智能制造学院吴宪举老师在硼颗粒燃烧模型与发动机应用领域发表系列高水平论文

近期，智能制造学院吴宪举老师在读博期间，围绕硼基高能燃料燃烧机理与固体超燃冲压发动机应用开展系统性研究，取得一系列创新成果。相关论文相继发表于国际燃烧领域顶级期刊《Combustion and Flame》（SCI 一区 TOP，题目：Multiphase ignition and combustion model and its characteristics of boron particles based on dynamic experimental phenomena）、国防科技权威期刊《Defence Technology》（SCI 一区 TOP，题目：Performance comparison of full-scale ramjet and scramjet using boron-based propellant）及我国卓越领军期刊《航空学报》（题目：双燃烧室冲压发动机对硼基推进剂的促燃效果）。三项成果均以吴宪举为第一作者，与北京理工大学魏志军教授、王宁飞教授团队合作完成。

硼具有极高的质量热值与体积热值，是固体燃料冲压/超燃冲压发动机的理想高能燃料。但硼颗粒长期存在点火难、氧化层自修复、燃烧不充分等关键瓶颈，制约其工程化应用。针对硼基推进剂“点火难、去膜慢、驻留短”的工程痛点，吴宪举团队以“机理建模—规律揭示—发动机验证”为主线，开展从微观燃烧机理到整机性能评估的全链条研究。

在基础机理创新方面，团队基于动态燃烧实验现象，对经典PSU硼燃烧模型进行系统性改进，建立宽工况硼颗粒多相点火燃烧模型。模型首次完整考虑氧化层动态演化、硼颗粒可逆相变及物性参数与压力的耦合过程，实现从点火延迟、氧化层去除到液/固相多阶段燃烧的数学描述。研究揭示了粒径、环境温压、氧浓度及水蒸气对燃烧模式转换的定量调控规律，明确环境升温与增湿可显著推动燃烧向扩散控制模式转变，为硼颗粒高效点火与燃烧强化提供理论依据。该模型突破传统模型在氧化层动态演化、相变过程描述等方面的局限，较传统PSU模型预测精度提升19.9%~42.5%，可为发动机三维CFD仿真提供可靠机理支撑。

（a）氧化层去除阶段

（b）纯硼燃烧阶段

图1 修正后的硼颗粒点火燃烧模型（x_p表示氧化层厚度；r_p表示硼颗粒半径；T_p表示硼颗粒温度；T_cut表示点火临界温度。）

在工程应用转化方面，团队将高精度燃烧模型成功应用于全尺寸亚燃冲压发动机（Ramjet）与超燃冲压发动机（Scramjet）三维数值模拟，首次完成硼基燃料两类全尺寸发动机性能对标。研究表明，硼基推进剂发动机性能分界点位于马赫7附近：马赫6工况下，Ramjet比冲较Scramjet高1290 m/s，优势显著；马赫7工况下两者性能趋于相当。研究阐明，亚燃室高温高压、颗粒停留时间长的特点可显著提升硼颗粒燃尽率，但其高静温会促进硼汽化与B₂O₂离解，抑制总温提升；Scramjet虽燃烧效率略低，但气相离解更弱，高马赫数潜力更大。相关结论为高超声速飞行器动力选型、工况匹配与燃烧室优化设计提供关键数据支撑。

表1 两类冲压发动机总体性能对比

团队进一步开展双燃烧室冲压发动机研究，提出亚燃/超燃串联式分段燃烧技术方案，针对性解决含硼固冲发动机燃烧效率低下的行业难题，有效缓解硼颗粒“点火难、去膜慢、驻留短”的技术瓶颈，实现能量高效释放与比冲性能突破，为硼基推进剂在宽速域高超声速动力系统中的工程应用提供了新路径。

图2 两类发动机硼颗粒燃烧指数随颗粒轨迹图

三项成果互为支撑、有机统一，形成“微观机理突破—发动机应用验证”的完整创新链，研究成果不仅深化了对硼基燃料燃烧本质的科学认识，也为我国固体燃料超燃冲压发动机的设计优化与工程应用提供理论支撑。

该研究得到了国家自然科学基金重点支持项目（No. U21B2086）和台州市科技局项目（No. 2002gy07）支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.dt.2025.08.013

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2024.113445

论文链接：https://doi.org/10.7527/S1000-6893.2025.31788