张运刚，庞爱民，张文刚，肖金武
（中国航天科技集团公司四院四十二所，襄樊441003）
摘要：金属基燃料与水反应具有能量密度高的特点，可用于水下高速推进，也可用于新一代燃料电池。文中介绍了国外关于金属基燃料与水燃烧反应的一些研究方法和成果，以及金属基燃料与水凝相反应用于燃料电池等方面的研究现状，同时对国内关于金属基燃料与水反应的研究现状做了简要介绍，并对金属基燃料与水反应的应用前景进行了展望。 关键词：金属基燃料；水；反应
中图分类号：V512 文献标识码：A 文章编号：1006-2793（2006）01-0052-04
Research status and application prospects of the reaction
between metal matrix fuel and water
ZHANG Yun-gang，PANG Ai-min，ZHANG Wen-gang，XIAO Jin-wu
（The42nd Institute of the Fourth Academy of CASC，Xiangˊf an 441003，China）
Abstract：With the characteristic of high energy density，the reaction between metal matrix fuel and water can be used for un-derwater high-velocity propulsion and new generation fuel cell.The foreign research methods and achievements of the combustion reaction between metal matrix fuel and water as well as application research status of the condensed phase reaction between metal matrix fuel and water in fuel cell were introduced.At the same time，the domestic research status of reaction between metal matrix fuel and water was briefly presented，and the application prospects of metal matrix fuel and water were predicted.
Key words：metal matrix fuel；water；reaction
1 引言
水冲压发动机是一种新型的水下推进装置［1～3］。这种水下推进装置基本上只携带金属基燃料，主要靠吸入外部的海水作氧化剂，利用金属基燃料与海水反应产生的大量能量及放出的大量轻质气体，来实现水冲压发动机在水下的高速行进。由于不需要携带专门的氧化剂，所以极大地增加了动力系统的能量密度。水冲压发动机的关键技术之一是金属基燃料与水的反应。研究金属基燃料与水反应的技术难点在于：金属基燃料与水反应的顺利启动；金属基燃料与水反应的组织形式；如何提高金属基燃
料与水反应的速度等。
2 国内外研究现状
可与水反应放出能量和气体的金属基燃料有很多，部分金属基燃料与水反应的能量密度见表1（表1中数据由有关理化数据计算得到）。
表1 金属与水反应的体积能量密度
Tab.1 Volume energy density of reaction between
some metals and water
金属种类
密度
g/cm3
体积能量密度
kJ/cm3
Be 1.8568.93
Al 2.7045.77
Mg 1.7425.27
Ca 1.5415.79
Li0.5315.49
Na0.97 5.89
K0.86 3.09
表1所列金属中，铍的能量密度最高，但是毒性较大；镁与水反应较容易启动，但能量密度较小；锂、钙、钠、钾很活泼，易与水反应，但存储条件较为苛刻；铝具有较高的能量密度，且存放稳定、无毒性，若能降低它与水的反应条件，应是最适合与水反应并用于水冲压
第29卷第1期
固体火箭技术
Journal of Solid Rocket Technology Vol.29No.12006
=================================================①收稿日期：2005-10-14；修回日期：2005-11-21。
作者简介：张运刚（1976—），男，硕士，研究领域为航空宇航推进理论与工程。E-mail：wjswinner@sohu
发动机的金属基燃料。目前，国内外关于金属基燃料与水反应的研究主要集中在金属铝与水的反应上。2.1 国外研究现状
2.1.1 金属基燃料/水燃烧反应
在金属基燃料/水燃烧反应研究方面，俄罗斯、美国、日本等国家的研究人员自20世纪70年代起就开展了大量的基础性研究工作。
俄罗斯Gorbunov V V等人［4］研究了高能金属粉（主要是Al和Mg）与水的燃烧反应。研究表明，高能金属与水的混合物的燃烧性能主要取决于金属粉末被氧化的难易程度；氧化程度取决于混合物中金属基燃料与水的比例；改变水的聚集状态（凝相或气相）不影响金属的氧化程度。Vasilev A V等人［5］研究了加入某些特定的添加剂对Al/H
2
O混合物燃烧的影响。在质
plc学习机量比为50:50的Al/H
2
O混合物和以化学计量比混合
的Mg/H
2
O混合物中，加入1%～5%的KF、NaF、LiF、
AlF
3、NaOH，发现这些添加剂提高了Al/H
2
O混合物的
点火性能，降低了混合物的临界尺寸；NaF和KF对提高燃速的影响比其它添加剂更为显著；点火性能和燃烧性能的提高是由于NaF和KF与水反应大量放热，同时与金属粉末表面的氧化膜反应生成络合物，破坏了这层氧化膜，使水易于渗透到金属表面与金属发生反应。NaF与混合体系的反应可用下列方程式表示：
2NaF+H
2O3NaHF
2
+NaOH
Al
2O
3
+12NaF（aq）42Na
3
AlF
6
+6NaOH
Lee W W［6］在其研究中采用了一种装置及方法，
在一特定的装置中装填按一定比例混合的金属铝粉与水的混合物，一根细的金属丝从混合体系中穿过，对这根金属丝通以高能脉冲电流使其爆炸，形成大量熔化的金属铝的热点，分散在Al/H
2
O混合体系中，从而引
发Al/H
2
O的燃烧反应。将产生的高温、高压气体从反应室中导出，用来推动各种发射体向外发射。Lee W W［7］在其专利中，对前述装置做了改进，增加了一套热交换器，用来提取有用的热能和冷却反应混合物，从而将氢气与固态副产物分离。研究结果表明，系统的能
量效率由Al/H
2
O反应放出的化学能与输入的电能之比决定，而能量效率主要由电路参数、金属燃料粉的物理参数、反应物的几何排列决定。在不同的试验条件下进行优化，能量效率可超过100%。
Kol J等人［8］研究了Al在水蒸气中的燃烧，发现
从Al/H
2
O混合浆料中排出的微粒温度和开始燃烧的温度为（3360±191.5）K。在燃烧的起始阶段，微粒由
热发射率为0.2的纯铝组成。在燃烧过程中，Al
2O
3
在
微粒的表面形成，氧化物为液态，热发射率为0.9。在
温度为（2240±127.7）K时，观察到Al
2O
3
的固态微
粒，此温度接近于氧化铝的熔点。在凝固点，由于
Al
2
O
3
热发射率由0.9（液态）变为0.3（固态），热辐射
急剧下降。在微粒轨迹末端观测到峰点效应（Blick效
应），微粒处于正常冰点以下的过冷状态，然后突然结
晶，检测到结晶点温度为（2470±140.8）K。
Foote J P等人［1］在“水下推进中铝和水的燃烧”
的研究中，检测了Al/H
2
O燃烧的温度，波长在400～
800nm之间的辐射强度，燃烧产物微粒的尺寸分布及
组成。试验表明，铝粉在O
2
/Ar（质量比为20:80）混
合气体中的燃烧温度为2900K，而在水蒸气中的燃烧
温度约为2500K。平均尺寸为17µm的铝粒，在
实际氧燃比
化学计量氧燃比
≈1.10的水蒸气中燃烧，以及引燃后
停留时间估计为22ms的条件下，燃烧效率为95%。
基于检测到的辐射强度和燃烧温度，用蒙特卡罗数值
法由燃烧产物估计热辐射损失率，以O
2
/Ar为氧化剂
的条件下，计算得到的峰值热损失率为9.5W/cm3，而
以H
2
O为氧化剂的情况下，计算得到的峰值热损失率
混合交换为4.8W/cm3。
Noriyuki Oda等人［9］在其专利中发明了一种使熔
化态铝与水接触产生氢气的方法。燃料主要成分为
铝，并且至少含有Li、Mg、Na、K或K-Na合金中的一种
作为辅助燃料。这些燃料形成合金或混和物。当燃料安息香乙醚
以合金形式使用时，首先被预热至熔化状态，并被注入
到高压反应釜中，水由另一套系统注入反应釜中；当燃
料以混合物形式使用时，燃料被制成浆体，其中液相中
只包含辅助燃料，这种浆体被注入到含有水蒸汽的反
应器中，反应产生大量的高温、高压氢气。
中村等人［10］研究了在Al-H
2
O混合体系中加入表
面活性剂使体系分散均匀，然后再向体系中加入一种
里面包有NH
4
NO
3
和铝粉的Al制空心小球。当体系
中通以脉冲电流时，引发如下反应：
2Al+NH
4
NO
3
→Al2O3+N2+2H2-1300kJ
2Al+3H
2
O→Al
2
O
3
+3H
2
-800kJ
上述反应大量放热，活化能降低，较容易点火。
Bruno C等人［11］在其研究中发现，高的氧/燃比（O/F约4.4）能够导致合理的高温（2500K），同时可
以得到高比冲（约2600N·s/kg）。另一方面，高温对
在卫星的微型推进中得到稳定的火焰很有用处；同时，
高温导致的热损失可将水在进入燃烧室之前对它们进
行加热。计算表明，在发动机工作的初始阶段，为破坏
Al
2
O
3
氧化层的迎面碰撞是有可能的。因此，为了达到
氧化层裂缝的临界尺寸，在受控的条件下让Al粉发展
氧化层是合理的。计算表明，一旦发动机开始工作，用
Alex TM微粒可确保Al-H
2
O蒸汽燃烧产物微粒内部的
女士化妆包2006年2月张运刚，等：金属基燃料与水反应研究现状及应用前景第1期=================================================
加热时间为10-6s，点火延迟时间为10-7s，Al
2O
生物质气化燃烧机3
层的
快速融化时间为10-10s。
2.1.2 金属基燃料/水凝相反应
国外关于金属基燃料与水凝相反应放出氢气的研究基本上都是用于燃料电池。目前，生产氢气的主要方法是石油精炼和天然气裂解的副产物，随着石油和天然气资源的日益减少，国外开始研究用金属基燃料与水反应放出氢气的方法。一般来说，铝/水凝相反应按下式进行：
2Al+6H
2O→2Al（OH）
3
+3H
2
Kaname Seo等人［12］发明了一种将金属Al溶解于水产生氢气的方法。先将一定尺寸的金属铝板进行汞
齐化处理，使铝板上附上一层薄薄的汞膜，然后将铝板置于不同温度的水中进行反应，反应进行得很激烈。试验表明，75℃时氢气的生成速度为22.5 ml/（h·cm2）；当温度高于80℃时，反应太剧烈，铝板上的汞薄膜被急剧放出的氢气破坏而脱落，反应停止；在不同温度，汞薄膜的厚度均有一个最佳值，低于此值时，反应不进行；在反应的过程中，水溶液的pH值保持在8±0.5，在此条件下，水溶液的pH值对氢气的生成速度影响较小；用锌汞齐处理铝板，反应速度显著加快，在75℃水温下，氢气的生成速度为1200 ml/（h·cm2）。
Smith I E［13］进行了铝/水反应放出氢气的研究。用浓度为0.001%的HgCl
2
处理铝板，使铝板上覆上一层汞的薄膜，在水温10～134℃内进行试验。试验发现，氢气的生成速度可用下式表示：
r=6.6×105e-11000/RT
r为标准条件（T=273.15K，p=101325Pa）下，氢气的生成速度，单位为L/（m2·s）。试验表明，氢气的生成速度随着温度的升高而加快；压力不是影响氢气生成速度的控制因素；影响氢气生成速度的影响因
素还包括铝在汞中的扩散速度，汞随Al（OH）
3
的生成而脱落的情况等。
Chaklader A C D等人［14］进行了Al-Al
2O
3
混合物
与水反应放出氢气的研究。在铝粉中加入不同规格
Al
2O
3
进行球磨混合，然后在不同温度下与自来水反
应。研究发现，Al-Al
2O
3
混合物体系中Al
2
O
3
的质量
分数越大，氢气的生成速度越快；氢气的生成速度随温度的升高而加快；纯铝与水在pH值2～9的范围内反应，反应速度较慢，且与pH值无关，只有pH值很大或
很小的情况下，氢气的生成速度才会提高；Al
2O
3
含量
为20%的Al-Al
2O
3
与水反应，在pH值为1～11的范
围内，氢气的生成速度较快，且与pH值无关，当pH值很大或很小时，氢气的生成速度会显著提高；不同规格
的Al
2
O
3
对氢气的生成速度影响极大。
2.2 国内研究现状
西北工业大学［15，16］、航天31所［17，18］、国防科技大学［19～21］、航天42所［22］对水冲压发动机进行了一些初步研究，主要侧重于水冲压发动机的工作原理、模型、理论性能等方面的研
究，并且做了一些理论基础性试验工作，初步验证了水冲压发动机的可行性，但在金属基燃料与水反应方面研究较少，需要进一步深入研究。
2.3 金属基燃料与水反应在武器系统上的应用
文献［23］报导，俄罗斯的“暴风雪”超空泡的动力装置，就是通过镁基水反应金属燃料与外部的海水进行燃烧反应，利用反应产生的大量热量和气体推动高效燃气轮机或喷气推进系统进行工作。俄罗斯目前正在研制带有铝金属的固体水冲压发动机，其比冲比普通火箭发动机高2.5～3倍。
美国宾夕法尼亚大学应用研究实验室［2］正在研究一种水冲压发动机系统，采用冲压发动机将铝粉注入水的高速涡流中，这种高速涡流与铝粒子之间的高速剪切作用以及铝粒子之间相互刮擦，破坏了铝粒子表面的氧化膜，使铝粉和水剧烈燃烧。铝粉燃烧产生的高温、高压气体从火箭喷管中喷出产生推力或推动螺旋桨的涡轮机。
3 金属基燃料与水反应的应用前景
金属基燃料与水反应的关键技术包括金属基燃料与水反应的可靠启动；金属基燃料与水反应的组织形式；如何提高反应速度等。金属基燃料应以铝粉为主，添加一定比例的较活泼的金属如镁、锂等，研究铝粉粒度、镁粉粒度或锂粉粒度、铝镁比例或铝锂比例、金属粉的制成工艺等对铝水反应的影响；
添加活泼金属不仅可以提高反应速度，还能保证反应的可靠启动；金属基燃料与水的燃烧反应的可靠启动需要高温条件（至
少应达到Al
2
O
3
的熔点），因此研究破除氧化膜的技术至关重要，可以通过添加一些可与氧化膜反应的物质来破膜，也可采用物理机械方式除膜；要在较低温度下快速启动铝水凝相反应，并使反应持续进行，必须添加某些合适的催化剂。
由于金属基燃料与水反应的高能量密度特性，其在水下高速推进有非常好的应用前景，这一技术用于水下超空泡武器将会大大改变未来海面、海底作战模式。此外，金属基燃料与水反应以其操作简便、使用方便等优点，可望在新一代高性能燃料电池上得到应用。参考文献：
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555555555555555555555555555555555555555555555555
）（上接第21页）
时，柱壳有鼓包发生，而当预加载内压增加到一定值时，柱壳会出现断裂裂纹；
（2）应力最大值出现在激光加热的高温区和常温区的交界处；
（3）在较低功率密度和较大光斑情况下，柱壳易产生裂纹扩展破坏，其破坏温度阈值较低、破坏范围较广，对于裂纹破坏模式，在到光斑中心距离相等的圆上，柱壳轴线上单元的应力达到最大值，环线上单元的应力最小，初始裂纹沿轴向扩展，在光斑边缘处受几何约束和应力集中的影响可能发生分叉；
（4）在高功率密度和小光斑情况下，则产生中心穿孔破坏，穿孔破坏时温度阈值较高，且破坏仅限于很小范围；
（5）光强呈高斯分布时，破坏首先发生在光斑中心附近，而当光强呈均匀分布时，破坏首先会发生在边缘处。
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（编辑：崔贤彬）
2006年2月张运刚，等：金属基燃料与水反应研究现状及应用前景第1期=================================================
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