Обоснование рационального химического состава порошкообразного металлического горючего для средного двигателя, функционирующего в углеродсодержащей окислительной среде
Авторы: Валиуллин Д.А., Святушенко В.В.
Опубликовано в выпуске: #9(177)/2026
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
Проведен анализ возможностей применения порошкообразных металлических горючих в средных прямоточных реактивных двигателях (СПРД), работающих в условиях атмосфер планет с высоким содержанием диоксида углерода, прежде всего Марса и Венеры. Использование атмосферного CO2 в качестве окислителя рассматривается как перспективный путь повышения энергетической автономности и снижения сложности планетных миссий. Проведен сравнительный анализ алюминия, лития, бора и магния с точки зрения термохимических характеристик, температуры воспламенения, кинетики горения, полноты сгорания и характера образующихся продуктов. Показано, что алюминий и бор, несмотря на высокую теоретическую теплоту реакции, характеризуются выраженной пассивацией поверхности и значительным образованием конденсированной фазы, снижающих эффективность их использования в СПРД. Литий обладает высокой химической активностью, однако его низкая плотность и сложная кинетика взаимодействия с CO2 ограничивают практическую применимость. Установлено, что магний обеспечивает наиболее благоприятное сочетание энергетических и кинетических характеристик, умеренную температуру воспламенения и высокую полноту сгорания. Сделан вывод о том, что магний является наиболее предпочтительным порошкообразным металлическим горючим для средных двигателей, использующих диоксид углерода в качестве атмосферного окислителя, и поэтому представляет наибольший интерес для дальнейших исследований.
EDN GKLQXV
Литература
[1] Paul M., Rattner A., Greer C. A Combustion-Driven Power Plant for Venus Surface Exploration. In: Lunar and Planetary Science XLVIII. Houston, TX, Lunar and Planetary Institute, 2017, vol. 48, pp. 108–111.
[2] Mengzhe L., Xu H., Yue L., Li C. Application and performance estimation of Mg/CO2 engine on Mars. Acta Astronautica, 2021, vol. 192, pp. 5–38.
[3] Goroshin S., Higgins A., Lee J. Powdered magnesium-carbon dioxide propulsion concepts for Mars missions. In: 35th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston, VA, AIAA, 1999, vol. 1, pp. 37–52.
[4] Foote J.P., Litchford R.J. Powdered magnesium-carbon dioxide rocket combustion technology for in situ Mars propulsion. NASA Technical Memorandum. Marshall Space Flight Center, 2007, vol. 41, pp. 153–193.
[5] Демидов С.С., Малинин В.И., Бульбович Р.В. Ракетный двигатель на порошкообразном алюминиевом горючем и углекислом газе в качестве окислителя. Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, 2014, № 36, с. 119–130.
[6] Rossi S., Dreizin E.L., Law C.K. Combustion of aluminum particles in carbon dioxide. Combustion science and technology, 2001, vol. 164, pp. 209–237.
[7] Yuasa S., Isoda H. Ignition and combustion of metals in a carbon dioxide stream. In: Twenty-Second Symposium (International) on Combustion. Pittsburgh, PA, The Combustion Institute, 1989, vol. 22, pp. 1635–1641.
[8] Малинин В.И., Серебренников С.Ю., Бербек А.М. Анализ особенностей горения порошков металлов в смесях с воздухом, водой и диоксидом углерода. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов, 2010, т. 19, № 4, с. 12–17.
[9] Peng X., Zhang S., Wei X. Ignition and combustion of magnesium particles with carbon dioxide in high pressure environment. Journal of Solid Rocket Technology, 2013, vol. 36, no. 3, pp. 342–345.
[10] Reina A., Colombo G., De Luca L. T., Maggi F.. Magnesium and Aluminum Ignition in CO2 Atmosphere. In: XX AIDAA Congress. Milan, Italy, AIDAA, 2009, vol. 2, pp. 49–65.
[11] Chao L., Chunbo H., Xin X., Yue L. Experimental study on the operation characteristics of aluminum powder fueled ramjet. Astra Astronautica, 2016, vol. 129, pp. 74–81.
[12] Zuodong L., Ming J., Ronggang W., Hongyan L. Combustion Performance and Deposit Characteristics of Boron–Aluminum Composite Fuel in a Powder-Fueled Ramjet: A Ground Test Study. MDPI Molecules, 2025, vol. 30, pp. 1503–1520.
[13] Prajith K.K.P., Vaidyanathan A. Medium independent jet (MI-Jet) engine. Propulsion and Power Research, 2020, vol. 9, pp. 240–254.
[14] Vergine F., Simeone D., Bruno C., Hidding B. Mars exploration: Silanes as fuels for Martian ramjet and scramjet engines. In: 61st International Astronautical Congress. Prague, Czech Republic, IAF, 2010, vol. 1, pp. 7473–7485.
[15] Tran Q., Vaz N., Pantoya M. L., Altman I. On the effectiveness of metal particle combustion performance and implications to Martian missions. Elsevier Fuel, 2023, vol. 342, pp. 1–5.
[16] Xi W., Liu J., Mengfei R. Improvement of mixing efficiency in the combustion chamber of a powder-fuel ramjet engine. Frontiers in Energy Research, 2021, vol. 9, pp. 1–16.
[17] Wang X., Bu Y., Xu X., Yang Q. Effect of mixing section configurations on combustion efficiency of Mg-CO2 Martian ramjet. Chinese Journal of Aeronautics, 2023, vol. 36, pp. 165–173.
[18] Kara O., Karabeyoglu A. Hybrid Propulsion System: Novel Propellant Design for Mars Ascent Vehicles. Propulsion — New Perspectives and Applications, 2021, vol. 1, pp. 7–29.
[19] Barabulica I., Secula M.S., Asoltanei A.M., Iacob-Tudose E.T. Experimental Study on the reaction of magnesium in carbon dioxide and nitrogen atmosphere. MDPI ChemEngineering, 2024, vol. 8, pp. 1–15.
[20] Shafirovich E., Varma A. Metal CO2 Propulsion for Mars Missions Current Status and Opportunities. Journal of Propulsion and Power, 2008, vol. 24, no. 3, pp. 385–394.
[21] Liu X., Schoenitz M., Dreizin E.L. Combustion of Mg and composite Mg-S powders in different oxidizers. Elsevier Combustion and Flame, 2018, vol. 195, pp. 292–302.
[22] Axdahl E.L., Li L. Uninstalled Performance Predictions of a Magnesium-Fueled Ramjet Cycle in Carbon Dioxide Atmospheres. NASA Technical Memorandum. NASA Langley Research Center, 2018, vol. 7, pp. 1–15.
[23] Аверьков И.С., Разносчиков В.В., Яновский Л.С. Параметрический анализ влияния свойств топлива на летно-технические характеристики летательного аппарата с прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук, 2018, № 4, с. 117–125.
[24] Hidding B., Bruno C., Pfitzner M., Simone D. Silanes/H2O2: a high-performance synthetic bipropellant for chemical space propulsion. Journal of Propulsion and Power, 2008, vol. 24, no. 1, pp. 144–146.