作为新型吸水式喷气推进系统的水冲压发动机,采用高能水反应金属燃料作为燃料,利用海水作为氧化剂,具有很高的比冲和推力,是未来超高速水中兵器的最佳动力装置。镁基水反应金属燃料是水冲压发动机的核心技术之一。镁基水反应金属燃料的能量在水冲压发动机的两次燃烧过程中释放出来,其一次燃烧性能对于二次燃烧过程中镁与水蒸汽之间的能量释放效率和水冲压发动机的综合性能都有重要影响。镁基水反应金属燃料的高能量特性取决于配方中的高金属含量,但高金属含量限制了一次燃烧速度和一次喷射效率的提高,因此开展高金属含量镁基水反应金属燃料一次燃烧性能及其调节方法的研究具有重要意义。本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法,系统测试了镁基水反应金属燃料的凝聚相热分解性能、静态燃烧性能及动态燃烧性能,分析了镁颗粒等配方参数对镁基水反应金属燃料凝聚相热分解性能、一次燃烧特性及燃烧波结构的影响规律,合理推断了镁基水反应金属燃料的热分解机理和一次燃烧机理,建立了可实现数值计算的镁基水反应金属燃料一次燃烧模型,数值研究了镁基水反应金属燃料一次燃烧速度主要影响因素的作用规律,为镁基水反应金属燃料的性能调节及水冲压发动机的应用提供理论依据和试验基础。研制的镁基水反应金属燃料在发动机试验中能够稳定燃烧;在2.0MPa下,镁含量为50%~65%的镁基水反应金属燃料一次燃烧速度在1.35mm·s-1~7.92mm·s-1范围内可调;在0.5MPa~2.0MPa压强范围内,实测燃速压强指数在0.15~0.30范围内变化,一次喷射效率均大于88.3%,最大喷射效率达95.2%。0.5MPa下,静态燃面温度在517~591℃范围内变化,平衡火焰温度在1182~1443℃范围内变化。镁基水反应金属燃料的一次燃烧过程经历了凝聚相升温、凝聚相反应、气相反应三个阶段。凝聚相升温区仅吸热升温,不发生化学反应。凝聚相反应区主要发生增塑剂分解、AP热分解、HTPB热分解等反应;镁粉不反应,仅吸热升温,最终生成N2、CO、CH4、CO2、C2H2和HCl等主要气态产物和部分凝聚相含碳残渣及镁颗粒。在气相火焰区内,镁粉经历吸热的熔化和气化等相变过程,其中部分镁粉脱离燃面后点火燃烧释放热量;由于AP含量低,镁的氧化反应与碳的氧化反应之间存在竞争,仅有部分镁和部分碳被氧化,最终生成CO、CH4、N2、CO2、C2H2、H2、MgCl2和Mg蒸汽等主要气相产物及含碳残渣、氧化镁、氯化物等凝聚相产物。镁基水反应金属燃料的一次燃烧速度受凝聚相反应特性的影响,主要受AP热分解速度的控制。随着燃面温度或凝聚相反应区平均温度梯度的升高,燃料中AP的热分解速度和燃料的一次燃烧速度均增大。提高镁基水反应金属燃料一次燃烧速度的技术途径有:增加Fe类催化剂含量、增大氧粘比、减小氧化剂粒度、增加细镁粉相对含量或减小镁粉总含量等。燃速压强指数主要受氧粘比或细镁粉相对含量的影响。镁基水反应金属燃料的一次喷射效率受燃烧产物组成、燃烧温度、燃烧室压强及燃速等因素的综合影响。随着主要气态产物总摩尔数的增大、平衡火焰温度的提高、燃烧室压强或燃速的增大,燃料的一次喷射效率提高。提高镁基水反应金属燃料一次喷射效率的方法有:减少镁粉含量、增大氧粘比、增加Fe类催化剂含量或减小AP粒度等。由于镁含量高,AP含量低,镁基水反应金属燃料一次燃烧不充分,火焰区放热量少,平衡火焰温度和燃面温度较低;由于AP含量低,由AP颗粒形成的燃烧单元数减少,每个燃烧单元周围缔合的粘合剂和镁粉的量增多,AP颗粒上方明亮的火焰与粘合剂和镁粉上方的暗区共同构成了明暗不均的气相火焰;由于镁含量高,镁粉在气相火焰中熔化和气化等相变过程大量吸热,使火焰温度在镁的熔点和沸点附近产生波动。在深入研究镁基水反应金属燃料一次燃烧特性及燃烧机理的基础上,借鉴BDP模型的基本原理和铝镁富燃料推进剂燃烧模型的研究成果,建立了以BDP模型为基础的镁基水反应金属燃料稳态燃烧模型。依据燃料一次燃烧过程中燃面的能量守恒方程和质量守恒方程,建立了模拟镁基水反应金属燃料一次稳态燃烧过程的数学模型。该模型考虑了镁颗粒对燃面结构和气相火焰热传导系数的影响,考虑了碳的氧化反应与镁的氧化反应之间的竞争,充分考虑了镁颗粒的熔化吸热、部分镁气化吸热及燃烧放热对气相火焰区放热及对燃面热反馈的影响。对镁基水反应金属燃料一次燃烧性能的数值分析结果表明,该模型计算精度较高,能够反映不同类型镁基水反应金属燃料的一次燃烧特性,可用于镁基水反应金属燃料一次燃烧性能的数值研究及理论分析。