《表1 典型碳氢燃料分子的密度与比冲数据》

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《对提高液体燃料能量密度的思考》

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注：比冲计算参数Pc为0.8 MPa，膨胀比70∶1；氧当量比为0.8。

液体燃料是用于化学推进系统的液体化合物，是航天航空飞行器的能源。飞行器总是朝着不断提高速度、增加射程或提高载荷的方向发展，与之相对应，液体燃料的能量水平也在不断增加。从应用特性上看，飞行器可以大致分为两类。一类是对体积要求限制比较严格而对起飞重量要求相对较宽松，例如导弹、飞机等，提高燃料的密度可以利用固定的油箱装载更多重量的燃料，例如，长期使用的航煤（如RP-3）密度为～0.78 g·mL-1、能量～34 MJ·L-1，而美国的JP-10、俄罗斯研制的T-10、我国的HD-01等合成燃料的密度和能量都达到了0.93 g·mL-1和39.6 MJ·L-1（称为高密度燃料，能量提高～16%），巨大的密度提升弥补了其稍微降低的质量热值（因为氢含量比航煤降低），在增加射程方面起到了重要作用，后续又研究出来密度最高达到1.08 g·mL-1、能量达到44 MJ·L-1的燃料（如RJ-5），但是使用性能还有待提高，如降低冰点和粘度、提高燃烧效率等（Xiangwen Zhang，Lun Pan，Li Wang，Ji-Jun Zou.Review on synthesis and properties of high-energy-density liquid fuels:hydrocarbons，nanofluids and energetic ionic liquids，Chem.Eng.Sci.2018，180:95-125）。另一类是对起飞重量要求比较严格，例如运载火箭（尤其是上面级），提高推进剂的比冲则显得比较重要，比冲取决于燃料能量、与之匹配的氧化剂、燃烧产物组成等多方面因素，但提高燃料能量一般可以提升其比冲，例如，syntin燃料和四环庚烷的比冲比火箭煤油分别提高5～6 s。当然，既具有高密度又具有高比冲的燃料有望满足两类需求，比如四环庚烷的密度比火箭煤油高出18%（潘伦，鄂秀天凤，邹吉军，王莅，张香文，四环庚烷的制备及自燃性，含能材料，2015，23，959-963）。近年来的研究表明，高密度高能量燃料分子具有以下特征：共用碳-碳键的稠环结构以提高密度，3-4个碳组成的张力环结构以提高能量（张力能）。表1给出了一些典型燃料分子及其主要物性，其中四环庚烷和双环丙基双环戊二烯具有较高的密度、较高的比冲和较低的低温粘度，是比较有前途的液体燃料，可应用在现有液体发动机上。