谷 湘，徐义华，孙海俊，胡 坤，郭 宇，冯喜平

(1.南昌航空大学 飞行器工程学院 江西省微小航空发动机重点实验室， 南昌 330063；2.西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室， 西安 710072)

1 引言

随着太空探测技术的发展，近年来越来越多的国家开展对火星的探测，但由于火星上昼夜温差大，环境极其恶劣，这对探测器的推进系统的环境适应性无疑是一个严峻的挑战。火星大气环境中有95.3%的CO2，有学者提出利用火星大气中的CO2气体作为氧化剂，从地球上携带的粉末燃料构建一种新型推进器的原位资源利用方案[1-4]。

Shafirovich等[5-6]开展了多种金属粉末与CO2气体进行研究对比，最终认定镁粉是火星探测器返航发动机的最佳工质。Mg/CO2粉末火箭发动机具有推力可调、安全性能好、低成本、高比冲等优点，同时还能有效解决固、液火箭发动机在外太空环境中工作效率差的问题，其工作原理是通过粉末流量调节播散装置，将高能高密度的粉末燃料喷入燃烧室中，与气态氧化剂进行掺混、燃烧并释放大量热，经过喷管排出产生推力[7]。

Shafirovich等[6]提出Mg与CO2的燃烧反应机制是由气相反应和异相反应共同组成；之后King[8]考虑颗粒表面反应，并建立Mg粉/CO2燃烧两区域反应模型，由于该模型忽略了颗粒表面的氧化膜对点火燃烧过程的影响，因此无法解释在点火燃烧过程中氧化膜空心球体与碎片的形成和火焰的脉动等现象[9]。

在Mg粉/CO2点火燃烧过程中Mg颗粒表面会覆盖一层氧化膜[10]，氧化膜会受到充满镁蒸气的气泡挤压，气泡中镁蒸气压力随颗粒温度升高而增加，导致氧化膜的破裂，随后气泡内镁蒸气压力降低，气相反应产生的CO回流发生异相反应[11-12]。……