镁基金属燃料的能量主要是通过燃气流中镁颗粒的燃烧释放出来，而金属镁在二氧化碳和水蒸气中的燃烧性能在很大程度上影响着发动机的性能，因此研究镁颗粒在二氧化碳和水蒸气中点火燃烧特性可以为推进剂高效燃烧提供理论依据和技术指导。 在总结国内外金属颗粒点火燃烧试验研究基础之上，设计并改进了镁颗粒点火燃烧试验系统。采用高能氙灯辐射点火系统、高速摄影仪、微距镜头、红外测温仪、光谱仪、极细钨铼热电偶等装置得到了颗粒点火燃烧过程中镁颗粒表面的细节变化和火焰特征以及颗粒温度变化历程，获得了颗粒燃烧时的光谱信息，确定了燃烧阶段的主要气相组分。探究了环境压强对镁颗粒点火和燃烧过程的影响，分析了燃烧产物的结构和成份。 开展了二氧化碳和水蒸气中镁颗粒着火过程的理论和试验研究。从能量和受力两个角度分析了镁颗粒在二氧化碳和水蒸气气体氛围中的点火过程，综合镁颗粒能量平衡和氧化层受力关系，建立了镁颗粒点火模型。进行了镁颗粒在二氧化碳和水蒸气中的着火试验，观察到了着火前颗粒表面形态变化，结合理论探索了其着火机理，获得了镁颗粒的着火温度。采用数值计算方法，开展了颗粒粒径和环境温度对点火延迟时间影响的研究。 开展了二氧化碳和水蒸气中镁颗粒燃烧过程的理论和试验研究。以颗粒内部金属表面、氧化层外表面、火焰面和环境无穷远为边界，将颗粒周围空间划分为三个区域，根据颗粒氧化层尺寸和火焰尺寸之间的关系，将颗粒燃烧过程划分为两个阶段，同时考虑气相燃烧反应和颗粒表面多相化学反应，建立了镁颗粒三分区燃烧模型。进行了镁颗粒在水蒸气中的燃烧试验，观察到了燃烧过程中氧化镁在颗粒表面凝结现象和气相燃烧火焰特征，分析了燃烧产物的物理结构特征。通过数值计算，分析了环境温度等对颗粒燃烧的影响。

镁以其在能量密度、点火和燃烧性能方面的综合优势，在水冲压发动机、粉末燃料冲压发动机和固体燃料超燃冲压发动机等推进装置中具有广泛应用前景。镁颗粒的燃烧类似于碳氢燃料的液滴蒸发燃烧，但镁颗粒表面氧化物的存在使得镁颗粒的点火与燃烧过程复杂得多，而对于表面氧化物物理化学变化过程的很多细节还不清楚。本项目以镁颗粒为研究对象，开展表面氧化物对镁颗粒点火与燃烧过程作用机理研究。采用先进光学测试技术，建立基于表面氧化物观测的金属颗粒点火与燃烧试验研究方法，开展不同工况条件下镁颗粒点火与燃烧试验；研究环境压强、温度、外部气流剪切、氧化剂种类与浓度、颗粒赋存形态等因素对镁颗粒点火表面氧化物层消退过程，及燃烧表面氧化物沉积过程的影响；建立考虑表面氧化物作用的镁颗粒点火与燃烧模型及数值仿真方法，分析镁颗粒点火与燃烧过程控制机制，探讨有效促进镁颗粒快速点火与燃烧的方法，为研究镁颗粒在发动机中的点火与燃烧过程奠定基础。

激光等离子体点火技术具有点火位置和时序精确可控、电磁兼容性好、工况适应性好等优点，在内燃机、天然气发动机、燃气轮机等动力系统上具有广泛的应用前景。项目针对激光等离子体点火参数和机理不明确的研究现状，开展了激光等离子体点火机理研究，获得了如下创新性研究成果。 1）建立了甲烷/氧气混合燃气激光等离子体点火化学反应动力学模型，研究了热效应和燃烧化学反应效应在点火过程中的作用，明确了影响成功点火的关键因素是初始火核中激光等离子体产生早期形成的活性基团的浓度，提出了“热效应-燃烧化学反应”点火新机理，完善了现有的“间接点火”模型。 2）系统获得了甲烷/氧气混合燃气激光诱导等离子体的电子温度、电子密度、时空演化、活性粒子分布、振转温度等特性，为分析激光等离子体点火机理奠定了基础。 3）系统开展了甲烷/氧气预混和扩散燃气系统激光等离子体点火实验研究，建立了最小点火能量、点火延时等参数的研究方法，获得了相关参数的边界条件，为激光等离子体点火的应用奠定了基础。 4）提出了激光烧蚀等离子体点火技术，使成功点火的激光脉冲能量降低一个数量级，有利于激光等离子体点火系统的小型化，促进了激光等离子体点火技术的工程应用。 5）在国内最先开展了液氧/甲烷等低温燃料的激光等离子体点火研究，突破了低温推进剂燃料可靠重复点火的技术瓶颈，在姿轨控发动机燃烧模拟器上成功实现了液氧/甲烷的激光等离子体点火，填补了国内空白。 6）克服了超燃冲压发动机燃烧室中湍流耦合、激波干扰等恶劣条件，在国际上首次实现了Ma2.52超声速气流条件下航空煤油的直接激光点火和稳定燃烧，为超燃冲压发动机的可靠重复点火奠定了基础。 本项目的研究成果对于加深激光等离子体点火机理的研究、促进激光等离子体点火的工程应用具有重要的理论意义和应用价值，为火箭发动机、超燃冲压发动机等先进动力系统的可靠重复点火提供了重要的技术支撑。 2100433B

对水平圆柱形激波管内的可压缩性气体与固体颗粒群的相互作用进行了实验研究和理论分析。

1) 激波管内发生的是一个复杂的过程，包括激波与颗粒群的相互作用伴随了激波、膨胀波的反射和透射，激波、膨胀波与接触面的干涉，以及从固体端部壁面的反射等环节。本实验研究也揭示了该激波管进行类似问题研究的能力。

2) 在其它条件相同时，颗粒装载比、入射激波马赫数的增大或者颗粒直径的减小导致被颗粒群反射的第一道反射激波强度的增大。

3) 当颗粒直径为 6 mm、颗粒装载比α = 1 时，透射激波被颗粒显著地衍射，并有膨胀波紧随其后，因此由透射激波引起的第一个压力峰急剧下降。

4) 颗粒直径的减小导致颗粒间的孔隙减小以及透射激波传播路径的增加，结果使得激波的反射、透射、衍射和聚焦更频繁的发生，此外，还使得透射激波在激波管的轴向的相同位置衰减的更严重。随着激波传播距离的增大，初始峰值衰减率会减小，这是由于激波被上游颗粒相继的衍射引起的，并且，装载比越大衰减率减小得越快 。2100433B