粉末燃料沖壓發(fā)動機直接以微小固體顆粒作為燃料，粉末燃料在沖壓發(fā)動機燃燒室中的燃燒過程屬于典型的粉塵燃燒過程。 因此，研究顆粒燃燒是理解粉塵燃燒的基礎(chǔ)。 國內(nèi)外關(guān)于金屬鎂、鋁及硼的點火燃燒過程已經(jīng)開展了大量研究，本文在此進(jìn)行簡單梳理。鎂的燃燒特性研究工作起始于 ２０ 世紀(jì) ５０ 年代末，此時的研究工作集中于鎂顆粒點火過程和燃燒過程的實驗研究。
９０ 年代以來，隨著基礎(chǔ)理論和試驗技術(shù)水平的不斷提高，鎂顆粒點火燃燒的試驗、理論及計算模型等方面的研究均得到了長足的發(fā)展。 在試驗研究方面：開展了高壓環(huán)境、微重力環(huán)境、不同氧化劑氣氛等條件下顆粒點火燃燒特性的研究。 理論研究方面，則主要是根據(jù)試驗結(jié)果建立相應(yīng)的理論模型，通過計算分析進(jìn)一步了解整個過程的瞬態(tài)特征并解釋試驗現(xiàn)象。 此外，還開展了粉塵云點火燃燒特性研究。 鎂的點火與燃燒過程的研究工作主要集中于氧氣與二氧化碳的介質(zhì)中，普遍認(rèn)為，在這 ２ 種介質(zhì)中，鎂的燃燒過程主要受氣相擴散過程控制。 鎂沸點和熔點都較低，易于氣化和燃燒，點火性能好。
２００４ 年 Ｇｏｌｄｓｈｌｅｇｅｒ等研究了單個鎂顆粒在氧氣／ 氬氣混合氣中的氧化和燃燒特性。 楊晉朝則著眼于鎂基粉末燃料沖壓發(fā)動機的可靠點火和燃燒，開展了大量理論研究，針對鎂顆粒群的著火機理、發(fā)動機燃燒室內(nèi)燃料顆粒的不均勻分布現(xiàn)象及局部顆粒濃度較高區(qū)域的著火燃燒，分別建立了點火燃燒模型。 此外，還基于粉末燃料沖壓發(fā)動機的自持燃燒，開展了一維鎂粉塵云層流燃燒的理論和試驗研究。２０ 世紀(jì) ５０ 年代末，各國先后開展了鋁顆粒點火燃燒機理研究。 研究表明，鋁在氧氣中燃燒很難啟動，一個重要原因是鋁表面有一層致密的氧化膜阻止其與氧氣反應(yīng)。 Ｂｒｏｏｋｓ 和 Ｂｅｃｋｓｔｅａｄ 等在總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)上，給出了鋁點火的相關(guān)結(jié)論，他們指出，鋁的點火可能遵循以下 ２ 種潛在方式：
（１）保護(hù)性氧化物外殼破裂，使得鋁顆粒能夠暴露在氧化劑環(huán)境當(dāng)中；
（２）氧化劑穿過保護(hù)性氧化物外殼向里擴散，引起顆粒的自身加熱。
但這 ２ 種方式的主導(dǎo)性仍存在爭議。 研究表明，保護(hù)性氧化物外殼破裂是鋁點火的主導(dǎo)機制。 一般而言，鋁顆粒粒徑在 １０～６０ μｍ 之間時，其點火溫度一般在 １ ７００～２ ２００ Ｋ 之間。 １９６８ 年，Ｂｅ?ｌｙａｅｖ 等研究得到了單個鋁顆粒的燃燒時間為 τ＝０．６７Ｄ １．５ ／ ａ Ｋ ０．９ ，并被廣泛接受和大量引用。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者開始探究納米鋁顆粒的燃燒特性，Ｃｈｏｗｄｈｕｒｙ 等利用絲線反應(yīng)器研究了不同氧化層厚度時納米鋁與納米氧化銅的著火延遲時間。 結(jié)果表明，氧化層越厚，相同升溫條件下的著火延遲越長，且著火延遲時間和溫度、升溫速率都有關(guān)。 Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ 等利用分子動力學(xué)模擬分析了顆粒團(tuán)燒結(jié)的可能性，并結(jié)合燒結(jié)理論解釋了納米顆粒燃燒時間與粒徑的弱相關(guān)性。 Ｅｒｍｏｌｉｎｅ 等發(fā)現(xiàn)考慮顆粒尺寸效應(yīng)時，顆粒溫度和燃燒時間都將改變；而 Ａｌｌｅｎ 等分析了換熱模型中熱容納系數(shù)對燃燒時間和燃燒溫度的影響，發(fā)現(xiàn)對于納米鋁顆粒燃燒過程熱容納系數(shù)取值可小至 ０．００５。 孔成棟利用平焰燃燒器，研究了納米鋁顆粒的燃燒機理及反應(yīng)動力學(xué)。以粉末燃料沖壓發(fā)動機和粉末火箭發(fā)動機為背景，鄧哲開展了粉末推進(jìn)劑層流火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯?，為粉末推進(jìn)劑的燃燒理論提供了理論基礎(chǔ)。
相比于鎂、鋁，硼作為燃料時具有兩相流損失少、質(zhì)量熱值和體積熱值高等優(yōu)點。 但由于硼點火困難及燃燒效率低，因此其在發(fā)動機中不能完全燃燒，能量特性得不到充分發(fā)揮。 為尋求改善硼點火和燃燒性能的方法，從 ２０ 世紀(jì) ５０ 年代初開始對硼粒子的點火燃燒作了大量的試驗研究，并總結(jié)了硼顆粒的點火、燃燒模型。
總體來說，國外研究者偏重于硼顆粒點火燃燒的機理研究，ＴａＫｕｏ Ｋｕｗａｈａｒａ 等通過實驗研究了 Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ 等金屬添加物對硼顆粒點火和燃燒的影響。 Ｙｕｊｉ Ｋａｚａｏｋａ 等利用電加熱設(shè)備，并結(jié)合光譜儀和紋影拍攝得到了硼顆粒著火和燃燒過程中可見光火焰面和紅外區(qū)的凝相 Ｂ ２ Ｏ ３ 火焰鋒的變化規(guī)律。國內(nèi)早期關(guān)于硼顆粒的研究側(cè)重于硼在推進(jìn)劑里的應(yīng)用。 近年來， 關(guān)于硼顆粒點火機理和模型的研究也逐漸興起。 研究表明，減小粒徑可明顯促進(jìn)硼顆粒燃燒，但當(dāng)硼顆粒粒徑較小（小于 １ μｍ）時，此時進(jìn)一步減小粒徑對于燃燒時間的影響不大。 此外，在硼顆粒中添加一定量的其他物質(zhì)，如鋰、鎂等金屬，可有效地促進(jìn)硼的點火和燃燒，表面包覆也是改善硼點火燃燒性能比較好的一種方法。通過以上概述分析可看出，目前國內(nèi)外關(guān)于粉末燃料沖壓發(fā)動機的研究仍處于起步研究階段。 試驗證明了發(fā)動機的可行性，但在諸多技術(shù)環(huán)節(jié)還需要深入研究
