丙烷作为飞艇浮升气体阻燃剂的应用、飞艇浮升气体及飞艇的制作方法

本发明属于燃烧学技术领域，涉及飞艇等采用浮升气体的飞行器所适用的燃料，特别涉及丙烷作为飞艇浮升气体阻燃剂的应用、飞艇浮升气体及飞艇。

背景技术：

飞艇在高空监测、空中运输、空中作业等多种应用场景发挥重要作用。飞艇气囊中的浮升气体最早采用氢气，但氢气较为活跃，可燃极限宽，尤其是浓燃极限较高(75％左右)，即一旦气囊漏气，氢气浓度低于这一浓度遇到明火(约0.02mj)就会发生爆炸，后改用性质较为稳定的氦气作为浮升气体，但我国氦气资源匮乏，制取成本高昂。随着近年来氢气作为无碳清洁燃料的广泛推广，氢气具有无尽的制取源和远低于氦气的价格优势，人们尝试在氢气中添加阻燃剂，以降低混合气的浓燃极限，减小气囊泄露时爆炸风险，从而再次把氢气作为可信赖的浮升气体用于飞艇飞行。目前，对于可燃气体来说，常用的阻燃剂一种是稀释气体，如n2、ar等；还有一种就是不可燃卤代烃，指的是将烷烃中的氢原子部分用卤原子进行替代，包括溴原子卤代烃、氯原子卤代烃和氟原子卤代烃等；另外一种是可燃不饱和烃气体，典型的如异丁烯、丙烯和乙烯等。稀释气体做阻燃剂，通过稀释、隔离和冷却的作用阻止气体燃烧，但并不会缩小氢气可燃极限的范围，并且会降低混合气密度；还有一种就是不可燃卤代烃，指的是将烷烃中的氢原子部分用卤原子进行替代，包括溴原子卤代烃、氯原子卤代烃和氟原子氯代烃等，但这种阻燃剂对橡胶和金属等材料都具有一定的化学腐蚀性，且溴和氯原子卤代烃会破坏臭氧层，目前已经被禁止。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于为浮升气体加入一种阻燃剂即丙烷，以丙烷作为阻燃剂加入浮升气体中，在不缩小可燃极限范围的情况下，不降低混合气密度，满足飞艇等飞行器的浮升条件，且没有腐蚀性，不破坏臭氧层。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

丙烷作为飞艇浮升气体阻燃剂的应用。

飞艇浮升气体，由氢气和丙烷掺混组成，其中，以摩尔含量计，丙烷掺混量为2％-5％。

丙烷掺混量为4.7％

所述氢气和丙烷在充入飞艇之前完成预混。

本发明进一步要求保护采用所述飞艇浮升气体的飞艇。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在不降低浮升气体密度的情况下，加入丙烷作为阻燃剂来降低混合气的浓燃极限，减小氢气的爆燃压力，从而控制和减小氢气可燃的范围和爆炸的危险性。丙烷爆炸极限仅为2.1％-9.5％，且燃烧速度远低于氢气。

2、本发明对氢气和丙烷阻燃剂掺混气进行可燃极限测试实验和爆炸压力测试实验，提出了丙烷作为氢气阻燃剂的最佳掺混范围，直接将其以2％-5％的比例掺混在氢气使用，混合气具有与氦气相当的浮力作用。含4.7％丙烷的混合气泄露到达燃烧极限所需的空气量远高于纯氢气，说明添加少量丙烷作为阻燃剂就可以大幅降低飞艇浮升气体的燃烧风险。

附图说明

图1为常温常压当量比为1情况下，本发明提出的丙烷与氢气混合后混合气可燃极限变化图。

图2为本发明所述不同混合气密度下可燃极限变化规律图。

图3为本发明所述燃烧发生时所需空气含量与混合气含量比值随混合气体密度变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明采用丙烷作为飞艇浮升气体阻燃剂，在阻燃抑爆机理上来讲，丙烷作为阻燃剂主要体现在消灭掉了一些h、o和oh等活性自由基，因而降低了总体的反应速率，从而起到阻燃抑爆的作用。

而又由于丙烷燃烧速度和可燃极限远远低于氢气，因此，氢气添加丙烷最为阻燃剂后混合燃料的危险性必然随着阻燃剂含量增加而减小，但考虑到丙烷密度高于氢气，必须保证混合气的密度相比于氦气相等或更小。因此，从混合气可燃极限、密度两方面来评价最优掺混范围。下面就采用定容燃烧弹对丙烷阻燃剂从这两个基本参数进行实验分析。添加阻燃剂后混合气密度与氦气相等时的丙烷掺混比为4.7％，即当丙烷含量低于4.7％时，混合气密度低于氦气，具有更好的浮升性能。

通过以下实验结果对本发明作进一步详细说明：

阻燃剂成分为丙烷，实验所用的丙烷与氢气的纯度为99.99％，丙烷的摩尔含量分别为0％、1.5％、3％、5％、7％、9％、11％，实验采用内腔长度为307mm、直径为345mm的筒状定容燃烧弹作为爆炸容器测试混合气可燃极限变化。实验前将燃烧弹腔体抽真空，然后分别按照丙烷、氢气、氧气、氮气的比例分压进气，配气温度保持在303k，配气完成后静置混合10分钟后，采用点火同步装置实现电极点火并分别采用高速摄像机与压力传感器记录燃烧的传播图像和压力，可燃性采用火焰传播和压力上升来判断。具体着火判断标准为火核能顺利传播遍整个容弹腔体，并且能采集到明显的压力升高。每个工况开展10次重复实验，如果仍然不燃烧，判定该工况混合气在常温常压下不会发生燃烧。从图1中可以明显看出，掺混少量丙烷能极大降低浓燃极限，掺混仅5％时，浓燃极限已降至约50％，从而大幅减小可燃极限范围，但随着掺混量增加，可燃极限减小程度也在下降。从图2中还可以明显看到：随丙烷比例提高，混合气的密度上升，保持丙烷含量低于4.7％才能保证混合气密度低于氦气，从而不会影响混合气的浮升效果。综合考虑混合气可燃极限和混合气密度，丙烷作为阻燃剂在混合气中的摩尔含量范围为2％-5％时可以达到理想的综合效果，更理想的含量值时4.7％，能使混合气的可燃范围显著缩小，大幅提高安全性。且掺混阻燃剂后的混合气作为浮升气体密度与氦气相当甚至更小。该范围使氢气安全性、浮力达到最优平衡效果。

从图3中可以发现，在常温常压下含4.7％丙烷的混合气发生泄露时，只有当空气含量为初始混合气含量的1.6倍时，遇到明火才会发生燃烧；而氢气发生泄漏时，当空气含量仅为氢气含量的0.32倍时，就会发生燃烧，即添加丙烷作为阻燃剂可以大大降低混合气的燃烧风险。

当使用氢气作为飞艇浮升气体，丙烷作为浮升气体阻燃剂时，飞艇可在室温、微负压和空气(约为21％氧气和79％氮气)中以较窄的可燃极限和较低的危险性运行，由于浮升气体主要采用易于制取的氢气，因此这种浮升气体具备更高的经济性，并且添加丙烷作为阻燃剂添加量不超过4.7％时，同样填充气体气体体积下，该飞艇比填充氦气的飞艇浮力更大。

技术特征：

1.丙烷作为飞艇浮升气体阻燃剂的应用。

2.飞艇浮升气体，其特征在于，由氢气和丙烷掺混组成，其中，以摩尔含量计，丙烷掺混量为2％-5％。

3.根据权利要2所述飞艇浮升气体，其特征在于，丙烷掺混量为4.7％。

4.根据权利要2所述飞艇浮升气体，其特征在于，所述氢气和丙烷在充入飞艇之前完成预混。

5.采用权利要2所述飞艇浮升气体的飞艇。

技术总结
本发明涉及燃烧学领域，提出了丙烷可以用于飞艇浮升气体阻燃剂，并提出掺混量为2％‑5％，在该范围下，将氢气和丙烷掺混作为飞艇浮升气体，可燃范围显著缩小，从而大幅提高安全性。且掺混后的混合气作为浮升气体密度与氦气相当甚至更小，该范围使氢气安全性、浮力达到最优平衡效果。

技术研发人员：王金华;代鸿超;蔡骁;赵浩然;黄佐华
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.05.17
技术公布日：2021.08.06