基于同步辐射光电离质谱的RP-3航空煤油热解特性研究及三组分替代燃料构建

　　为解决航空煤油复杂组分难以直接建模的问题，中国科学技术大学团队通过同步辐射真空紫外光电离分子束质谱(SVUV-PIMS)技术，在700-1050 K温度范围内研究RP-3煤油热解过程，鉴定出63.2%链烷烃、18.8%环烷烃和17.2%芳烃的初始组成，构建了含n-C12 H26 /T135MCH/NPB的三组分替代燃料及包含462物种、3199反应的动力学模型，揭示了三种烃类的差异化热解路径，为航空燃料燃烧优化提供了关键理论基础。

　　

随着全球航空运输业的迅猛发展，航空发动机设计面临越来越严格的排放和能效要求。然而，作为中国最广泛使用的航空燃料，RP-3煤油由数千种组分构成，其复杂性和可变性使得直接建立完整燃烧动力学模型成为巨大挑战。传统研究方法难以精确解析这类复杂混合燃料的热解机制，而热解过程的研究恰恰是理解燃烧特性、优化发动机性能的基础。这一领域的关键瓶颈在于：如何准确表征真实燃料的组分构成？如何建立既能反映实际燃料特性又具备计算可行性的替代模型？

针对这些挑战，中国科学技术大学的研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表了一项创新研究。该工作首次将同步辐射真空紫外光电离分子束质谱(SVUV-PIMS)技术应用于RP-3航空煤油的热解研究，结合气相色谱分析，在原子分子物理光束线站(BL09U)的喷射搅拌反应器(JSR)中，系统考察了700-1050 K温度区间的热解行为。研究不仅精确鉴定了燃料初始组成，还成功构建了高效的三组分替代燃料体系，为航空燃料的燃烧优化提供了重要的理论工具。

研究采用三项核心技术方法：1) 同步辐射真空紫外光电离分子束质谱(SVUV-PIMS)实现热解产物的原位检测；2) 喷射搅拌反应器(JSR)提供均匀的温度场和可控的停留时间；3) 气相色谱(GC)辅助完成初始组分定量分析。实验样本为工业级RP-3航空煤油，在700-1050 K温度范围内进行阶梯式升温实验。

【Identification】部分揭示了RP-3的精细组成结构。通过光电离效率(PIE)谱和GC联用技术，研究人员发现700 K和820 K的质量谱基本重合，表明此温度区间燃料尚未显著分解。当温度升至940 K以上时，长链烷烃特征峰(m/z 43、57、71)强度明显减弱，而小分子产物峰(m/z 28、42、54)逐渐增强。最终确定RP-3的平均分子式为C_10.91
H_20.93
，包含63.23%链烷烃、18.77%环烷烃和17.24%芳烃。

【Experimental】章节详细描述了替代燃料的构建过程。基于"组分代表性"和"动力学数据完备性"原则，选择正十二烷(n-dodecane, NC₁₂
H₂₆
)、1,3,5-三甲基环己烷(T135MCH)和正丙苯(NPB)分别对应三类主要组分，按66.2:18.0:15.8的比例混合。所建立的动力学模型包含462个物种和3199个基元反应，经实验验证能准确预测真实RP-3的热解行为。

【Conclusion】部分阐明了三类组分的差异化热解路径：1) 链烷烃主要通过烷基自由基链式反应生成系列烯烃；2) 芳烃主要转化为苯和甲苯，仅少部分通过苯环加成形成多环芳烃(PAHs)；3) 环烷烃以单分子分解为主产生烯烃，少量经多次H提取反应最终芳构化。灵敏度分析显示，低温时H/CH₃
自由基促进燃料消耗，而温度升至880 K后，燃料组分与热解产物间出现竞争反应。

这项研究的突破性意义体现在三个方面：方法学上，建立了SVUV-PIMS与GC联用的复杂燃料分析新范式；理论上，首次系统阐明了RP-3三类组分的差异化热解机制；应用上，开发的计算效率与精度兼顾的三组分替代燃料模型，为航空发动机燃烧室设计提供了可靠的计算工具。研究不仅填补了RP-3基础燃烧化学数据的空白，其构建替代燃料的方法论对其它复杂混合燃料的研究也具有重要借鉴价值。