氢-氨协同燃烧在宽马赫数超燃冲压发动机中的可行性研究

《Nature Communications》：Feasibility study of hydrogen-ammonia synergistic combustion in scramjets across broad Mach ranges

本研究针对氨燃料在低马赫数条件下点火困难、高马赫数条件下燃烧不稳定的技术难题，开展了氢-氨协同超燃燃烧的可行性研究。通过实验成功实现了Ma3条件下的氢-氨点火和Ma6条件下的持续燃烧，揭示了不同燃料喷射方案下的燃烧模式差异。研究证实上游氢喷射能引燃更多氨燃料，形成更强烈的燃烧，为氨燃料在宽马赫数范围内的超燃冲压发动机应用提供了重要技术支撑。

　　

随着高超声速飞行技术的快速发展，超燃冲压发动机作为关键动力装置面临着严峻挑战。传统碳氢燃料在Ma4~6范围内已取得突破性进展，但在更高马赫数条件下却遭遇"双限制"困境：一方面受限于热沉不足难以满足主动热防护需求，另一方面因化学动力学滞后影响燃料混合与燃烧效率。这一技术瓶颈严重制约着高马赫数超燃冲压发动机的发展。

氨燃料因其独特的理化性质展现出巨大应用潜力。与氢燃料相比，氨具有更高的体积能量密度和更便捷的液化储存特性，且完全避免了积碳问题。更重要的是，氨在高温条件下表现出卓越的吸热能力，使其成为高马赫数超燃冲压发动机的理想燃料选择。然而，氨燃料的低火焰传播速度和高点火能量需求，在毫秒级停留时间的超燃燃烧环境中构成了重大技术挑战，尤其在低马赫数条件下，氨在再生冷却通道中的裂解率较低，需要辅助燃烧策略。

针对这一难题，国防科技大学研究团队创新性地提出了氢-氨协同燃烧方案。该策略巧妙利用氢的高反应性和氨的优异热管理能力，形成优势互补。特别值得关注的是，研究团队通过估算指出，所需携带的氢燃料仅占总燃料质量的3~5%，不会对系统造成显著重量负担，这一设计为实际工程应用提供了可行性保障。

在《Nature Communications》发表的这项研究中，研究人员采用串联双腔体构型作为火焰稳定器，通过系统的实验研究，揭示了氢-氨协同超燃燃烧的特有规律。研究团队建立了高水平超燃直连式风洞实验系统，利用氧/乙醇燃烧加热系统模拟不同飞行条件，通过高速摄像系统捕捉火焰化学发光和纹影图像，结合壁面压力测量，对燃烧过程进行了全方位诊断。

实验设计涵盖了两种来流条件：马赫数1.60（对应飞行马赫数3）和马赫数2.52（对应飞行马赫数6）。研究设置了四种不同的燃料喷射方案，通过对比纯氢燃烧与氢-氨混合燃烧的表现，系统分析了低马赫数点火特性和高马赫数火焰稳定机制。

低马赫数点火特性

研究发现，氨-氢火焰与纯氢火焰在点火阶段的初始火焰传播路径基本一致。然而，氨的加入显著影响了火焰建立时间。具体而言，在上游喷射方案下，氨的加入使全局火焰建立时间延长了57.1%，在下游喷射方案下更是延长了100%。这一现象揭示了氨燃料点火难度较大的本质特征。

但令人意外的是，在上游喷射方案下，氨射流前形成的强烈弓形激波能够有效减速来流，减弱流动能量耗散，反而使腔体点火时间比纯氢火焰缩短了21.2%。这一发现表明，通过合理的流场设计，可以部分克服氨燃料点火困难的问题。

高马赫数燃烧模式分析

研究观察到两种截然不同的燃烧模式。上游燃料喷射产生了双燃烧模式(Dual mode)，燃烧区前形成的斜激波未完全穿透流场；而下游燃料喷射则形成了超燃模式(Scram mode)，主激波完全穿透流场。通过对比时间平均火焰化学发光图像发现，氨加入引起的火焰亮度增强主要发生在原始氢火焰的下游区域，但分布特征因方案而异。

上游方案下，火焰亮度增强主要出现在腔体剪切层和两腔连接段上方的主流区，其中主流区的强度增加最为显著。下游方案下，几乎所有原始氢火焰区域的亮度都有所增强。壁面压力分布进一步证实，上游方案下的氨-氢火焰释放了更多热量，这主要归因于上游氢喷射能够引燃更多氨燃料。

高马赫数燃烧动态特性

氨的加入对燃烧振荡行为产生了显著影响。研究显示，氨喷射使总发光强度振荡幅度在上游方案下降低了71.4%，下游方案下降低了42.1%，表明燃烧振荡得到有效抑制。通过功率谱密度(PSD)和连续小波变换(CWT)分析发现，氨的加入显著提高了高频分量（>1000 Hz）的频谱能量占比，增强了系统的非线性特征。

特别值得注意的是，上游方案下燃烧振荡在20 Hz和100 Hz处呈现显著主频，而下游方案则包含更多主频成分，这可能与上游腔体加剧了燃烧区前来流分离有关。火焰分区相关性分析进一步揭示，氨的加入降低了区域间发光强度的线性相关系数，说明各区域的波动独立性增强。

火焰稳定机制

基于实验现象，研究提出了两种不同的氢-氨超燃火焰稳定机制。上游方案下，燃烧室内存在两个相对独立的火焰，呈现组合稳定模式。上游火焰表现为典型的腔体稳定模式，氢主要在上游腔体内燃烧；下游火焰则表现为典型的射流尾迹稳定模式，氨主要在两腔连接段上方的主流区燃烧。氢燃烧反应持续为氨燃烧提供所需的高温自由基。

相比之下，下游方案下，由于氨喷射器与下游腔体之间存在较长的预混距离，氨-氢燃料经历相对充分的分解和预混，火焰保持与纯氢火焰相似的腔体稳定模式。这种机制差异解释了不同方案下火焰亮度分布的特征。

本研究通过系统的实验验证，证实了氢-氨协同超燃燃烧在宽马赫数范围内的技术可行性。研究不仅深化了对氨-氢协同超燃燃烧动力学的理解，还为氨燃料超燃冲压发动机的工程实现提供了重要技术支撑。特别值得关注的是，研究提出的"仅在超低马赫数点火阶段需要额外供氢"的设计理念，为降低系统复杂度、提高实用性指明了方向。

未来研究可重点关注三个方向：高裂解率氨燃料的燃烧特性探索、更适合氨燃料的燃烧室构型和喷射方案开发、以及集成再生冷却通道的发动机试验。这些工作的推进将加速氨燃料在高超声速推进领域的实际应用，为碳中性高马赫数推进系统的发展奠定坚实基础。