进一步的、更深入的研究。05问题与挑战（1）氨泄漏：氨在常温常压下呈现气态，而高浓度的氨对人体有毒。目前，由于氨中毒而就诊的人群仍主要集中在氨生产和加工工厂内。对于飞机发动机，氨泄漏的危险可能不及航空燃油。（2）腐蚀性：氨虽然不会腐蚀钢材，但是氨气遇水呈碱性，会对铜合金、聚酯类有明显的腐蚀作用。（3）NOx排放：多项研究表明，氨发动机可能会导致NOx的排放量更高。06结论（1）伴随着“双碳政策”的进一步推进以及碳排放税的征收，未来工业化生产氨也会更有优势。（2）氨的混合燃烧具有良好的燃烧性能，特别是氨/氢混合燃烧，燃烧性能最优，还可以实现零碳排放。（3）充分利用氨吸热能效高、易裂解产生氢气的特点，使其参与航空发动机系统的热力循环。（4）氨燃料具有一定毒性和腐蚀性。（5）氨燃料的使用会降低 CO₂的排放量，但是也可能会导致NOx排放物的增加。声明: 本文来源于推进技术, 仅供交流分享, 若涉及版权等问题请留言, 我们会及时处理来源：两机动力先行