/
Author: Браткова А.А.
Tags: ракетная техника ракетные двигатели издательство химия ракетное топливо
Year: 1987
Text
Химмотология
ракетных
и реактивных
ТОПЛИВ та,
Химмотология
ракетных
и реактивных
топлив
Под редакцией
доктора технических наук, профессора
А. А. БРАТКОВА
МОСКВА-ХИМИЯ* 1987
6П7.43
X46
УДК F65.753 + 665.743): F21.445 + 621.45)
Авторы: А. А. Братков, Е. П. Серегин, А. Ф. Горенков,
А. М. Чирков, А. А. Ильинский, В. Н. Зрелое
.Рецензенты: проф., д-р техн. наук Н. В. Петр у хин;
проф., д-р техн. каук Б. А. Энглин
УДК F65.753 + 665.743): F21.445 + 621.45)
Химмотология ракетных и реактивных топлив/Брат-
ков А. А., Серегин Е. П., Горенков А. Ф. и др./Под
ред. А. А. Браткова. М.: Химия, 1987. 304 с.
Вторая книга из семи намеченных к изданию книг по химмотологии.
В книге изложены основные принципы устройства и работы жидкостных
ракетных и воздушно-реактивных двигателей. Приведены классификация,
ассортимент и состав ракетных и реактивных топлив. Описаны их физико-
химические и эксплуатационные свойства, получение, условия транспорти-
транспортирования, хранения и рационального использования. Кратко даны правила
техники безопасности при работе с этими топливами. Рассмотрены квали-
квалификационные методы испытаний реактивных топлив и приведены краткие
сведения о зарубежных сортах топлив.
Книга рассчитана на инженерно-технических и научных работников,
занимающихся разработкой, производством и применением ракетных и
реактивных топлив, а также эксплуатацией всех видов техники, в которых
они используются. Она будет полезна преподавателям, аспирантам и сту-
студентам соответствующих химико-технологических и технических вузов.
Табл. 56. Ил. 117. Библиогр. список: 261 назв.
2803020000-184
050@1)-87 П3"86
© Издательство «Химия», 1987 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 5
РАЗДЕЛ I. ЖИДКИЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА . . 9
ГЛАВА 1. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТА-
УСТАНОВОК С ЖИДКОСТНЫМИ РАКЕТНЫМИ ДВИГА-
ДВИГАТЕЛЯМИ 9
1.1. Основные принципы устройства двигательных установок
с жидкостными ракетными двигателями .... 9
1.2. Особенности процессов, протекающих в жидкостных ра-
ракетных двигателях 14
ГЛАВА 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ И ТРЕБОВАНИЯ,
ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ 23
2.1. Классификация жидких ракетных топлив .... 24
2.2. Требования, предъявляемые к жидким ракетным топ-
ливам 26
ГЛАВА 3. СОСТАВ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТА-
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ОКИСЛИТЕЛЕЙ ... 44
3.1. Состав и свойства кислородных окислителей ... 44
3.1.1. Жидкий кислород 44
3.1.2. Озон 50
3.1.3. Пероксид водорода 51
3.2. Состав и свойства азотных окислителей .... 58
3.2.1. Азотнокислотные окислители 58
3.2.2. Четырехокись азота 66
3.2.3. Тетранитрометан .... 72
3.3. Состав и свойства фторных и хлорных окислителей 73
3.3.1. Жидкие фтор и монооксид фтора 73
3.3.2. Фториды галогенов 77
3.3.3. Фториды азота 79
3.3.4. Хлорная кислота и оксиды хлора 80
ГЛАВА 4. СОСТАВ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТА-
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ И ОДНОКОМ-
ПОНЕНТНЫХ ТОПЛИВ 81
4.1. Состав и свойства водородных горючих .... 81
4.1.1. Жидкий водород 81
4.1.2. Шугообразный, гелеобразный и твердый водород 85
4.2. Состав и свойства углеводородных горючих ... 86
4.3. Состав и свойства аминных горючих 96
4.4. Состав и свойства гидразинных горючих .... 98
4.5. Состав, физико-химические и эксплуатационные свойст-
свойства однокомпонентных (унитарных) топлив . 105
ГЛАВА 5. ХРАНЕНИЕ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ, ПЕРЕКАЧИ-
ПЕРЕКАЧИВАНИЕ И НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ТОПЛИВ .... 114
5.1. Хранение, транспортирование, перекачивание и нейтра-
нейтрализация окислителей 114
5.2. Хранение, транспортирование, перекачивание и нейтра-
нейтрализация горючих 127
3
РАЗДЕЛ II. РЕАКТИВНЫЕ ТОПЛИВА 143
ГЛАВА 6. УСТРОЙСТВО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГА-
ДВИГАТЕЛЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В НИХ
ТОПЛИВ 143
6.1. Устройство и области применения воздушно-реактивных
двигателей 144
6.2. Устройство топливных систем самолетов и условия при-
применения в них топлив 150
6.3. Требования к качеству топлив 161
ГЛАВА 7. ПРОИЗВОДСТВО РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ ... 164
7.1. Получение топлив прямой-перегонкой нефти . . . 164
7.2. Получение топлив деструктивными процессами. Введе-
Введение присадок 172
ГЛАВА 8. АССОРТИМЕНТ И КАЧЕСТВО ОТЕЧЕСТВЕННЫХ
РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ 174
8.1. Ассортимент реактивных топлив 175
8.2. Качество топлив 176
ГЛАВА 9. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОПЛИВ . . 183
9.1. Прокачиваемость 186
9.2. Испаряемость 197
9.3. Воспламеняемость 200
9.4. Горючесть 203
9.5. Склонность к образованию отложений .... 212
9.6. Совместимость с конструкционными материалами . . 222
9.7. Противоизносные свойства 230
9.8. Охлаждающие свойства ... 235
9.9. Токсичность 236
ГЛАВА 10. ЗАРУБЕЖНЫЕ РЕАКТИВНЫЕ ТОПЛИВА ... 237
10.1. Международные обозначения и марки зарубежных топ-
топлив 238
10.2. Требования спецификаций к качеству топлив . . . 239
10.3. Фактическое качество зарубежных топлив и их взаимо-
взаимозаменяемость с отечественными образцами . . . 249
ГЛАВА 11. КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РЕАКТИВ-
РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ 252
11.1. Комплекс методов квалификационных испытаний 253
11.2. Нестандартизованные методы квалификационных испы-
испытаний 255
11.3. Нормы и фактическое качество топлив по показателям
методов квалификационных испытаний .... 269
ГЛАВА 12. ХРАНЕНИЕ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ, КОНТРОЛЬ
КАЧЕСТВА И ПУТИ ЭКОНОМИИ РЕАКТИВНЫХ
ТОПЛИВ 273
12.1. Хранение и транспортирование топлив 273
12.2. Контроль качества топлив и техника безопасности при
обращении с ними 279
12.3. Пути экономии реактивных топлив 280
Заключение 289
Библиографический список 294
ВВЕДЕНИЕ
Вторая половина XX века ознаменовалась бурным разви-
развитием реактивной техники — авиационной, ракетной, космиче-
космической, т. е. техники, в которой используется реактивный принцип
движения, осуществляемый с помощью реактивных двигателей.
Обычно реактивные двигатели делят на два класса: ракетные,
работающие на жидком или твердом топливе, и воздушно-реак-
воздушно-реактивные— газотурбинные, турбовинтовые, прямоточные и пуль-
пульсирующие двигатели. В первых окислитель и горючее находят-
находятся в самой ракете, поэтому они могут функционировать без ат-
атмосферного воздуха, в частности, в космическом пространстве.
Вторые способны работать лишь в условиях воздушной среды,
поскольку в этих двигателях окислителем горючего служит
кислород воздуха.
Применение ракетных двигателей позволило решить пробле-
проблему достижения высоких скоростей движения летательных аппа-
аппаратов, в том числе 1-й и П-й космической, обеспечить возмож-
возможность преодоления больших расстояний как в земных усло-
условиях— межконтинентальные баллистические ракеты, так и в
космосе — полеты космических аппаратов на околоземных орби-
орбитах, на Луну, Венеру и к другим планетам Солнечной системы.
Использование воздушно-реактивных двигателей (ВРД) в
авиации дало возможность преодолеть звуковой барьер скоро-
скорости, увеличить высоту и дальность полета самолетов. Уже дос-
достигнуты скорости 2—4 М, т. е. в 2—4 раза превышающие ско-
скорость звука; создаются гиперзвуковые летательные аппараты с
еще большими скоростями полета. Постепенно авиационная
техника смыкается с космической. Пилотируемый космический
корабль многоразового действия несет в себе многие качества
самолета, а беспилотный летательный аппарат с ВРД называют
крылатой ракетой. Самолеты с воздушно-реактивным двигате-
двигателем составляют основу современной авиации, вытеснив само-
самолеты с поршневыми двигателями, эксплуатационные характе-
характеристики которых значительно хуже.
Бурное развитие, особенно за последние 30—40 лет, получи-
получила ракетная техника. Созданы многочисленные конструкции
ракет самого разного назначения — от небольших противотан-
противотанковых реактивных снарядов до огромных межконтинентальных
баллистических ракет и ракет-носителей, способных выводить
на околоземную орбиту многотонные космические аппараты и
корабли многоразового действия, в том числе с экипажем в
составе 3—7 человек. Во всех этих ракетах и космических аппа-
аппаратах установлены ракетные двигатели — жидкостные или твер-
твердотопливные различной тяги: от нескольких граммов (микро-
(микродвигатели коррекции космических аппаратов) до сотен тонн
(двигатели ракет-носителей).
Ведущая роль в создании и развитии реактивной техники
принадлежит нашей Родине. Великий русский ученый Н. Е. Жу-
Жуковский, которого по праву называют отцом русской авиации,
еще в 1882—1886 гг. впервые в мире разработал основы теории
реактивного движения. Неоценим вклад в развитие реактивной,
и в частности ракетной, техники выдающегося русского изобре-
изобретателя и ученого К. Э. Циолковского — основоположника со-
современной космонавтики. Он разработал научную теорию меж-
межпланетных и космических полетов, показав, что единственным
средством для их осуществления являются многоступенчатые
ракеты с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) [1].
Ему же принадлежат разработка принципа действия и схемы
ЖРД, обоснование схемы насосной подачи компонентов ракет-
ракетного топлива в камеру сгорания, наружного охлаждения стенок
двигателя одним из компонентов топлива. Он вывел формулу
для расчета максимальной скорости движения ракеты в конце
активного участка.
В качестве компонентов жидких ракетных топлив К. Э. Ци-
Циолковский один из первых предложил рассматривать жидкий
водород, углеводороды, жидкий кислород и оксиды азота. Это
ракетные окислители и горючие, которые и в настоящее время
используют в ЖРД ракет-носителей, что позволило осуществить
заветную мечту К. Э. Циолковского о космических полетах. Им
были исследованы величины тепловых эффектов реакций сго-
сгорания различных химических элементов и сформулированы
основные требования к жидким ракетным топливам (ЖРТ) [1].
В дальнейшем основные идеи К. Э. Циолковского были раз-
развиты и экспериментально осуществлены его последователями
Ю. В. Кондратюком, Ф. А. Цандером, В. П. Ветчинкиным,
М. К. Тихонравовым, С. П. Королевым, В. П. Глушко,
А. М. Исаевым, Ю. А. Победоносцевым, Н. Г. Чернышевым и
другими энтузиастами ракетной техники [2]. Многие из них
внесли существенный вклад не только в создание и развитие
жидкостных ракетных двигателей, но и в обоснование выбора
и применения компонентов ракетных топлив. Ю. В. Кондратюк,
например, предложил использовать в качестве ракетных горю-
горючих гидриды бора и лития. Перспективными эффективными ра-
ракетными окислителями он считал жидкие озон и кислород, а
горючими — нефтепродукты, жидкие водород, метан и ацетилен,
а также некоторые металлы — алюминий, магний, кремний, бор,
литий [2, 6]. Ф. А. Цандер одним из первых создал и испытал
ЖРД на бензине и жидком кислороде. Он успешно разрабаты-
разрабатывал вопросы рационального подбора компонентов ракетных
топлив и использования в их составе металлов. Ему принадле-
принадлежит идея сжигания в двигателе отдельных металлических час-
частей ракеты после израсходования топлива [2].
Значительную работу по изучению свойств жидких ракетных
топлив и процессов их горения в двигателе выполнил Н. Г. Чер-
Чернышев [3]. Большой вклад в развитие отечественных жидкост-
ных ракетных двигателей и топлив для них внес академик
В. П. Глушко. Он всегда уделял особое внимание правильному
выбору источников энергии для ЖРД. Им еще в 1930 г. было
предложено использовать в качестве окислителей азотную кис-
кислоту, четырехокись азота (тетраоксид диазота), тетранитроме-
тан, пероксид водорода и хлорную кислоту [2]. Тогда же
Д. П. Глушко предложил использовать коллоидное горючее,
содержащее бериллий. Ему принадлежит идея использования
трехкомпонентных ракетных топлив, таких, как Ог—Н2—Be и
F2—Н2—Li, позволяющих получить удельную тягу до 500 с, а
также разработка и внедрение принципа химического зажига-
зажигания в ЖРД [1, 4].
Среди зарубежных исследователей наиболее существенный
вклад в развитие ракетной техники, особенно в период ее за-
зарождения, внесли Г. Оберт и В. Браун (Германия), Е. Зенгер
(Австрия), Р. Эно-Пельтри (Франция), Р. Годдард (США) и
другие [2, 5].
В создании и развитии воздушно-реактивных двигателей
отечественная наука и практика также всегда занимали пере-
передовые позиции в мире. Еще в 1887 г. инженером П. Д. Кузьми-
Кузьминым впервые был создан газотурбинный двигатель, работающий
на керосине; и сегодня этот вид топлива является основным в
авиации (с учетом, конечно, происшедших за истекшее время
изменений в составе и технологии получения топлива). В 1906—
1908 гг. инженером Короводиным был построен воздушно-реак-
воздушно-реактивный двигатель пульсирующего типа, работающий на бензи-
бензине [6].
Важным вкладом в развитие воздушно-реактивных двигате-
двигателей кроме фундаментальных работ Н. Е. Жуковского стали
теоретические исследования С. А. Чаплыгина, Б. С. Стечкина,
а также экспериментальные и опытно-конструкторские работы
талантливых советских конструкторов А. Н. Туполева,
В. В. Ильюшина, О. К. Антонова, А. С. Яковлева, М. Л. Миля,
Н. Д. Кузнецова, А. М. Люльки и других. На советских само-
самолетах и вертолетах с воздушно-реактивными двигателями уста-
установлены многие мировые рекорды по скорости, дальности и
высоте полета. Большое значение для развития воздушно-реак-
воздушно-реактивных двигателей имели многочисленные работы, выполнен-
выполненные советскими учеными в области создания реактивных топ-
топлив и их рационального применения в авиационной технике.
Создание и развитие реактивной техники стало важнейшей
составной частью современного научно-технического прогресса,
оказавшей и продолжающей оказывать огромное влияние на
.социальное и экономическое развитие всех стран. Многие мил-
миллионы людей ежегодно пользуются услугами гражданской
авиации, миллионы тонн грузов переводит транспортная авиа-
авиация; спутники связи, выведенные на соответствующие орбиты,
обеспечивают передачу телевидения на огромные расстояния,
фактически в любую точку земного шара; космические иссле-
дования открыли новые горизонты научных знаний и их прак-
практического применения. В то же время реактивная техника пре-
превратилась в грозное оружие войны, которое в сочетании с ядер-
ядерными и другими средствами массового уничтожения людей не-
несет смертельную опасность всему человечеству.
Современная реактивная техника чрезвычайно сложна и
дорога, поэтому важнейшим требованием, предъявляемым к
ней, являются высокая ее надежность и долговечность при экс-
эксплуатации. Большую роль при этом играют эффективность и
качество ракетных и реактивных топлив, их эксплуатационные
свойства. В связи с этим проблемы химмотологии указанных
топлив имеют очень важное научное и практическое значение.
Раздел /
Жидкие ракетные топлива
Глава 1
УСТРОЙСТВО И РАБОТА ДВИГАТЕЛЬНЫХ
УСТАНОВОК С ЖИДКОСТНЫМИ РАКЕТНЫМИ
ДВИГАТЕЛЯМИ
Химмотология жидких ракетных топлив рассматривает вопро-
вопросы рационального их применения в тесной связи с конструкцией
двигательных установок ракет. Конструкция и особенности ра-
работы жидкостных ракетных двигателей и в целом топливных
систем ракет предъявляют определенные требования к физико-
химическим и эксплуатационным свойствам компонентов ракет-
ракетного топлива. В связи с этим в данной главе даются основные
понятия об устройстве и особенностях работы двигательных
установок с жидкостными ракетными двигателями.
1.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА
ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК С ЖИДКОСТНЫМИ
РАКЕТНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Жидкостным ракетным двигателем (ЖРД) называется такой
реактивный двигатель, который создает силу тяги за счет выте-
вытекания из его сопла газовой струи продуктов сгорания жидкого
ракетного топлива — окислителя и горючего, имеющихся на
борту летательного аппарата (ракеты, самолета, космического
корабля). Жидкие окислитель и горючее из баков летательного
аппарата тем или иным способом (как правило, насосами)
подаются при высоком давлении в камеру сгорания ЖРД.
В камере сгорания за счет интенсивного горения топливной
смеси образуются газообразные продукты, нагретые до высокой
температуры C000—5000 К) [4]. Эти продукты за счет разности
давлений в камере сгорания, достигающей десятков и сотен
МПа, и на срезе сопла (атмосферное давление или вакуум)
вытекают, расширяясь в сопловом канале, с высокой ско-
скоростью.
Простейшая схема двигательной установки с жидкостным
ракетным двигателем показана на рис. 1.1 [2]. Безусловно, та-
такая схема позволяет лишь рассмотреть главные элементы дви-
двигательной установки: баки с окислителем и горючим, систему
подачи топлива и камеру сгорания двигателя. На самом же де-
деле эти установки значительно сложнее. В зависимости от си-
системы подачи компонентов ракетного топлива — насосной или
Рис. 1.1. Схема двигательной установ-
установки с ЖРД:
/ — системы подачи горючего и окислителя;
2 — головка; 3— камера сгорания; 4 — сопло
у
Б
п
В
ч?
Рис. 1.2. Схема ЖРД с турбонасосной системой подачи топлива:
1, 2 — насосы подачи окислителя и горючего; 3 — парогазовая турбина; 4 — камера сго-
сгорания вспомогательного двигателя для получения парогаза; 5 — форсунки; 6 — камера
сгорания; 7 — рубашка охлаждения; 8 — реактивное сопло; 9 — баллон с сжатым газом;
А — бак с окислителем; Б — бак с горючим; В — бак с водой (для охлаждения камеры
сгорания вспомогательного двигателя)
/3 /4
4 5
10
Рис. 1.3. Схема ЖРД с газобаллонной системой подачи топлива (двигатель
зенитного снаряда «Вассерфаль»):
1 — баллон с сжатым азотом; 2 — поршень, приводимый в движение при сгорании поро-
порохового заряда; 3 — пороховой заряд; 4 — пусковой клапан; 5 — разрывная диафрагма
пускового клапана; 6 — регулятор давления; 7 — предохранительный клапан; 8, 13 — раз-
разрывные диафрагмы в трубопроводах; 9, 10 — баки с горючим и окислителем; // — гиб-
гибкий трубопровод; 12 — газопровод; 14 — калиброванные жиклеры; 15 — камера сгорания
Рис. 1.4. Схема двигательной
установки ракеты «Фау-2»
(А-4):
1 — труба для наддува бака за счет
скоростного напора; 2 — бак с го-
горючим (спиртом); 3— клапан рас-
расхода горючего; 4 — сильфон; 5 —
бак с окислителем (жидким кисло-
кислородом); 6 — насос подачи горючего;
7 — дренажный трубопровод окис-
окислителя; 8, 29 — трубопроводы пода-
подачи горючего; 9 — перепускной тру-
трубопровод (для снижения тяги);
10 — головка двигателя; 11 — камера
сгорания; 12 — сопло двигателя;
13 — вход горючего в рубашку ох-
охлаждения; 14 — баллоны с сжатым
азотом; 15 — бак с раствором пер-
манганата калия; 16 — редуктор;
17, 20 — заправочные патрубки; 18 —
бак с Н2О2; 19 — клапан расхода
окислителя; 21 — расходные клапа-
клапаны; 22 — парогазогенератор; 23 —
насос подачи окислителя; 24 — тур-
турбина; 25 — распределитель; 26 —
теплообменник; 27 — трубопроводы
подачи окислителя; 28 — выход от-
отработанного пара; 30 — отверстия
поясов внутреннего' охлаждения
балонной — схемы ука-
указанных установок быва-
бывают разные (рис. 1.2 и
1.3) [6]. В двигательных
установках больших ра-
кет с ЖРД длительного
действия обычно приме-,
няют насосную систему
подачи окислителя и го-
13
рючего, конструктивно
оформленную в виде так называемого турбонасосного агрега-
агрегата (ТНА). В небольших ракетах, например зенитных, с ЖРД
кратковременного действия может применяться баллонная сис-
система подачи топлива с использованием сжатого газа (азота или
гелия). Представление о степени сложности двигательной ус-
установки с ЖРД можно получить, рассмотрев схему двигателя
ракеты «Фау-2» (А-4), показанную на рис. 1.4 [7]. Современ-
Современные межконтинентальные ракеты и ракеты-носители типа «Ат-
«Атлас», «Титан-П», «Тор-Эйбл», «Сатурн», «Восток» и др. имеют
более сложные, многокамерные двигательные установки.
Основные элементы жидкостных ракетных двигателей —
камера сгорания и турбонасосный агрегат. Устройство и рабо-
работа двигательных установок с ЖРД зависят от природы ракет-
ракетного топлива. В случае однокомпонентного (унитарного) топли-
топлива схема установки наиболее простая. При использовании
двухкомпонентного топлива ее схема значительно усложняется
в связи с необходимостью раздельной подачи окислителя и го-
горючего с помощью турбонасосного агрегата или методом вы-
вытеснения сжатым газом. В случае насосной подачи компонентов
топлива требуется парогазогенератор, обеспечивающий враще-
вращение турбины турбонасосного агрегата и работающий на основ-
основном или вспомогательном топливе (рис. 1.5 и 1.6). При приме-
применении в ЖРД самовоспламеняющихся топлив облегчается на-
начальный момент запуска двигателя, в случае применения неса-
несамовоспламеняющихся топлив возникает необходимость в спе-
специальных воспламеняющихся устройствах (пиротехнических,
электрических и др.) или в применении так называемого «пус-
«пускового» топлива (горючего), обеспечивающего химическое за-
зажигание основной топливной пары [2, 7].
Во всех типах жидкостных ракетных двигателей энергети-
энергетические возможности топлива реализуются в камере сгорания,
которая является главным и самым ответственным элементом
двигателя. Камеры сгорания бывают различной геометрической
формы: цилиндрические, сферические, грушевидные, конические
и др. (рис. 1.7) [7]. Камера двигателя состоит из трех основ-
17
Рис. 1.5. Схема турбонасосной системы подачи компонентов жидкого ра-
ракетного топлива (турбина работает на пероксиде водорода):
/«регулятор высокого давления; 2 — подвод высокого давления; 3 — электромагнит-
электромагнитный клапан; 4 — регулятор низкого давления; 5 — бак с горючим; 6 — насос горючего;
7 —турбина; 8 — отсечный клапан; 9 — клапан магистрали наддува; 10 — газогенератор;
// — пакет с катализатором; 12— насос окислителя; 13 — аккумулятор; 14 — дроссель;
15 — клапаны горючего и окислителя; 16 — камера сгорания ЖРД (охлаждается горю-
горючим); 17 — бак с Н2О2; 18 — клапаны наддува; 19— бак окислителя; 20 — клапан газо-
газогенератора
Рис. 1.6. Схема турбонасосной системы подачи компонентов жидкого ракет-
ракетного топлива (турбина работает на основных компонентах):
1 — регулятор высокого давления; 2 — подвод высокого давления; 3 — электромагнитные
клапаны; 4— клапаны наддува: 5 — бак с горючим; 6 — газогенератор; 7 — насос горю-
горючего; 8 — турбина; 9 — отсечный клапан; Ю — регулятор низкого давления; 11— клапан
газогенератора; 12 — бак с окислителем; 13 — насос окислителя; 14 — аккумулятор; /5—
дроссель; 16 — клапаны горючего и окислителя; /7 —камера сгорания двигателя (охлаж-
(охлаждается горючим)
12
на-
по-
•Рис. 1.7. Различные формы камер сгорания:
а — цилиндрическая с горловиной; б — сферическая; в — груше-
грушевидная; г — цилиндрическая без горловины; д — коническая
ных частей: головки с форсунками, собствен-
собственно камеры сгорания и расширяющегося соп-
сопла.
Каждая двигательная установка с ЖРД
имеет систему подачи топлива, а также гид-
гидропневматическую систему [2]. Система по-
подачи топлива включает в себя баки с окисли-
окислителем и горючим, агрегат для создания дав-
давления подачи компонентов топлива (в виде
турбонасосного агрегата, баллонов со сжа-
сжатым газом, порохового или жидкостного акку-
аккумулятора давления). Гидропневматическая
система включает арматуру, трубопроводы и
систему электрического управления работой
отдельных агрегатов. Наибольшее применение получила
сосная система подачи компонентов топлива, так как она
зволяет максимально снизить давление «наддува» баков и, сле-
следовательно, их массу. Для приведения в действие турбонасос-
турбонасосного агрегата необходимо иметь парогаз с соответствующими
температурой и давлением. Для получения такого парогаза ис-
используют парогазогенераторы разной конструкции. Широкое
распространение получили парогазогенераторы, в которых про-
происходит каталитическое разложение концентрированного пе-
роксида водорода с образованием нагретой до 700°С парога-
парогазовой смеси. Эта смесь поступает на лопатки турбины турбо-
турбонасосного агрегата и обеспечивает работу насосов. Использу-
Используют и другие типы парогазогенераторов,в которых парогаз полу-
получается за счет продуктов сгорания основной топливной пары
(с избытком горючего или окислителя), либо продуктов медлен-
медленного сгорания специального порохового заряда, либо продуктов
сгорания, отбираемых из камеры сгорания двигателя [2].
Важным элементом двигательных установок ракет являются
топливные баки. Они бывают нагруженные (под давлением) и
разгруженные. Как правило, баки служат одновременно и си-
силовыми элементами конструкции ракеты, поэтому их называют
несущими баками. Они должны быть максимально легкими, но
обладать при этом необходимой механической прочностью. Кро-
Кроме того, они не должны подвергаться заметному коррозионно-
коррозионному воздействию компонентов ракетных топлив, многие из кото-
которых— коррозионно-агрессивные вещества. В связи с этим баки
ракет обычно изготавливают из высокопрочных алюминиевых
сплавов или легированных сталей, обеспечивающих длительное
нахождение ракет в заправленном состоянии [2]. Эти условия
13
накладывают определенные требования к снижению коррозион-
коррозионной активности и повышению химической стабильности компо-
компонентов ракетного топлива.
1.2. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ
В ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
По характеру протекающих процессов камеру сгорания жид-
жидкостных ракетных двигателей можно разделить на три зоны
по ее длине (рис. 1.8) [2].
В первой зоне @-1) происходит распыл топлива через форсунки при
высоком давлении, а также частично его испарение и смешение капель топ-
топлива. Длина этой зоны определяется конструкцией головки (плоская, шатро-
шатровая или сферическая) и типом форсунок (центробежные, струйные, сотовые
и др.). Процессы, происходящие в первой зоне, в значительной степени оп-
определяют работу ЖРД в целом. От качества распыла компонентов топлива
сильно зависит эффективность горения топлива и, следовательно, к. п. д. дви-
двигателя. На характер и качество распыла топлива, кроме конструкции фор-
форсунок и головки камеры, существенно влияют вязкость, плотность и поверх-
поверхностное натяжение компонентов топлива.
Вторая зона (I-II)—это зона подогрева, испарения и смешения компо-
компонентов ракетного топлива, а также протекания предпламенных химических
реакций и частичного горения топлива. Тепло, необходимое для подогрева
и испарения капель компонентов топлива в первой и второй зонах, подво-
подводится за счет радиации из зоны горения, экзотермических химических ре-
реакций компонентов топлива, протекающих в указанных зонах, и за счет об-
обратных вихревых потоков горячего газа — продуктов сгорания (рис. 1.9),
несущих большую часть тепла, расходуемого на подогрев и испарение ка-
капель компонентов топлива. Во второй зоне интенсивно протекают реакции
жидкофазного окисления капель горючего окислителем как газообразным,
так и жидким [6]. В случае самовоспламеняющихся ракетных топлив реак-
реакции взаимодействия (горения) про-
происходят на поверхности капель и го-
горючего, и окислителя.
В третьей зоне (II—III) сгорает
большая часть топлива. Это — зона
смешения компонентов топлива и про-
протекания интенсивных химических ре-
реакций, определяющих основные пара-
параметры процессов горения топлива.
Первую часть указанной зоны, до се-
сечения Л—Л, в которой скорость хи-
химических реакций относительно мала
(поэтому она лимитирует процесс сго-
сгорания топлива), называют областью
кинетического горения. В этой обла-
области топливо сгорает преимуществен-
Рис. 1.8. Схема протекания процес-
процессов в камере сгорания ЖРД в раз-
различных зонах, выраженная относи-
относительным количеством топлива G'/Gt
израсходованного на:
1 — распыливание; 2 — испарение; 3 — сме-
шение; 4 — химические реакции
0 I И А
100%,
G'/G
0
I
2/
-—-—
Е А
ш
p
=
——*
V
0 I п А
Щ
i
Рис. 1.9. Вихревые токи газа у головки ка-
камеры сгорания
Факел
топлива
Об'ратныд
потоки
но вследствие самовоспламенения объемов га-
газообразной смеси горючего и окислителя.
В ней возможно также протекание периодиче-
периодических предпламенных реакций, аналогичных
тем, что имеют место в зоне A—II). Скорость
горения топлива в области кинетического горе-
горения ограничивается не процессами смешения, |
а кинетикой химических реакций.
Вторая часть рассматриваемой зоны (по-
(после сечения Л—Л) характеризуется высокими
температурами и большими, практически мгно-
мгновенными, скоростями химических реакций. Ско-
Скорость горения топлива в этой области зависит
от интенсивности смешения компонентов, кото-
которая, в свою очередь, определяется скоростью
турбулентной диффузии. В связи с этим рас-
рассматриваемую часть третьей зоны называют областью диффузионного горе-
горения. Здесь топливо сгорает преимущественно вследствие распространения пла-
пламени в несгоревшей смеси, а процессы самовоспламенения играют незначитель-
незначительную роль.
Четвертая зона (III—IV)—это зона сопла, в которой происходит дого-
догорание топлива, расширение и ускорение истечения продуктов сгорания. От
формы и размеров сопла, а также процессов, происходящих в нем, существен-
существенно зависит удельная тяга двигателя.
Процесс горения в жидкостном ракетном двигателе проте-
протекает в основном в диффузионной области, поэтому время, не-
необходимое для полного сгорания топлива, определяется глав-
главным образом скоростью смешения компонентов, хотя и нельзя
пренебрегать ролью процессов, протекающих в зонах @—I) и
(I—II), а также в области кинетического горения.
Рассмотренное разделение камеры сгорания ЖРД на зоны,
конечно, условное, так как в реальном двигателе трудно раз-
различить границы между ними. Совершенство камеры сгорания
зависит прежде всего от полноты сгорания топлива, на которую
влияют следующие факторы:
качество распыла и смесеобразования* топлива, определяе-
определяемое, с одной стороны, типом и расположением форсунок в го-
головке камеры, формой головки и камеры сгорания, их гидра-
гидравлическими характеристиками, давлением перед форсунками и
в камере сгорания, а с другой — физико-химическими свойства-
свойствами компонентов топлива (вязкостью, плотностью, поверхност-
поверхностным натяжением, испаряемостью и др.);
время, отводимое для протекания химических реакций сго-
сгорания, которое определяется скоростью движения газа в каме-
камере сгорания, объемом камеры, а также давлением и температу-
температурой в ней.
* Смесеобразование — процесс подготовки горючего и окислителя к
сгоранию, в результате которого компоненты дробятся на мельчайшие кап-
капли, перемешиваются между собой и частично испаряются.
15
to
Is'
C3
I
I
I
•t
i
'X.
сз
Самовоспламеняющиеся тсплива
Смешение в жидкой
(разе
Распиливание горючего
и окислителя
Химические реакции
в жидкой (разе
I
Испарение
Реакции
Испарение и реакции Реакции
в паровой фазе в паровой (разе
\ \
Смешение газа и паров
Диверсионное
горение капель
горючего
и окислителя
\
Горение предварительно подготовленной
смеси 6 газовой (разе
Продукты сгорания
Несамовоспламенякщиеся топлива
Гомогенное
горение
Распылидание и Гетерогенное
возможное смешение в горение
жидкой (разе
Испарение
Вторичное распыливание
Смешение
в газовой (разе
Реакции в газовой (разе,
горение предварительно
подготовленной смеси
8
Гетерогенное смешение
жидкой и газовой ера?
Сгорание капель
Реакции в газовой фазе,
диерфузионное горение
Продукты сгорания
I
I
f
!
t
Рис. 1.10. Схема процесса горения в ЖРД самовоспламеняющихся и
мовоспламеняющихся топлив
Металл
Горячий газ^
Охлаждающая жидкость Металл
Покрытие
fop я ни й газ
Отверстия
для подачи г
.жидкости ГоРячии га1
Пленка
Охлаждающая жидкость Металл
Плрнкп Горячий газ Пористая
пленка г ^ стенка
Охлаждающая жидкость Металл
Рис. 1.11. Схемы охлажде-
охлаждения камеры сгорания ЖРД Т »
изоляция
Горение топлива в
камере сгорания ЖРД
— сложный физико-хи- регенеративное
мический процесс, за- охлаждение
висящий от конструк-
конструктивных особенностей
двигателя и режима
его работы, а также веночное
от состава и свойств охлаждение
топлива. Процесс горе-
горения в ЖРД самовос-
самовоспламеняющихся и не-
самовоспламеняющих- Испарительное
ся топлив схематичес- охлаждение
ки показан на рис. 1.10
[7]. В камере сгора-
сгорания ЖРД развиваются
высокие температуры C000—5000 К) и давления — десятки и
сотни МПА, теплонапряженность камеры сгорания достигает
^1010 Вт/м2, что в сотни раз превышает теплонапряженность
камер сгорания воздушно-реактивных двигателей [4]. За счет
конвекции и лучеиспускания происходит интенсивный теплооб-
теплообмен между газообразными продуктами сгорания и стенкой ка-
камеры и сопла ЖРД. В таких условиях без специального охлаж-
охлаждения стенок камеры сгорания ни один металл не выдержал бы
и разрушился.
Существуют различные способы снижения температуры сте-
стенок камеры сгорания: тепловая изоляция, регенеративное, пле-
пленочное и испарительное охлаждение (рис. 1.11). Камеры сгора-
сгорания современных ЖРД, как правило, имеют охлаждающую ру-
рубашку. Она отсутствует лишь у двигателей малой тяги косми-
космических аппаратов и у некоторых типов двигателей с внутренней
тепловой изоляцией. Кроме того, в теплонапряженных двигате-
двигателях для предохранения стенок камеры сгорания от прогара
создают пристеночную завесу из горючего, подаваемого через
периферийные форсунки головки камеры сгорания, при этом
обеспечивается пленочное или испарительное охлаждение.
В охлаждающую рубашку подают горючее или окислитель
(окислитель используют в качестве охлаждающего агента зна-
значительно реже, чем горючее), которые, нагреваясь в рубашке,
поступают при высоком давлении через форсунки в камеру
сгорания и, будучи нагретыми, легче распыляются и испаря-
испаряются; но, главное, они обеспечивают необходимое охлаждение
стенки камеры сгорания. В двигателе ракеты «Фау-2» наряду
с регенеративным охлаждением этаноЮТЯ уГгшшна дшшенялось
2—518
17
А Л
1 Г-
Газ
1
у////
Стенка
I
1
г"'ст. ж
^— Тж
Жидкость
п
1
1
ш
\
Ш у
^
Температура
Рис. 1.12. Изменение температуры в пограничном слое у стенок камеры сго-
сгорания ЖРД:
ТТ, Тж — температуры газа и жидкости; Гст г, Тст ж — температуры стенки со стороны
газа и жидкости соответственно
Рис. 1.13. Типичная кривая теплоотдачи:
/ — конвекция; // — пузырьковое кипение; /// — частичное пленочное кипение; /7 —
сплошное пленочное кипение
и пленочное охлаждение камеры сгорания [2, 8]. Изменение
температуры в пограничном слое у стенки схематично показано
на рис. 1.12 [7]. Теплоотдача от горячих газов к стенке камеры
сгорания и от стенки к охлаждающей жидкости может быть
оценена с помощью известного критериального уравнения теп-
теплообмена:
рго,зз, (Ы)
Nu = aL/X;
Re = pwL/\i;
Pr = \icpfk;
где а — коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2-К); Я — коэффици-
коэффициент теплопроводности жидкости (газа), Вт/(м2-К); ji, p, ср — динамическая
вязкость (Па-с), плотность (кг/м3) и теплоемкость (Дж/К) жидкости или
газа соответственно; L — характеристическая длина (м), определяемая по
соответствующим формулам [7] (например, для случая теплоотдачи от стен-
стенки камеры сгорания к охлаждающей жидкости ?ж = 4^ж/Пж, где /ж — про-
проходное сечение тракта охлаждающей жидкости, м2, а Пж — смоченная часть
периметра этого сечения, м.
Интенсивность теплообмена в охлаждающей рубашке ЖРД
и соответственно температура стенки камеры сгорания зависят
от поведения жидкости в пристеночном слое (рис. 1.13). Самой
опасной зоной, где возможно значительное повышение темпера-
температуры стенки и, следовательно, ее прогар, является зона кри-
критического сечения сопла двигателя. Максимальная температу-
температура стенок камеры сгорания не должна превышать величины,
выше которой большинство применяемых металлов начинает
плавиться или размягчаться, что неизбежно приведет к разру-
разрушению стенки из-за высоких давлений в камере сгорания [8].
Характер зависимости температуры стенки от температуры го-
горения.топлива в камере сгорания показан на рис. 1.14 (толщи-
(толщина стенки камеры ЖРД из легированной стали 2,54 мм; ско-
18
2000
Рис. 1.14. Зависимость темпера-
температуры стенки и среднего теплово-
теплового потока от температуры горе-
горения топлива: g /400|— ^^^ ^^^~\ 10250
1—температура внутренней стенки ^ !РПП-х^^"^ ^\^-**'**'*' — Я2пп
вблизи горловины сопла; 2 — темпера- ?Х \ ^-*" ^»
тура внутренней стенки камеры сгора- 4: WOOn:^^ -t _^.—-"* —6150
ния; 3 — средний тепловой поток в ка- ез _ К.—-- —,4111A
мере и сопле f шк Ц*050
| *пп\ I ) I ! .0
3000 3500 4000 4500 5000 5500
Теппература горения, °С
рость охлаждающей жидкости в рубашке 15 м/с) [8]. Эффек-
Эффективность охлаждения камеры сгорания зависит также от физи-
физико-химических свойств охлаждающей жидкости (горючего или
окислителя)—вязкости, теплоемкости, теплопроводности, тем-
температуры кипения, термической и термоокислительной стабиль-
стабильности, способности образовывать на охлаждаемой поверхности
высокотемпературные отложения, резко ухудшающие теплооб-
теплообмен. Таким образом, охлаждающая способность — важное экс-
эксплуатационное свойство компонентов ракетного топлива.
Большую роль в хорошем смесеобразовании, а значит, и в
осуществлении оптимального процесса горения ракетного топ-
топлива (особенно двух- и трехкомпонентного состава) играют
устройство и размещение форсунок в головке двигателя. Суще-
Существуют различные типы форсунок (рис. 1.15)—струйные (а, б)
и центробежные (в—д). [2]. Они могут быть предназначены
для распыла однокомпонентных и двухкомпонентных топлив.
200- 300 пн ,
2d=30+f2Q°
г
Рис. 1.15. Различные типы форсунок:
а — струйная; б — струйная с пересекающимися струями; в — центробежная с завихри-
телем; г — центробежная с тангенциальным входом; д — двухкомпонентная центробежная
19
Струйные форсунки просты в изготовлении, но по качеству рас-
распыла уступают центробежным. Для улучшения распыла делают
струйные форсунки с пересекающимися струями. В центробеж-
центробежных форсунках искусственно создается закручивание жидкости,
благодаря чему она под действием центробежных сил образует
на выходе тонкую пленку, которая быстро распадается на
капли.
Качество распыла компонентов топлива при выходе из фор-
форсунок оценивается тонкостью и однородностью распыливания,
которые, в свою очередь, зависят не только от конструкции
форсунок и перепада давления на них, но и от физико-химиче-
физико-химических свойств окислителя и горючего. В частности, они зависят
от вязкости, плотности и поверхностного натяжения компонен-
компонентов топлива, а также плотности среды, в которую топливо
впрыскивается. Зависимость тонкости распыла компонентов
топлива от их поверхностного натяжения в случае центробеж-
центробежных форсунок характеризуется формулой [4]:
^ A.2)
где dCp — средний диаметр капель, м; о — поверхностное натяжение жид-
жидкости, Н/м; гвх — радиус входного отверстия форсунки, м; Р — давление пе-
перед форсункой, МПа; RBx — расстояние от оси форсунки до оси тангенци-
тангенциального отверстия, м.
На форму факела и дальнобойность струи кроме вязкости
и поверхностного натяжения существенно влияет плотность
жидкости. В головке двигателя обычно размещают большое
число форсунок, располагая их таким образом, чтобы обеспе-
обеспечить наилучшее смесеобразование. Если используют одноком-
понентное топливо, размещение форсунок на головке двигателя
должно быть максимально равномерным. В двигателях, рабо-
работающих! на двухкомпонентном топливе, для хорошего смесе-
смесеобразования необходимо обеспечить возможно более равномер-
равномерное чередование форсунок горючего и окислителя. Способы раз-
размещения форсунок различны — шахматное, сотовое и концент-
концентрическое (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Варианты расположения форсунок в головке ЖРД:
а — шахматное; б — сотовое; в — концентрическое; X — форсунки горючего; О — форсун-
форсунки окислителя
20
Рис. 1.17. Способы подвода компонентов топлив в головках ЖРД различ-
различных типов:
а — шатровая головка с центральным подводом окислителя; б — головка с тонкими свер-
сверлениями для подвода компонентов; в — головка с концентрическими поясами форсунок
подачи окислителя и горючего; г — головка с двойным дном и сотовым или шахматным
расположением форсунок
Расположение форсунок должно обеспечить защиту стенок
камеры сгорания от прямого попадания струй окислителя, так
как избыток последнего в пристеночной зоне может вызвать
местный прогар стенки. Кроме того, при выбранном располо-
расположении форсунок должен быть предусмотрен удобный раздель-
раздельный подвод к ним окислителя и горючего. Способы подвода
компонентов реактивного топлива в головках различных типов
показаны на рис. 1.17.
Ответственными и сложными моментами в эксплуатации
ЖРД являются запуск и остановка двигателя. Главное требо-
требование заключается в том, чтобы обеспечить плавный выход
двигателя на основной режим работы и безотказную его оста-
остановку при необходимости. При запуске двигателя в камере сго-
сгорания не должно накапливаться большое количество одного или
обоих компонентов топлива, так как это при их воспламенении
может вызвать резкое повышение давления в камере сгорания
(пусковой хлопок) и даже ее разрушение. Полагают, что пус-
пусковая система должна обеспечить воспламенение компонентов
топлива не более чем через 0,03 с после их подачи в камеру [2].
Обычно запуск двигателя, особенно с большой тягой, осуще-
осуществляют ступенчато, с малым расходом компонентов ракет-
21
ного топлива вначале (предварительная ступень) и затем с
максимальным расходом их (основная ступень). Запуск двига-
двигателя при полном расходе топлива называют «пушечным». При
запуске двигателя желательно, чтобы компоненты топлива
поступали одновременно, но практически наблюдается опере-
опережение подачи окислителя или горючего на доли секунды. Важ-
Важную роль в запуске двигателя в случае несамовоспламеняющих-
несамовоспламеняющихся топлив играет система зажигания. Способы зажигания раз-
различны— пиротехнический, химический или с помощью электри-
электрической свечи.
Важное значение в осуществлении нормального запуска
ЖРД имеет такое эксплуатационное свойство ракетного топли-
топлива, как период задержки воспламенения (самовоспламенения),
величина которого зависит от природы окислителя и горючего.
Для оценки этого свойства существуют различные методы [8].
При остановке ЖРД (путем закрытия отсечных клапанов или
после полной выработки топлива из баков), как и при запуске,
недопустимо скопление избытка топлива в камере сгорания,
чреватое взрывом.
Для жидкостных ракетных двигателей всех типов харак-
характерно наблюдаемое в определенных условиях неустойчивое
(вибрационное) горение топлива. Оно проявляется в виде пе-
периодических колебаний давления в камере сгорания в основ-
основном без каких-либо внешних причин, при этом амплитуда ко-
колебаний давления может достигать весьма значительных вели-
величин— десятки МПа, что в ряде случаев приводит к разрушению
камеры сгорания. Законченной теории вибрационного горения
топлив в ЖРД до настоящего времени не разработано, хотя
создатели двигателей нашли пути предотвращения этого неже-
нежелательного явления.
Наблюдают два вида колебаний давления в ЖРД — низко-
низкочастотные (до 300 Гц) и высокочастотные (более 1000 Гц).
Первые связывают с взаимодействием колебаний в камере сго-
сгорания с колебаниями в системе подачи компонентов топлива
[6]. Например при повышении давления в камере сгорания из-
изменяется (уменьшается) и подача топлива. Топливо сгорает в
камере не мгновенно, а в течение времени, когда давление в
камере сгорания остается повышенным, а расход топлива — по-
пониженным. Затем процесс развивается в обратном порядке:
давление в камере понижается, а подача топлива через фор-
форсунки увеличивается. Возникают незатухающие колебания дав-
давления низкой частоты. Такая низкочастотная неустойчивость
горения снижается при повышении скорости горения топлива,
увеличении перепада давления на форсунках, объема камеры
сгорания и длины трубопроводов, уменьшении поперечного се-
сечения трубопроводов и при действии ряда других факторов
[2, 6]. Свойства топлива также влияют на указанную неустой-
неустойчивость горения. Так, топливо азотная кислота+аминное го-
горючее (смесь триэтиламина и ксилидина) обеспечивает более
22
устойчивую работу двигателя, чем топливо азотная кислота+
керосин |[2].
Высокочастотная неустойчивость горения топлив в камерах
сгорания ЖРД (от 1000 до 12 000 Гц) носит более сложный
характер, чем низкочастотная. Указанная неустойчивость свя-
связана с особенностями горения топлива в ЖРД и опасна вслед-
вследствие возникновения местных перегревов и прогаров стенки
камеры сгорания. В работе [6] предпринята попытка объяснения
этого явления с позиций теорий детонационного горения.
В камере сгорания ЖРД в области кинетического горения
значительная часть топлива сгорает вследствие самовоспламе-
самовоспламенения турбулентных локальных объемов свежей смеси. При
этом протекают периодические реакции высокореакционноспо-
собных молекул окислителя и горючего (по механизму переход-
переходной стадии самовоспламенения), и соответственно происходит
периодическое выделение тепла в газе, приводящее к возникно-
возникновению волн сжатия. В определенных условиях из таких волн
могут образоваться незатухающие ударные волны. В указанной
области горения тепловыделение в волне сопровождается про-
прогрессирующим разогревом соседних объемов топливной смеси
и самоускорением ее горения в волне. Возникают высокочас-
высокочастотные пульсации давления в камере сгорания, которые зави-
зависят от термодинамических и гидродинамических условий в ней.
Последние, в частности, определяют число и объем очагов са-
самовоспламенения, с увеличением которых возрастает амплиту-
амплитуда колебаний. Гидродинамические условия в значительной мере
определяются геометрией камеры сгорания, в частности ее
длиной и формой. Наблюдаемая зависимость высокочастотной
неустойчивости горения топлив в ЖРД от давления в камере
сгорания, возможно, связана с тем, что при этом расширяются
температурные пределы, в которых протекают периодические
предпламенные процессы. Высокочастотное неустойчивое горе-
горение зависит от природы и свойств компонентов ракетного топ-
топлива. Вибрационное горение, безусловно, отрицательно влияет
на полноту сгорания топлива в камере сгорания и, как следст-
следствие, снижает к.п.д. двигателя и его экономичность [6].
Глава 2
КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ И ТРЕБОВАНИЯ,
ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ
Ракетные топлива бывают трех видов: жидкие, твердые и «гиб-
«гибридные» (твердое горючее и жидкий окислитель). Химмотоло-
Химмотология занимается изучением эксплуатационных свойств и вопро-
вопросами рационального применения жидких ракетных топлив, по-
поэтому в данной книге не рассматриваются твердые и «гибрид-
«гибридные» топлива.
23
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИДКИХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ
Существуют разные подходы при классификации жидких ра-
ракетных топлив: по способу применения в жидкостных ракетных
двигателях, по химическому составу компонентов, по принципу
их воспламенения в камере сгорания, по основному назначению.
Жидкие ракетные топлива по способу применения в двига-
двигателях подразделяют на однокомпонентные (их называют иногда
унитарными) и двухкомпонентные.
Однокомпонентные ракетные топлива по химическому со-
составу делят на мономолекулярные и смесевые. К мономолеку-
мономолекулярным однокомпонентным топливам относят вещества, в мо-
молекуле которых содержатся как горючие элементы, так и не-
необходимый для горения кислород. Такими соединениями явля-
являются, например, сложные зфиры азотной кислоты и различных
одно-, двух- и трехатомных спиртов (метилнитрат CH3ONO2,
зтилнитрат C2H5ONO2, изопропилнитрат C3H7ONO2, этиленгли-
кольдинитрат C2H4(ONO2J, тринитроглицерин C3H5(ONO2K и
др.), а также нитропарафины (нитрометан CH3NO2, нитроэтан
C2H5NO2, нитропропан C3H7NO2 и др.) [4]. К однокомпонент-
однокомпонентным топливам могут быть отнесены и эндотермические соеди-
соединения, выделяющие при своем распаде большое количество
тепла и газообразных продуктов (например, гидразин N2H4,
этиленоксид С2Н4О, пероксид водорода Н2О2 и др.).
Двухкомпонентные жидкие ракетные топлива, в которых
каждый из компонентов подается в камеру сгорания раздель-
раздельно, состоят из горючего и окислителя.
Ракетные окислители по химической природе (названию ос-
основного элемента) делят на следующие [4, 6, 7, 9]:
кислородные — жидкие кислород О2 и озон Оз, пероксид во-
водорода Н2О2;
азотные — концентрированная азотная кислота HNO3, окси-
оксиды азота N2O5, N2O4,iN2O3, NO, N2O, смеси азотной кислоты с че-
тырехокисью азота (тетраоксидом диазота)*, тетранитрометан
C(NO2L;
фторные — жидкие фтор F2h кислородные соединения фтора,
в частности монооксид фтора OF2, трифторид хлора CliF3y
пентафторид хлора C1F5, трифторид азота NF3, перхлорилфто-
рид C1O3F, фторнитрат FNO3, тетрафторгидразин N2F4 и др.;
хлорные — жидкий хлор С12, хлорная кислота НС1О4 и ок-
оксиды хлора, в частности CI2O7.
Ракетные горючие по химическому составу подразделяют на
[4, 9]:
водородные — жидкий и шугообразный водород Н2;
углеводородные — нефтяного происхождения типа RPb
* Товарное название «четырехокись азота» сохранено в данной книге,
так как это самый распространенный окислитель в ракетной технике и он
так называется в эксплуатационной документации.
24
Jp-1, Jp-4, T-l и синтетические, как правило, в виде индивиду-
индивидуальных соединений, в частности, циклического строения, а так-
также жидкие метан СН4 и пропан СзН8; к углеводородным горю-
горючим могут быть отнесены и спирты — метанол СНзОН, этанол
С2Н5ОН и изопропанол С3Н7ОН, фурфуриловый спирт С5Нб02;
гидразинные — гидразин N2H4 и его алкилпроизводные, в
частности яеош-диметилгидразин (CH3JN—NH2 (НДМГ), мо-
нометилгидразин CH3N—NH2 и фенилгидразин C6H5N—NH2,
Аэрозин-50, являющийся смесью гидразина и НДМГ в соотно-
соотношении 1:1, гидразиназиды и др.;
аминные — жидкий аммиак NH3, индивидуальные амины,
например анилин C6HsNH2, этиламины — moho-C2HsNH2, ди-
(СгНбЬ^Н и триэтиламин (C2HsKN, диэтилентриамин и др.,
смеси алифатических и ароматических аминов, в частности,
смесь тризтиламина и изомерных ксилидинов (CH3JC6H5NH2
в соотношении 1 : 1, и др.;
бороводородные — соединения типа боранов ВлН„+4, напри-
например декарборан ВюНн и диборан В2Н6, дигидроборанов
ВпНп+б, например пентаборан В5Нц, и др.;
металлсодержащие — гомогенные соединения типа триэтил-
алюминия, гидридов (МН2) и боргидридов М(ВН4)м алюминия,
лития и бериллия (п — валентность металла) и гетерогенные
металлизированные суспензии указанных металлов в гидрази-
гидразине и углеводородах. Классификация жидких ракетных топлив,
основанная на их компонентном составе и химическом строении,
представлена на рис. 2.1.
—¦*- Ойнокомпонентные—
Жидкие
ракетные
топлива
Ц- Двуккомпонентные—
Рис. 2.1. Классификация жидкие
кетных топлив
^ Мономолеку-
лярные
—>* Смесевые
—**• Окислители —
-ъ Гпптчнр
: ра-
—** Нитроэсриры
—*» Нитропара(рины
—^ Эндотермические
соединения
—>¦ Кислородные
—^ Азотные
—** Фторные
1—> Хлорные
—*- Водородные
—^ Углеводородные
—> Гидразинные
—^ Аминные
—** Бороводородные
—^ Металл содержа-
содержащие
25
По принципу воспламенения в камере сгорания ЖРД двух-
компонентные ракетные топлива делят на самовоспламеняю-
самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся [6]. К первым относят такие
компоненты ракетных топлив, при контакте которых в обычных
температурных условиях протекает химическая реакция с вы-
выделением большого количества тепла, достаточного для воспла-
воспламенения топливной смеси. Например, это следующие топливные
пары: красная или белая дымящая азотная кислота и анилин
или аминное горючее, четырехокись азота и гидразин или не-
ош-диметилгидразин, пероксид водорода и фурфуриловый
спирт, фтор и аммиак и др. К несамовоспламеняющимся отно-
относят топлива, компоненты которых (окислитель и горючее) при
контакте не воспламеняются, и поэтому для зажигания смеси
требуется специальный источник. Примерами несамовоспламе-
несамовоспламеняющихся топлив являются жидкие кислород и водород, жид-
жидкий кислород и углеводородные горючие, окислители на основе
азотной кислоты и горючее типа керосина.
По своему прямому назначению жидкие ракетные топлива
подразделяют еще на основные, пусковые и вспомогательные.
Основными называют топлива, используемые для сжигания в
камере сгорания и получения необходимой тяги двигателя, пус-
пусковыми— для воспламенения в камере сгорания несамовоспла-
несамовоспламеняющихся компонентов топлива, вспомогательными — для
обеспечения функционирования вспомогательных агрегатов
ЖРД (турбонасосного агрегата, жидкостного аккумулятора
давления и др.) [6].
2.2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЖИДКИМ
РАКЕТНЫМ ТОПЛИВАМ
История развития жидкостных ракетных двигателей неразрыв-
неразрывно связана с поиском и испытаниями жидких ракетных топлив,
от свойств и качества которых зависят скорость, дальность и
высота полета ракеты. Из большого числа изученных соедине-
соединений лишь относительно небольшое количество веществ получи-
получило применение в ракетной технике. Это обусловлено особыми
и весьма разнообразными требованиями, предъявляемыми к
жидким ракетным топливам. В основе этих требований лежат:
обеспечение экономичной и эффективной работы ЖРД, лег-
легкость его запуска, устойчивое горение топлива в двигателе, эф-
эффективное охлаждение камеры сгорания, безотказная работа
топливоподающей системы, надежность эксплуатации ракеты в
различных условиях, в том числе экстремальных, удобство и
безопасность обращения с топливами на всех этапах передви-
передвижения от завода-изготовителя до ракеты, стабильность топли-
топлива при хранении и др. [2, 6]. Говоря о требованиях к ЖРТ,
имеют в виду прежде всего требования к их эксплуатационным
свойствам. При этом, одним из важнейших является требование
к энергетическим свойствам топлив.
26
Для ракетной техники представляют интерес только те ве-
вещества (компоненты), которые обеспечивают при сгорании в
двигателе получение необходимой удельной тяги, т. е. обладают
достаточно большим запасом энергии, которая высвобождается
в камере сгорания двигателя и превращается в кинетическую
энергию истечения газообразных продуктов сгорания через
сопло. Скорость истечения газов из сопла ЖРД и можно опре-
определить по формулам [6]:
и = V
2g~k~\'pv BЛ> или и = V %2?Т~Г'ЯГ- B-2)
где r[t—термический к. п. д. двигателя, или доля тепловой энергии топлива,
перешедшая в механическую работу; g— ускорение силы тяжести, м/с2;
k = cp/cv — показатель адиабаты расширения, зависящий от состава продук-
продуктов сгорания и температуры газов; Р — давление газов в камере сгорания,
МПа; V — объем газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива (при нор-
нормальных условиях), или удельный объем газов, м3/кг; Т — абсолютная тем-
температура газов в камере сгорания, К; R — газовая постоянная продуктов
сгорания, зависящая от состава газов (R = 848/My где М — средняя моле-
молекулярная масса продуктов сгорания).
Зная скорость истечения газов и, нетрудно определить тягу
двигателя Рдв по формуле
Pw = Gu/gy B.3)
где G — секундный расход топлива, кг/с; g— ускорение силы тяжести, м/с2.
Для характеристики жидких ракетных топлив обычно ис-
используют понятие удельной тяги (Руд), т. е. тяги, отнесенной
к единице расхода топлива (PyA = PAB/G).
Удельная тяга (Руд, с) может быть найдена по формуле Глушко [6]:
Руд = 19,1 У^ТЙ, B.4)
где gH — удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг (за вычетом теплот
конденсации образующихся продуктов сгорания).
Иногда в литературе применяют термин "удельный импульс тяги'', фи-
физический смысл которого аналогичен понятию удельной тяги. В данной кни-
книге удельная тяга для удобства выражается в секундах, как это широко при-
принято в технической литературе, хотя правильнее ее размерность показывать
в Н-с/кг, где Н — единица измерения силы тяги.
Для определения Рул можно пользоваться также формулой
[4, Ю]:
B.5)
где Рс и Рк — соответственно давление на срезе сопла и в камере сгорания,
МПа; к — то же, что и в формулах B.1) и B.2).
Таким образом, удельная тяга двигателя, характеризующая
энергетические свойства топлива, определяется в основном его
теплотворной способностью и плотностью, количеством, темпе-
температурой и молекулярной массой газообразных продуктов сго-
сгорания, степенью их расширения при истечении из сопла, тер-
27
4 6 в
Давление рк, МПа
10
О 1000 2000 3000 4000
Объемная удельная тяга, Н-с/л
Рис. 2.2. Зависимость удельной тяги ЖРД от давления в камере сгорания
рк для различных топлив:
/ — керосин+кислород; 2 — этанол+кислород; 3 — керосин+красная дымящая азотная
кислота; 4 — керосин+белая дымящая азотная кислота
Рис. 2.3. Зависимость объемной удельной тяги Руд" ЖРД от теплоты сго-
сгорания топлив различной плотности:
1—3 — плотность 500, 1000 и 1500 кг/м3 соответственно
мическим к.п.д. двигателя. Удельная тяга двигателя увеличива-
увеличивается с уменьшением соотношения Рс/Рк, поэтому энергетические
свойства топлив оценивают и сравнивают при определенных
значениях Рс и Рк. На рис. 2.2 показана зависимость удельной
тяги от давления в камере сгорания при Рс = 0,1 МПа и коэф-
коэффициенте избытка окислителя а = 0,8 для различных топлив. За-
Зависимость объемной удельной тяги* Руд" (Н-с/л) от теплоты
сгорания топлив разной плотности изображена на рис. 2.3.
Теплопроизводительность жидких ракетных топлив опреде-
определяется разностью между теплотами образования конечных про-
продуктов сгорания топлива и исходных компонентов. Газовая
постоянная R продуктов сгорания зависит от их состава —•
средней молекулярной массы. При равной теплопроизводитель-
ности топлив чем меньше их средняя молекулярная масса, тем
больше удельная тяга двигателя. В связи с этим максимальная
удельная тяга обычно достигается при соотношении компонен-
компонентов топлива (окислителя и горючего), отличном от стехиометри-
ческого, характеризуемого максимальным выделением энергии.
Поэтому при сравнении энергетических свойств ракетных топ-
топлив берут соотношение компонентов в них, обеспечивающее
получение максимальной удельной тяги (рис. 2.4).
Удельная тяга двигателя характеризует энергетические
свойства топлива с позиции термодинамической эффективности.
Конструкторов — создателей ракет — и химмотологов интересу-
интересуют эти свойства по конечному результату, т. е. достижению мак-
* «Объемной удельной тягой» Руд" в данном случае названо отноше-
отношение тяги двигателя (Н) к объемному расходу топлива (л/с).
28
симальной дальности полета ракеты или доставки максимально
возможного полезного груза на заданную высоту (орбиту).
И то и другое при оценке эффективности топлив определяется
в итоге максимальной скоростью ракеты в конце активного
участка траектории ее полета, по окончании работы двигателя.
Эта скорость на основании известного уравнения Циолковского
может быть найдена по формуле [4]:
"max = §Руд In A + V6pt/mp) , B.6)
где Уб — объем топливных баков, м3; тР-
р* — плотность топлива, кг/м3.
¦ масса ракеты без топлива, кг;
Как видно из уравнения, максимальная скорость ракеты и,
следовательно, эффективность топлива применительно к кон-
конкретной конструкции ракеты (Уб/тр = const)' определяются
удельной тягой двигателя и плотностью топлива. Значения
максимальной (расчетной) скорости полета ракеты при исполь-
использовании топлив различных видов приведены в табл. 2.1 [4].
8 12 >6 20
Содержание Н2,%
10 15 20 25 Зи
Содержание керосина, %
265
16 20 21 28 32 36 40
Содержание НДМГ,%
Рис. 2.4. Зависимость
удельной тяги ЖРД от со-
соотношения компонентов в
топливах, образованных
разными окислителями с
водородом (а), керосином
(б) и НДМГ {в)
29
Таблица 2.1. Максимальная скорость полета ракеты для
жидких ракетных топлив [4]
Топливо
РУД'С
(Рк/Рс=25)
р, кг/мЗ
различных
"max*' м^с
^=1,0
^=2,07
Pj2_l_O2
Керосин+02
Керосин+ F2
Керосин + OF2
KepocHH + C(NO2L
Керосин + N2O4
Керосин + НЫОз
Керосин+ НСЮ4
С2Н2ОН G5%-й)+О2
322
270
290
315
245
240
216
231
235
420
1020
1380
1360
1470
1320
1350
1500
1020
1090
1950
2380
2640
2180
1970
1810
2040
1615
1930
3020
3660
4140
3360
3080
2840
3170
2100
4930
6100
6220
7200
5840
5440
5000
5500
5300
Энергетические характеристики применяемых и перспективных
двухкомпонентных ЖРТ приведены в табл. 2.2 [4, 10—12].
Из приведенных в табл. 2.2 данных следует, что наилучши-
наилучшими энергетическими свойствами (максимальной удельной тягой)
обладают топлива на основе жидкого водорода и таких окис-
окислителей, как жидкий фтор, монооксид фтора и кислород. В па-
паре с указанными и другими окислителями обеспечивают высо-
высокую удельную тягу гидриды легких металлов — лития, бериллия
и алюминия, а также сами эти металлы. Добавление последних
в горючие — жидкий водород, гидразин, керосин — может зна-
значительно улучшить энергетические свойства топлив. Ряд авто-
авторов [13] считает, что в перспективе энергетические свойства
ЖРТ будут повышены за счет создания суспензий металлов
(Li, Be, A1) в ракетных горючих. Наибольшая удельная тяга
достигается при использовании топлива, в котором окислите-
окислителем служит озон, а в качестве горючего применяют суспензию
бериллия в жидком водороде [4]. Углеводородные горючие, в
частности керосин (см. табл. 2.2), наиболее эффективно приме-
применять в паре с жидким кислородом, фтором и монооксидом фто-
фтора. По энергетическим характеристикам представляют также
интерес топлива: B5H9+F2 (или OF2), NH3+F2, N2H4+F2,
BeH2-f H2O2, A1H3+H2O2 и некоторые другие.
Энергетические свойства топлив, как уже указывалось вы-
выше, определяются не только теплотой их сгорания, но и хими-
химическим составом, а также термодинамическими свойствами про-
продуктов сгорания. Чем меньше молекулярная масса продуктов
сгорания и склонность их к диссоциации, тем эффективнее в
энергетическом отношении топливо. Например, жидкие фтор и
аммиак лучше топлива, состоящего из жидкого фтора и керо-
керосина, так как во втором случае на базе фтора и углерода в
продуктах сгорания образуются соединения CF4, C2F2, CF3, CF2,
30
Таблица 2.2. Энергетические характеристики двухкомпонентных
жидких ракетных топлив
Обозначения: О — окислитель; Г —горючее; Тк — температура в камере сгорания; Тв с —
температура в выходном сечении сопла; МП сг — молекулярная масса продуктов сгорания.
Аэрозин-50 — смесь 50% НДМГ и 50% N2H4; Хайдин — смесь 60% НДМГ и 40% N2H4;
ММГ — монометилгидразин; Тонка-250 (аминное горючее) — смесь ксилидина и три-
этнламина в соотношении 1 : 1
Горючее
н2
Керосин
N2H4
НДМГ
Аэрсзин-50
Хайдин
ВеН2
А1Н3
NH39
С2Н5ОН
н2
N2H4
НДМГ
Аэрозин-50
ММГ
Хайдин
Керосин
ВеН2
А1Н3
В5Н9
н2
N2H4
НДМГ
Тонка-250
Керосин
ВеН2
А1Н3
В5Н9
н2
Керосин
N2H4
НДМГ
ВеН2
А1Н3
В5Н9
Отношение
О : Г
4,00
2,70
0,92
1,70
1,37
1,80
1,22
0,79
2,12
1,41
1,78
5,25
1,33
2,57
2,25
2,50
2,20
4,00
1,08
1,13
3,00
6,14
1,50
3,00
4,60
4,88
2,22
1,04
3,00
7,33
6,69
2,03
3,00
1,44
0,92
2,23
тк. К
Ок
2977
3686
3406
3608
3500
3600
3352
4301
4160
3065
3411
п.сг.
ислитель О2
1355 10,08
2457 25,79
1974 20,54
2280 23,14
— —
— —
2857 19,91
3232 29,45
2969 26,25
1710 19,50
2306 24,50
Окислитель N2O4
2640
3247
3415
3353
3360
3270
3438
2831
4179
3913
1106 11,30
1703 21,53
1966 24,72
2098 —
.
— —
2016 26,86
2402 19,97
3090 30,40
2653 27,31
Окислитель HNO3
2474
3021
3147
3000
3147
3358
3993
3588
1043 12,04
1530 21,29
1746 24,38
- 26,5
1838 26,73
2816 21,82
2914 28,61
2311 25,15
Окислитель Н2О2
2419
3006
2927
3147
3205
3834
2969
1050 11,71
1745 22,67
1533 19,77
1746 24,38
2656 17,09
2707 24,23
2094
19,59
р^, кг/м3
284
1067
1065
976
— .
—
867
1312
897
890
990
353
1217
1170
—
.—
—
1295
930
1467
1084
343
1254
1223
1320
1353
1047
1496
1107
435
1341
1261
1223
980
1466
1027
с(Р/РУ-?70/1)
391
300
313
310
312
306
331
311
320
294
288
341
291
285
288
287
282
276
316
301
299
320
279
272
240
263
322
301
294
322
278
287
272
353
318
309
Продолжение
Горючее
Отношение
О:Г
Гв.с.'
п. сг.
рт, кг/мЗ
уД
с(Рк/Рс=70/1)
н2
N2H4
НДМГ
NH3
Керосин
ВеН2
А1Н3
В5Н9
Li
Be
н2
N2H4
НДМГ
Кеоосин
ВеН2
А!Н3
В5Н9
Li
Be
н2
N2H4
НДМГ
Керосин
ВеН2
А1Н3
В5Н9
Li
Be
н2
N2H4
НДМГ
Аэрозин-50
Хайдин
Керосин
ВеН2
А1Н3
В5Н9
Li
Be
н2
N2H4
НДМГ
Керосин
ВеН2
8,09
2,37
2,45
3,35
2,70
6,69
3,00
4,56
2,57
6,69
5,67
1,50
2,69
3,85
1,86
1,60
4,00
3,76
6,69
11,50
3,25
3,17
3,55
9,00
4,26
6,69
3,75
8,09
11,50
2,70
3,00
3,11
3,80
3,35
9,00
4,00
7,33
3,17
6,69
11,50
2,71
2,85
3,00
7,89
и к ]
3988
4727
4464
4568
4430
4517
5282
5080
5623
4601
Оки
3547
4047
4493
4716
3300
4340
5009
4868
4449
Оки
3814
4481
4226
4132
4406
5031
4840
5294
4507
Оки
3434
3901
3799
3820
3730
3594
4158
4675
4447
5065
4348
Оки
3705
4157
4003
3798
4252
целитель г2
1881
2777
2866
2543
2883
3620
3617
3357
3505
3677
слитель
1622
2435
2705
2670
2682
3200
3408
3040
3552
слитель
1665
2289
2301
2334
3431
3334
3085
3128
3515
слитель
1390
1832
1990
—
1951
3090
3019
2907
2829
3468
слитель
1605
2069
2170
2120
3238
12,82
21,55
23,18
19,20
25,79
24,87
28,38
24,90
24,46
30,81
OF2
11,09
20,50
21,99
22,62
18,82
27,15
24,63
26,11
32,36
N2F4
15,10
22,61
23,85
26,17
26,76
29,99
27,19
26,23
32,29
CIF3
16,78
24,35
26,95
—
—
30,03
28,52
35,64
33,43
29,19
39,12
CIF5
16,44
23,74
25,80
28,46
29,04
468
1314
1190
1180
1282
1298
1504
1199
999
1547
375
1263
1214
1339
1054
1511
1179
1097
1561
517
1105
1028
1080
1065
1193
1027
920
1190
616
1507
1381
—
—
1495
1573
1764
1493
1163
1850
605
1458
1325
1422
1481
412
364
348
359
328
355
348
361
378
323
412
346
352
352
343
327
362
340
309
364
335
321
304
336
327
334
349
311
321
295
281
287
276
260
299
288
290
320
277
343
312
298
276
315
32
Продолжение
Горючее
Отношение
О: Г
Тк. К
п. сг.
Рт, кг/мЗ
УД'
с (Рк/Рс-70/1)
А1Н3
В5Н9
Li
Be
н2
N2H4
НДМГ
Керосин
ВеН2
А1Н3
В5Н9
Li
Be
4,00
6,69
3,13
6,69
6,14
1,50
2,70
4,26
1,94
1,13
3,76
1,44
6,69
4877
4656
5219
4449
Оки
3003
3467
3657
3720
3205
4061
4242
3867
3866
3228
3059
3102
3574
с л и т е л ь
1288
1921
2114
2221
2669
2904
2930
2675
3132
33,82
31,11
28,33
37,01
C1O3F
12,85
23,09
25,89
28,47
22,42
30,56
30,32
34,98
45,30
1691
1413
1128
1762
403
1327
1288
1453
1114
1589
1239
895
1709
304
309
334
290
344
295
290
281
310
294
299
263
243
которые подвергаются сильной диссоциации с поглощением теп-
тепла (рис. 2.5) [7]. При максимальной удельной тяге в составе
продуктов сгорания топлива жидкий фтор+керосин имеется
свободный углерод твердый (Ст*) и в виде паров (Сп), не
вступающий в реакцию с фтором. Поэтому в паре с керосином
предпочтительнее применять окислитель OF2, который обеспе-
обеспечивает соединение водорода с фтором, а углерода с кислоро-
кислородом.
Таким образом, одним из требований к ракетным топливам
о?
I
О)
1
S
1
1
',о
о,'
0,01
0,001
VcFa/^
Ж/L
' 1 2
Козффициент
-—-—_
L
CgF2Г\
I
3
——_
_—-
н
А
\\
Л
4 5
I
о
о
-ё
со
со
избытка горючего
inn
JUU
во
60
40
20
о
;
-
со2
А
ч температур^
ШШж
о /
К/
/
HF
N2
2000 3000 4000 5000 6000
Температура, 1
Рис. 2.5. Состав продуктов сгорания топлива фтор-керосин:
^ктах=4262 К; Руд.тах-266 кг-с/кг
Рис. 2.6. Зависимость степени диссоциации основных продуктов сгорания ра-
ракетных топлив от температуры
3—518
33
100
Топли 6а
Рис. 2.7. Сравнительная эффективность различных топлив по показателям
Рун" и Руд («замороженное» течение; рк=20 МПа; рк/Рс = 20/1)
является минимальная степень диссоциации продуктов сгорания
в двигателе. Она зависит от температуры в камере сгорания
(рис. 2.6). Сильно диссоциируют молекулы Н2О и ССЬ, значи-
значительно меньше — HF. Высокой термической стабильностью
продуктов сгорания в определенной мере объясняется получе-
получение более высокой удельной тяги двигателя, работающего на
топливе H2+F2, по сравнению с двигателем, работающим на
топливе Н2О2. Потерю энергии топлива за счет диссоциации
продуктов сгорания можно снизить, повысив давление в камере
сгорания 1[4]. В сопле ЖРД температура продуктов сгорания
из-за расширения газов снижается, и происходит рекомбинация
диссоциированных молекул с выделением тепла*. Чем выше
степень такой рекомбинации, тем больше возрастает удельная
тяга двигателя. Это увеличение зависит от состава топлива,
температуры в камере сгорания, стабильности продуктов сго-
сгорания, энергии связей диссоциируемых молекул. Следовательно,
склонность к быстрой и возможно более полной рекомбинации
в сопле двигателя диссоциированных молекул продуктов сго-
сгорания— это тоже важное требование, которое должно предъяв-
предъявляться к ракетным топливам. Итак, продукты сгорания жидких
ракетных топлив должны иметь хорошие термодинамические
свойства, которые обусловлены малой молекулярной массой и
малым числом элементов в молекуле, низкой температурой ки-
кипения, малой степенью диссоциации в камере сгорания, а так-
также склонностью к быстрой рекомбинации в сопле двигателя.
Некоторые авторы [2, 7] считают, что эффективность ЖРТ
и их энергетические свойства должны характеризоваться не
* Различают равновесное, с полной рекомбинацией, и заморо-
замороженное, без рекомбинации, истечение продуктов сгорания из сопла.
только удельной тягой, а в ряде случаев произведением удель-
удельной тяги на удельный вес топлива: Ру/' = РудУт. По их мнению,
величина Руд" более полно отражает суммарное влияние тепло-
теплоты сгорания и удельного веса (плотности) топлива на его энер-
энергетическую эффективность. На рис. 2.7 показана сравнительная
эффективность различных топлив по этим показателям. Из
представленных данных следует, что топлива на основе кероси-
керосина в паре с жидким фтором и монооксидом фтора значительно
эффективнее, чем керосин в паре с жидким кислородом. Более
того, в ряде случаев топливо керосин — пероксид водорода мо-
может быть эффективнее топлива керосин — жидкий кислород.
Иногда для сравнительной оценки энергетических свойств топ-
топлив используют величину /Cv, названную теплоплотностью и
определяемую как произведение теплоты сгорания топлива qH
на его плотность рт [2]:
B-7)
По физико-химическому смыслу Kv представляет собой кон-
концентрацию энергии в единице объема топливных баков ракеты
и имеет размерность кДж/м3. Однако обе величины (Kv и Руд")
не получили1 широкого распространения для окончательной
оценки эффективности жидких ракетных топлив, так как на ха-
характеристики ракет различного назначения (космических, стра-
стратегических, тактических, зенитных и др.) удельная тяга и
удельный вес (плотность) топлив влияют по-разному [2].
Энергетические свойства однокомпонентных топлив сущест-
существенно хуже, чем энергетические свойства большинства извест-
известных двухкомпонентных ЖРТ (табл. 2.3). Однокомпонентные
топлива характеризуются сравнительно невысокой температурой
сгорания, в связи с чем получили наибольшее применение в па-
рогазогенераторах и ЖРД малой тяги [4]. Более низкие энер-
энергетические характеристики однокомпонентных ракетных топлив
по сравнению с двухкомпонентными в какой-то мере компенси-
компенсируются упрощением и облегчением конструкции двигательной
установки (топливной системы). Основными требованиями,
предъявляемыми к энергетическим свойствам однокомпонент-
однокомпонентных топлив с учетом специфики их использования, являются:
обеспечение максимальной удельной тяги с минимальной тем-
температурой сгорания в двигателе или максимального парообра-
Таблица 2.3. Энергетические характеристики некоторых однокомпонентных
топлив [6, 10]
Топливо
р, кг/м3
гсг, к
Нитрометан
Этиленоксид
Гидразин
Пероксид водорода
3* 35
ИЗО
884
1010
1450
2170
1277
904
1278
182
199
198
165
зования в газогенераторе при минимальной температуре разло-
разложения топлива.
Кинетические характеристики топлив. Важным в оценке эф-
эффективности топлив являются не только потенциальные энерге-
энергетические их возможности, но и то, как они реализуются в дви-
двигателе во времени, в процессе горения. Обычно различают две
фазы этого процесса: запуск и работа на установившемся ре-
режиме. Воспламенение топлива при запуске, протекание процес-
процесса его сгорания в двигателе при установившемся режиме, ус-
устойчивость сгорания и надежность (безопасность) работы дви-
двигателя— все эти факторы в значительной мере определяются
кинетическими характеристиками топлива [7].
По первой фазе горения (при запуске двигателя) жидкие
ракетные топлива делят на самовоспламеняющиеся и несамо-
несамовоспламеняющиеся (см. рис. 2.1). Первые предпочтительнее,
так как при их использовании проще и надежнее обеспечивает-
обеспечивается запуск двигателя. Важнейшей кинетической характеристи-
характеристикой самовоспламеняющихся топлив в первой фазе горения
является период задержки самовоспламенения (ПЗС). Он опре-
определяется промежутком времени от начала впрыска компонентов
ракетного топлива, т. е. поступления первых капель топлива, в
камеру сгорания двигателя до момента самовоспламенения
топлива. Это время должно быть минимальным, исключающим
опасность взрыва топливной смеси в двигателе и обеспечиваю-
обеспечивающим плавное нарастание давления в камере сгорания без возник-
возникновения опасных колебаний. От периода задержки самовоспла-
самовоспламенения т зависит максимальное давление Ртах в камере сго-
сгорания при запуске двигателя. Чтобы избежать опасных пиков
давления при запуске ЖРД необходимо соблюдать следующее
условие [7]:
Лпах/Лс « (Т/ТК) (G;/Gcp) , B.8)
где Рк — среднее давление в камере сгорания при установившемся режиме
горения, МПа; тк — время пребывания топлива в камере сгорания, с; G/,
Gcp — секундный расход топлива соответственно при пуске и установив-
установившемся режиме горения, кг/с.
Существуют различные методы определения периода за-
задержки самовоспламенения топлив: чашечный, капельный,
струйный, на установке с микродвигателем, на натурном ЖРД
[8]. Простейший из них — чашечный; он основан на смешении
компонентов ракетного топлива в открытой чашке и фиксиро-
фиксировании времени от момента смешения компонентов до появления
пламени. При капельном методе измеряется время с момента
касания падающей капли одного компонента поверхности капли
другого до появления вспышки. Струйный метод основан на
фиксировании промежутка времени от момента столкновения
струй до возникновения пламени. Этот метод в определенной
мере реализуется и в установке с микродвигателем, с помощью
которой ПЗС фиксируется как промежуток времени между
Таблица 2.4. Период задержки самовоспламенения х
при смешении горючих с азотной кислотой
Горючее
т, Ю-3 с
Горючее
т, 10-
Анилин
Ксилидин
Триэтиламин
Фурфуриловый спирт
100
53
24
20
Гидразин
Диметилгидразин
Гидрид лития
Триэтиламиноборан
3,1
4,5
1,5
2,0
впрыском компонентов ракетного топлива и началом резкого
повышения давления в камере сгорания. Период задержки са-
самовоспламенения определяют и непосредственно на натурном
ЖРД при стендовых испытаниях по осциллограммам давления
в камере сгорания.
На величину т влияют различные физические и химические
факторы: характер и степень смешения компонентов ракетного
топлива, их температура, вязкость и химический состав, давле-
давление впрыска и начальное давление в камере сгорания, катали-
каталитическое воздействие стенок камеры на процесс самовоспламе-
самовоспламенения топлива и др. Однако при прочих равных условиях пе-
период задержки самовоспламенения сильно зависит от состава
топлива. В табл. 2.4 приведены значения периода задержки са-
самовоспламенения для некоторых топлив на основе азотной кис-
кислоты и различных горючих [7]. На величину т заметно влияет
начальная температура окислителя и горючего (рис. 2.8), С по-
повышением температуры значение т уменьшается, так как при
этом возрастают скорости смешения распыленных компонентов
и предпламенных процессов реакций окисления [4]. При умень-
уменьшении давления период задержки самовоспламенения увеличи-
увеличивается. При обогащении или обеднении топливной смеси одним
из компонентов по сравнению с оптимальным составом, как
правило, т увеличивается. Одним из требований к самовоспла-
самовоспламеняющимся жидким ракетным топливам является постоянство
минимального значения периода задержки самовоспламенения
топлива при изменении состава смеси в камере сгорания.
Таким образом, для обеспечения надежного запуска двига-
двигателя необходимо, чтобы самовоспламеняющиеся топлива имели
возможно меньший период задержки самовоспламенения.
Рис. 2.8. Зависимость периода задержки g 20
самовоспламенения топлива ПЗС от тем-
температуры
Со
4U
30
20
10
1
\
N
-
1
\
1
5
^^
I I
10 15
Температура,
1
20
°С
25
37
Уменьшить его значение можно введением в топливо специаль-
специальных присадок [7].
Несамовоспламеняющиеся топлива требуют при запуске дви-
двигателя искусственного зажигания. Способы искусственного за-
зажигания разнообразны: воспламенение от искры или раскален-
раскаленной проволоки, с помощью вспомогательного заряда твердого
топлива, путем факельного зажигания или с использованием
самовоспламеняющегося пускового топлива.
Важной кинетической характеристикой несамовоспламеняю-
несамовоспламеняющихся жидких ракетных топлив является период задержки вос-
воспламенения (ПЗВ), т. е. период времени от момента поджига-
поджигания топливной смеси до ее воспламенения. Величина ПЗВ
должна быть как можно меньшей. Она зависит от многих фак-
факторов: условий смесеобразования, температуры и вязкости ком-
компонентов ракетного топлива, их испаряемости, начального дав-
давления в камере сгорания и давления впрыска, химического со-
состава топлива, характера и мощности источника зажигания.
Несамовоспламеняющиеся топлива должны иметь возможно бо-
более низкую температуру и достаточно широкие концентрацион-
концентрационные пределы воспламенения.
Во второй фазе горения жидких ракетных топлив в камере
сгорания, т. е. при установившемся режиме, кинетические ха-
характеристики топлив определяются скоростью, полнотой и ус-
устойчивостью их сгорания. Физико-химические процессы — испа-
испарение, диффузия, теплопередача, массообмен, горение и др.,—
протекающие в камере сгорания, весьма сложны, и методы ис-
исследования их очень разнообразны. Они основаны на измере-
измерении скоростей протекания процессов, давлений, температуры,
мольных концентраций и химического состава промежуточных
и конечных продуктов сгорания и ряда других параметров. Все
это в итоге используется для изучения скорости и полноты сго-
сгорания топлив.
Топлива должны сгорать в двигателе быстро, но без детона-
детонации. При прочих равных условиях это зависит и от химиче-
химической активности компонентов топлива, в частности от периода
задержки воспламенения (самовоспламенения) топлив. Скорость
и полнота сгорания топлив определяются условиями подачи
компонентов в камеру сгорания и качеством смесеобразования.
В свою очередь, они зависят от свойств компонентов ракетного
топлива и прежде всего от их вязкости, которая должна быть
минимальной и незначительно меняться с изменением темпера-
температуры. Полнота сгорания топлив определяется составом продук-
продуктов сгорания и зависит, кроме всего прочего, от коэффициента
избытка окислителя. В табл. 2.5 приведены характеристики
горения топлива кислород — бензин при разных соотношениях
компонентов [4, 14].
Из данных табл. 2.5 следует, что с увеличением содержания
окислителя в топливе кислород — бензин уменьшается концент-
концентрация СО и Н2 в продуктах сгорания и повышается концентра-
38
Таблица 2.5. Характеристика горения топлива кислород— бензин
в зависимости от его состава
Показатель
Состав топлива кислород+бензин (%)
50+50 66+34 69+31 72+28 75+25 77+23
продуктов сгорания, мол.
Состав
доли:
СО
СО2
Н2
Н2О
н
он
о2
о
Температура горения, К
Удельная тяга, с
0,455
0,023
0,383
0,125
0,000
0,000
0,000
0,000
1750
200
0,411
0,079
0,215
0,278
0,012
0,009
0,000
0,000
2860
236
0,370
0,109
0,152
0,326
0,026
0,028
0,003
0,002
3120
240
0,322
0,137
0,105
0,330
0,028
0,061
0,008
0,006
3290
242
0,243
0,180
0,057
0,325
0,025
0,104
0,028
0,016
3380
238
0,198
0,202
0,038
0,305
0,021
0,124
0,085
0,026
3400
234
ция СО2 и Н2О, растет температура в камере сгорания, а вме-
вместе с ней увеличивается диссоциация молекул СО2 и НгО с
образованием радикалов Н, ОН, СО и О. Следует отметить, что
максимум удельной тяги наблюдается при соотношении кисло-
рода и бензина, равном ^2,6:1. Определенная зависимость
состава продуктов сгорания и, следовательно, полноты сгорания
топлива от коэффициента избытка окислителя наблюдается и
в случае топлив кислород—керосин и фтор—водород (рис. 2.9).
Важной кинетической характеристикой жидких ракетных
топлив является склонность к неустойчивому (вибрационному)
§.* то
0,1 0,2
_6
y/
7
- 4
- v
- /
7/i
_^—¦—
•^^'—"~
~~ M
Г ид
/
/
1 1 1
-T"
->"
—s;
1
HF
\
\
i
-да
_L_L
\
Л
V
/
m
20
/4
0,2
i 2
Коэффициент избытка окислителя
0,4 0,6 0,8101,215
Рис. 2.9. Зависимость равновесного состава продуктов сгорания, температу-
температуры горения (Т) и молекулярной массы (М) от коэффициента избытка окис-
окислителя:
а — для топлива керосин — кислород
фтор ( давление 2МПа,
(давление 10 МПа); б — для топлива водород —
—давление 20 МПа)
39
ск:
2
1
1
xx s о
НеустойчивоеуУстой чибое
_ горение / ^горение о
?,0\ 5* ~ 7 I Рис. 2.10. Зависимость устойчивого го-
горения топлива фурфуриловый спирт —
азотная кислота от коэффициента из-
избытка окислителя и соотношения дав-
давления Рк/Рк (ном.)
горению. На устойчивость горе-
5 osL,^ L_ L—J ния ракетного топлива в двига-
о 0,50, 0,75 1,00 теле влияют не только свойства
Соотношение рк:рк(ноп) топлива, но и режим работы дви-
двигателя, форма и размеры камеры
сгорания [7]. При низкочастотных колебаниях для каждого
топлива существует область устойчивого режима горения, за-
зависящая от периода задержки воспламенения (самовоспламе-
(самовоспламенения) топлива. Устойчивость горения топлива определяется
также коэффициентом избытка окислителя и давлением в ка-
камере сгорания Рк (рис. 2.10). Каждому значению коэффициен-
коэффициента избытка окислителя соответствует предельное давление в
камере сгорания, ниже которого возникают низкочастотные ко-
колебания [4, 7]. Улучшение воспламеняемости топлива и увели-
увеличение скорости его сгорания способствуют повышению устойчи-
устойчивости горения топлив в двигателе.
Высокочастотные колебания в ЖРД также в значительной
мере зависят от состава и свойств топлива, хотя природа воз-
возникновения этих колебаний изучена в меньшей степени, чем
природа низкочастотных колебаний. При высокочастотной
A000—12 000 Гц) неустойчивости горения топлив амплитуды
колебаний могут достигать опасных значений и приводить к
разрушению двигателя. Указанная неустойчивость горения
определяется термодинамическими и гидродинамическими усло-
условиями в двигателе, она увеличивается с ростом удельной тяги
и давления в камере сгорания. Замечено, что при малых добав-
добавках в топливо антидетонаторов, тормозящих локальные цепные
реакции взрывного горения, устойчивость горения повышается
[4]. На стабильность горения топлив в ЖРД влияют порядок
зажигания, величина опережения подачи компонентов, их на-
начальная температура, мощность источника зажигания и другие
факторы.
Таким образом, одним из требований к ракетным топливам
является минимальная их склонность к неустойчивому горению
в двигателе как низкочастотному, так и высокочастотному.
Разработчики ЖРД, как правило, решают проблему устойчиво-
устойчивости горения топлив конструктивно, каждый раз отрабатывая
новый двигатель для конкретной топливной пары.
Охлаждающие свойства компонентов топлива. Для надеж-
надежной работы двигателя необходимо обеспечить достаточно эф-
эффективное охлаждение стенок камеры сгорания, так как в от-
относительно небольшом ее объеме быстро сгорает значительное
количество топлива и температура достигает 3000—5000 К, а
40
давление газов — десятков МПа. Ни один металл не выдержи-
выдерживает подобных тепловых и механических нагрузок без охлаж-
охлаждения. Поэтому во всех ЖРД (кроме двигателей малой тяги)
конструкция камеры сгорания предусматривает охлаждающую
рубашку, через которую пропускают один из компонентов топ-
топлива, как правило, горючее (регенеративное охлаждение).
Окислители редко используют в качестве охлаждающего агента
из-за их коррозионной активности. Перепад температур на
стенке камеры сгорания может достигать 500—600 °С, а мощ-
мощность тепловых потоков через нее — свыше 5-Ю6 Вт/м2 [6].
Компоненты топлива, употребляемые для охлаждения каме-
камеры сгорания ЖРД, должны отвечать дополнительным требова-
требованиям. Прежде всего, они должны быть термически стабильны-
стабильными, не разлагаться и не образовывать отложений на горячей
стенке, так как это может резко уменьшить теплоотдачу к жид-
жидкости и вызвать прогар стенки камеры сгорания. В охлаждаю-
охлаждающем компоненте топлива не должны присутствовать примеси,
способные в условиях каталитического действия нагретых по-
поверхностей, а также в результате пленочного кипения охлаж-
охлаждающей жидкости образовывать на указанной поверхности
твердые отложения (углерод, смолы, неорганические соли и др.)
с большим термическим сопротивлением. Температура кипения
охлаждающего компонента должна быть достаточно высокой.
Охлаждающая способность компонентов ракетного топлива
в конкретном двигателе может быть оценена с помощью кри-
критерия Nu [7]:
Nu = 0,027-5^.-^_j2_ 9 B.9>
где w — скорость течения жидкости в канале, м/с; D — диаметр (условный)
сечения канала рубашки охлаждения; рг, ср, X и ц,—плотность, удельная теп-
теплоемкость, коэффициент теплопроводности и вязкость топлива соответст-
соответственно (размерности, те же, что и в табл. 2.6).
Чем больше величина Nu, тем лучше обеспечивается тепло-
теплоотдача через стенку камеры сгорания. Следовательно, охлаж-
охлаждающий компонент топлива должен иметь возможно большие
плотность, теплоемкость и теплопроводность и меньшую вяз-
вязкость. При этом максимальное влияние на теплообмен оказы-
оказывают плотность и теплопроводность жидкости [7]. В табл. 2.6
приведены значения основных параметров компонентов ракет-
ракетных топлив, влияющих на их охлаждающие свойства. Охлаж-
Охлаждающие свойства лучше у жидкостей (КРТ) с большей скры-
скрытой теплотой парообразования, что особенно проявляется в слу-
случае пленочного охлаждения стенок камеры сгорания.
Другие требования к ракетным топливам. Непосредственно-
Непосредственному использованию топлива по прямому назначению в двига-
двигателе предшествует ряд этапов передвижения компонентов ра-
ракетных топлив от заводов-изготовителей до двигателя ракеты.
На этом пути компоненты топлива неоднократно перекачивают,
4:1
Таблица 2.6. Т епло физические характеристики компонентов
ракетного
Компонент
топлива
н2
NH3
Керосин
С2Н5ОН
N?H4
ндмг
Анилин
Ксилидин
Триэтил-
амин
о2
Оз
F2
OF2
HNO3
N2O4
Н2О2
C1F3
топлива*
т
1 кип»
К
20,4
239,8
—
351,7
386,7
354
457,6
490,2
362,5
90,2
162,6
85,2
128,4
359,0
294,2
423,7
284,9
р, кг/мя
71B0,4)
680B39,8)
800B98)
785B98)
1011B88)
808B88)
1012B98)
980B88)
723B98)
1142(91)
1571(90)
1509(85,2)
1530A28,4)
1520B83)
1450B93)
1448B93)
1770C10)
A, мПа-с
Г о р ючi
0,013B0)
0,255B39,6)
1,63B88)
1,42B93)
0,97B93)
2,0B93)
6,6B83)
4,9B88)
0,35B98)
кДжДкг-К)
ie
9,75B0)
4,4B13)
2,1B93)
2,6B93)
3,1C00)
2,7B93)
2,0B83)
—
1,9B93)
Окислители
0,87(90)
1,55(93)
0,26(85)
0,29A26)
2,0B69)
0,44B88)
1,30B91)
3,9C03)
1,7(91)
0,8(90)
1,5(86)
0,7A26)
1,75B93)
1,5B93)
2,4B93)
1,25B78)
* В скобках указаны абсолютные температуры (К).
К Вт/(м-К)
0,066A00)
0,050B73)
0,156B73)
0,167B93)
0,209B93)
0,209B98)
0,174B90)
0,186B94)
0,121B93)
0,021(95)
—
0,024B73)
—
0,274B83)
—
0,628C20)
—
Скрытая
теплота па-
рообразова-
рообразования,
1кДж/мол;ь
0,92
23,4
—
38,5
42,7
35,2
44,4
45,6
31,4
6,7
10,9
6,3
11,1
30,4
38,1
54,4
- 35,9
их транспортируют и хранят, заправляют ими баки ракет. И на
всех стадиях компоненты топлив должны сохранить свои свой-
свойства и отвечать предъявляемым к ним требованиям. В связи с
этим к качеству топлив предъявляют дополнительные эксплуа-
эксплуатационные требования [2, 6, 7].
Прежде всего они должны сохранять физическую и хими-
химическую стабильность в реальных условиях эксплуатации, не
изменять качества ни по одному показателю в большей степе-
степени, чем это допускается соответствующей нормативно-техниче-
нормативно-технической документацией (ГОСТ, ТУ и др.). Криогенные компонен-
компоненты ракетного топлива — жидкие водород, кислород, фтор, мо-
монооксид фтора — физически нестабильны и не могут длитель-
длительное время храниться вследствие значительных потерь от испа-
испарения. При испарении в жидких кислороде и водороде посте-
ленно накапливаются нежелательные примеси, делающие ука-
указанные компоненты опасными для применения.
Высококипящие компоненты топлив — четырехокись азота,
окислители на основе азотной кислоты, пероксид водорода, три-
фторид хлора, керосин, гидразин, «ес^ш-диметилгидразин, амин-
ное горючее и некоторые другие — достаточно стабильны. Они
могут долго храниться как в складских резервуарах, так и в
баках ракет. Азотная кислота, пероксид водорода и гидразин
42
химически недостаточно стабильны, поэтому в них добавляют
стабилизирующие компоненты (или присадки), которые обес-
обеспечивают их длительное хранение.
Компоненты ракетных топлив должны иметь возможно
более низкую температуру замерзания (застывания) и более
высокую температуру кипения, что существенно облегчает их
хранение, транспортирование и перекачивание, а также заправ-
заправку ими ракет.
Важным эксплуатационным требованием является взрыво-
безопасность ракетных топлив. Именно из-за взрывоопасное™
не нашли распространения многие однокомпонентные топлива,
а также окислители — озон, тетранитрометан, хлорная кислота,
ряд высокоэнергетических горючих. Высококонцентрированный
пероксид водорода, хотя и взрывоопасен — склонен при опре-
определенных условиях к спонтанному термическому и каталитиче-
каталитическому разложению, но благодаря добавке стабилизаторов и
соблюдению требуемых правил обращения с ним ведет себя как
весьма стабильный продукт. Жидкий водород опасен в обра-
обращении вследствие широких концентрационных пределов воспла-
воспламеняемости и взрываемости его паров в воздухе.
К жидким ракетным топливам предъявляют также требова-
требования минимального воздействия на конструкционные материа-
материалы— металлы, резины, пластмассы. Компоненты ракетного топ-
топлива не должны вызывать коррозии металлов и сплавов, из
которых изготавливают топливные системы ракет и технические
средства хранения, транспортирования и перекачивания (за-
(заправки) окислителей и горючих. В противном случае в резуль-
результате коррозии металлов не только снижается прочность конст-
конструкций и нарушается их герметичность, но могут образовывать-
образовываться твердые и растворимые продукты коррозии. Последние, по-
попадая непосредственно в компоненты топлива, могут приводить
r нарушениям режима работы жидкостных ракетных двигате-
двигателей, особенно двигателей малой тяги. Применение агрессивных
компонентов топлива вызывает необходимость использования
дорогостоящих некорродирующих материалов, в частности вы-
высоколегированных сталей, что значительно удорожает стои-
стоимость ракет и технических средств. Жидкие ракетные топлива,
должны быть возможно менее опасными в обращении.
Компоненты топлива не должны быть токсичными. Приме-
Применение сильноядовитых и агрессивных окислителей и горючих
существенно затрудняет эксплуатацию ракетной техники. Из-за
высокой токсичности и агрессивности до сих пор не нашли ши-
широкого применения жидкие фтор и монооксид фтора, озон, пен-
таборан, гидрид бериллия и др., несмотря на их энергетические
преимущества. Особой осторожности при работе требуют гид-
разинные горючие и окислители на основе азотной кислоты и
четырехокиси азота. К малотоксичным продуктам относятся
жидкий кислород, керосин и другие углеводородные горючие,
пероксид водорода.
43
Наконец, жидкие ракетные топлива должны быть достаточно
дешевыми, обеспеченными необходимой сырьевой и производ-
производственной базой. Этим требованияц наиболее удовлетворяет
такая топливная пара, как жидкий кислород — керосин.
Анализ и практика эксплуатации жидкостных ракетных дви-
двигателей показывают, что нет идеального топлива, полностью
отвечающего всем требованиям, изложенным выше. Поэтому в
каждом конкретном случае следует оценивать, какие свойства
топлива являются важнейшими для данных специфических ус-
условий его применения, и исходя из этого выбирать топливо и
разрабатывать необходимые мероприятия для его рациональ-
рационального использования, т. е. решать соответствующие химмотоло-
гические задачи.
Глава 3
СОСТАВ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ОКИСЛИТЕЛЕЙ
Применяемые в ракетной технике окислители различаются
между собой как по составу, так и по физико-химическим и
эксплуатационным свойствам. Эти различия сказываются, есте-
естественно, и на свойствах ракетного топлива в целом, тем более,
что количество окислителя в топливе, как правило, значительно
превышает количество в нем горючего. Как было отмечено в
разд. 2.1, окислители по химической природе делят на кисло-
кислородные, азотные, фторные и хлорные.
В качестве ракетных окислителей в данной главе рассмат-
рассматриваются: жидкие кислород и озон, пероксид водорода, четы-
рехокись азота, окислители на основе азотной кислоты, тетрани-
трометан, фтор, монооксид фтора и трифторид хлора. В суще-
существующих жидкостных ракетных двигателях широко применяют
топлива, окислительным элементом в которых служит кисло-
кислород [4, 10, 16, 17].
3.1. СОСТАВ И СВОЙСТВА КИСЛОРОДНЫХ ОКИСЛИТЕЛЕЙ
3.1.1. ЖИДКИЙ КИСЛОРОД
Жидкий кислород был первым окислителем, который нашел
применение в ракетной технике. Он же — один из основных
окислителей и в настоящее время. Великий русский ученый
К. Э. Циолковский еще в 1903 г. указывал, что топливо, со-
состоящее из жидкого водорода и жидкого кислорода, является
наиболее эффективным топливом для ракетных двигателей. Ра-
44
кетные топлива, в которых в качестве окислителя используют
жидкий кислород, имеют высокую теплоту сгорания, что объяс-
объясняется практически 100%-м содержанием реакционноспособно-
го кислорода в окислителе.
Жидкий кислород имеет низкую вязкость и высокую испа-
испаряемость, и это обеспечивает хорошее смесеобразование его с
горючим. Кислород нетоксичен и некоррозионно-агрессивен к
конструкционным материалам. Однако жидкий кислород имеет
относительно невысокую плотность и низкую температуру ки-
кипения, что является существенным недостатком его как компо-
компонента ракетного топлива при хранении и применении з жидко-
фазных ракетных двигателях.
В ракетной технике применяют жидкий кислород с мини-
минимальным содержанием примесей. Так, согласно спецификации
США MIL-P-25508D (AF) содержание примесей в жидком кис-
кислороде не должно превышать 0,5% (в основном азота и арго-
аргона), содержание диоксида углерода не нормируется [4]. В Со-
Советском Союзе жидкий кислород для различных областей тех-
техники выпускают по ГОСТ 6331—78 (табл. 3.1). Отсутствие в
жидком кислороде ацетилена и масла обусловливается мерами
безопасности.
В промышленных масштабах жидкий кислород получают из
атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения. Внача-
Вначале очищают воздух от различных примесей, затем путем чере-
чередующегося сжатия, охлаждения и расширения переводят его в
жидкое состояние и подвергают низкотемпературной ректифи-
ректификации.
При этом из жидкого воздуха (т. кип.— 83 К, или —190 °С)
испаряется практически весь азот (т. кип. 77,3 К, или —196 °С)
и остается жидкий кислород (т. кип. 90,18 К, или —183°С).
Таблица 3.1. Содержание основного вещества и примесей
в жидком кислороде по ГОСТ 6331—78.
Показатель
Норма для кислорода
технического* медицинского
Содержание О2, % (об.), не менее 99,7/99,5 99,5
Содержание ацетилена Отсутствие
Содержание СО2 в 1 л жидкого кис- 2,5/3,0 3,0
лорода, мл, не более
Содержание СО Не нормируется Должен выдержи-
выдерживать испытания
(отсутствие)
Содержание масла Должен выдерживать испытание по
ГОСТ (практическое отсутствие)
Содержание влаги и механических Отсутствие
примесей
* В числителе — для кислорода 1-го сорта, в знаменателе — 2-го сорта.
45
^стан(9вки, на которых получают жидкий кислород, рабо-
работаю^, п0 следующим схемам:
К С1/ановка высокого давления с поршневым детандером,,
на ^отор^и отводится 50—70% перерабатываемого воздуха
(щцл Ге14ландта);
^ -ановки низкого давления с расширением воздуха в
тур0одет.1ндере (цикл Капицы);
<\\ КО]/дбинированные схемы низкого давления с использо-
использован*^ циркуляционного холодильного цикла среднего давле-
давления и рас'/ширения газа (азота) в турбодетандере.
^)бщи]^ для всех в03ДУХ0РазДелительных установок являет-
является Г{олуч(?ние вначале жидкого воздуха, последующее разделе-
разделение его на кислород и азот и выделение инертных газов.
^Кидк*1** кислород представляет собой бледно-синюю проз-
рач^ую жидкость, которая при температуре кристаллизации
затд|рде1зает в виде кристаллов синего цвета гексагональной
Ф°Ркы с*сновные физические свойства кислорода [18—21]:
лоь, кг/м3:
газа при нормальных условиях 1,331
жидкости при температуре кипения 1142
кристаллов при температуре кристалли- 1460
зации
о 5кость жидкости при температуре кипе- 0,189
\ мПа-с
т" шература, К (°С)
кипения при 0,1 МПа 90,18(—182,98)
кристаллизации при 151,9 Па 54,36(—218,7)
п раметры критического состояния:
температура, К (°С) 154,78(—118,84)
давление, МПа 5,004
ди?лектрическая проницаемость жидкости 1,491
у >льная теплота, кДж/кг:
испарения 212
плавления 13,9
у ;льная теплоемкость, кДж/(кг-К)
газа при нормальных условиях 0,91
жидкости при температуре кипения 1,7
тгп?ффициент теплопроводности, Вт/(м-К)
14 газа при 293 К B0 °С) 2,57-10~2
жидкости при 98 К (—195°С) 19,35-10~2
I>jpH ^спарении 1 л жидкого кислорода образуется 800 л
газо»обра:;ного кислорода (при нормальных условиях). Давление
насЧпден1ЫХ паР0В кислорода (р, Па) в интервале температур
70—^jqq jv можно рассчитать из уравнения [22]:
lgp= 15,6524— 469,150/Г—2,7391Г + 0,1155р/Г2. C.1)
Kja pj|C. 3.1 представлена зависимость давления насыщенных
паРсЬв и ялотн°сти жидкого кислорода от температуры.
ЕьастБфимость газообразного кислорода в воде невелика:
при ч атмссферном давлении и 293 К в 1 л воды растворяется
31 Счмз о- Кислород хорошо поглощается некоторыми тверды-
твердыми погл)тителями, например платиновой чернью или древес-
46
Рис. 3.1. Зависимость плотности и дав-
давления насыщенных паров жидкого
кислорода от температуры
ным углем; при 123 К 1 объем
серебра поглощает около 22 объ-
объемов кислорода. При охлажде-
охлаждении металла весь поглощенный
кислород выделяется [23].
Присутствующие в воздухе
диоксид углерода, ацетилен, во-
вода и Другие соединения имеют
относительно малую раствори-
растворимость в жидком кислороде; они
могут попасть в жидкий кисло-
кислород лишь при его производстве.
1300
1260 ~
I
§ 1180-
mo\
-220-200-160 -160 -140-120
Температура^С
При длительном хранении жидкого кислорода происходит его
испарение, и концентрация этих примесей повышается. Из пе-
пересыщенного раствора могут выпадать кристаллы диоксида уг-
углерода или ацетилена, что может стать причиной забивки топ-
топливных фильтров технических средств при заправке ракет. Ана-
Аналогичные трудности возникают при попадании влаги в жидкий
кислород, которая также образует кристаллы льда, плавающие
на поверхности жидкого кислорода, так как они имеют более
низкую плотность.
Растворимость диоксида углерода в жидком кислороде со-
составляет около 6-10~4%, а ацетилена — 4-10~6%. В промышлен-
промышленности стремятся выпускать жидкий кислород с содержанием
СОг ниже предела его растворимости и практически с отсутст-
отсутствием ацетилена и влаги. Наличие ацетилена в продукте и его
концентрирование в жидком кислороде способствует созданию
опасной концентрации ацетилена и в определенных условиях
приводит к взрыву [4, 20, 23].
При смешении жидкого кислорода с органическими вещест-
веществами возможно их охлаждение ш замораживание. Подобные
смеси взрывоопасны и чувствительны к внешнему воздействию.
Наличие масла в жидком кислороде недопустимо. Масло и
продукты его разложения могут попасть в жидкий кислород из
компрессоров в результате воздействия высокого давления и
повышенных температур (продукты крекинга масла). Оно мо-
может накапливаться в оборудовании и резервуарах, если не про-
проводить профилактического обезжиривания [22, 24].
Кислород — сильный окислитель; он образует соединения
со всеми химическими элементами, кроме инертных газов. Ско-
Скорость реакций окисления при комнатной температуре невысока,
но она резко возрастает при повышении температуры или при
применении катализаторов. Металлы и их сплавы окисляются
кислородом до соответствующих оксидов. Скорость окисления
зависит от температуры и наличия других веществ, например
воды. При низкой температуре окисление металлов резко за-
47
медляется, поэтому жидкий кислород почти не вызывает кор-
коррозии.
С водородом при нормальной температуре кислород взаимо-
взаимодействует очень медленно; при температуре выше 823 К реак-
реакция
2Н2 + О2 > 2Н2О +343,02 кДж/моль.
протекает со взрывом.
Жидкий кислород имеет низкую температуру кипения и не-
небольшую теплоту парообразования. Поэтому даже незначитель-
незначительное количество подводимого тепла вызывает испарение большо-
большого объема жидкого кислорода. Для сокращения потерь от
испарения резервуары и цистерны для жидкого кислорода
снабжены тепловой изоляцией. Наличие тепловой изоляции
обеспечивает минимальный подвод тепла к хранимой или транс-
транспортируемой жидкости. Для защиты отдельных видов оборудо-
оборудования в качестве изоляции используют обычную насыпную
(пористую) тепловую изоляцию на основе волокнистых, порош-
порошкообразных или пеноматериалов. Для изоляции трубопроводов,
стационарных и транспортных резервуаров применяют вакуум-
но-порошковую и многослойную (вакуумно-многослойную) теп-
тепловую изоляцию. Вакуумно-порошковая изоляция представляет
собой порошкообразный материал (аэрогель, перлит, кремне-
гель, а также стекловолокно), который размещают в вакууми-
рованном пространстве (остаточное давление 1,33—0,133 Па).
Потери жидкого кислорода при транспортировании в железно-
железнодорожной цистерне вместимостью 40 м3, оборудованной вакуум-
но-порошковой изоляцией, составляют 0,3% в сутки [25].
Хранение и транспортирование жидкого кислорода связано
с потерями его от испарения в результате притока тепла через
тепловую изоляцию резервуаров и цистерн. Достаточно эффек-
эффективным способом снижения потерь жидкого кислорода является
его переохлаждение до температуры ниже температуры кипе-
кипения жидкого кислорода при данном давлении. Переохлаждая
жидкий кислород на 10 °С ниже температуры кипения при дан-
данном давлении, можно сократить потери от испарения на 8%
[23]. Переохлаждают кислород с помощью жидкого азота, жид-
жидкого воздуха или других газов, имеющих более низкую темпе-
температуру кипения.
Переохлаждения можно достичь путем создания вакуума
над поверхностью жидкого кислорода или резкого снижения из-
избыточного давления в резервуаре с жидким кислородом. Оба
эти способа малопригодны, так как связаны с большим газооб-
газообразованием при создании вакуума и снижении давления до ат-
атмосферного при сливе продукта [25].
Жидкий кислород обладает свойством перегреваться. Пере-
Перегрев с последующим внезапным вскипанием жидкого кислорода
и повышением давления наблюдается в хорошо изолированных:
48
сосудах с гладкими стенками. Однако на практике заметного
перегрева не происходит, так как на стенках сосуда( всегда
имеются очаги парообразования. Пузырьки газа барботируют
через слой жидкого кислорода, способствуя перемешиванию
продукта и выравниванию температуры [23].
При конструировании оборудования для хранения и транс-
транспортирования жидкого кислорода учитывают свойства конст-
конструкционных материалов при низких температурах, которые су-
существенно изменяются при контакте их с жидким кислородом.
Так, медь, алюминий, никель и аустенитные стали с пониже-
понижением температуры сохраняют пластичность; у них увеличива-
увеличиваются пределы текучести и прочности, повышается твердость и
уменьшается ударная вязкость. Цинк, ферритные стали, чугун
и вольфрам при низких температурах становятся хрупкими.
Наиболее распространенными конструкционными материала-
материалами, сохраняющими ударную вязкость в соответствующих пре-
пределах при низких температурах, являются легированные стали,
алюминий и его сплавы, из которых обычно изготавливают
средства хранения, транспортирования и перекачивания жидко-
жидкого кислорода. Механические свойства цветных металлов и спла-
сплавов улучшаются с понижением температуры; особенно это ха-
характерно для меди и ее сплавов, которые наряду с алюминием
и его сплавами широко используют в условиях низких темпе-
температур.
Из неметаллических материалов для работы в среде жид-
жидкого кислорода применяют пластмассы, обладающие малой
плотностью, низкой теплопроводностью и коррозионной стой-
стойкостью. При уменьшении температуры вязкость и пластичность
большинства пластмасс понижается, а прочность и твердость
возрастают.
Из многих видов пластмасс только политетрафторэтилен
(фторопласт-4) обладает наибольшей пластичностью даже при
температуре жидкого гелия. Для герметизации оборудования
употребляют также пластмассы на основе фторированных угле-
углеводородов — политрифторхлорэтилен (Kel-F). Текстолит, гени-
такс и стеклопластик сохраняют высокие механические свойст-
свойства при низких температурах. Неметаллические материалы ис-
используют главным образом для изготовления быстроизнаши-
быстроизнашивающихся узлов и деталей с трущимися поверхностями, раз-
различных уплотнительных колец, прокладок и т. п.
При обращении с жидким кислородом следует соблюдать меры предо-
предосторожности. Во избежание низкотемпературных ожогов нельзя допускать
попадания жидкого кислорода или холодного газа на открытые участки те-
тела и в глаза. Необходимо избегать всяческих контактов с кипящей и раз-
разбрызгиваемой жидкостью. При попадании жидкого кислорода на тело сле-
следует немедленно промыть водой пораженное место. Запрещается прика-
прикасаться к холодным деталям оборудования, неизолированным арматуре и
трубопроводам и т. д. При работе с жидким кислородом запрещается ку-
курить и создавать источники огня вблизи резервуаров, кислородопроводов и
другого оборудования для хранения и транспортирования продукта. После
4—518 49
работы с жидким кислородом следует тщательно проветривать одежду; не
допускать работы с применением открытого огня при концентрации кислоро-
кислорода в воздухе более 21% (об.) и контролировать его содержание в окружа-
окружающей среде [25].
Во время хранения и транспортирования жидкого кислоро-
кислорода возможны проливы окислителя. При отсутствии источников
воспламенения проливы жидкого кислорода в основном не
опасны, так как пролитый окислитель очень быстро испаряется.
При значительных объемах (несколько сотен литров) пролито-
пролитого жидкого кислорода на землю грунт замерзает, и над этим
участком образуется облако из конденсированных паров влаги
и кристаллов льда, которое после испарения почти мгновенно
рассеивается. При хранении и переливании жидкого кислорода
могут накапливаться заряды статического электричества. Это-
Этому способствует содержание в жидком кислороде твердых при-
примесей [20]. Чтобы снять статическое электричество, стационар-
стационарные и транспортные резервуары с жидким кислородом надежно
заземляют.
Одна из причин взрывов резервуаров и оборудования для
жидкого кислорода — концентрирование в них взрывоопасных
примесей. Самыми опасными для жидкого кислорода являются
газообразные ацетилен, кислородсодержащие углеводороды,
сероуглерод, алканы и алкены, пары и капли масла, продуктов
термического разложения масла в цилиндрах поршневых
компрессоров ([23]. В смеси с жидким кислородом взрывоопас-
взрывоопасны все углеводороды, но наибольшую опасность представляет
ацетилен [26].
3.1.2. ОЗОН
Жидкий озон Оз рассматривается как один из возможных
окислителей ракетных топлив. По энергетическим характеристи-
характеристикам он относится к очень эффективным окислителям и зачи-
тельно эффективнее жидкого кислорода. Известно, что жидкий
озон в паре с жидким водородом дает большую удельную тягу,
чем жидкий фтор.
Озон является аллотропическим видоизменением кислорода,
и при нормальной температуре и давлении он представляет
собой газ бледно-фиолетового цвета. В природе озон находится
в высоких слоях атмосферы, где он образуется из кислорода
под действием солнечной радиации.
Основное свойство, определяющее специфику физических
и химических свойств озона, — большая энергия, выделяющая-
выделяющаяся при его разложении:
2О3 >- ЗО2 + 289 кДж/моль.
В связи с этим озон характеризуется нестабильностью и силь-
сильным окислительным действием. Благодаря высокой избыточной
50
энергии он является исключительно взрывоопасным соедине-
соединением. Его можно стабилизировать растворением во фториро-
фторированных углеводородах (фреонах).
Озоно-кислородные смеси взрываются в широком интервале
концентраций — от 100 до 20%. Работы при концентрациях
озона 0—15% считаются безопасными, так как в этой области
концентрации взрывного разложения не происходит [10, 14].
При температуре—111,9 °С газообразный озон сжижается
и превращается в темно-синюю жидкость плотностью 1460 кг/м3.
Теплота испарения жидкого озона при температуре кипения
(—111,9°С) равна 151,94 кДж/моль; при температуре —192,7°С
жидкий озон затвердевает в виде темно-фиолетовых кристал-
кристаллов.
Озон получают из кислорода при спокойном (без искр)
электрическом заряде в озонаторах; выход озона составляет
10-15%.
Жидкий озон очень реакционноспособен. С ним совместимы
алюминий, его сплавы, легированные стали, титан, стекло (пи-
рекс) и тефлон. Озон высокотоксичен, предельно допустимое
содержание его в воздухе производственных помещений состав-
составляет 0,1 мг/м3.
Жидкий озон как ракетный окислитель не применяют из-за
его взрывоопасное™. При определенных условиях можно до-
добавлять озон к жидкому кислороду, и такая смесь имеет луч-
лучшие энергетические свойства. Растворы в кислороде с концент-
концентрацией озона до 24% не взрываются, но испарение более легко-
кипящего кислорода и переобогащение жидкости озоном могут
повысить взрывоопасность смеси [4, 10, 14].
3.1.3. ПЕРОКСИД ВОДОРОДА
Пероксид водорода впервые был предложен для использова-
использования в жидкостных ракетных двигателях в 1930 г. в Советском
Союзе. Синтез этого соединения не представляет большой тех-
технической проблемы. Высококонцентрированные водные раство-
растворы пероксида водорода широко применяют и как однокомпо-
нентное жидкое ракетное топливо, и как окислитель в двухком-
понентном топливе, и в качестве источника получения парогаза
для привода турбонасосного агрегата двигательных установок
ракет [4]. В паре с керосином пероксид водорода образует не-
несамовоспламеняющееся ракетное топливо, используемое в жид-
жидкостных ракетных двигателях. Перспективны топлива на основе
пероксида водорода в паре с пентабораном и гидридом берил-
бериллия [10]. Однако эксплуатационные трудности при применении
пероксида водорода осложняют широкое использование этого
ракетного окислителя.
Пероксид водорода Н2О2 — нестабильное соединение и имеет
склонность к самопроизвольному распаду на воду и кислород
4* . 51
Рис. 3.2. Зависимость объемного (/) и
массового B) состава, теоретической
температуры парогаза C) и теплового
эффекта реакции D) разложения Н2О2
от его концентрации
65 70 75 80 85 30 95 100
Концентрация Н2О2, %
с выделением тепла:
Н2О2(ж) -»- Н2О(ж) + 0,5О2 + 98,И кДж/моль,
Н2О2(ж) > Н2О(г) + 0,5О2 + 53,77 кДж/моль,
Н2О2(г) > Н2О(г) + 0,5О2+ 100,42 кДж/моль.
При этом выделяется 47% от массы Н2О2 реакционноактивного
кислорода, который вместе с парами воды образует парогаз с
температурой 1263—1273 К. Процесс разложения пероксида во-
водорода можно катализировать перманганатом калия или нат-
натрия, диоксидом марганца, солями и оксидом железа, медью,
серебром и рядом других веществ. Если скорость разложения
90%-го пероксида водорода составляет примерно 1% в год при
температуре 303 К, то, применяя катализаторы, можно добить-
добиться быстрого разложения Н2О2 в объеме. Так, за 1 с полностью
разлагается 1 кг Н2О2 с помощью перманганата калия в сосуде
объемом 1 л. Скорость разложения Н2О2 зависит от темпера-
температуры: с повышением последней она возрастает примерно в
2 раза на каждые 10°С. Термическое разложение пероксида
водорода с использованием катализаторов (как правило, твер-
твердых) используют для получения парогаза, необходимого для
приведения в действие турбонасосного агрегата ракет (служа-
(служащего для подачи топлива в двигательную установку) [10, 14].
Характеристики такого парогаза приведены на рис. 3.2.
В ракетной технике широкое распространение получил кон-
концентрированный пероксид водорода — 80—85%-й концентрации
[4]. В промышленных масштабах его получают преимуществен-
преимущественно антрахинонным методом (^90% производства Н2О2) [4, 9].
Этот метод основан на реакции восстановления алкилантрахи-
нона (этил-, бутил- или пентилантрахинона) до алкилгидроан-
трахинона и последующем окислении его кислородом воздуха
с образованием пероксида водорода и исходного антрахинона:
О
Катализатор
+ н2о2
о
52
Восстановление осуществляется в присутствии палладиево-
го катализатора (иногда к палладию добавляют от 3 до 30%
иридия или от 0,1 до 50% других металлов для повышения се-
селективности процесса).
Растворы пероксида водорода обычно концентрируют (до
30—50%) фракционной вакуумной дистилляцией (ректифика-
(ректификацией) при давлении 0,027 МПа. Высококонцентрированные
растворы, более 90% И2О2, получают двухстадийной перегон-
перегонкой при давлении 0,006 МПа. В процессе перегонки пероксид
водорода очищают от примесей и добавляют в него ингибиторы
коррозии и стабилизаторы разложения.
Производство пероксида водорода антрахинонным методом
на 20—30% дешевле по сравнению с электрохимическим спо-
способом получения, основанном на электролизе серной кислоты
или сульфата аммония. Существуют и другие методы получе-
получения пероксида водорода. Например, по изопропиловому методу
окисляют изопропиловый спирт кислородом воздуха до перок-
пероксида водорода и ацетона [27].
Пероксид водорода представляет собой бесцветную проз-
прозрачную жидкость. Высококонцентрированные растворы имеют
запах, напоминающий запах оксидов азота слабой концентра-
концентрации. Молекулярная масса Н2О2 равна 34,016. Физические свой-
свойства пероксида водорода различной концентрации приведены
в табл. 3.2 [3, 10, 14, 28].
Плотность пероксида водорода увеличивается с повышением
концентрации Н2О2 и уменьшается с ростом температуры для
данной концентрации Н2О2. Соответствующие зависимости плот-
плотности от температуры приведены на рис. 3.3 [28].
При понижении температуры ниже температуры кристалли-
кристаллизации из 90—95%-й Н2О2 выделяются кристаллы — твердая
фаза, и это осложняет применение пероксида водорода при
низких температурах, так как требуется тепловая изоляция.
Таблица 3.2. Физические свойства пероксида водорода
Показатель
Плотность при 293 К, кг/м3
Вязкость при 293 К, мПа-с
Температура, К:
кипения (с разложением)
кристаллизации
Коэффициент преломления
Поверхностное натяжение, мН/м
Теплота, кДж/моль:
разложения
плавления при 272,7 К
растворения в воде при 298 К
Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К)
Концентрация Н2О2, %
80
1341
1,26
416,0
248,2
—
75,3
96,8
—
—
2,7
90
1391
1,26
414,3
261,5
1,398
75,5
97,5
—
—
2,4
98
1437
1,25
421,6
270,7
—
75,6
—
—
—
2,4
100
1450
1,25
423,2
272,6
1,414
75,7
98,1
9,7
3,2
2,4
53
На рис. 3.4 представлена диаграмма фазового состояния систе-
системы Н2О2—Н2О, из которой следует, что наиболее низкая тем-
температура кристаллизации (—52,2 и —56,1°С) у растворов, со-
содержащих 45,2 и 61,2% Н2О2. Низкую температуру кристалли-
кристаллизации связывают с образованием гидратов Н2О2-2Н2О. С по-
помощью добавок нитрата аммония можно понизить температуру
кристаллизации высококонцентрированного пероксида водоро-
водорода, например, для 92%-ного Н2О2 снизить ее с —9,1 до — 32 °С.
Однако при этом получается раствор, состоящий из 40%
NH4NO3h60% H2O2.
Растворы пероксида водорода склонны к переохлаждению
на 10—20 °С. Степень переохлаждения зависит от многих фак-
1450
1350
1300
1250\
I
1200
1100
1050
кюо\ [
о
10 15 20 25
Температура, °С
30
100
30
во
60
30
20
10
35 40
Рис. 3.3. Зависимость плотности пероксида водорода от содержания Н2О2 и
температуры
54
Рис. 3.4. Диаграмма фазового состоя-
ния системы Н2О2—Н2О °°
С
торов, и в том числе от чистоты |*
продукта. Переохлажденный пер- §.
g"-4fl-
-60
20 40 60 80 WO
Содержание Н2О2,%
оксид водорода нестабилен и мо-
может мгновенно затвердеть.
Давление насыщенных паров
высококонцентрированного перо-
пероксида водорода сравнительно
низкое, что является достоинством его как ракетного окисли-
окислителя.
Пероксид водорода — высокореакционное соединение и в
зависимости от условий может вступать в реакции окисления,
присоединения, восстановления или переноса пероксидного ра-
радикала. Он является очень слабой кислотой. При диссоциации
такой кислоты по реакции
Н2О2
HCV
концентрация свободных ионов несколько выше, чем у воды.
Константа диссоциации Н2О2 равна 2,4-10~~12 при 293 К, с во-
водой смешивается в любых соотношениях, это относится и к во-
водорастворимым органическим соединениям (спирт, кислоты,
кетоны и т. п.).
Пероксид водорода способен окислять и восстанавливать,
например:
Н2О2 + 2Fe2+ -f 2H+ -<—^ 2Fe3++2H2O (окисление),
2КМпО4 + 5Н2О2 + 3H2SO4 >
>» 2MnSO4 + K2SO4 + 8Н2° + 5О2 (восстановление).
Органические соединения обычно спокойно взаимодействуют
с Н2О2, но под влиянием катализаторов они могут детониро-
детонировать. Многие металлы растворяются в пероксиде водорода с
получением соответствующего гидроксида [10]. Различные при-
примеси (пыль, зола, соли тяжелых металлов, оксиды железа),
которые могут попасть в продукт при производстве и в эксплуа-
эксплуатационных условиях, вызывают разложение Н2О2. На скорость
разложения влияет и рН раствора: кислые растворы пероксида
водорода более устойчивы к разложению, чем нейтральные и
щелочные. Разложение Н2О2 происходит под действием темпе-
температуры, солнечного света, ультрафиолетовых лучей, радиации
и озона [10]. Скорость разложения зависит от наличия катали-
каталитических примесей и температуры. Например, скорость разло-
разложения пероксида водорода 90%-й концентрации высокой чис-
чистоты в зависимости от температуры следующая [14]: при 30 °С—
1% в год, при 66 °С— 1% в неделю, при 100°С —2% в сутки.
Механизм и скорость разложения различны в зависимости
от условий протекания реакции разложения. В паровой фазе
начальной стадией является разрыв связи 0—0 в молекуле
55
пероксида водорода, который сопровождается цепными реак-
реакциями [28]:
н2о2 —* 2но., -он + н2о2 —>• ноо. + н2о,
ноо. + н2о2 —>• .он + н2о2 + о2.
Для протекания реакций, в которых участвуют свободные
радикалы, вероятно, не требуется энергия активации или же
она очень мала. Реакции заканчиваются одной или нескольки-
несколькими стадиями обрыва цепи:
2НО. + М Н2О2 + М, 2НОО. + М > Н2О2 + О2 + М,
•он + ноо. + м —> н2о + о2 + м.
Здесь М — стенка, молекула инертного газа или молекула
пероксида водорода, действующие как третье тело [10]. Реак-
Реакция является полностью гетерогенной до 400°С или частично
гомогенной при температурах выше 425 °С. Изучение разложе-
разложения пероксида водорода в жидкой фазе показывает, что этот
процесс оказывается преимущественно гетерогенным.
При хранении скорость разложения пероксида водорода
обусловлена в основном гетерогенной реакцией на стенках ре-
резервуара или бака, на что указывает значительное влияние от-
отношения поверхности бака к его объему (S/V). Чем оно мень-
меньше, тем ниже скорость разложения пероксида водорода, так как
меньше поверхность контакта с материалом резервуара (ба-
(бака) по отношению к хранимому объему продукта.
Пероксид водорода высокой чистоты, свободный от катали-
каталитических примесей, находящийся в сосуде из каталитически
пассивного материала, — весьма стойкий продукт. Снижение
концентрации Н2О2 до 90—95% при хранении в таком сосуде
при температуре ниже 30 °С составляет примерно 0,5% чв год
[4]. Для удаления каталитических примесей резервуары, пред-
предназначенные для хранения пероксида водорода, подвергают
специальной обработке — пассивации.
В целях повышения стойкости к разложению пероксида во-
водорода в него при промышленном производстве добавляют ста-
стабилизаторы. В качестве стабилизаторов применяют фосфорную
и пирофосфорную кислоты и их соли, фториды, борную, оловян-
оловянную, уксусную, щавелевую кислоты, гидрооксихинолин, ацето-
анилид и др. [28]. Наиболее распространены в качестве стаби-
стабилизаторов ортофосфорная кислота, станнаты и пирофосфаты
натрия, которые обычно добавляют в количестве 0,01—0,03 кг
на 1 м3 Н2О2 [14, 28]. Следует отметить, что стабилизаторы не
универсальны: они ослабляют действие какого-либо одного
иона металла. Так, действие иона меди ослабляется станнатом
натрия, а ионов хрома — ортофосфорной кислотой. Механизм
действия стабилизаторов основан на удалении указанных ионов
в виде солей, или дезактивации катализаторов разложения
Н2О2 за счет адсорбции, или образования комплексных соеди-
соединений, каталитически не активных [14].
56
При контакте с пероксидом водорода ряд материалов, в
том числе и алюминий высокой чистоты, подвергается корро-
коррозии из-за наличия в продукте примесей хлоридов и сульфатов
(они попадают в пероксид водорода при его производстве). По-
Поэтому в товарный продукт вводят (в количестве до 0,05 кг на
1 м3 Н2О2) ингибиторы коррозии — нитраты аммония, натрия,
калия и других металлов, ионы которых не разлагают продукт
[28].
Высокая чистота концентрированного пероксида водорода в
сочетании со стабилизаторами и специальная обработка (пас-
(пассивация) резервуаров — необходимые условия для обеспечения
стабильности Н2О2 при хранении. Совместимость пероксида
водорода с различными конструкционными материалами неоди-
неодинакова. Одним из наиболее пассивных металлов по отношению
к пероксиду водорода является алюминий высокой чистоты
(99,6% А1) с минимальным содержанием меди. Сплавы алю-
алюминия с содержанием меди более 0,06% непригодны для изго-
изготовления технических средств хранения высококонцентрирован-
высококонцентрированного пероксида водорода. Для кратковременного контакта с
продуктом (не более 4 ч при 71 °С или в течение одной недели
при 21 °С) можно использовать алюминиевые сплавы, олово,
хромоникелевую сталь, полиэтилен. Инертны по отношению к
пероксиду водорода кварц, боросиликатное стекло (пирекс) и
тефлон (фторопласт) [28J. Серебро, платина, хром, медь, желе-
железо, свинец являются сильными катализаторами разложения
пероксида водорода (табл. 3.3).
Высококонцентрированный пероксид водорода — вещество
относительно опасное в обращении. Пары его токсичны, а кон-
концентрированные растворы при попадании на кожу могут вызы-
вызывать сильные ожоги. Пары пероксида водорода раздражают
дыхательные пути, глаза. С большими объемами пероксида во-
водорода следует работать в защитной одежде из полиэтилена
или дикрона. Для защиты глаз необходимо пользоваться очка-
очками или масками. Концентрированный пероксид водорода не го-
горит, но может быть причиной пожара при соприкосновении с
горючим материалом, особенно если последний загрязнен
Таблица 3.3. Скорость разложения 90%-го пероксида водорода
при различном содержании примесей металлов [4]
Примесь
металла
Содержание
примеси,
мг/л
Скорость
разложения
Н2О2 при
373 К, %/сут
Примесь
металла
Содержание
примеси,
мг/л
Скорость
разложения
Н2О2 при
373 К, %/сут
Без примеси
Алюминий
Олово
Цинк
—
10
10
10
2
2
2
Ю
Железо
Хром
Медь
Медь
1,0
0,1
0,1
0,01
15
96
85
24
57
пылью, ржавчиной, цементом или действует как катализатор
разложения Н2О2.
В смеси с органическими жидкостями — спиртами, бензо-
бензолом, кетонами, гликолями и др. — пероксид водорода взрыво-
взрывоопасен; такие смеси чувствительны к детонации или нагрева-
нагреванию.
Взрывоопасные концентрации пероксида водорода — более
26% (об.)—создаются в непроветриваемых закрытых помеще-
помещениях. Однако при строгом соблюдении условий правильного об-
обращения пероксид водорода — относительно стабильный и бе-
безопасный продукт. Как окислитель ракетного топлива он пред-
представляет интерес благодаря своей малой токсичности.
3.2. СОСТАВ И СВОЙСТВА АЗОТНЫХ ОКИСЛИТЕЛЕЙ
3.2.1. АЗОТНОКИСЛОТНЫЕ ОКИСЛИТЕЛИ
К азотнокислотным окислителям относятся азотная кислота
и ее смеси с четырехокисью азота. Эти окислители были пред-
предложены еще в 1930—1931 гг. В. П. Глушко. Азотнокислотные
окислители являются долгохранимыми компонентами ракетно-
ракетного топлива, имеют низкую стоимость и широкую промышлен-
промышленную базу, они способны самовоспламеняться со многими горю-
горючими.
Азотная кислота и оксиды азота известны и применяются
давно в различных отраслях техники. Ресурсы азотнокислот-
ных окислителей практически не ограничены. Азотная промыш-
промышленность достаточно сильно развита во многих странах [4, 29].
По количеству выделяемого кислорода F3,5% от массы хи-
химически чистой кислоты) и по физическим свойствам азотная
кислота является сильным окислителем. Основные недостатки
этого окислителя — коррозионная агрессивность и токсичность,
а также относительно невысокие энергетические показатели (в
сравнении с жидким кислородом).
В ракетной технике используют два типа азотнокислотных
окислителей: белую и красную дымящие азотные кислоты. Пер-
Первая представляет собой техническую азотную кислоту с кон-
концентрацией HNO3 не менее 97,4%, а вторая — смесь азотной
кислоты с четырехокисью азота. Состав этих окислителей, со-
согласно спецификации США MIL-N-7254E [4, 10] дан в табл. 3.4.
Сорта IA, IIIA и ШВ содержат небольшое количество HF в
качестве ингибитора коррозии. На поверхности металлов фто-
фторид водорода образует защитную пленку, предотвращающую
коррозию.
Введение в азотную кислоту четырехокиси азота (красная
дымящая кислота) улучшает ее свойства как окислителя ра-
ракетного топлива. Так, смеси азотной кислоты и четырехокиси
азота, содержащие 15—30% N2O4, имеют по сравнению с азот-
азотной кислотой более высокую плотность (до 1600 кг/м3), более
58
Таблица ЗА. Состав азотнокислотных окислителей
Наименование и сорт
окислителя
Содержание,
HNO3
N2O4
Н2О
HF
сухой
остаток
Белая дымящая азотная
кислота (БДАК)
Сорт I 97,4 <0,5
Сорт IA 96,6 То же
Красная дымящая азотная
кислота (КДАК)
Сорт III 82,4-85,5 13-15
Сорт ША 81,6—84,9 13—15
Сорт ШВ 81,6—84,9 13—15
<2,0
То же
0,6—0,8 То же
j g 2 5
1'5—2!5 0,6—0,
1,5—2,5 0,6-0,
8 To же
8 <0,04
низкую температуру замерзания (до —70 °С) и содержат не-
несколько больше активного кислорода для окисления горючего;
кроме того, они менее агрессивны, чем сама азотная кислота
[17].
Основной метод получения азотной кислоты — каталитиче-
каталитическое окисление аммиака. Безводный аммиак смешивают с на-
нагретым сжатым воздухом и пропускают над платиновым ката-
катализатором при температуре 1273 К A000 °С). Аммиак при
окислении воздухом превращается вначале в оксид азота NO,
который окисляется затем до NO2 и N2O4. Азотную кислоту по-
получают гидратированием оксидов NO2 и N2O4 в поглотительной
колонне. Образующуюся 60—65%-ю азотную кислоту концент-
концентрируют химическим методом в автоклаве. Для получения крас-
красной дымящей азотной кислоты в колонну вводят N2O4 или NO2
[4, Ю, 29J.
Жидкие оксиды азота используют для получения концентри-
концентрированной азотной кислоты путем доокисления смеси оксидов
азота и слабой азотной кислоты при 70—85 °С и давлении
2,5—6,0 МПа:
2N2O4 + 2Н2О + О2 > 4HNO3.
Таким способом можно получить азотную кислоту любой
концентрации с расчетным содержанием оксидов азота.
Чистая безводная азотная кислота неустойчива и разлага-
разлагается при.обычных температурах по реакции
2HNO3 > 2NO2 + H2O +0,5O2.
На рис. 3.5 показана скорость разложения концентрирован-
концентрированной A00%-й азотной кислоты при 349 К G6°С) и разном соот-
соотношении паровой и жидкой фаз. Скорость разложения азотной
кислоты зависит от содержания в ней оксидов азота и воды.
Энергия активации при разложении азотной кислоты состав-
составляет 117,2—121,4 кДж/моль [4]. При увеличении содержания
воды и оксидов азота в ней скорость разложения понижается.
Установлено, что дымящая азотная кислота достаточно ста-
59
Рис. 3.5. Скорость разложения концентри-
концентрированной азотной кислоты при 349 К я
различном соотношении жидкой и паровой
фаз (цифры у кривых)
бильиа при содержании 12—14%
NO2 и 2,0-^3,5% Н2О [29]. С увели-
увеличением содержания оксидов азота
в кислоте повышаются энергетиче-
энергетические характеристики окислителя.
Физические свойства окислите-
окислителей на основе азотной кислоты пред-
представлены в табл. 3.5 [4, 14].
Плотность азотной кислоты в
температурном интервале от —30
до +50 °С можно рассчитать по
формуле [4, 10]:
р= 1549,2—1,83*,
где р — плотность HNO3, кг/м3; t — темпера-
температура, °С.
Плотность жидкой HNO3 возрастает с повышением давле-
давления. Плотность азотнокислотных окислителей растет с увели-
увеличением в них содержания оксидов азота и уменьшением содер-
содержания воды (рис. 3.6) [4, 6].
Четырехокись азота N2O4 хорошо растворяется в азотной
кислоте до определенной концентрации, выше которой система
расслаивается. Предельная растворимость N2O4 в азотной кис-
кислоте зависит от температуры: при 18—20°С она составляет
55% [3].
Таблица 3.5. Физические свойства окислителей на основе азотной кислоты
10
20
Время f ч
Показатель
Азотная кислота
безводная
белая ды-
дымящая
красная
дымящая
Плотность при 293 К, кг/м3
Температура, К:
кипения
кристаллизации
Вязкость при 293 К, мПа-с
Давление насыщенных паров при
293 К, кПа
Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К)
Коэффициент теплопроводности при
297 К, Вт/(м-К)
Удельная электрическая проводи-
проводимость при 288 К, См/м
1509
357,3
231,6
0,80
48
1,78
B93 К)
1505
359,5
229,2
0,86
58,7
1,77
C11 К)
0,28
2,2
1560
333,
219,2
1,37
3 0
1,78
C11 К>
3 ,5
Примечание. Свойства окислителей приведены для следующих составов: 97,5%.
HNO3, 0,5% NO2, 2% Н2О A) и 84%: HNO3, 14% NO2, 2% Н2О B).
60
О 0,4 0,8 .1,1 1fi W 2/f 2,8 3,2 3,6 -4,0 4,4 4,5
Удержание Н2о,%
Рис. 3.6. Зависимость плотности окислителя от его состава при содержании
17-30% N2O4
Растворяясь в кислоте, N2O4 частично диссоциирует с обра-
образованием NO2, которая и придает бурую окраску окислителю.
При растворении чет&рехокиси азота в азотной кислоте
снижается температура кристаллизации смеси и увеличивается
ее плотность, что важно ;ля повышения эффективности ракет-
ракетного топлива. При этом 'южно получить окислитель с низкой
температурой кристаллизации —ниже минус 60 °С. Так, при
содержании 18% N2O4 и $2% HNO3 раствор затвердевает при
—73°С, а при 30% N2O4H 70% HNO3 —уже при — 58,5°С
(рис. 3.7).
Зависимость плотности окислителя, содержащего 20% N2Ob
от температуры выражается уравнением [30]:
Р=!J0+ 1,7B0—0,
где р20 — плотность окислителя при 20 °С, кг/м3; / — температура, °С.
18
16
6 12
X
| /о
4
-
Рис. 3.7. Зависимость температуры за-
затвердевания окислителя от содержания
N2O4 и воды
С водой азотная кислота сме-
смешивается в любых соотношениях,
при этом выделяется большое
количество тепла. На рис. 3.8
представлена диаграмма кри-
кристаллизации системы HNO3—
Н20. Как видно из диаграммы, в
растворе образуются тригидрат
HNO3-3H2O E3,8% HNO3) с
температурой кристаллизации
—18 °С и гидрат НШз-Н2О
G7,8% HNO3), температура
кристаллизации которого —38 °С.
Т
0 4 8 12 16 20 2^ 28
Содержание N2O4,%
Трем эвтектическим точкам
(—66, —42 и —43 °С) соответствуют концентрации HNO3
89, 95, 77,5 и 32,7%.
Давление насыщенных паров окислителя возрастает с по-
повышением температуры, увеличением содержания оксидов азо-
азота и уменьшением содержания воды. Имеются эмпирические
формулы и таблицы, с помощью которых можно вычислить дав-
давление насыщенных паров окислителя в зависимости от его со-
состава и температуры [14, 29, 31].
С увеличением содержания оксидов азота в окислителе по-
повышается давление его насыщенных паров и снижается тем-
температура кипения. Так, при содержании 40% N2O4 и 1% Н2О
температура кипения такого окислителя составляет 45°С. Счи-
Считается, что азотная кислота, содержащая 20—30% оксидов азо-
азота, стабильна при хранении и не выделяет кислорода, который
повышает давление в герметически закрытых баках при раз-
разложении азотной кислоты. Для отдельных космических объек-
объектов целесообразно при-
применять азотнокислот-
ный окислитель, со-
содержащий 44% N2O4
и имеющий макси-
максимальную плотность
1650кг/м3 при 20°С[4].
Окислители на ос-
основе азотной кислоты
очень реакционноспо-
-70
Рис. 3.8. Диаграмма крис-
кристаллизации водных раство-
1 Cl^l^iri^JUU.liXX UVy/^lXJJl/v J
п Ш 20 30 tO 50 60 70 80 90 100 роз азотной кислоты:
Содержание HNO3 ? % / _ hno3-h2o (tb)+hno3 (tb)
Рис. 3.9. Зависимость скорости коррозии алюми-
алюминия от содержания азотной кислоты при раз-
различной температуре
0,036
0,032
0028
0,№
собны; они окисляют многие органичес-
органические вещества, могут воспламенять дре-
древесину и целлюлозные материалы. При § 0020
контакте с этими окислителями само- |
воспламеняются «есиле-диметилгидразин, ILfl/^
гидразин и аминное горючее. С аминным ^ ^
горючим смеси HNO3—N2O4 могут вы- «§ ' N
зывать детонационное горение. ^
Высокая коррозионная активность
азотнокислотных окислителей затрудня-
затрудняет их применение. Кроме того, они гиг-
гигроскопичны. Система HNO3—N2O4—Н2О
взаимодействует с большинством метал-
металлов, и особенно с железом, медью и их
сплавами, хотя ингибиторы коррозии снижают коррозионное
воздействие этой системы. При взаимодействии азотнокислот-
азотнокислотных окислителей с металлами образуются нитраты металлов,
вода и диоксид азота. Этот процесс в отсутствие ингибиторов
протекает по реакции
М + 2HNO3 > пЫО2 + nH2O + M(NO3)fi.
О 20 40 60 80
Содержание
Образующиеся в результате коррозии соли загрязняют окис-
окислитель. Под действием азотной кислоты разрушаются средства
ее хранения и транспортирования [4, 33].
Ряд металлов и сплавов относительно стоек к воздействию
окислителей на основе азотной кислоты. К ним относятся, на-
например, алюминий и его сплавы, хромоникелевые легирован-
легированные стали. Слабое взаимодействие этих металлов и сплавов
объясняется образованием на их поверхности под действием
концентрированной азотной кислоты труднорастворимой оксид-
оксидной пленки, которая защищает металлы. Скорость коррозии
металлов увеличивается с повышением температуры и содер-
содержания воды в окислителе. Так, по отношению к алюминию
наибольшей активностью обладает окислитель, в котором со-
содержится ^70% Н2О (рис. 3.9). Скорость коррозии алюминия
увеличивается в 1,5—3 раза при повышении температуры на
каждые 10°С [4, 6].
Для снижения скорости коррозии к окислителю добавляют
ингибиторы, причем количество вводимых добавок строго рег-
регламентируется. Под действием ингибиторов на поверхности за-
защищаемого металла формируется тонкая пленка малораствори-
малорастворимых в окислителе солей — продуктов взаимодействия ингибито-
ингибитора коррозии с металлом. В качестве ингибиторов применяют
фторид водорода, иод и его соединения, ортофосфорную и сер-
серную кислоты и др. [4, 10, 14, 32].
63-
Проведенными исследованиями [32] было установлено, что
в системе НЫОз—N2O4—Н2О присутствуют следующие ионы и
молекулы: NO+, NO2+ NO3~, Н2О, HNO3, NO2, N2O4, HNO3-H2O.
Ионы N0+ и N03" образуются при диссоциации молекул N2O4
в красной дымящей азотной кислоте.
Добавление в окислитель до 1 % HF снижает скорость кор-
коррозии более чем в 100 раз. Так, скорость коррозии алюминие-
алюминиевых сплавов в ингибированном окислителе составляет в жид-
жидкой и паровой фазах 0,0025 мм в год, хромоникелевой стали —
0,05—0,08 мм в год в жидкой и 0,002—0,003 мм в год в паро-
паровой фазах. Для неингибированного окислителя аналогичные
показатели составляют 0,1 —1,2 и 0,05—0,20 мм в год для алю-
алюминиевых сплавов, 0,5—4,0 и 0,1—0,5 мм в год для хромонике-
хромоникелевой стали [4, 14]. Ингибированный азотнокислотный окисли-
окислитель можно длительно хранить в баках и резервуарах.
В ракетной технике США используют также окислитель
«НДА», состоящий из смеси N2O4 D4%) и HNO3 E6%), в ко-
которую добавляют от 0,7 до 1,0% HF [32]. Большее или меньшее
содержание фторида водорода усиливает коррозию [4, 32]. Ин-
Ингибитор HF относится к летучим соединениям, способным за-
защищать металл в жидкой и паровой фазах окислителя. Инги-
бирующее действие HF объясняется созданием на поверхности
металла малорастворимой защитной пленки фторидов метал-
металлов, растворимость которых в окислителе значительно ниже
растворимости соответствующих нитратов (рис. 3.10). Когда
фторид водорода добавляют в систему HNO3—N2O4, происхо-
происходят реакции
2HF + HNO3 > NO2+ + H3O++2F-, HF + F" > HF2",
N2O4 + HF > NOF + HNO3, NOF + H3O+ >¦ NO+ + HF + H2O.
В смеси HNO3—N2O4—HF существуют три потенциальных ли-
ганда (NO3~, H2O, F~), которые могут быть связаны с метал-
10 20 30 40
Температура, °С
3,0
^ 1,0
1 0,8
1 °>6'-
I a/
| 0,08
<з оде
go*
-
—
_
- 1 1
Fe
1 1 °
10 20 30 40 50
Температура,°С
Рис. ЗЛО. Зависимость растворимости фторидов алюминия, железа и хрома
в ингибированной красной дымящей азотной кислоте (а) и нитратов алю-
алюминия и железа в красной дымящей азотной кислоте—14% N2O4> 2%
Н2О (б)
лом. Лиганды конкурируют друг с другом, и действие каждого
проявляется конкретно к определенным металлам. Были ис-
исследованы продукты коррозии в растворе и осадках. Для алю-
алюминия, хрома и железа характерны фториды этих металлов,
в то время как для никеля — нитраты. Этим объясняется более
высокая скорость коррозии никеля в ингибированном HF окис-
окислителе, чем в неингибированной красной дымящей азотной кис-
кислоте.
Иод также относится к летучим ингибиторам. Добавка (до
0,4%) его в окислитель снижает скорость коррозии хромонике-
левой стали в 20—40 раз по сравнению с окислителем, содер-
содержащим HF [4, 32].
Ортофосфорная и серная кислоты — нелетучие ингибиторы
коррозии, и их действие проявляется^ только в жидкой фазе
окислителя. При добавках в него ортофосфорной (до 1%) или
серной E—10%) кислоты на поверхности металла образуется
защитная пленка из фосфатов или сульфатов металла, мало-
малорастворимых в окислителе. Следует отметить, что серная кис-
кислота как ингибитор коррозии ухудшает энергетические свой-
свойства окислителя, поскольку в ней отсутствует активный кисло-
кислород. Известны и другие ингибиторы коррозии [4, 14, 34].
Азотнокислотные окислители даже при наличии ингибиторов
коррозии очень реакционноспособные вещества. Поэтому алюми-
алюминий и его сплавы рекомендуется применять в контакте с этими
окислителями при температурах не выше 50 °С. Легированные
хромоникелевые стали пригодны для более высоких темпера-
температур. Из неметаллических материалов в контакте с окислителя-
окислителями на основе азотной кислоты используют фторопласты, стек-
стеклоткань, полиэтилен, асбест, керамику [10, 14, 29]. Выбор неме-
неметаллических материалов, как и металлов, весьма ограничен,
так как дымящая азотная кислота разрушает большинство
неметаллических материалов (резину, текстиль, дерево и т. д.).
При работе с азотнокислотными окислителями следует учи-
учитывать воздействие фторида водорода на стекло и материалы,
содержащие кремний:
SiO2 + 4HF >- SiF4 + 2Н2О.
Поэтому во избежание разрушения металла не рекомендуется
контакт окислителя, содержащего HF, со стеклом или деталя-
деталями, содержащими кремний.
С водой азотнокислотные окислители смешиваются в любых
соотношениях. Однако разбавленные водой азотнокислотные окис-
окислители являются сильными электролитами, причем при разбав-
разбавлении увеличивается степень диссоциации молекул азотной
кислоты и повышается интенсивность электрохимической кор-
коррозии [16]. Обводнение окислителя (содержание воды более5%)
приводит к появлению в нем осадка солей — продуктов корро-
коррозии контактируемого металла — и к уменьшению прочностных
характеристик бака или резервуара, где находится данный
5—518 65
окислитель. Все эти особенности следует учитывать при приме-
применении окислителей.
Азотнокислотные окислители не горят, но поддерживают
горение; они нечувствительны к удару и детонации. Пары же
окислителя образуют с парами горючего в закрытых объектах
взрывоопасную смесь. С гидразином, ксилидином и рядом дру-
других горючих окислитель образует самовоспламеняющиеся сме-
смеси. Окислители на основе азотной кислоты — высокотоксичные,
ядовитые вещества. При попадании на кожу они вызывают дол-
долго не заживающие химические ожоги. Оксиды азота раздра-
раздражают дыхательные пути и легкие. Поражение органов дыхания
обусловлено образованием азотной и азотистой кислот при сое-
соединении оксидов азота с влагой. Предельно допустимая кон-
концентрация оксидов азота в воздухе рабочей зоны составляет
5 мг/м3.
Работа с окислителями на основе азотной кислоты должна
проводиться только в защитной одежде (из кислотостойкого
материала), сапогах, перчатках и противогазе [31].
Азотнокислотные окислители относятся к высококипящим
долгохранимым окислителям. Несмотря на коррозионную агрес-
агрессивность и токсичность, эти окислители нашли широкое рас-
распространение в ракетной технике из-за низкой стоимости,
доступности и способности самовоспламеняться со многими го-
горючими.
3.2.2. ЧЕТЫРЕХОКИСЬ АЗОТА
Широкое применение в ракетной технике получила четырех-
окись азота N2O4, поскольку она имеет самое высокое содержа-
содержание кислорода из всех устойчивых оксидов азота — 66,6%.
Четырехокись азота используют в качестве ракетного окисли-
окислителя в сочетании с яесиж-диметилгидразином, метилгидразином
и Аэрозином-50. Она обеспечивает получение больших удельных
тяг, чем азотнокислотные окислители, но имеет малый темпе-
температурный диапазон жидкого состояния, что является ее суще-
существенным недостатком [10].
В США четырехокись азота используют как окислитель в
стратегических ракетах «Титан-П» и двигательных установках
космических аппаратов. Согласно
спецификации МИ-Р-26539 (США)
окислитель четырехокись азота со-
содержит не менее 99,5% N2O4 и не
более 0,1% Н2О и 0,08% NOCL
В ракетной технике США применя-
применяют также четырехокись азота с не-
Рис. 3.11. Зависимость степени диссоциа-
диссоциации N2O4 от температуры при различном
давлении
66
700
600
^500
^200
100
-
-
и
у
/
/
/
/
/
20 60 100
NO2
Степень диссоциации} %
0 40 80
N2O4
Рис. 3.12. Зависимость состава оксидов азота
в окислителе от температуры при атмосфер-
атмосферном давлении
большим (до 1%) содержанием окси-
оксида азота [10, 35].
Диоксид азота и, следовательно,
ее димер (четырехокись азота) мож-
но получить различными методами [4,
9]. Самым распространенным являет-
является промышленный метод получения
четырехокиси азота из нитрозных га-
газов, образующихся при каталитиче-
каталитическом окислении аммиака.
Четырехокись азота при темпера-
температуре выше 25 °С представляет собой
равновесную смесь оксидов азота N2O4 и NO2. Состав смеси в
сильной мере зависит от температуры и давления: с увеличе-
увеличением давления при постоянной температуре степень диссоциа-
диссоциации, N2O4 уменьшается (рис. 3.11).
При температуре ниже—11,2°С четырехокись азота превра-
превращается в бесцветные кристаллы, состоящие только из молекул
N2O4. Жидкая четырехокись азота имеет темно-бурый цвет за
счет присутствия NO2. В газовой фазе содержание NO2 возрас-
возрастает с повышением температуры (так, при 25°С N2O4 диссо-
диссоциирует на 20%, а при 140°С — практически полностью). При
температурах выше 140 °С начинается разложение NO2 по ре-
реакции: NO24^NO+0,5O2, которое завершается при 600 °С; этот
процесс обратимый ![6, 29, 31]. Зависимость состава оксидов
азота в окислителе от температуры при атмосферном давлении
представлена на рис. 3.12.
Ниже даны физико-химические свойства четырехокиси азо-
азота [4, 6, 14, 29]:
Плотность жидкости при 293 К, кг/м3 1450
Температура, К:
кипения 294,3
кристаллизации 262,0
Давление насыщенных паров при 293 К, кПа 96,5
Вязкость при 298 К, мПа-с 0,39
Параметры критического состояния:
температура, К 431,4
давление, МПа 10,1
Диэлектрическая проницаемость при 288 К 2,42
Удельная электропроводимость при 293,6 К, нСм/м 0,224
Коэффициент теплопроводности при 298 К, Вт/(м-К) 0,13
Теплота, кДж/моль:
испарения при 294,3 К 38,1
плавления при 262 К 14,6
Удельная мольная теплоемкость при 291,3 К, Дж/(моль-К) 141,3
67
tnnn РиС- 3-13'
mo g плотности
Зависимость
р, давления
насыщенных паров р и
кинематической вязко-
> сти v четырехокиси азо-
та от температуры:
рж и рг — плотности жидко-*
го и газообразного окисли-
1
-80 -40 0 40
Температцра°.С
Зависимости плотности, давления насыщенных паров и вяз-
вязкости четырехокиси азота от температуры показаны на рис. 3.13.
Плотность окислителя в интервале температур от 0 до 21,15 °С
может быть вычислена по формуле [29]:
р== 1490—2,151,
где р — плотность, кг/м3; / — температура, °С.
Зависимость давления насыщенных паров (р, Па) четырех-
четырехокиси азота от температуры (Т, К) в пределах от 253 до 293 К
(—20 до +20 °С) выражается уравнением [29]:
lgp= 14,61gr— 33,15726.
Давление насыщенных паров в указанных пределах равно
сумме парциальных давлений N2O4 и NO2. С повышением со-
содержания воды в окислителе давление насыщенных паров сни-
снижается.
Жидкая четырехокись азота и вода ограниченно взаимно
растворяются, что видно из зависимости, представленной
рис. 3.14. Так, при 0°С два жидких слоя
сооершниеЩО*, содержат 47 и 98% (масс.) N2O4. При тем-
0 56,1 77,з вдС5°954100 пеРатУРе выше 67 °с [она соответствует
L~-J—1—1— содержанию 89% (масс.) N2O4] вода и че-
четырехокись азота неограниченно, в любых
соотношениях растворяются друг в друге
[29].
Растворяясь в воде, четырехокись азота
вступает с ней во взаимодействие и обра-
образует азотную и азотистую кислоты, т. е.
представляет собой смешанный ангидрид
этих кислот. Азотистая кислота HNO2 не-
нестойка и разлагается с образованием HNO3
и N0:
-во
N2O4
3HNO,
HNO2,
Содержание П2оА9 Рис 3.14. Диаграмма растворимости
%(моп.) N2O4-H2O
системы
68
В свою очередь монооксид азота N0 окисляется до диоксида
N02 и ее димера N2O4, что способствует образованию новых
количеств коррозионно-активной азотной кислоты. Это свойст-
свойство окислителя нужно учитывать при его хранении и всячески
исключать контакт паров четырехокиси азота с влагой воздуха.
В растворе азотной кислоты четырехокись азота диссоции-
диссоциирует по уравнению N2O4^NO3~+NO+.
При пониженных температурах в таком растворе образуют-
образуются довольно стойкие соединения НМОз-^О^ При этом в систе-
системе существует равновесие. Наличие оксида азота снижает кор-
коррозионную активность N2O4. Монооксид азота N0 несколько
повышает давление насыщенных паров смеси по сравнению с
чистой N2O4 пропорционально содержанию в ней оксида в виде
триоксида азота N2O3, которая придает голубовато-зеленую
окраску окислителю. Триоксид азота получается в результате
реакции 2NO+N2O44^2N2O3.
С введением оксида азота образуется равновесная смесь
оксидов азота NO, N2O3 и N2O4.
Температуры кипения и кристаллизации четырехокиси азота
с добавлением N0 понижаются. Для окислителя с содержа-
содержанием 1% N0 они соответственно равны 18,0 и —12,6°С [10,
14]. Относительно высокая температура кристаллизации — один
из недостатков четырехокиси азота. Увеличение содержания
N0 до 25% снижает температуру кристаллизации смеси до
—55 °С, но при этом резко понижается и температура кипения
(до 2°С), что осложняет применение такого окислителя [4].
Четырехокись азота в температурном диапазоне от + 10 до
—10 °С характеризуется относительно малой вязкостью @,468—
0,599 мПа-с), т. е. примерно в 2 раза ниже, чем вязкость окис-
окислителей на основе азотной кислоты ![4, 32]. Поэтому этот окис-
окислитель легко перекачивается насосами или передавливается.
Вязкость N2O4 незначительно меняется в зависимости от темпе-
температуры: с понижением температуры вязкость несколько увели-
увеличивается.
Поверхностное натяжение составляет 27,5 мН/м при 20 °С,
что соответствует многим летучим органическим растворите-
растворителям. Удельная электрическая проводимость имеет самое низкое
значение в сравнении с удельной электрической проводимостью
любого распространенного неорганического растворителя. Че-
Четырехокись азота — плохой проводник электричества. Благода-
Благодаря такому свойству в жидкой фазе N2O4 не подвергается иони-
ионизации, а растворимость в ней неорганических соединений, в ча-
частности солей металлов, очень мала.
По значению диэлектрической проницаемости жидкая че-
четырехокись азота приближается к бензолу B,28) [32].
В выпускаемой промышленностью четырехокиси азота до-
допускается небольшое содержание воды как технологической
примеси. В такой четырехокиси азота растворяются соли ме-
69
таллов, хотя их растворимость и незначительна, например, для
нитратов железа она составляет тысячные доли процента.
Многие органические соединения хорошо растворяются в
четырехокиси азота — алифатические и ароматические углево-
углеводороды, галогеноводороды, нитрофенолы, эфиры, кетоны и др.
Смеси четырехокиси азота с растворимыми в ней органически-
органическими соединениями взрывоопасны. Олефины, спирты и бензол
активно взаимодействуют с четырехокисью азота, часто с вос-
воспламенением [3]. Взаимодействие N2O4 с гидразином и несим-
диметилгидразином происходит со взрывом. Такое топливо яв-
является самовоспламеняющимся, и его успешно используют в
ракетной технике:
N2O4 + 2N2H4 > 3N2 + 4Н2О.
В этой реакции весь имеющийся в N2O4 кислород расходуется
полностью [4]. Четырехокись азота — очень сильный окисли-
окислитель. Углерод, сера и фосфор легко сгорают в нем. Непосред-
Непосредственно взаимодействуют с N2O4 металлы: натрий, серебро,
ртуть. Металлический натрий реагирует с диоксидом азота бы-
быстро, но спокойно, образуя N0 и NaNOs [32, 36].
Большинство металлов в отсутствие в четырехокиси азота
влаги и азотной кислоты взаимодействуют с N2O4 очень слабо
благодаря пассивации их поверхности оксидными пленками
и образованию на ней плохо растворимых нитратов металлов.
Четырехокись азота окисляет металлы до нитратов при обыч-
обычной температуре, а при высоких температурах образуется смесь
нитратов и нитритов металла.
Присутствие воды (N2O4 обладает высокой гигроскопич-
гигроскопичностью) или инертных растворителей, например нитрометана,
увеличивающих диэлектрическую проницаемость среды, благо-
благоприятствует взаимодействию металла с четырехокисью азота.
Многие оксиды металлов также взаимодействуют с N2O4 с об-
образованием нитратов или нитратных комплексов. Скорость
их образования в жидком окислителе невелика [4, 32].
Основной агрессивной примесью в товарной четырехокиси
азота является азотная кислота, которая в основном и взаимо-
взаимодействует с конструкционными материалами, поэтому стремят-
стремятся ограничить содержание технологических примесей, в частно-
частности азотной кислоты и воды, до определенных пределов — 0,1%
в пересчете на Н2О. Увеличение содержания азотной кислоты
в N2O4 сопровождается значительным повышением скорости
коррозии легированных сталей и алюминия. С увеличением со-
содержания воды в N2O4 всегда повышается равновесное количе-
количество азотной кислоты и, следовательно, возрастает скорость
коррозии конструкционных материалов. Выбор металлов, кон-
контактирующих с четырехокисью азота, определяется наличием
в ней технологических примесей, образующихся при промыш-
промышленном производстве. В окислителе, содержащем не более
0,1% Н2О, стойкими являются легированная и углеродистая
70
стали, никель, алюминий и сплавы алюминия. Нестойки при
обычных температурах в условиях хранения и транспортирова-
транспортирования N2O4 — серебро, медь, цинк, кадмий и свинец. Титан и его
сплавы значительно корродируют в четырехокиси азота. Добав-
Добавление к окислителю до 1,0% N0 снижает скорость коррозии
последних и позволяет использовать их для изготовления топ-
топливных баков космических аппаратов [4]. Введение оксида азо-
азота снижает коррозионную активность четырехокиси азота и по
отношению к легированным сталям.
Известно, что между N2O4 и Н2О существует равновесие в
жидкой и газовой фазах:
2N2O4 + H2O -<—>• 2HNO3 + N2O3 (жидкость),
3NO2 + H2O -<—>¦ 2HNO3 + NO (газ).
Поэтому при введении дополнительного количества N0 равно-
равновесие смещается влево, и тем самым снижается содержание
агрессивной примеси HNO3. Скорость коррозии большинства
материалов в таком окислителе в 10 раз меньше, чем в техни-
технической четырехокиси азота. Стали не подвергаются в четырех-
четырехокиси азота межкристаллитной коррозии, питтингу и другим
видам коррозии. Образовавшаяся на поверхности пленка из ок-
оксидов металлов обладает высокой пластичностью и прочно свя-
связана с металлом. Однако существенным является накопление
твердых продуктов коррозии в окислителе — нитратов. Нали-
Наличие твердой фазы может отрицательно повлиять на работу дви-
двигательных установок, особенно космических аппаратов, у кото-
которых топливные тракты имеют малые сечения.
Четырехокись азота содержит активный кислород. В таких
окислителях ряд материалов обладает высокой стойкостью за
счет образования на их поверхности защитных оксидных пле-
пленок и сохранения этих пленок в течение всего времени контакта
с продуктом. Ближайшими аналогами N2O4 в этом отношении
являются воздух и кислород.
Для температур ниже 50 °С процесс коррозии легированной
стали представляется следующим образом [32]. При взаимо-
взаимодействии стали с N2O4 на ее поверхности формируется тонкая
оксидная пленка, которая и определяет величину стационарной
скорости коррозии. Основная же доля растворяющегося метал-
металла переходит в окислитель в виде кристаллической твердой
фазы продуктов коррозии, состоящих преимущественно из
нитратных комплексов металла типа M(NO3)/z-N2O4 (M —ме-
—металл, п — валентность металла). Так, в случае железа, хрома,
никеля и титана образуются следующие нитратные комплексы
и нитраты металлов '[36]:
(N0+)• [Fe(NO3L]-, (N0+) {[Сг(Ш8LП • N2O4,
(NO+V[Ni(NO8L]-a, Ti(NO3L.
При температурах более 200 °С эти комплексы разлагаются,
и коррозия протекает только с образованием оксидов металла в
71
виде оксидных защитных пленок или порошкообразных про-
продуктов коррозии.
При хранении четырехокиси азота в резервуарах из угле-
углеродистой стали в результате воздействия на стенки резервуара,
особенно углеродистой стали, образующаяся при этом комп-
комплексная соль NO+-[Fe(NO3L]~ может забивать фильтры, пред-
предназначенные для очистки окислителя от твердых примесей
[32J.
При взаимодействии четырехокиси азота с водными раство-
растворами гидроксида и карбоната натрия, аммиака образуются ни-
нитраты и нитриты, хорошо растворимые в воде:
N2O4 + 2NaOH >• NaNO3 + NaNO2 + H2O.
Эти щелочные растворы используют как средства для нейтра-
нейтрализации четырехокиси азота [4].
Четырехокись азота является токсичным и агрессивным ве-
веществом. При попадании на кожу человека она подобно кон-
концентрированной азотной кислоте может вызвать сильные ожо-
ожоги. Особенно опасны пары четырехокиси азота. Газообразные
оксиды азота сильно раздражают дыхательные пути и легкие,
разрушают роговицы глаз, зубы, а также оказывают общее
отравляющее действие на организм. Отравление оксидами азо-
азота имеет скрытый период действия. Предельно допустимая кон-
концентрация оксидов азота в воздухе рабочей зоны составляет
5 мг/м3 [31]; едва ощутимый запах обнаруживается при их со-
содержании, равном 10 мг/м3. Поэтому все работы с окислите-
окислителем проводят в специальной защитной одежде и противогазе.
Одежда и перчатки должны быть изготовлены из кислотостой-
кислотостойких материалов.
Четырехокись азота относится к высококипящим окислите-
окислителям. При соблюдении условий герметичности она долго сохра-
сохраняется без изменений. Обладает малой коррозионной актив-
активностью к основным конструкционным материалам, имеет дос-
достаточно высокую плотность и малую вязкость и, несмотря на
высокую токсичность и ограниченный диапазон температуры
в жидком состоянии, четырехокись азота находит достаточно
широкое применение в ракетной технике.
3.2.3. ТЕТРАНИТРОМЕТАН
В качестве ракетного окислителя, относящегося к азотным
окислителям, представляет интерес тетранитрометан С (N02L.
В его молекуле содержится большое количество активного кис-
кислорода. Тетранитрометан получают нитрованием ацетилена
азотной кислотой:
5НС=СН + 38HNO. >¦ C(NO2L + 7CO2 -f- 26О2 + 24Н2О.
Этот окислитель представляет собой тяжелую подвижную
жидкость слабо-зеленого цвета с резким запахом. По сравне-
72
нию с азотной кислотой он имеет более высокие плотность
A643 кг/м3 при температуре 293 К) и температуру кипения
C99 К), но замерзает при 287,5 К, что затрудняет его примене-
применение в эксплуатационных условиях. Вязкость тетранитрометана
при 288 К составляет 1,65 мПа-с.
Тетранитрометан по сравнению с азотной кислотой обладает
малой коррозионной активностью по отношению к алюминию
и его сплавам, а также к легированной стали.
Тетранитрометан: обладает сильными взрывчатыми свойст-
свойствами, и это его существенный недостаток. Он токсичен: продол-
продолжительное воздействие тетранитрометана на организм человека
приводит к расстройству нервной системы и сердечной деятель-
деятельности.
Тетранитрометан можно рассматривать и в качестве унитар-
унитарного топлива. При его внутримолекулярном сгорании образует-
образуется значительное количество тепла:
C(NO2L > СО2 + ЗО2 + 2N2 + 2200 кДж/кг.
При обычной температуре это — стабильное вещество; раз-
разложение начинается при 126—127 °С. Однако как унитарное
топливо его использовать сложно из-за способности взры-
взрываться.
Тетранитрометан рекомендуется применять в смеси с четы-
рехокисью азота в соотношении: C(NO2L—70% и N2O4—30%.
Такая смесь замерзает при температуре —30 °С и практически
взрывобезопасна. При этом энергетические свойства смешанно-
смешанного окислителя остаются практически такими же, как у чистого
тетранитрометана [4, 6, 14].
3.3. СОСТАВ И СВОЙСТВА ФТОРНЫХ
И ХЛОРНЫХ ОКИСЛИТЕЛЕЙ
В качестве перспективных окислителей предлагают жидкий
фтор и некоторые его соединения с кислородом, азотом и гало-
галогенами— монооксид фтора O,F2, трифторид азота NF3, тетра-
фторгидразин N^F4, трифторид хлора C1F3, пентафторид хлора
C1F5, перхлорилфторид C1O3F и др. [4, 6]. Определенный инте-
интерес как окислители представляют хлорная кислота НСЮ4 и
оксиды хлора, в частности С12О7.
3.3.1. ЖИДКИЕ ФТОР И МОНООКСИД ФТОРА
Фтор — один из наиболее реакционноспособных химических
элементов, жидкий фтор — самый сильный из всех известных
окислителей (см. гл. 2, табл. 2.2). Используя его в паре с жид-
жидким водородом, можно получить максимальную удельную тягу
двигателей. Высокоэффективными топливами являются также
такие сочетания: фтор — аммиак и фтор — гидразин.
73
Высокие энергетические свойства жидкого фтора как ракет-
ракетного окислителя известны давно, однако он так же, как и мо-
монооксид фтора, не получил широкого распространения вследст-
вследствие больших трудностей при обращении с ним. При нормаль-
нормальных условиях фтор — зеленовато-желтый газ с неприятным
резким запахом. При температуре 85,2 К он конденсируется в
жидкость желтого цвета. Фтор характеризуется следующими
физическими свойствами [4, 9]:
Молекулярная масса 38,0
Плотность, кг/м3:
газа при 273 К и 1,693
0,1 МПа
жидкости при 85,2 К 1512.7
Вязкость при 85,2 К, мПа-с 0,257
Температура, К:
кипения при 0,1 МПа 85,0
кристаллизации 53,5
Параметры критического
состояния:
температура, К 144,0
давление, МПа 55
Поверхностное натяжение 14,8
при 85,2 К, мН/м
Коэффициент преломления 1,2
Диэлектрическая проницае- 1,517
мость при 85,2 К
Коэффициент теплопровод- 0,025
ности при нормальных ус-
условиях, Вт/(м-К)
Удельная мольная теплоем-
теплоемкость, Дж/(моль-К):
жидкости при 85,2 К 58,4
кристаллов при 48 К 32,4
Теплота, кДж/моль:
испарения при 85,2 К и 6,547
0,1 МПа
плавления 0,511
Плотность жидкого фтора (р, кг/м3) в зависимости от тем-
температуры (Г, К) можно рассчитать по формуле [4, 37]:
р= 1907 — 2,201Г— 2,948- 10Г2.
Зависимость давления насыщенного пара р (мПа) жидко-
жидкого фтора от температуры (в интервале 53,5—89,4 К) имеет вид
[4, 38]:
lgp = 9,21208 — 357,258(Г— 1,3155-
Зависимости плотности, вязкости и поверхностного натяже-
натяжения жидкого фтора от температуры представлены на рис. 3.15
[39—41]. Жидкий фтор неограниченно растворим в жидком
кислороде и водороде.
Фтор взаимодействует со всеми элементами, в том числе и с
азотом. Реакция часто сопровождается воспламенением, проте-
протекает с выделением большого количества тепла. Взаимодействие
с кислородом является исключением: эта реакция эндотермиче-
эндотермическая и проходит при электрическом разряде. Бром, иод, сера,
теллур, фосфор, мышьяк, сурьма и древесный уголь самовоспла-
самовоспламеняются во фторе при обычной температуре.
Фтор, реагируя с водой, образует смеси, в которых содер-
содержится в основном кислород и фторид водорода. Иногда реак-
реакция протекает со взрывом. По этой причине недопустимо при
работе со фтором наличие влаги на контактирующей поверхно-
поверхности [42].
Фтор энергично взаимодействует со многими металлами с
образованием фторидов. Однако железо, медь, алюминий, ни-
74
-210-205 -200-135 -130-185
Теппература,°С
Рис. 3.15. Зависимость плотно-
плотности р, динамической вязкости
i"l и поверхностного натяжения
а жидкого фтора от темпера-
температуры
кель и цинк при комнат-
ной температуре практи-
чески не реагируют со
фтором, так как на их по-
поверхности образуется за-
защитная пленка фтори-
фторидов. Наибольшей стой-
стойкостью к действию фтора
обладают алюминий, маг-
магний, никель и их сплавы
[43]. При сильном нагре-
нагревании все металлы спо-
способны к сгоранию в атмо-
атмосфере фтора.
Фтор, являясь высокоактивным окислителем, бурно взаимо-
взаимодействует при комнатной температуре со многими органиче-
органическими и неорганическими веществами; реакции часто сопровож-
сопровождаются воспламенением. Это свойство делает фтор пожароопас-
пожароопасным веществом, а его невысокая теплота испарения — взрыво-
взрывоопасным в неохлажденном замкнутом пространстве (за счет
роста давления).
Фтор — один из самых токсичных окислителей. Максимально
допустимая концентрация фтора в воздухе рабочих помещений
составляет 0,2 мг/м3 [4]; предельно допустимая концентрация
фторида водорода в воздухе равна 1 мг/м3 [44]. Основные не-
недостатки фтора как окислителя — это высокая агрессивность
по отношению к конструкционным материалам и токсичность,
в том числе и продуктов сгорания. Возгоранию металлов во
фторе способствуют трение, загрязнение, а также высокое дав-
давление и большая скорость потока. Эти недостатки вызывают
большие трудности при использовании фтора в ракетной тех-
технике.
Главным сырьем для получения фтора является плавиковый
шпат (флюорит) CaF2, в котором содержится 48,7% F. При
действии серной кислоты на обогащенный плавиковый шпат,
содержащий не менее 97,7% CaF2 (кислотный плавиковый
шпат), при температуре 403 К получают фторид водорода HF.
Он и является основным источником получения фтора. Про-
Промышленные способы производства фтора основаны на электро-
электролизе расплава бифторида калия KF-HF (высокотемпературный
способ) или трифторида калия KF-2HF (среднетемпературный
способ) и фторида водорода [39].
Содержание HF в электролите при производстве фтора со-
составляет 24—26%, температура электролита 518—583 К; для
второго способа производства эти показатели соответственно
75
37—42% и 383 К. Выход фтора по току достигает 90—
. Получению жидкого фтора обычно предшествует тщатель-
очистка газообразного фтора от примесей: фторида — от 5
% (об.), дифторида кислорода, диоксида углерода, фтори-
фторидов углерода, кислорода и др.; суммарное содержание перечис-
ле^нных примесей составляет 1—3% (об.). Сжижение фтора
п^)оизводится при его охлаждении жидким азотом или возду-
воздухом. Для конденсации 1 кг фтора требуется до 10 кг жидкого
аЗ>ота [14, 45].
Фтор с кислородом образует ряд бинарных соединений—моно-
фтора OF2, диоксидифторид O2F2, триоксидифто-
O3F2» тетраоксидифторид O4F2, из которых наибольший
^ представляет монооксид фтора. Топлива на основе
ж^дкого монооксида фтора менее эффективны, чем
фПЛИва на основе жидкого фтора, но превосходят по
э(рфективности кислородные (см. гл. 2, табл. 2.2). В паре
с жидким водородом жидкий монооксид фтора, как и фтор,
0^разует топливо, обеспечивающее максимальную удельную
тя:гу, однако такое топливо имеет на 25% меньшую плот-
плотнеть, чем фтор — водород. В паре с углеводородными горю-
горючими монооксид фтора предпочтительнее жидкого фтора, так
к^к обеспечивает большую полноту сгорания топлива.
При нормальных условиях OF2—бесцветный газ с резким
с1^ецифическим запахом. Жидкий окислитель имеет бледно-
ю окраску. Основные физические свойства монооксида
[4] приведены ниже:
^^лекулярная масса 54 Параметры критического со-
i-TrfOTHOCTb жидкости при 1496 стояния:
J2$i4, кг/м3 температура, К 215,2
.температура, К: давление, МПа 4,94
кипения 128,4 Теплота образования, 25,1
кристаллизации 49,4 кДж/моль
Энергия активации,
кДж/моль 171,5
Монооксид фтора относительно стабилен и начинает мед-
медленно разлагаться при температуре выше 200 °С, взрывоопасен
глЛ, В воде OF2 растворим, но быстро гидролизуется; неогра-
^яенно растворим в жидких фторе и кислороде. В отличие от
ж^рра монооксид фтора смешивается с водородом, метаном и
оугими органическими соединениями без самовоспламенения,
J) объясняется высокой энергией активации. Со многими
ко^струкциониыми материалами взаимодействует менее энер-
И4но, чем фтор. С водой, водородом и галогенами при иниции-
0^ании искрой или нагревании реагирует со взрывом. Под
^е11ствием концентрированного гидроксида натрия или калия
а^рушается.
F Монооксид фтора — высокотоксичный продукт. Правила об-
а1дения с ним примерно те же, что и с жидким фтором.
76
Получают монооксид фтора фторированием гидроксида нат-
натрия или калия [6]:
2F2 + 2NaOH > OF2 + 2NaF + H2O.
Высокие химическая активность и токсичность, низкая тем-
температура кипения OF2 затрудняют работу с этим окислителем,
в связи с чем он пока не получил практического применения в
ракетной технике и рассматривается лишь как перспективный
окислитель.
3.3.2, ФТОРИДЫ ГАЛОГЕНОВ
Фтор с галогенами образует фториды галогенов, из которых
наибольший интерес в качестве окислителей ракетных топлив
представляют трифторид хлора CIF3, пентафторид хлора CIF5,
перхлорилфторид C1O3F и пентафторид брома BrFs. По энерге-
энергетическим показателям эти соединения уступают фтору, но они
имеют сравнительно высокую температуру кипения и низкую
температуру затвердевания, что является их преимуществом по
сравнению с жидким фтором и монооксидом фтора [4]. Эти ве-
вещества можно хранить в жидком состоянии при обычных тем-
температурах и сравнительно невысоком избыточном давлении
(доО,2МПа).
Окислители трифторид и пентафторид хлора могут заменить
в ряде случаев четырехокись азота, например в топливах для
двигательных установок космических аппаратов. Эти окисли-
окислители наиболее эффективны в паре с аминами и гидразинами
га.
Основные физические характеристики C1F3 и ClFs приведе-
приведены ниже [4]:
Молекулярная масса
Плотность, кг/м3
Температура, К:
кипения
кристаллизации
Параметры критического состояния: ч
температура, К
давление, МПа
Поверхностное натяжение при 294 К,
мН/м
Диэлектрическая пооницаемость при
298 К
Теплота, кДж/моль:
испарения
плавления
Удельная мольная теплоемкость,
Дж/(моль-К)
C1F3
92,46
1866 A0 °
285
197
443
6,3
23,1
4,3
157,7
7,6
С)
117,2 E °С)
C1F5
130,46
1863 @ ° С)
260
180
416
5,2
21,6
3,3
22,2
—
96,7 B5 °С)
Окислители в жидком состоянии окрашены: C1F3 — в зеле-
зеленовато-желтый цвет, CIF5 — в светло-желтый.
77
* 1000
g* Wo
Iе /o
- 0,45
.S0,J5
L o,jo
~ 13G0
f/550
g/800-
\1750
¦1700
Рис. 3.16. Зависимо-
Зависимость плотности р, дав-
давления насыщенных.
паров р, динамичес-
динамической вязкости г], по-
поверхностного натяже-
натяжения сг и теплоемкости
с трифторида хлора
от температуры
-д0 -40 0 40
Температура, СС
Зависимости физических свойств C1F3 и ClFs от температу-
температуры представлены на рис. 3.16 и 3.17. Оба окислителя значитель-
значительно менее активны по отношению к большинству металлов, чем
жидкие фтор и монооксид фтора. Трифторид хлора можно хра-
хранить в емкостях из обычной углеродистой стали [6]. Однако на
многие неметаллические материалы он действует сильнее, чем
жидкий фтор; большинство из них при контакте с C1F3 загора- .
ется (даже тефлон не рекомендуется применять в контакте с
ним, в потоке). В качестве прокладок используют медь, алюми-
алюминий, тефлон, пропитанный фторидом меди [4]. Трифторид хлора
менее активен по отношению к конструкционным материалам,
чем пентафторид хлора; энергетические свойства последнего
выше (см. гл. 2, табл. 2.2). Поэтому ClFs рассматривают как
более предпочтительный окислитель по сравнению с CIF3. По-
Получают трифторид хлора при взаимодействии газообразных
фтора и хлора в смеси с азотом в медном или никелевом реак-
реакторе при температуре 280 °С с последующим охлаждением сме-
смеси до —70 °С [16]. Получение пентафторида хлора основано на
реакции фтора с C1F3 при повышенных температуре и давлении
[4J.
Среди соединений фтора с галогенами определенный инте-
интерес как окислители представляют пентафторид брома BrF5 и
перхлорилфторид CIO3F. BrFs имеет большую плотность —
2470 кг/м3, сравнительно высокую температуру кипения —
C23,8 К) и достаточ-
достаточно низкую температуру
кристаллизации B12
К). По энергетическим
свойствам он пример-
примерно равноценен трифто-
риду хлора.
Рис. 3.17. Зависимость
плотности р, давления на-
насыщенных паров /?, удель-
удельной проводимости у и ди-
диэлектрической проницаемо-
проницаемости 8 пентафторида хлора
от температуры
78
-80-40 0 40 80 120 Щ
Температура, °С
го
140
ЮО
60
\—
1-
.8
§¦
г
40 Щ-
Сз
Свойства перхлорилфторида характеризуются следующими
показателями:
Плотность при 223 К, кг/м3 1700 Поверхностное натяжение 21,6
Температура, К: при 217,5 К, мН/м
кипения 226,3 Удельная мольная тепло- 0,92
кристаллизации 127 емкость при 223 К,
Теплота, кДж/моль: Дж/(моль-К)
испарения 19,3
плавления 40,7
Это стабильный продукт, который, как и C1F3, можно хра-
хранить в резервуарах из углеродистой стали. В воде C1O3F мало
растворим, гидролизуется в ней с образованием НСЮ4 и HF.
Перхлорилфторид хорошо смешивается с хлором, хлорфторуг-
леводородами, трифторидом хлора; энергично (с самовоспла-
самовоспламенением) взаимодействует с аминами, аммиаком и гидразина-
гидразинами. Безводный ClO3F пассивен по отношению ко многим ме-
металлам— стали, алюминию, меди, латуни и др., но при попада-
попадании в него влаги становится коррозионно-активным. Из неме-
неметаллических материалов стойким к нему является тефлон.
Перхлорилфторид относится к веществам средней токсич-
токсичности. Предельно допустимая концентрация его в воздухе про-
производственных помещений составляет 35 мг/м3 [4]. По энергети-
энергетическим свойствам C1O3F близок к пентафториду (см. гл. 2,
табл. 2.2).
3.3.3. ФТОРИДЫ АЗОТА
К перспективным окислителям этого класса соединений следует
отнести трифторид азота NF3 и тетрафторгидразин N^F4. Оба
окислителя — криогенные вещества. Их физические свойства
следующие [4]:
Молекулярная масса
Плотность, кг/м3
Температура, К:
кипения
кристаллизации
Параметры критического состояния:
температура, К
давление, МПа
Теплота образования, кДж/моль
NF3
72
1540 A44 К)
144,1
64,7
234
. 4,5
— 127,2
N2F4
104
1500 A73 К)
199,0
111,7
237
3,7
-8,4
Фториды азота NF3 и N2F4 по энергетическим свойствам
находятся между жидкими кислородом и монооксидом фтора
(см. гл. 2, табл. 2.2). Однако они инертнее последних по отно-
отношению к металлам, и поэтому легче решать вопросы длитель-
длительного хранения фторидов азота, например, в космических усло-
условиях. Токсичность и высокая стоимость этих окислителей пока
ограничивают их широкое распространение.
79
Фторнитрат (нитроксифторид) FNO3 известен в качестве од-
одного из сильнейших окислителей [6]. Его получают по реакции
HNO3 + F2 >> FNO3 + HF.
Жидкий FNO3 имеет плотность в 1,5 раза большую, чем
жидкий кислород. Однако фторнитрат не применяют из-за его
недостаточной стабильности и взрывоопасное™.
3.3.4. ХЛОРНАЯ КИСЛОТА И ОКСИДЫ ХЛОРА
В качестве ракетных окислителей могут быть использованы
безводная хлорная кислота НС1О4 и оксид хлора (VII) CI2O7,
характеризующиеся высокой химической активностью [6]. Соли
хлорной кислоты (хлораты и перхлораты) широко использу-
используют как окислители в смесевых твердых ракетных топливах.
Химически чистая хлорная кислота представляет собой
бесцветную, дымящую на воздухе жидкость. Большая плот-
плотность— 1770 кг/м3, низкая температура замерзания—161 К и
относительно высокая температура кипения — 383 К повышают
интерес к ее применению в ракетной технике. Однако при на-
нагревании выше 363 К хлорная кислота начинает разлагаться
с выделением тепла:
НСЮ4 > 0,25Н2О+0,5С12+1,75О2 + 65,7 кДж.
При этом продукт окрашивается — от темно-красного до корич-
коричневого цвета. Чистая хлорная кислота не обладает взрывчаты-
взрывчатыми свойствами, но при хранении в ней постепенно накаплива-
накапливаются продукты разложения, в частности СЮ2, который обладает
сильными взрывчатыми свойствами:
ЗНСЮ4 > С12О7 + НСЮ4-Н2О; С12О7 > 2С1О2 + 1 ДО2.
Разложение хлорной кислоты носит автокаталитический ха-
характер, что является одним из ее важнейших недостатков. Дру-
Другой эксплуатационный недостаток этого окислителя — сильная
гигроскопичность, приводящая к образованию гидратов и рез-
резкому повышению температуры кристаллизации; моногидрат
НСЮ4-Н2О кристаллизуется при 323 К.
При поглощении влаги резко повышается вязкость хлорной
кислоты. Органические вещества — амины, гидразины, олефи-
ны, бумага, ткани, древесина — при контакте с НСЮ4 самовос-
самовоспламеняются, иногда со взрывом. При попадании на кожу хлор-
хлорная кислота вызывает болезненные ожоги. Алюминий и леги-
легированная сталь стойки в среде хлорной кислоты, углеродистая
сталь сильно корродирует.
Оксид хлора (VII) С12О7 при обычных температурах — бес-
бесцветная жидкость, кипящая при 353 К и замерзающая при
190 К; плотность его равна примерно плотности хлорной кис-
кислоты. При хранении С12О7 заметно разлагается с образованием
СЮг и О2; в определенных условиях он тоже взрывоопасен.
80
Многие органические вещества в контакте с CI2O7 воспламеня-
воспламеняются. С водой указанный оксид образует хлорную кислоту. Не-
Несмотря на ряд недостатков, С12О7 представляет интерес как
ракетный окислитель. Его смесь с четырехокисью азота A5%)
является более эффективным окислителем, чем красная дымя-
дымящая азотная кислота [6].
Глава 4
СОСТАВ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ГОРЮЧИХ И ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ТОПЛИВ
Ракетные горючие представляют собой вещества (или смесь
веществ), способные при взаимодействии с окислителями го-
гореть с выделением тепла и газов. В качестве ракетных горю-
горючих нашли широкое распространение жидкий водород, углево-
углеводородные соединения, амины, гидразины [4, 14]. Горючие на
основе спиртов, применявшиеся на заре развития ракетной
техники, в настоящее время практически не используют из-за
их низких энергетических характеристик. В качестве перспек-
перспективных ракетных горючих рассматриваются металлизирован-
металлизированные продукты, металлорганические соединения и другие веще-
вещества.
4.1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ
4.1.1. ЖИДКИЙ ВОДОРОД
Жидкий водород в паре с жидкими кислородом и фтором по-
позволяет получить максимальные величины удельной тяги (см.
гл. 2, табл. 2.2). К настоящему времени созданы промышлен-
промышленные способы производства жидкого водорода и разработаны
соответствующие ракетные двигатели, в которых используют
это горючее, а также средства его транспортирования и хра-
хранения [46]. Б конце 60-х годов были осуществлены первые по-
полеты на Луну космических ракет, последние ступени которых
работали на жидком водороде. В космических условиях ЖРД,
работающие на жидком водороде и жидком кислороде, в 1,5—
4 раза эффективнее двигателей, использующих керосин и жид-
жидкий кислород [4]. За рубежом на жидком водороде разработа-
разработаны и применяют новые ракеты для космических полетов. Жид-
Жидкий водород получают сжижением газообразного водорода.
Жидкий водород представляет собой бесцветную прозрач-
прозрачную жидкость плотностью 73 кг/м3 при 20 К, с температурой
кипения 20,6 К и температурой кристаллизации 14,1 К. Он лег-
6-518 8!
че воды в 14 раз, топлива типа керосина — в 11 раз и несим-
диметилгидразина — в 9 раз. Ниже даны основные физические
свойства водорода [47]:
Теплота, кДж/кг Вязкость при 20 К 0,0087
сгорания (газообразно- 120160 и 0,1 МПа, мПа-с
го) низшая Коэффициент термического 0,01420
испарения при 20 К 442 расширения жидкости при
плавления при 14 К 58,6 19 К и давлении насыщеи-
Коэффициент теплопровод- 0,108 ных паров, К
ности при 294 К и 0,1 МПа; Удельная теплоемкость при 9,7
Вт/(м-К) 21,4 К, кДж/(кг-К)
В газообразном состоянии при обычных и высоких темпера-
температурах водород существует в виде двух модификаций — орто- и
параводород — при их предельном соотношении, равном 3:1
[47]. Существование двух модификаций молекулярного водо-
водорода обусловлено разной взаимной ориентацией ядерных спи-
спинов атомов и, следовательно, неодинаковыми значениями вра-
вращательных квантовых чисел. В молекулах параводорода ядер-
ядерные спины антипараллельны и вращательные квантовые числа
четные. Ортоводород имеет параллельные спины и нечетные
квантовые числа. Обе модификации водорода обладают раз-
разным количеством вращательной энергии, поэтому их теплоем-
теплоемкости, теплопроводности, давления насыщенных паров и тем-
температуры плавления несколько отличные.
При ожижении водорода происходит самопроизвольное
медленное превращение орто-парамодификаций. Наиболее
стабильный ортоводород превращается в парамодификацию
[48]. Жидкий водород, как показано ниже, практически на
100% состоит из параводорода:
Температура, К Ю 20 30 50 100 298 500
Содержание пара- 99,999 99,821 97,021 77,054 38,620 25,075 25,000
водорода, %
Теплота конверсии ортоводорода в параводород составляет
14 089,15 кДж/моль и в интервале температур 10—30 К прак-
практически не изменяется; при температурах более 90 К она замет-
заметно снижается.
Характерной особенностью жидкого водорода является за-
зависимость его физических свойств не только от температуры,
но и от давления, а также от содержания пара- и ортомоди-
фикаций. Например, зависимость плотности жидкого водорода
от давления при различных температурах представлена на
рис. 4.1, зависимость теплоемкости жидкого водорода от тем-
температуры при различных давлениях — на рис. 4.2. Наибольшие
различия в теплоемкости отмечаются при давлении 3—4 МПа.
Изменения теплоемкости водорода при постоянном давлении
82
40 80 120
Дадленив, MfJa
20 30 40 50 60 70
Температура, К
Рис. 4.1. Зависимость плотности жидкого водорода от давления при раз-
различных температурах
Рис. 4.2. Зависимость теплоемкости жидкого водорода от температуры при
различных давлениях (цифры у кривых, МПа)
(ср) и при постоянном объеме (cv) в зависимости от темпера-
температуры могут быть рассчитаны по уравнениям
ср = 6,86 + 10-6.66Г + 1О-б.о,279Г2,
Зависимости динамической вязкости, а также диэлектриче-
диэлектрической проницаемости, теплопроводности и поверхностного натя-
натяжения жидкого водорода от температуры приведены на рис.
4.3. Изменения этих же свойств жидкого водорода в зависимо-
1,25
\1,23
Щ21
15,0
1
L Ш,2
аГ
5;
-§/,5
1 0
~\ '_
\ X /
"" \г \ / ~
- \ \ )\. ~"
_ VX \-
¦ ^\ ~
1 I4 I
12 16 20 24 28
Температура,°C
- 0,0030
0fi026e
0,0022 |
0,0018 %
o,oon
0,0010
23, 31 33 35 7,
Температура, К
Рис. 4.3. Зависимость диэлектрической проницаемости 8, теплопроводности
Я, поверхностного натяжения а и вязкости т] жидкого водорода от темпе-
температуры
Рис. 4.4. Зависимость давления насыщенных паров жидкого водорода от
температуры:
Р\, р2 и р — давления для соответствующих температур Т\, Т2 и Г3
83
сти от температуры (Т) могут быть вычислены по следующим
уравнениям:
динамическая вязкость (rj, мПа-с) —ц = 85,558• 10~5Х
7-3/2(^ + 650,39)
Х (Г+19,55) (Г+1175,9) ;
коэффициент теплопроводности [к, Вт/(м-К)]/ — А,=
= 1,16A,70+0,05577)-Ю-4;
поверхностное натяжение при Т <^27К (с, мН/м)—сг = 5,38—0,177\
На рис. 4.4 представлена зависимость давления насыщен-
насыщенных паров жидкого водорода от температуры.
Наибольшим давлением насыщенных паров характеризует-
характеризуется параводород. Чем выше температура, тем более заметна
разница в давлении насыщенных паров параводорода и нор-
нормального водорода. Давление насыщенных паров (р) жидкого
водорода в зависимости от температуры (Т) можно вычислить
по уравнению (гПа):
lgp = 4,79177— 44,9569/Т + 0,020537Г.
Удельная теплота испарения (q, кДж/кг) жидкого водорода в
зависимости от температуры в интервале от 14 до 24 К может
быть найдена по формуле: ^ = 922—0,27(Т—16,6J.
При хранении больших объемов жидкого водорода важное
значение приобретает коэффициент его термического расшире-
расширения а, который зависит от температуры:
Т, К 14 15 16 17 18 19 20 20,38
а-10-3 9,72 10,62 11,51 12,41 13,30 14,20 15,09 15,43
Водород способен адсорбироваться на поверхности метал-
металлов. Диффузия водорода в металлы возрастает с повышением
температуры и давления. При атмосферном давлении диффу-
диффузия водорода в железо начинается при 400 °С и резко возра-
возрастает при температурах 1450—1550 °С, когда в одном объеме
железа растворяется до двух объемов водорода. Это связано
с тем, что при 1539°С железо плавится. Наибольшая раство-
растворимость водорода в палладии, в одном объеме которого мо-
может раствориться 850 объемов водорода. Диффузия водорода
в металлы ухудшает их твердость, термическую стойкость, те-
текучесть, электрическую проводимость, магнитные и другие
свойства. При растворении водорода в углеродистой стали в
ней появляются пузырьки и трещины вследствие газовой во-
водородной коррозии. Последняя возникает при декарбонизации
углеродистого сплава по схеме: Fe2C+2Ho = 2Fe+CH4. Этот
процесс устраняется путем легирования стали добавкой хрома,
молибдена, вольфрама, ванадия и других элементов [49].
В условиях нормальных и отрицательных температур водо-
водород мало активен. Его реакционная способность сильно возра-
возрастает при нагревании, под воздействием ультрафиолетового и
84
радиоактивного облучения, а также в присутствии катализато-
катализаторов. Повышение активности водорода связано с образованием
атомарного водорода, обладающего высокой реакционной спо-
способностью.
Водород энергично взаимодействует с окислителями. Так,
взрывом сопровождается реакция водорода с фтором при тем-
температуре —252 °С даже в темноте. С хлором и бромом водород
.реагирует лишь на свету или при нагревании, а с иодом —
только при нагревании. Контакт жидкого водорода с жидким
кислородом может сопровождаться взрывом [50].
Водород обладает высокой термической стабильностью. За-
Заметное разложение его на атомы происходит только при тем-
температурах выше 2500—3000 °С. В ряде ЖРД водород исполь-
используют для охлаждения стенок камер сгорания и реактивного
сопла [4].
Жидкий водород (и другие криогенные компоненты) ракет-
ракетных топлив в баках ракет в условиях космоса склонны к теп-
тепловому расслаиванию. Для предотвращения этого явления в
США предложено перемешивать криогенные компоненты ра-
ракетных топлив с помощью струи продукта, подаваемой вдоль
оси бака [51].
4.1.2. ШУГООБРАЗНЫЙ, ГЕЛЕОБРАЗИЫЙ
И ТВЕРДЫЙ ВОДОРОД
Для увеличения дальности и продолжительности полетов со-
современных и перспективных орбитальных, лунных и межпланет-
межпланетных космических кораблей необходимо улучшать эксплуата-
эксплуатационные свойства жидкого водорода. В первую очередь имеет-
имеется в виду снижение испаряемости и повышение плотности во-
водородного горючего. С этой целью в последние годы разрабо-
разработаны три новых вида водородного горючего: шугообразный,
гелеобразный и твердый [52—54].
Шугообразный водород представляет собой жидкий продукт,
в составе которого содержится 39—59% твердого водорода.
Применение шугообразного водорода на космических кораблях
типа «Аполлон» может увеличить полезную нагрузку прибли-
приблизительно на 5800 кг.
Большие трудности возникают при хранении, перекачивании
и заправке ракет шугообразным водородом. Для обеспечения
длительного хранения его в условиях полета необходима высо-
высокоэффективная изоляция. Перекачивать шугообразный водород
по теплоизолированным трубам можно центробежными насоса-
насосами или путем выдавливания. Если содержание твердой фазы
менее 40%, шугообразкый водород перекачивают по трубопро-
трубопроводам как обычную ньютоновскую жидкость. При содержании
твердого водорода более 40% потери давления в трубопрово-
трубопроводах увеличиваются, и по характеру перекачивания продукт
85
приближается к суспензиям. В условиях перекачивания шуго-
образного водорода с содержанием твердой фазы менее 40%
потери давления в трубопроводах такие же, как и при пере-
перекачивании жидкого водорода. Напорные и кавитационные
характеристики перекачивающих центробежных насосов для
жидкого и шугообразного водорода будут идентичными [55].
Замена жидкого водорода шугообразным позволит не только
увеличить на 40% полезную нагрузку, но и в 10 раз сократить
потери водорода на дренаж в наземных и космических усло-
условиях.
С целью сокращения потерь жидкого водорода от испаре-
испарения в последнее время уделяется большое внимание получению
гелеобразного водорода. Лучшие результаты в этом направле-
направлении получаются при желатинизации шугообразного водорода
[56]. Количество гелеобразующего агента прямо пропорцио-
пропорционально содержанию жидкости в шугообразном водороде. Раз-
Разработаны способ получения гелеобразного водорода и усло-
условия его стабилизации.
Несомненный интерес для космических полетов представ-
представляет использование в ракетной технике твердого водорода, что
позволит дополнительно увеличить полезную нагрузку и
уменьшить потери водорода от испарения. На базе твердого
водорода при высоких давлениях и низкой температуре можно
получить водород, обладающий свойствами металла. Установ-
Установлено, что для получения такого водорода необходимо создавать
давление при прессовании твердого водорода @,8-4-
2,6). 105МПа. Металлообразный водород считается перспек-
перспективным горючим для ракетной космической техники [57].
4.2. СОСТАВ II СВОЙСТВА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ
Использование углеводородных соединений в качестве ракет-
ракетного горючего было предложено К. Э. Циолковским еще в
1914 г. [1, 4], и до настоящего времени они широко применяют-
применяются в ракетной технике. Высокие энергетические характеристи-
характеристики, наличие сырьевой и производственной базы, относительно
невысокая стоимость и малая токсичность, а также большой
опыт использования этих горючих в двигателях других типов
предопределили повышенный интерес к ним как к горючим
для жидкостных ракетных двигателей. Наибольшее распростра-
распространение получили горючие типа керосина на основе дистиллятов
прямой перегонки нефти (фракция 140—280 °С) и продуктов
вторичной ее переработки. Применяют также горючие широ-
широкого фракционного состава с температурой выкипания 65—
280 °С, в составе которых находятся бензиновые и лигроиновые
фракции (табл. 4.1) [58].
Для улучшения эксплуатационных свойств, и в первую оче-
очередь энергетических, а также повышения стабильности углево-
86
Таблица 4.1. Физико-химические свойства ракетных горючих нефтяного
происхождения
Показатель
Плотность при 20 °С, кг/м3
¦Фракционный состав, °С:
н. к.
10% (об.)
50% (об.)
90% (об.)
98% (об.)
Вязкость кинематическая, мм2/с:
при 20 °С
при —40 °С
Теплота сгорания низшая, кДж/кг,
не менее
Кислотность, мг КОН на 100 см3, не
более
Температура, °С:
начала кристаллизации, не выше
вспышки, не ниже
Йодное число, г 12/100 г
Содержание фактических смол, мг
на 100 см3, не более
Содержание:
механических примесей и нерас-
творенной воды
водорастворимых кислот и щело-
щелочей
сероводорода
Содержание, %, не более:
ароматических углеводородов
общей серы
меркаптановой серы
золы
Испытание на медной пластинке
A00 °С, 3 ч)
Термическая стабильность A50°С,
4 ч) масса осадка, мг/100 см3, не бо-
более
* ШФС — широкого фракционного состава
ние 5 ч.
Прямогон-
ное
^810
^С150
<175
<225
<270
>1,5
<1б
[43 200
0,7
-60
30
<2,0
6
20
0,10
—
0,003
В ы д е р
18
Гидрирован-
iHOC
833±3
^195
<210
<235
<260
>4,5
<60
43 000
0,5
-60
<1 0
Отсутствие
Отсутств!
»
»
5
0,01
Отсутствие
0,003
) ж и в а е т
2***
Крекинговое*
790—820
^?65
<121
—
<250
0,7-1,2
2,5—5,0
(при —50 °С)
42 810
.
-50**
>130
^25
ie
—
—
—
—
—
—
. ** Температура помутнения. *** В тече-
дородные горючие подвергают глубокому гидрированию. В про-
процессе гидрирования снижается содержание ароматических угле-
углеводородов и олефинов. Деароматизированные горючие обладают
высокими скоростью и полнотой сгорания, а также лучшими
низкотемпературными свойствами [4].
В последнее время повышенный интерес проявляется к син-
синтетическим углеводородным горючим, которые представляют
собой индивидуальные углеводороды либо смесь нескольких
углеводородов с заданными энергетическими характеристика-
87
Таблица 4.2. Химический состав углеводородных ракетных горючих
Углеводороды
Алканы
Нафтеновые,
в том числе:
моноциклические
бициклические
трициклические
Ароматические,
в том числе:
моноциклические
бициклические
Олефины
Содержание в горючем,
прямогонном
38—65
25—45
18-36
6—13
0,1—4,5
10—17
9-11
0—2
0,3—0,8
гидрирован-
гидрированном
Кр
29-30
62-65
50—55
5—10
2—5
6-8
5-7
0,2—0,6
0,1-0,3
гкинговсм
4—32
4—15
3—12
1-3
—
25-92
20—80
5-12
29-64
ми и эксплуатационными свойствами. Как правило, это — эндо-
эндотермические соединения с повышенной плотностью. Энергия,
затраченная на образование таких соединений, дополнительно
выделяется при их сгорании в камере двигателя [59, 60].
Состав горючих. Углеводородные ракетные горючие обычно
включают лигроиновые, керосиновые и частично газойлевые
фракции нефти. В горючее широкого фракционного состава
входят также бензиновые фракции с пределами выкипания
65—180 °С [14]. По способу производства горючие делят на
прямогонные, гидрированные, крекинговые и синтетические.
Углеводородный состав прямогонных ракетных горючих
зависит от их фракционного состава и сорта перерабатываемой
нефти (табл. 4.2) [61, 62]. Элементный состав углеводородных
горючих представлен в табл. 4.3.
В качестве примесей в углеводородном горючем присут-
присутствуют сера, азот- и кислородсодержащие соединения, вклю-
включая смолистые вещества, растворимые в горючем. Содержание
этих примесей невелико, однако в ряде случаев они отрица-
отрицательно влияют на эксплуатационные свойства горючего. Содер-
Содержание органических соединений серы может составлять 0,5—
1,5%, азоторганических соединений — до 0,12%, кислородсо-
Таблица 4.3. Элементарный состав углеводородных ракетных горючих
Элемент
Углерод
Водород
Кислород
Сера
Азот
прямогонном
86,0—86,8
12,0-13,7
0,01—0,02
0,05—0,07
0,01—0,02
Содержание
гидрированном
85,5—85,7
14,2—14,3
0,01-0,02
0,01—0,02
0,00—0,02
в горючем, %
крекинговом
85,3-85,8
14,1 — 14,3
0,04—0,08
0,06—0,09
0,01—0,02
1
| синтетическом
88,2—90,3
11,8—9,7
Отсутствие
»
Таблица 4.4. Физико-химические свойства и состав высокоплотных
синтетических ракетных горючих (по спецификации США)
Показатель
Плотность при 20 °С,
кг/м3
Пределы выкипания,
ОС
Теплота сгорания
низшая:
кДж/кг
кДж/дм3
Температура, °С:
вспышки
самовоспламене-
самовоспламенения
начала кристалли-
кристаллизации
Кинематическая вяз-
вязкость, мм2/с:
при 20°С
при —40 °С
Содержание механи-
механических примесей, г/м3,
не более
Содержание железа,
%, не более
Содержание смол,
мг/100 см3, не более:
фактических
потенциальных
Содержание проти-
воводокристаллиза-
ционных жидкостей,
% (об.)
Содержание анти-
антиокислительной при-
присадки, %
Содержание основ-
основного углеводорода
(II—V), %
MIL-P-82522A
RJ-4
926
207-221
42 182
39 600
71
329
-46
4,8
46
1,0
—
3,0
—
—
100 (II)
MIL-P-25964
RJ-5
1056
260-285
41300
44 900
104
234
— 18
15,3
466
1,0
0,001
10,0
6,0
—
98,5—100
(IV)
RJ-6
1020
182—285
41792
42 400
61
232
-54
9,6
222
1,0
0,001
10,0
—
0,10-0,15
58—65 (IV);
36-42 (III)
MIL-P-87107B
1
JP-9 1 JP-10
948 936
99—295 182
42 087 42 100
39 700 39 600
23 53
250 245
—54 —79
3,5 3,3
22 21
1,0 1,0
0,001 —
— —
— —
0,10— 0,10—
0,15 0,15
0,009— 0,009—
0,011 0,011
65-70 98,5-
(V); 100 (III)
30—35
(III+1V)
держащих — 0,1—0,25% и смолистых веществ — 0,005—0,025%
[63]. Кроме того, в виде коллоидных и мелкодисперсных
частиц размером 20 мкм в горючем имеются (до 0,0003%)
твердые микрозагрязнения. Это - продукты коррозии железа
и минеральные примеси, включающие соединения кремния,
кальция, магния, алюминия и натрия [62—64]. В углеводородных
горючих в растворенном виде присутствуют также вода
@,003—0,009%) и кислород @,0052—0,007%) [65].
Состав и физико-химические свойства высокоплотных син-
синтетических ракетных горючих представлены в табл. 4.4. Струк-
89
туры углеводородов, входящих в эти топлива, показаны ниже:
с
/н
с-н
н н
н7/
с
Л
н н
^с-с-н
н
н-с-с-
н/ .
н
н н
-с-н н-с--'
н н
"^С-Н
'/ н
с-с-н
1 Н
^-с-н
н
-с-н
//С"Л\ ¦
н-с^ н с-н
н '
н-с"
н-с^
н
н н
\ /
с-н
, / н
н н
яг
ж
где I — дициклоE,2)гептан; II—эндо- и эд;зо-диметилтрициклоE,2,
кан; III — эоо-трицикло E,2,1,0,2-6) декан; IV — гексациклоE,4,0,1,
тетрадекан; V — метилциклогексан.
1,02-6)де-
4709'12)-
Физико-химические свойства. Свойства углеводородных ра-
ракетных горючих зависят от их фракционного и углеводородно-
углеводородного состава. В условиях применения на физико-химические свой-
свойства углеводородных горючих влияет температура (рис. 4.5)
[4]. С ее повышением понижаются плотность, вязкость, по-
поверхностное натяжение и теплопроводность горючего; одновре-
одновременно повышаются давление насыщенных паров и теплоем-
теплоемкость. Резкое повышение вязкости углеводородных горючих на-
наблюдается при температурах ниже —20 °С. В этих же условиях
плотность углеводородных горючих увеличивается в прямоли-
прямолинейной зависимости. Влияние температуры на изменение плот-
плотности, теплоемкости, вязкости и
давления насыщенных паров
•^0,6-^700-
0,41- 600
0 50 100 15020025Q
Температура,°с
синтетических горючих пред-
§ ставлено на рис. 4.6 и 4.7.
2,5 Ь Углеводородные ракетные го-
2J ^ рючие отличаются небольшой
гигроскопичностью. Как видно
200
-150 § Рис. 4.5. Зависимость физических свой-
свойств горючего типа керосина от темпе-
г4ы ратуры:
р — плотность; у — кинематическая вязкость;
р — давление насыщенных паров; о" — поверх-
поверхностное натяжение; с — теплоемкость; К —•
теплопроводность
3
90
rf2Q
-40 -30 -20 -10
10 20 30 40
Температура, °С
50 60
80 30
Рис. 4.6. Зависимость плотности ( ) и теплоемкости (—) высокоплот-
высокоплотных углеводородных горючих от температуры
из рис. 4.8, в углеводородном горючем типа керосина при 0°С
растворяется в 8 раз меньше воды, чем в горючем на основе
аминов. Большое влияние на растворение воды в углеводород-
углеводородных горючих оказывает разность температур топлива и возду-
воздуха. Чем выше эта разность, тем при меньшей относительной
влажности воздуха водяные пары конденсируются из воздуха в
топливо (табл. 4.5). Относительная влажность воздуха — один
из решающих факторов, влияющих на растворение воды в уг-
углеводородных горючих. С повышением относительной влажно-
влажности воздуха (рис. 4.9) предельное содержание воды в углеводо-
углеводородном горючем типа керосина возрастает [66], причем насы-
насыщение протекает интенсивно в первые минуты контакта горюче-
горючего с влажным воздухом. Следует также отметить, что насыще-
насыщение водой горючего более интенсивно происходит из окружаю-
окружающего воздуха, чем из водяного слоя, находящегося на дне ре-
резервуара, в котором горючее хранится.
Эксплуатационные свойства. Энергетические характеристи-
характеристики углеводородного ракетного горючего типа керосина приве-
приведены в табл. 2.2 (см. гл. 2). Углеводородные горючие при
обычных температурах не самовоспламеняются с азотнокис-
1000,0
500,00 k;
200ft0 -
100,00
-50 -30 -10
10
30 50 70 30
Температурами
110 130 150 170
Рис. 4.7. Зависимость кинематической вязкости (—) и давления насыщен-
насыщенных паров( ) высокоплотных углеводородных горючих от темпера-
температуры
лотными окислителями. При контакте с азотной кислотой са-
самовоспламеняются только диены, триены и некоторые ацетиле-
ацетиленовые углеводороды [4]. При смешении других углеводородов
с азотной кислотой наблюдается разогревание смеси. Интен-
Интенсивность разогрева смеси зависит от типа углеводородов. Реак-
Реакционная способность углеводородов с азотной кислотой сни-
снижается в такой последовательности: ацетилены>триены>дие-
Таблица 4.5. Зависимость содержания воды в углеводородном горючем
типа керосина от температур топлива (Тт) и воздуха (Тв)
тт, °с
г, °с
Относительная
влажность возду-
воздуха, %
Содержанке
РОДЫ, %
40
7
— 7
13
21,5
2
-2
23
60
54
85
66
0,0031
0,0028
0,0041
0,0073
92
-40 -20 0 20
Гемп°ратцра,°С
0 5 10 15
Время насыщения; мин
Рис. 4.8. Зависимость растворения воды в ракетных горючих от темпера-
температуры:
/ — аминное горючее; 2 — изопропилнитрат; 3 — углеводородное горючее типа керосина;
4-~JP-9; 5—RJ-6; 6 — JP-10
Рис. 4.9. Скорость насыщения водой горючего типа керосина при 20 °С из
воздуха и из водяной подушки:
/ — 95%-я влажность воздуха; 2 — 30%-я влажность воздуха; 3 — насыщение из водяной
подушки
ны>олефины>ароматические углеводороды>нафтены>алканы
[67].
При высоких температурах, которые возникают в камерах
сгорания двигателя, углеводородные горючие самовоспламе-
самовоспламеняются с азотнокислотными окислителями. Для этих условий
Я. М. Паушкиным с сотр. [14] предложено характеризовать
реакционную способность углеводородных горючих по низшей
температуре самовоспламенения Тс и термическому периоду
задержки воспламенения (ТПЗВ). Значения их для углево-
углеводородных горючих в смеси с 98%-й азотной кислотой приведе-
приведены в табл. 4.6.
С повышением температуры, увеличением в составе горю-
горючих содержания олефинов и ароматических углеводородов тер-
термический период задержки воспламенения уменьшается. Так,
Таблица 4.6. Температура самовоспламенения Тс и термический период
задержки воспламенения углеводородных горючих в смеси с 98%-й азотной
кислотой
Горючее
Т-1
Крекинг-керосин
Легкое масло пиролиза
Терпеновое горючее
(а-терпен)
т
1 с
506
425
430
350
550 СС
0,080
0,050
0,050
0,025
ТПЗВ при температуре
1
1 500 °С
0.120
0,065
0,060
0,045
400 аС
0,120
0,093
0,093
16
Рис. 4.10. Охлаждающие свойства
горючего Т-1 (/) и 98%-ного этано-
этанола B)
у легкого масла пиролиза, со-
содержащего 46% ароматиче-
ароматических углеводородов, 30% оле-
финов и 14% диенов, ТПЗВ
при 500 °С в 2 раза меньше,
чем у прямогонного горючего
Т-1 [68]. Поэтому сгорание
горючих, содержащих продук-
j a 16 2« ты пиролиза, происходит в
Удельный теплодой поток, к/1>н1(м2'ч) жидкостном ракетном двигате-
двигателе значительно устойчивее,
чем сгорание углеводородных горючих, полученных прямой пе-
перегонкой [14].
Однако углеводородные горючие, содержащие продукты пи-
пиролиза, имеют относительно низкую охлаждающую способ-
способность. При их использовании для охлаждения камер сгорания
ЖРД в трактах охлаждения образуется много отложений, ко-
которые существенно нарушают режим теплопередачи. Лучшей
охлаждающей способностью обладают углеводородные горючие
прямой перегонки. Зависимости на рис. 4.10 иллюстрируют
охлаждающие свойства горючего Т-1 в сравнении с этанолом
[67]. По охлаждающим свойствам оно превосходит этанол, од-
однако при использовании горючего Т-1 в системе охлаждения
ЖРД все же образуется некоторое количество отложений. Ре-
Результаты исследования отложений, образовавшихся в системе
охлаждения двигателя, работающего на углеводородном горю-
горючем и жидком кислороде, приведены на рис. 4.11 [69]. Как
видно из рис., отложения характеризуются интенсивным погло-
поглощением кислородсодержащих функциональных групп, ионизи-
ионизированных сульфатов и сульфонатов. В образовании отложений
кроме гетероорганических соединений принимают участие аро-
ароматические углеводороды, что и подтверждается ультрафиоле-
ультрафиолетовыми спектрами этих отложений. Углеводородные горючие,
прошедшие гидроочистку, имеют лучшие охлаждающие свой-
свойства.
Большое внимание исследователей уделяется получению
ракетных горючих на основе спирановых углеводородов [4].
Ракетные горючие таких соединений имеют высокие значения
плотности —до 1000 кг/м3 и повышенные энергетические свой-
свойства. Некоторые из них обладают хорошими низкотемператур-
низкотемпературными свойствами. На базе «-гексана и метилциклопентана за
рубежом разработан промышленный способ получения спира-
спирановых горючих с пределами выкипания 193—243 °С, плот-
плотностью 850—890 кг/м3 и объемной теплотой сгорания, равной
38,5—41,0 кДж/м3 [4].
94
Практический интерес представляют загущенные гелеобраз-
ные углеводородные ракетные горючие. Для их получения в
США предложено использовать стирольные полимеры (в ко-
количестве до 2%), 0,2—1,0% октаноат алюминия @,2—1,02%),
сополимеры бутадиена и 2-метил-5-винилпиридина, алкилорто-
фосфаты металлов, алкиламины, алканоламины, алкиленполиа-
мины, пиперазин и другие соединения, а также субмикроско-
субмикроскопические волокна кристаллического карбида кремния, покрытые
диоксидом кремния, с добавкой 0,01—2,0% стеариновой кисло-
кислоты [4]. В работе [70] предложено загущать углеводородное
горючее микропорошком (частицы размером менее 1 мкм), по-
полученным распылением алюминия, бериллия и других металлов
без соприкосновения их с воздухом.
В последние годы особое внимание уделяется криогенным
углеводородным ракетным горючим, полученным на основе
низкомолекулярных газообразных углеводородов — метана, эта-
этана, пропана, бутана и др. ,[71, 72]1 Предполагается использо-
использовать эти горючие в паре с окислителем (смесь жидких кисло-
кислорода и фтора) для длительных (в течение 1—4 лет) дальних
космических полетов [73]. Ракетное топливо на основе жидкого
метана и смеси жидкого кислорода с жидким фтором харак-
характеризуется удельной тягой, равной 388—392 с [74]. За рубежом
отрабатывается конструкция жидкостных ракетных двигателей
на этом топливе, изучается охлаждение камер сгорания их и
испытывается наземное оборудование |4].
Жидкий метан обладает хорошими охлаждающими свойства-
свойствами при использовании в камерах сгорания с наружным (реге-
(регенеративным) охлаждением. Температура метана в охлаждаю-
охлаждающей рубашке двигателя не должна превышать 760 °С, так как
при более высоких температурах он склонен к разложению с
образованием углеродистых отложений в каналах охлаждаю-
охлаждающей рубашки [75]. Имеются сведения об использовании шуго-
образного метана, обладающего высокими плотностью и удель-
удельной теплоемкостью [76].
3800 3200 2600 2000 1800 1600 /400 1200 1000 800 700500400
1.11 w-
^3 ^з к 0,2 —
240 260 280 300
Длина волны, мкм
Рис. 4.11. ИК- (а) и УФ- (б)
спектры поглощения отложений
в системе охлаждения ЖРД, ра-
работающего на горючем Т-1 и
жидком кислороде
95
4.3. СОСТАВ И СВОЙСТВА АМИННЫХ ГОРЮЧИХ
Из ракетных горючих на основе алкиламинов наибольшую из-
известность получило аминное горючее, представляющее смесь
50% триэтиламина и 50% ксилидина [14, 77]. Это горючее ис-
используют в качестве основного или пускового в паре с азотно-
кислотными окислителями. Оно характеризуется высоким газо-
газообразованием, небольшим периодом задержки воспламенения,
сравнительно невысокими температурами и теплотой сгорания,
высокой химической стабильностью при хранении. По своим
энергетическим свойствам аминное горючее приближается к
керосинам при их использовании в паре с азотнокислотными
окислителями.
Физико-химические свойства. Аминное горючее характери-
характеризуется физико-химическими свойствами, которые обеспечивают
его надежное применение в жидкостных реактивных двигате-
двигателях. В табл. 4.7 представлены основные физико-химические
свойства аминного горючего и его компонентов [10].
Изменение плотности аминного горючего при нормальном
давлении в зависимости от температуры показано на рис. 4.12.
Сравнительно высокая плотность указанного горючего обеспе-
обеспечивается за счет изомерных ксилидинов.
Зависимости кинематической вязкости и теплоемкости
аминного горючего от температуры представлены на рис. 4.13.
Кинематическая вязкость аминного горючего резко возрастает
при понижении температуры ниже —20 °С. С понижением тем-
температуры от +40 до —60°С теплоемкость горючего умень-
уменьшается по линейной зависимости.
Как правило, температурные пределы выкипания аминного
горючего лежат в интервале от 90 до 220 °С [14]. Температура
конца кипения триэтиламина равна примерно 110 °С, а кси-
ксилидина— выше 200 °С. Таким образом, кривая перегонки амин-
аминного горючего имеет ступенчатый характер и этим отличается
Таблица 4.7. Основные физико-химические свойства аминного горючего,
его компонентов и других аминных соединений
Показатель
Молекулярная
масса
Плотность при
20 °С, кг/м3
Температура, °С:
кипения
начала кри-
кристаллизации
Удельная тепло-
теплоемкость пои 20 °С,
кДж/(кг-К)
Аминное
горючее
844
85—215
—90
2,22
Ксилидин
121,19
978
216
—54
—
Триэтил-
амин
101,20
728
90,0
-115
—
Диэтил-
амин
46,08
650
7.4
-96
—
Анилин
93,02
102
184,4
-6,2
2,10
Днэтилен-
триамин
103,20
956
206,7
—
—
96
20 100 180
Температура^
260
-60 -40 -20 0 20 <0
Температура,°С
Рис. 4-12. Зависимость плотности ракетных горючих и их компонентов от
температуры:
/ — «-пропилнитрат; 2 — гидразин; 3 — монометилгидразин; 4 — аминное горючее; 5 —
углеводородное горючее типа керосина; 6 — яес^ш-диметилгидразин; 7 — триэтиламин;
8 — аммиак (при 10 МПа)
Рис. 4-13. Зависимость теплоемкости с и кинематической вязкости v амин-
ного горючего от температуры t
от кривой выкипания углеводородных горючих типа керосина,
фракции которых по мере повышения температуры выкипают
равномерно.
Триэтиламин представляет собой прозрачную слегка жел-
желтоватую жидкость, ксилидин — прозрачная жидкость от жел-
желтого до светло-коричневого цвета A0).
Эксплуатационные свойства. Важнейшими эксплуатацион-
эксплуатационными свойствами аминного горючего являются его энергетиче-
энергетические характеристики (см. табл. 2.2 в главе 2) и воспламеняе-
воспламеняемость».
И? аминных соединений самыми исследованными являются
алифатические и ароматические амины. Среди алифатических
аминов с одним и тем же числом атомов углерода максималь-
максимальной воспламеняемостью в контакте с 98%-й азотной кисло-
кислотой србладают третичные амины, затем следуют вторичные и
хуже всего воспламеняются первичные амины .[4]. Поэтому в
качестве компонентов аминного горючего выбран триэтиламин:
в паре с 98%-й азотной кислотой он обладает и наименьшим
периодом задержки воспламенения — 0,021 с.
С указанной кислотой не воспламеняются вторичные сим-
симметричные амины с числом атомов углерода шесть и более.
При использовании смеси азотной кислоты с оксидами азота
амин!ы этой группы воспламеняются, если число атомов в ра-
дика^ле не превышает десяти [4]. По периоду задержки вос-
воспламенения ароматические моноамины располагаются в ряд:
первичные—^вторичные—^третичные [ 14]. Среди первичных
ароматических моноаминов минимальным периодом задержки
восплтменения с азотной кислотой характеризуются анилин и
ксилРДины. Эти соединения и получили широкое распростране-
распространение # качестве ракетных горючих или их компонентов.
7—51$
97
0,08
* о,- OflS
1 | 0,04
о
\\
~ \\
-
20
1 !
40 60
Содержание, °/
/
S °
^ ^*
tD Q->
Период
во en леи
80 100
0,022
0,018
0,014
0,010
—
-
-
0
1
20
1 1 !
40 60 SO 101
Содержание, г/л
Рис. 4.14. Зависимость периода задержки воспламенения от содержания
триэтиламина в горючем на основе ксилидина ( ) и анилина ( )
Рис. 4.15. Зависимость периода задержки воспламенения горючего от содер-
содержания в нем дибутилнафталинсульфоната железа
Значительное влияние на воспламеняемость аминного го-
горючего оказывает температура. Период задержки воспламене-
воспламенения также зависит от состава аминного горючего и мольного
соотношения горючего и окислителя. Как видно из рис. 4.14,
минимальный период задержки воспламенения — около 0,02 с —
для аминного горючего в паре с 99%-й азотной кислотой имеет
смесь, содержащая 50—80% триэтиламина и 50—20% изомер-
изомерных ксилидинов. С увеличением содержания компонентов выше
указанных пределов период задержки воспламенения возра-
возрастает. Обращает на себя внимание тот факт, что для смесей
аминов оптимального состава период задержки воспламенения
ниже, чем периоды задержки воспламенения составляющих их
компонентов.
Большое влияние на воспламеняемость горючих оказывает
давление. С его увеличением период задержки воспламенения
сокращается.
Воспламеняемость горючего на основе триэтиламина и кси-
ксилидина можно значительно повысить введением в горючее
сульфокислотных солей железа. Например, добавка 80 г дибу-
дибутилнафталинсульфоната железа на 1 л горючего в паре с
98,8% азотной кислотой снижает почти вдвое период задержки
воспламенения (рис. 4.15).
4.4. СОСТАВ И СВОЙСТВА ГИДРАЗИННЫХ ГОРЮЧИХ
Высокая реакционная способность гидразина при взаимодей-
взаимодействии с окислителями, относительно высокая плотность —
1020 кг/м3, малая молекулярная масса продуктов сгорания и
практически неограниченная сырьевая база выгодно отличают
гидразин среди других соединений, используемых в качестве
горючего для жидкостных ракетных двигателей. Еще в конце
второй мировой войны гидразин в паре с пероксидом водорода
98
был применен в двигателе-ускорителе, установленном на не-
немецком истребителе-перехватчике Ме-163 |4].
Существенными недостатками гидразина, ограничивающими
его широкое применение, являются высокая температура за-
замерзания B°С), относительно низкая термическая стабиль-
стабильность и высокая токсичность.
Лучшими низкотемпературными свойствами обладают ал-
килпроизводные гидразина. В качестве ракетного горючего
широкое распространение получил «есиж-диметилгидразин
(НДМГ). На этом горючем работал жидкостный ракетный
двигатель РД-119 второй ступени отечественной космической
ракеты «Космос» [78]. За рубежом в качестве горючего для
ЖРД космических кораблей используют ракетное горючее
Аэрозин-50, представляющее собой смесь 50% гидразина и
50% НДМГ. В США в широких масштабах применяют моно-
метилгидразин (ММГ). ош-Диметилгидразин (СДМГ) усту-
уступает по своим физико-химическим и эксплуатационным свой-
свойствам НДМГ и широкого распространения в ракетной технике
Таблица 4.8. Физико-химические свойства гидразинных горючих
Показатель
Гидразин
Мономе ти л -
гидразин
сим-Диме-
тилгидра-
зин
тилгидразин
Молекулярная масса
Плотность при 20 °С, кг/м3
Температура, °С:
кипения
вспышки
самовоспламенения
кристаллизации
критическая
Теплота, кДж/молы
сгорания (в кДж/кг)
плавления
образования
парообразования при 25 °С
Вязкость при 25 °С, мм2/с
Давление насыщенных паров при
25 °С, гПа
Удельная мольная теплоемкость
при 20 °С, Дж/(моль-К)
Коэффициент теплопроводности
при 25°С, Вт/(м-К)
Поверхностное натяжение при
25 °С, мН/м
Коэффициент преломления при
Коэффициент объемного расшире-
расширения при 25°С, град-1
Диэлектрическая проницаемость
при 25°С
* при 2°с.
** При 20 °С.
32,04
1010
113,5
40
132
2
380
14700
12,66*
-50,3
44,8
0,90
26,7**
—
—
66
1,4690
—
51,7
46,07
871
87,5
17
196
-52
294
10,41
—53,3
40,5
0,89
66,3
135,0
—
—
—
60,08
820
81,5
9
13,81
-51,3
39,4
93,7
—
—
—
—
—
60,08
785
63,1
1,1
250
—58
250
9230
—47,4
0,51
210
164,2
0,2012
28
1,4050
1,33-10
3,5
99
не получил. Алкилгидразинные горючие иногда добавляют в
углеводородные горючие (М-3) для улучшения процессов вос-
воспламенения и сгорания.
Физико-химические свойства. Основные физико-химические
свойства гидразинных ракетных горючих приведены в табл.
4.8 [1, 4]. Гидразин представляет собой бесцветную, дымящую
на воздухе жидкость, сильно гигроскопичную и хорошо раство-
растворяющуюся в воде, спиртах, аминах и других полярных раство-
растворителях; в неполярных растворителях он не растворяется. Теп-
Теплота сгорания гидразина с кислородом— 8120 кДж/кг, фто-
фтором—10170 кДж/кг; для сгорания гидразина, протекающего
с большим газовыделением, требуется сравнительно немного
окислителя. Гидразин имеет относительно невысокую темпера-
температуру горения, в результате чего потери тепла на диссоциацию
продуктов его сгорания невелики. Высокая температура кри-
кристаллизации гидразина затрудняет применение его в зимнее
время, и поэтому его используют в ракетной технике в смеси с
низкозамерзающими горючими. Температуру кристаллизации
гидразина можно понизить с помощью депрессантов, таких,
как вода, аммиак, литийборгидрид, цианогидрид, гидразиннит-
рат и тиоцианат аммония. При замерзании объем гидразина
уменьшается, т. е. опасности разрыва тары не возникает {4].
Монометилгидразин —бесцветная жидкость с запахом, ха-
характерным для органических аминов с короткой акильной
цепью. Он не чувствителен к удару и трению, обладает слабо
выраженными щелочными свойствами и является очень силь-
сильным восстановителем, самовоспламеняется в контакте с силь-
сильными окислителями (фтором, трифторидом хлора, четырех-
окисью азота, пероксидом водорода и дымящей азотной кис-
кислотой). Монометилгидразин способен смешиваться в любых
соотношениях с водой, гидразином, иизкомолекулярными одно-
одноатомными спиртами и углеводородами [79]. По эксплуатацион-
эксплуатационным свойствам он занимает промежуточное положение между
гидразином и яесгш-диметилгидразином. Смесь 50% мономе'-
тилгидразина и 50% гидразина имеет несколько лучшие энер-
энергетические характеристики, чем ракетное горючее Аэрозин-50
яешж-Диметилгидразин (НДМГ) —бесцветная прозрачная
жидкость с резким неприятным запахом, характерным для
^__ органических аминов. Он хоро-
6^ "~ I шо смешивается с водой, нефте-
нефтепродуктами, спиртами и многи-
многими органическими растворителя-
растворителями. НДМГ отличается хорошими
низкотемпературными свойства-
свойствами.
-60 -40 -20 0 20
Температура,°С
лп Рис' 4'16< Зависимость кинематической
40 вязкости НДМГ (У) и гидразина 12)
от температуры к }
100
Рис. 4.17. Зависимость температуры кри-
кристаллизации гидразинных ракетных горю-
горючих от содержания в них воды:
; — гидразин; 2 — иесил-диметилгидразин; 3 —
монометилгидразин
При понижении температуры 1
плотность гидразинных горючих по- !
вышается в прямолинейной зависи- §
мости (см. рис. 4.12). С увеличе- ^
нием числа метальных радикалов I?
плотность метилгидразинов снижа- I-"
ется. Гидразинные горючие имеют I"
низкие значения кинематической Jf*
вязкости — в пределах 0,7—1,0 мм2
в 1 с при 20 °С. Зависимость изме-
изменения вязкости гидразинов от тем-
температуры показана на рис. 4.16 [80].
Содержание Н2О, %(мол.)
О 20 4J7 60 80 tOO
0 2 4 8 a w
Содержание Що,%(пасс)
рур р []
Из гидразинных горючих наиболее высокие температуры
кристаллизации имеют гидразин и аш-диметилгидразин. Это
затрудняет их использование в двигателях в чистом виде. Мо-
Монометилгидразин и яеош-диметилгидразин имеют температуры
начала кристаллизации ниже —50 °С. Большое влияние на тем-
температуру кристаллизации гидразинных горючих оказывает со-
содержание в них воды. Как видно из рис. 4.17, добавка в гидра-
гидразин 35—80% (мол.) воды снижает температуру кристаллиза-
кристаллизации смеси до —50 °С и ниже [4]. При введении до 10% (мол.)
воды в монометилгидразин температура кристаллизации сни-
снижается до —70 °С. Увеличение содержания воды в НДМГ сни-
снижает температуру его кристаллизации только при ее содержа-
содержании до 4% (мол.).
Зависимость давления насыщенных паров гидразинных го-
горючих от температуры приведена на рис. 4.18 [80].
Эксплуатационные свойства. Энергетические характеристики
гидразинных горючих приведены в гл. 2 (см. табл. 2.2).
Для оценки свойств гидразинных горючих большое значение
имеют их воспламеняемость в двигателе, термостабильность и
окисляемость, воздействие на конструкционные и уплотнитель-
ные материалы.
При производстве гидразинных горючих в их состав попа-
попадают в небольших количествах примеси, в основном вода,
аминные и алкилгидразиновые соединения. Так, при получении
явош-диметилгидразина в нем присутствуют как технологиче-
технологические примеси вода, диметиламин и метилендиметилгидразин.
Эти же соединения могут образовываться и накапливаться в
НДМГ при окислении его кислородом воздуха. В результате
окисления в незначительных количествах получается также
диазометан, аммиак и полиметилены. Добавка в НДМГ до
1,5% диметиламина и до 3% метилендиметилгидразина не ока-
101
Рис. 4.18. Зависимость давления насы-
насыщенных паров НДМГ G), гидразина
B) и гидразингидрата C) от темпе-
температуры
зывает заметного влияния на
эксплуатационные свойства го-
горючего [81].
С окислителями на основе
-20 0 20 40 60 80 wo 120 азотной кислоты и четырехокиси
темлература,°с азота гидразинные горючие лег-
легко воспламеняются. Наименьший
период задержки воспламенения с азотнокислотными окислите-
окислителями имеет яесгш-диметилгидразин. который обеспечивает лег-
легкий запуск и стабильную работу ЖРД в широком диапазоне
изменения условий — температуры и давления. Период задерж-
задержки его воспламенения с азотной кислотой в этих условиях изме-
изменяется от 0,01 до 0,03, что соответствует требованиям к пуско-
пусковому топливу. НДМГ в паре с жидким кислородом воспламеня-
воспламеняется только от постороннего источника зажигания. Большое
влияние на период задержки воспламенения оказывает содер-
содержание в горючем воды. Как видно из рис. 4.19, с повышением
содержания воды до 5% период задержки, воспламенения
НДМГ с красной дымящей азотной кислотой при давлении
0,1 МПа и температуре — 40 °С возрастает с 0,0047 до 0,0075 с
[4]. Период задержки воспламенения НДМГ увеличивается при
добавке в него углеводородного горючего, а также с пониже-
понижением температуры горючего (рис. 4.20).
Малый период задержки воспламенения в паре с красной
дымящей азотной кислотой @,0003 с) характерен для гидра-
гидразина. По мере снижения концентрации азотной кислоты период
задержки воспламенения гидразина увеличивается. Вследствие
особой легкости воспламенения гидразинные горючие исполь-
используют в качестве пускового или основного горючего в ЖРД.
g
40,008
i
1
1
0007
0,006
0,005
0004
—
- ^
I I
0 / 2
Содержание
>
I 1
3 4 5
H20,%
=3 Co
»l
с» S
Период
босплаг
0,W
ops
0,02
-40°C-
1
1
70°C^
1 1
0 10 20 30 40 50 60
Содержание горючего, %
Рис. 4.19. Зависимость периода задержки воспламенения НДМГ в паре с
азотной кислотой от содержания в горючем воды
Рис. 4.20. Зависимость периода задержки воспламенения НДМГ от содер-
содержания в нем углеводородного горючего при различных температурах
102
Таблица 4.9. Влияние давления паров окислителя и состава горючей смеси
на образование осадков при воспламенении гидразинных горючих в паре
с N20,
Давление паров
окислителя, гПа
Мольное отно-
отношение окисли-
окислитель : горючее
Масса осадка, мг
общая
на стенках
камеры
Температура
пламени, К
Монометилгидразин
877
562
304
423
184
433
173
4,6
2,8
1,4
3,1
2,4
2,0
1,4
46+5
63+2
85+8
45
77
Гидразин
35
13
2+1
7+1
41+6
1
12
2
0
1190±80
900+30
46О±1ОО
1220
340
1310
1510
Однако при полетах в космических условиях пришлось
столкнуться с явлениями значительной пульсации горения, а
иногда и с мощными взрывами в двигателях, которые работа-
работали на гидразинном горючем в паре с N2O4. В лабораторных
условиях при низких температурах и давлениях был исследо-
исследован процесс воспламенения монометилгидразина, несим-яиие-
тилгидразииа и аэрозина-50 при использовании в качестве
окислителя четырехокиси азота [4]. В результате было уста-
установлено, чтю в условиях охлаждения и снижения давления
паров окислителя ниже 14,6 кПа время реакции между горю-
горючим и окислителем увеличивается до 5—30 мин вместо 0,003 с
при комнат:ной температуре и нормальном давлении. В таких
условиях наа стенках камер конденсируются коррозионно-агрес-
сивные и взрывоопасные желтые вязкие осадки. Как видно из
табл. 4.9, чем ниже давление паров окислителя и меньше моль-
мольное отношевние окислителя к горючему, тем интенсивнее обра-
образуются осадки. Изучение состава осадков с помощью ИК- и
масс-спектр#ометрии показало, что они состоят из смеси нитра-
нитратов гидрази на NH4NO3, NH2NO2, Н2О и СО2 [4]1.
Гидразирнные горючие без контакта с кислородом воздуха
характеризуются сравнительно высокой термостабильностью.
Так, при назревании небольших количеств НДМГ в стеклянных
капиллярах не наблюдалось его разложения ниже критической
температурь^ 220°С. В условиях нагрева при температурах
371—427°С происходило разложение яешж-диметилгидразина
(с образованием черного смолистого осадка) по следующей
схеме [4]:
(CH3JNNH2
CH3NH + NH2+ :СН2
• NH2 + (CH3JNNH2
NH3 + CH3NNH2
• CH9
103
(CH3JN. + (CH3JNNH2 * (CH3JNH + (CH3JNNH
CH3NNH2 >• CH3N=CH2 + -NH2
•CH2
2
(CH3JNNH >• .CH3 + CH4 + N2
.CH3 + (CH3JNNH2 >¦ CH4 + CH3NNH2
При термическом разложении метилгидразинов в интервале
температур 300—1000 °С может образоваться цианид водорода,
отравляющий окружающую среду [82].
Разложение гидразинных горючих происходит, как прави-
правило, с разрывом связи N—N. Первичными продуктами разложе-
разложения монометилгидразина являются аммиак и метиленимин.
Энергия активации отщепления аммиака от монометилгидрази-
монометилгидразина составляет 225 кДж/моль [83]. Термическое разложение
гидразина может протекать по следующим направлениям:
3N2H4 >- 4NH3 + N2, N2H4 >- N2 + 2H2,
2N2H4 > 2NH3 + N2 + H2.
При температурах до 50 °C скорость разложения гидразина
невелика. При температуре кипения она составляет 0,01—
0,10% сут, а при 250°С достигает 10%/мин. Ионы железа(III),
меди, молибдена и хрома ускоряют разложение гидразина.
Оксиды этих металлов катализируют разложение гидразина
более активно, чем ионы.
При разложении гидразинных горючих в них могут обра-
образовываться и твердые, и газообразные продукты. Отложение
твердых продуктов на стенках охлаждающей рубашки камеры
сгорания ЖРД нарушает процессы теплопередачи вследствие
низкой теплопроводности отложений.
Важное значение придается воздействию ракетных горючих
при высоких температурах на конструкционные материалы аг-
агрегатов двигателя; особенно в тех случаях, когда горючие ис-
используют для регенеративного охлаждения камер сгорания и
реактивных сопел ЖРД. Для предотвращения разрушения
стенки камеры сгорания, в частности в зоне критического сече-
сечения сопла жидкостного ракетного двигателя, предложено до-
добавлять в гидразинные горючие (ММГ, НДМГ и Аэрозин-50)
присадки —силоксановые жидкости. При испытаниях двигателя
в стендовых условиях установлено, что с помощью этих приса-
присадок на стенках реактивных сопел формируется пленка диокси-
диоксида кремния толщиной не более 0,025 мм и тепловой поток на
стенках сопла снижается на 30—33% [84, 85].
Гидразин получают в основном двумя способами: с исполь-
использованием аммиака и карбамида [4]. Первый способ основан
104
на реакции
+NH3
NH3 + NaOCl > NH2C1 >- N2H4 + HC1,
а второй — на реакции
NH2CONH2 + NaOCl + 2NaOH > N2H4-H2O + Na2CO3 + NaCl
яеаш-диметилгидразин получают каталитическим (через нит-
родиметиламин) и хлораминными методами [4]. В первом слу-
случае протекают реакции
(CH3JNH+NaNO2 + HCl > (LH3JNNO+ NaCl+ H2O,
(CH3JNNO+2H2 > (CH3JNNH2+H2O2
При хлораминном методе из аммиака и гипохлорита натрия
получают хлорамин, а затем при взаимодействии хлорамина с
диметиламином — яесгш-диметилгидразин.
Для улучшения эксплуатационных свойств гидразинных го-
горючих, снижения их токсичности и пожароопасности в послед-
последнее время предложены новые виды горючих гелеобразного и
эмульсионного типа. Их получают введением в гидразин и его
алкилпроизводные различных загустителей и эмульгаторов. Ге-
леобразный гидразин можно использовать в паре с жидким
кислородом и четырехокисью азота. Он обладает более 'низкой
коррозионной агрессивностью и вызывает меньшие осложнения
в условиях хранения и транспортирования. Гелеобразное го-
горючее в паре с четырехокисью азота имеет удельную тягу
выше, чем у твердых ракетных топлив, и по сравнению с жид-
жидкими горючими в условиях эксплуатации вызывает меньшие
трудности.
Представляет интерес ракетное горючее, содержащее в ка-
качестве основы гидразин или его алкилпроизводные, загуститель
и порошкообразные алюминий, бериллий, бор, магний или кар-
карбид бора. Топливо на основе гелеобразного горючего и высо-
высокоэнергетических окислителей имеет удельную тягу до 450—
480 с [4]. В качестве перспективных ракетных горючих рас-
рассматриваются также гидразиназиды [4].
4.5. СОСТАВ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ОДНОКОМНОНЕНТНЫХ (УНИТАРНЫХ) ТОПЛИВ
Однокомпонентные (унитарные) ракетные топлива получили
относительно ограниченное применение в ракетной технике.
Причинами тому явились их сравнительно низкие энергетиче-
энергетические характеристики и высокая взрывоопасность. Однако рабо-
работы по усовершенствованию и разработке новых сортов одно-
компонентных топлив не прекращаются до настоящего време-
времени. Эти топлива привлекают к себе внимание исследователей,
так как позволяют упростить топливную систему ЖРД и по-
105
высить надежность работы двигателя. При применении одно-
компонентных топлив значительно упрощаются усло-
условия производства, хранения и транспортирования топлива и
заправки им ракет. На основании расчетов установлено, что в
условиях полета ракет средней дальности такое топливо с
удельной тягой, равной 225 с, равноценно двухкомпонентному
топливу с удельной тягой 250 с. Это обусловлено более простой
конструкцией топливной системы ракеты, а также облегчением
конструкции всей двигательной установки.
В настоящее время однокомпонентные топлива используют
преимущественно для получения парогаза и обеспечения рабо-
работы турбонасосных агрегатов, а также в различных вспомога-
вспомогательных жидкостных ракетных двигателях. Наиболее широкое
распространение получили топлива на основе алкилнитратов,
пероксида водорода, гидразина и этиленоксида. Для вспомога-
вспомогательных двигателей в США применяют пропилнитрат по специ-
спецификации Mil-P-25576 и смесь пропилнитрата с этилнитратом
по спецификации МП-Е-26603. В системе НАТО в качестве од-
нокомпонентного топлива используют этиленоксид по специ-
спецификации Р-920 [4].
Однокомпонентные топлива обычно представляют собой мо-
мономолекулярные соединения. Однако в последнее время за ру-
рубежом большое внимание уделяется разработке би- и полимо-
полимолекулярных однокомпонентных топлив, представляющих смесь
горючих и окислительных компонентов разной молекулярной
Таблица 4.10. Физико-химические свойства алкилнитратов
Алкилнитрат
Формула
Моле-
куляр-
кулярная
масса,
М
Р2(Ь
/
20»
мм2/с
?н,
кДж/кг
Метилнитрат*
Этилнитрат
я-Пропилнит-
рат
Изопропил-
нитрат
Этиленгли-
кольдинитрат*
Этиленгли-
кольмононит-
рат
Пропиленгли-
кольдинитрат
Тринитрогли-
церин*
CH3ONO2
C2H5ONO2
«-C3H7ONO2
U30~kj$ Jri7'*-'-l' V-J2
^211.4 I vyiN vy2J 2
C2H4OHONO2
C3H6(ONO2J
С3Н5(ОШ2)з
11
91
105
105
152
107
166
297
1210
1120
1060
1020
1500
1350
1370
1600
— 65
— 87
- ПО
0,58 98
— 85***
_ 92***
— 92***
— Разлага-
Разлагается
85,7
46,2
31,6
31,6
100,0
61,5
66,7
105,8
6250
2990
2300
1830
6630
3590
4650
6230
* Чувствительность к удару (высота падения 2 кг груза) составляет для метилнитра-
та 40 см, этиленгликольдинитрата — 20—25 см и тринитроглицерина — 4—8 см.
** Qq —кислородный баланс, % к стехиометрическому количеству.
*** При 13,3 гПа.
106
структуры. Такие топлива обладают лучшими энергетическими
характеристиками по сравнению с горючими мономолекуляр-
мономолекулярного состава.
Мономолекулярные топлива. В качестве однокомпонентных
мономолекулярных ракетных топлив используют алкилнитра-
ты — сложные эфиры азотной кислоты и различных одно-, двух-
и трехатомных спиртов, гидразин, жидкие нитропарафины,
этиленоксид и др. Физико-химические свойства алкилнитратов,
применяемых в качестве однокомпонентных топлив, приведены
в табл. 4.10 [4, 86].
Этилнитрат представляет собой приятно пахнущую бесцвет-
бесцветную легко летучую жидкость. Несмотря на отрицательный
кислородный баланс F1,5%), он обладает высокой взрывае-
мостью. Этилнитрат токсичен и очень плохо растворяется в
воде, но хорошо смешивается с эфиром и спиртами. Он огне-
огнеопасен, с воздухом образует смеси, воспламеняющиеся при
температуре выше 10 °С. В условиях взрыва этилнитрат разла-
разлагается по реакции
2CH3CH2ONO2 >• 4СО + 2Н2О + ЗН2 + N2.
Пропилнитрат представляет собой летучую жидкость с
приятным эфирным запахом. Он склонен к разложению со
взрывом по уравнению
2CH3CH2CH2ONO2 >• 4СО + 2С + 2Н2О + 5Н2 + N2.
При хранении разложение я-пропилнитрата катализирует
медь и никель. В емкостях и таре из легированной стали или
алюминия он может длительно храниться.
Широкое применение получил изопропилнитрат — бесцвет-
бесцветная или слегка желтоватая прозрачная подвижная жидкость с
характерным эфирным запахом. Он хорошо растворяется в
спиртах, эфире, ацетоне, бензоле, бензине и мало растворим
в воде. Изопропилнитрат медленно гидролизуется растворами
щелочей и быстро — растворами кислот. Это — малостабиль-
малостабильный эфир, и при малейшем увлажнении топлива разлагается
на изопропиловый спирт и оксиды азота. При взаимодействии
образовавшихся оксидов с водой получаются азотная и азоти-
азотистая кислоты, в результате кислотность топлива возрастает и
соответственно повышается его коррозионная агрессивность.
В герметичной таре изопропилнитрат хранится очень длитель-
длительное время (годы) практически без изменения своих свойств.
При хранении алкилнитратов с доступом воздуха они на-
насыщаются влагой. В изопропилнитрате растворяется воды
меньше, чем в аминном горючем, но больше, чем в углеводо-
углеводородном [4]. Алкилнитратные однокомпонентные топлива менее
ядовиты, чем гидразинные горючие. Предельно допустимая
концентрация изопропилнитрата в воздухе производственных
помещений составляет 5 мг/м3.
107
Из нитропарафинов практический интерес как унитарное
ракетное топливо представляет нитрометан. Это бесцветная
маслянистая жидкость с температурой кипения 101 °С и срав-
сравнительно низкой температурой кристаллизации, равной —29°С.
Технический нитрометан содержит 4—5% примесей нитроэта-
на, нитропропана и продуктов их окисления. При обычных
температурах его можно транспортировать и хранить в обыч-
обычных бочках вместимостью 200 л.
Другие представители нитропарафинов, в том числе и нит-
нитрометан, в чистом виде не используют вследствие их повышен-
повышенной взрывоопасное™.
За рубежом, как отмечено выше, в качестве вспомогатель-
вспомогательного унитарного ракетного топлива применяют этиленоксид [4].
По спецификации НАТО Р-920 этиленоксид должен удовлет-
удовлетворять следующим требованиям:
Цветность по АРНА, не более 10
Содержание, %:
этиленоксида, не менее 99,9
воды не более 0,03
альдегидов (в пересчете на ацетальдегид), не 0,03
более*
хлоридов (минеральных), не более 0,02
ацетилена Отсутствие
Кислотность в пересчете на уксусную кислоту, 0,005
%, не более
Содержание железа, мг/л, не более 0,1
Остаток после испарения, мг/л, не более 100
* На объем этиленоксида при 0 °С.
Для ракетной техники используют этиленоксид высокой
степени чистоты. Содержание примесей (кислот, альдегидов,
воды и минеральных хлоридов) не должно превышать 0,1%.
При обычной температуре он представляет собой бесцветный
газ с запахом эфира. Этиленоксид легко сжижается в бесцвет-
бесцветную подвижную жидкость с температурой кипения 13,5 °С и
температурой кристаллизации —111,5 °С; плотность его при
20 °С равна 884 кг/мз.
В. качестве однокомпонентного ракетного топлива для вспо-
вспомогательных двигателей используют также концентрирован-
концентрированный пероксид водорода (свойства его изложены в гл. 3).
Проводятся работы по изысканию новых высокоэнергетических мономо-
мономолекулярных однокомпонентных ракетных топлив на основе фтор-, озон- и бор-
содержащих соединений. В результате исследований в качестве таких топлив
предложены Ы,Ы-дифторалкиламины типа RNF2 (где R — алкильный радикал
Ci—С7) [4]. К: числу таких топлив можно отнести Ы,1М-дифторметил- и N.N-ди-
фторметиламины.
В ракетной технике могут быть применены однокомпонентные топлива,
представляющие собой продукты взаимодействия дифторамина с этиленокси-
дом, диметиловым или диэтиловыми эфирами. Такое топливо позволяет полу-
получить удельную тягу, равную 256 с при давлении 21 МПа и 294 с при 70 МПа.
Максимальной удельной тягой характеризуются топлива, полученные при от-
108
ношении дифторамина к диметиловому эфиру, равном 1,0:6,9, к диэтиловому
эфиру — 1 : 7 и к этиленоксиду 1,0—4,5 [4].
Высокой удельной тягой (до 241 с) характеризуется однокомпонентное
ракетное топливо на основе 2,2-дифтор-2-нитроэтанола CF2NO2CH2OH. Оно
имеет высокую термическую стабильность при температуре 150—200 °С, не вы-
вызывает осложнений в условиях эксплуатации и стабильно при хранении.
В качестве высокоэнергетического взрывобезопасного и нетоксичного одно-
компонентного ракетного топлива может рассматриваться этилкарбонат. Для
улучшения его разложения в камерах сгорания ЖРД на 1 моль этилкарбона-
этилкарбоната добавляют 0,001—0,1 моль хлорированных алифатических или ароматиче-
ароматических углеводородов, выкипающих выше 200 °С, в частности гексахлорциклогек-
сан, гексахлорэтан, декахлорбутан, полихлордифенил или тетрахлорбензол [4].
Топливо бесцветно, не имеет запаха, негигроскопично, кристаллизуется при
36 °С, выкипает при 248 °С и не вызывает коррозии средств хранения и транс-
транспортирования. В отсутствие катализатора и воды топливо стабильно при на-
нагревании до 100 °С. При разложении в присутствии катализатора в условиях
нагрева каждый моль этилкарбоната образует по 1 моль СО2, СО и СН4.
Реакция разложения топлива экзотермична и сопровождается быстрым повы-
повышением температуры и давления в камере сгорания двигателя. Температура
в камере сгорания при разложении этилкарбоната достигает 2000 °С, при этом
скорость газового потока в реактивном сопле составляет 1950 м/с, а удельная
тяга — 200 с.
В качестве перспективных мономолекулярных ракетных топлив предло-
предложены топлива на основе полинитроаминов, полигидроксинитросоединений, тет-
рацианоэтиленоксида, эфиров полинитрованных двухосновных карбоновых
кислот, 1,2,3-три(дифторамино)пропана и жидких фторированных углеводо-
углеводородов [4].
Характеристики горения и взрываемое™ однокомпонентных
ракетных топлив во многом зависят от их строения, кислород-
кислородного баланса и теплоты сгорания. Для алкилмононитратных
топлив по мере увеличения алкильного радикала снижаются
величина кислородного баланса и теплота сгорания, уменьшает-
уменьшается их взрывоопасность. С увеличением числа атомов углерода
в алкильном радикале от СН3 до СзН7 кислородный баланс и
теплоты сгорания снижаются примерно в 3 раза. В соответ-
соответствии с этим изопропилнитрат не воспламеняется при нормаль-
нормальных условиях даже в контакте с кислородом, и его воспламе-
воспламенение происходит только при давлении более 0,6 МПа и толь-
только от постороннего источника зажигания. Он не чувствителен
к удару, трению, не детонирует и спокойно сгорает. Вследствие
отрицательного кислородного баланса изопропилнитрат сго-
сгорает не полностью; температура вспышки его равна 12°С, а
пары с кислородом воздуха взрываются в широком диапазоне
объемных концентраций — от 2 до 100% [6, 87].
Увеличение в составе алкилнитратных ракетных топлив нит-
нитратных групп повышает кислородный баланс, теплоту сгора-
сгорания и взрываемость. Так, введение второй группы ONO2 в
этилнитрат более чем вдвое увеличивает кислородный баланс
горючего, который достигает стехиометрического. Одновремен-
Одновременно с этим в 2 раза повышается и теплота сгорания. Соединение
с тремя нитратными группами — тринитроглицерин — имеет
уже в 3 раза большие кислородный баланс и теплоту сгорания
в сравнении с изопропилнитратом. В результате этого алкилди-
109
и алкилтринитраты обладают повышенной взрываемостью. Они
могут взрываться от удара, трения, резкого повышения тем-
температуры и давления, попадания загрязнений и др.; горение
этих топлив легко переходит в детонацию. Для снижения взры-
ваемости алкилнитратных ракетных топлив в них добавляют
флегматизаторы [88]. Алкилнитратные однокомпонентные ра-
ракетные топлива отличаются высокой скоростью сгорания, кото-
которая зависит от температуры и давления \[4].
При использовании этиленоксида в качестве однокомпонент-
ного топлива для парогазогенераторов ЖРД с целью сниже-
снижения нагарообразования предлагается вводить в топливо 0,2—
0,8% серы в виде сернистых соединений типа сероуглерода,
диметил- и диэтилсульфидов, диметилсульфоксида, тиофена,
тиофана, 1,4-дитиана или сиж-тритиана [4]. Для снижения
температуры парогаза к этиленоксиду добавляют около 10%
1,4-диоксана в качестве охлаждающего агента, а с целью улуч-
улучшения воспламеняемости топлива — 5—18% нитрометана.
Для предотвращения под влиянием сернистых соединений кор-
коррозии парогазогенераторов, изготовленных из легированной ста-
стали, их внутренние стенки подвергают пассивации при темпера-
температуре 750—850 °С в течение 2 ч газовой смесью на основе азо-
азота, гелия или аргона с добавкой 0,4—5,0% сероводорода.
При работе парогазогенератора в течение 5 ч на этиленоксиде
с добавкой 1% диметилсульфоксида при температуре газовой
смеси 900 °С и давлении 3,8 МПа не наблюдается отложения
нагаров на стенках и выходном сопле.
В качестве однокомпонентных топлив для парогазогенера-
парогазогенераторов ЖРД был предложен метилацетилен [4]. Он имеет
температуру кипения 23 °С и взрывоопасен в присутствии ка-
каталитически активных металлов — меди, серебра и др. Удель-
Удельная тяга при использовании метилацетилена в качестве одно-
компонентного топлива составляет 186 с.
Вопросам разложения и сгорания однокомпонентных ракет-
ракетных топлив постоянно уделяется большое внимание.
С. М. Ильяшенко [4] показал, что при улучшении распылива-
ния таких топлив и увеличении прироста температуры ско-
скорость испарения и сгорания топлив повышаются, а время сго-
сгорания и необходимая длина камеры уменьшаются. Скорости
испарения и сгорания однокомпонентных топлив возрастают с
увеличением массового расхода топлива и уменьшаются с ро-
ростом теплоемкости и вязкости газов, а также с увеличением
плотности топлива и давления в камере ЖРД (табл. 4.11).
Гидразин как однокомпонентное ракетное топливо с иридие-
иридиевым катализатором разложения «Шелл-405» (около 30% ири-
иридия и 70% оксида алюминия) применяют за рубежом в двига-
двигателях коррекции искусственных спутников Земли, в двигателях
коррекции космических аппаратов, в индивидуальных двига-
двигателях для передвижения космонавтов и др. [89—93]. Физико-
химические и эксплуатационные свойства гидразина приведены
ПО
Таблица 4.11. Энергетические характеристики и состав продуктов
сгорания этиленоксида
Давление
в камере
ЖРД. МПа
Состав продуктов сгорания, моль
СО
сн4
н2
с2н4
Температура,
Удельная
тяга, с
2
3
4
6
1,00
1,00
1,00
1,00
0
0
0
0
,84
,86
,87
,88
0,16
0,14
0,12
0,12
0
0
0
0
,08
,07
,06
,06
1015
1027
1033
1039
156
165
170
177
в гл. 1 (см. разд. 1.5). Жидкостные ракетные двигатели, рабо-
работающие на гидразине, надежны и безопасны в эксплуатации,
имеют большой срок службы и легко запускаются повторно.
Задержка воспламенения при экзотермическом разложении
гидразина составляет 0,01 с [91].
Экзотермическая реакция разложения гидразина протекает
с выделением 46 кДж тепла на 1 моль продукта. При катали-
каталитическом разложении состав продуктов и их температура за-
зависят от времени пребывания продукта в каталитическом па-
пакете, которое, в свою очередь, определяется длиной пакета,
рабочим давлением и массовой скоростью потока на единицу
площади поверхности катализатора. В присутствии катализа-
катализатора гидразин разлагается с образованием аммиака и азота,
при этом аммиак разлагается далее на азот и водород:
3N,H2
2NH4
3H2 + N2
-> 4NH3+N2,
При такой степени разложения аммиака использование го-
горячих газов в двигателях наиболее эффективно.
Топливные баки ракет для гидразина за рубежом изготав-
изготавливают из титанового сплава, содержащего 6% алюминия и
4% ванадия. На спутниках, управляемых по трем осям, гид-
гидразин помещают в резиновые емкости, изготовленные из бу-
тилкаучука. Из этих емкостей, помещенных в баке из титаново-
титанового сплава, гидразин выдавливается инертным газом, подавае-
подаваемым внутрь бака. Бутилкаучук обладает высокой стойкостью
к гидразину [92, 93]. Для изготовления разделительных емко-
емкостей и диафрагм в гидразиновых топливных баках лучшими
материалами являются сополимеры этилена, пропилена и угле-
углеводородной смолы. Трубопроводы для подачи гидразина в ка-
камеру сгорания и регулирующие клапаны выполняют из тита-
титанового сплава или легированной стали. В линиях подачи гид-
гидразина в ЖРД за рубежом устанавливают 2- и 10-микронные
фильтры, изготовленные из легированной стали или пористого
полимерного материала [93—96].
Температура газов разложения на выходе из каталитиче-
каталитического пакета обычно бывает менее 980 °С. Реакция разложе-
разложения гидразина на иридиевом катализаторе представляет собой
диффузионный процесс, лимитируемый скоростью разложения
111
гидразина. Состав продуктов разложения гидразина изменяет-
изменяется по длине слоя катализатора. При установившемся режиме
гидразин разлагается на первых 5—10% длины слоя катализа-
катализатора, и в состав продуктов разложения входит 10—20% аммиа-
аммиака, 30% азота и 50—60% водорода.
В США рассмотрена возможность использования в качестве однокомпо-
нснтного топлива гидразина с добавкой гидразиназида N2H3-N3. В резуль-
результате проведенных исследований установлено, что температуру кристаллиза-
кристаллизации гидразина можно понизить добавкой до 28% гидразиназида. Смесь гид-
гидразина с 21,8, 24,6 и 27,6% гидразиназида нечувствительны к удару и бо-
более термостабильны, чем гидразин. Плотность и кинематическая вязкость
смесей выше, чем у чистого гидразина. При испытаниях в ЖРД средняя
температура газов для смеси гидразина с 20% гидразиназида была на
115 °С выше, чем для продуктов разложения гидразина. Эта же смесь по-
позволила получить более высокие энергетические характеристики. Она удов-
удовлетворительно воспламеняется в вакууме при температурах топлива и ка-
катализатора значительно более низких, чем температура кристаллизации гид-
гидразина [97, 98].
В ФРГ в качестве однокомпонентного топлива разработана рецептура,
содержащая 24,41—43,66% N2H4; 25,77—68,02% С2Н5ОН и 4,38—35,04%
H2NNHCH3, с температурой вспышки ниже 25 °С для использования в ЖРД
с каталитической камерой разложения.
В США предложено получать гелеобразный гидразин путем
добавки к нему около 5% эфира на основе целлюлозы и около
1% гидроксиэтилцеллюлозы. Разработано высокоэнергетическое
однокомпонентное топливо на основе гидразина с добавкой
49,8% гидрида алюминия, микрочастицы которого имеют по-
покрытие из сополимера арилен- или алкиленгидразина и арилен-
или алкилендиизоцианата. Покрытие предотвращает разложе-
разложение гидразина на поверхности частиц гидрида алюминия и по-
повышает химическую стабильность топлива, имеющего вязкость
24 мПа-с при напряжении сдвига 17 300 с \[4].
Смесевые однокомпонентные ракетные топлива. С целью
повышения энергетических характеристик однокомпонентных
ракетных топлив развернуты работы по получению смесевых
топлив. К таковым могут быть отнесены смеси алкилнитратов
и нитропарафинов с окислителями типа концентрированных
азотной и серной кислот, пероксида водорода и др. Добавка
окислителей повышает кислородный баланс и теплоту сгорания
однокомпонентных топлив и увеличивает удельную тягу. Вве-
Введение в нитрометан 38% азотной кислоты, 48% пероксида во-
водорода или 28% жидкого кислорода способствует повышению
удельной тяги на 36—60 с [4].
Применение однокомпонентных топлив на основе нитрометана в комби-
комбинации с жидким кислородом и пероксидом водорода обеспечивает устой-
устойчивый процесс горения топлива. Использование смесевых топлив повыша-
повышает надежность воспламенения и снижает взрывоопасность топлив при их
воспламенении в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей. В ка-
качестве смесевых однокомпонентных ракетных топлиз кроме комбинации на
основе нитрометана были изучены смеси нитропропана и азотной кислоты.
Топлива получали на базе технического нитропропана, содержащего 32%
1-нитропропана, 43% 2-нитропропана, 26% нитроэтана и 9% нитрометана.
112
В качестве высокоэнергетических смесевых иднокомпонентных ракетных,
топлив предложены также смеси, содержащие окислитель из неорганических
кислот (например, 70%-ю азотную кислоту или ее смесь с перхлорной
кислотой) и горючее — четвертичные аммониевые основания (Ы,№-диметил-
триэтилендиаммоний-, ]Ч,1М-диэтилтриэтилендиаммоний-, М-этил-1\['-метнлтри~
этилендиаммоний-, тетраметиламмоний- или тетраэтиламмоний нитраты;
N.N.N.N^N'.N'-reKcaMeTwinponaH- или Ы^.М.Ы'.Ы'.Ы'-гексаметилбутан-ЬЗ-
диаммонийдинитраты и др.) [4]. Топливо, полученное на основе указанных
четвертичных аммонийных оснований и безводной азотной кислоты, облада-
обладает высокой термической стабильностью имеет температуру кристаллизации
от —31 до 69 °С и вязкость, обеспечивающую его прокачивание по топлив-
топливным системам ЖРД до температуры —40 °С [4].
В качестве компонентов смесевых однокомпонентных топлив могут ис-
использоваться также вторичные тетраалкиламмонийнитраты, спиро- и ди-
спирочетвертичные аммониевые основания [4]. Такие однокомпонентиые ра-
ракетные топлива можно применять в арктических условиях и при полетах
на больших высотах. Для получения однокомпонентных ракетных топлив
в смеси с 70%-й азотной кислотой могут использоваться низкомолекуляр-
низкомолекулярные нитропарафины, перхлорированные аминосоединения типа перхлоратов
пиридина, пиперидина или аминов [4].
Смесевые однокомпснентные ракетные топлива, полученные
на основе азотной кислоты, нитратов, динитратов и четвертич-
четвертичных аммониевых оснований, недостаточно стабильны в условиях
хранения. С целью повышения стабильности в их состав вво-
вводят в качестве стабилизаторов перхлорат аммония, нитрат ам-
аммония, калия или натрия в количестве до 10% [4]. Для улуч-
улучшения характеристик горения в однокомпонентное топливо мож-
можно вводить 5% алюминия или магния, а также безводный ам-
аммиак, низшие алкиламины (с числом углеродных атомов более
двух), перхлорат аммония, низшие спирты или нитрат мономе-
монометиламина. Топливо подобного состава обеспечивает получение
удельной тяги порядка 215 с при давлении в камере сгорания
двигателя 21 МПа {4~|.
Стабильным в условиях хранения является однокомпонент-
однокомпонентное топливо, представляющее собой смесь гидразинов и гидра-
зинполигидродекаборатов. Такое топливо обладает высокой
термической стабильностью и повышенными энергетическими
характеристиками. Его можно использовать в ракетных двига-
двигателях с добавкой небольших количеств окислителей — четырех -
окиси азота, оксида фтора и др.
Для улучшения эксплуатационных характеристик в одно-
компонентное топливо вводят депрессанты — сероводородную,
цианистую и другие кислоты. При нагревании в течении не-
нескольких часов при 95—100 °С такое топливо может храниться
в емкостях, предназначенных для транспортирования и хране-
хранения гидразина.
В качестве перспективных топлив для жидкостных ракетных
двигателей могут найти применение геле- и пастообразные
смесевые однокомпонентные топлива. Они могут содержать
твердый полиолефиновый полимер, измельченный до 1—
500 мкм, и окислитель типа четырехокиси азота, пероксида во-
водорода, красной или белой дымящей азотной кислоты [4]. Ге-
8—518 113
леобразное топливо подается в камеру сгорания двигателя под
давлением азота или с помощью насосной системы. Оно имеет
температуру воспламенения 650—760 °С и обладает хорошей
стабильностью как при нормальных температурах, так и при
нагревании его до 70 °С.
Глава 5.
ХРАНЕНИЕ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ,
ПЕРЕКАЧИВАНИЕ И НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ТОПЛИВ
Компоненты жидких ракетных топлив при хранении, транс-
транспортировании и перекачивании не должны изменять своих фи-
физико-химических свойств, т. е. должны оставаться стабильны-
стабильными. Это достигается созданием необходимых условий хранения,
транспортирования, перекачивания, подбором стойких к ком-
компонентам топлив конструкционных материалов и введением
специальных добавок, которые повышают стабильность компо-
компонентов, но не влияют на их энергетические свойства. Важней-
Важнейшим требованием является сохранение компонентов ракетного
топлива в жидком состоянии при их длительном хранении.
Высококипящие компоненты можно хранить в герметизиро-
герметизированных стационарных резервуарах либо в топливных баках
практически без потерь на испарение (герметичное хранение).
Низкокипящие, или криогенные, компоненты ракетного топлива
(жидкие фтор, кислород, монооксид фтора, водород, аммиак
и др.) в условиях эксплуатации либо хранения имеют при
максимальной температуре давление насыщенного пара выше
допустимого по прочности топливных баков (резервуаров).
Для сохранения их качества и снижения потерь от испарения
при хранении необходимо принятие специальных мер, таких,
как, тепловая изоляция баков (резервуаров), возврат конден-
конденсата и др. Хранение криогенных компонентов топлива связано
со значительными потерями их от испарения, которые стре-
стремятся максимально уменьшить [4, 25].
5.1. ХРАНЕНИЕ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ, ПЕРЕКАЧИВАНИЕ
И НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ОКИСЛИТЕЛЕЙ
Хранение, транспортирование и перекачивание низкокипящих
окислителей представляет сложную техническую задачу, так
как окислители имеют небольшую скрытую теплоту испарения
и значительную разницу между температурой кипения самого
испарителя и температурой окружающего воздуха. Поэтому
происходит непрерывное испарение их, что приводит к значи-
114
Рис. 5.1. Типовой резервуар для жид-
жидкого кислорода:
/ — внутренний сосуд (резервуар); 2 — наруж-
наружный резервуар (кожух); 3 — испаритель; 4 —
вакуумметр; 5—тепловая изоляция; 6 — предо-
предохранительная мембрана кожуха; 7 — мано-
манометр; 8 — предохранительное устройство (кла-
(клапан, мембрана) внутреннего сосуда; 9 —
труба для сброса газа; 10 — сливно-наливная
труба; // — указатель уровня; 12 — патрубок
для отбора проб жидкого кислорода
тельной потере окислителей. Сложность задачи обусловливает-
обусловливается и тем, что такие окислители, как жидкий фтор, монооксид
фтора и озон, — ядовитые вещества, обладают высокой ток-
токсичностью, энергично взаимодействуют со многими органиче-
органическими и неорганическими соединениями, часто с воспламене-
воспламенением.
Жидкий кислород хранят и транспортируют в специальных
герметичных резервуарах, изготовленных из стойких к кисло-
кислороду материалов с хорошей терловой изоляцией. Обычно ре-
резервуары для жидкого кислорода состоят из двух или трех
металлических сосудов, концентрически расположенных по от-
отношению друг к другу. Центральный (внутренний) сосуд пред-
предназначен для жидкого кислорода. Между внутренним и на-
наружным сосудами размещают тепловую изоляцию — насыпную,
вакуумно-порошковую (многослойную) —или поддерживают
вакуум (высоковакуумная изоляция) [25, 99]. Схема типового
резервуара для жидкого кислорода показана на рис. 5.1.
Тепловая изоляция имеет важное значение в технике транс-
транспортирования и хранения всех низкокипящих окислителей. Ве-
Величина теплового потока к хранимой жидкости прямо пропор-
пропорциональна коэффициенту теплопроводности тепловой изоля-
изоляции, поверхности теплопередачи и разности температур окру-
окружающего резервуар воздуха и находящейся в нем жидкости
(жидкого кислорода). Чтобы уменьшить скорость испарения
жидкого кислорода, стремятся получить минимальный коэф-
коэффициент теплопроводности тепловой изоляции и уменьшить
поверхность теплопередачи.
С понижением температуры кипения и увеличением удель-
удельной поверхности изолируемого объекта потери жидкости от
испарения резко возрастают при неизменной величине тепло-
теплового потока. Так, вследствие малой теплоты парообразования
(испарения) жидкий водород испаряется в 7,7 раза быстрее
жидкого кислорода при одинаковом подводе тепла [25, 100].
Тепловая изоляция должна обладать минимальным коэффи-
коэффициентом теплопроводности, малой влагоемкостью, низкой гиг-
гигроскопичностью, невысокой плотностью, не взаимодействовать
8*
115
с металлическими поверхностями оборудования, не быть горю-
горючей (что особенно важно при изготовлении оборудования для
хранения кислорода) и должна удовлетворять ряду других
требований.
Обычную насыпную (пористую) тепловую изоляцию на
основе волокнистых, порошкообразных и пеноматериалов при-
применяют в основном для защиты оборудования, используемого
для хранения низкокипящих жидкостей типа жидкого метана.
При хранении жидкого кислорода этот вид тепловой изоля-
изоляции используют преимущественно для защиты отдельных ви-
видов оборудования, например трубопроводов. Достоинства на-
насыпной изоляции — простота выполнения, невысокая стоимость,
а недостаток — относительно высокий коэффициент теплопро-
теплопроводности. Возможно применение этой изоляции для стационар-
стационарных резервуаров большой емкости (>100 м3).
Высоковакуумная изоляция позволяет резко снизить тепло-
теплопередачу к сжиженному газу. Применение глубокого вакуума
как изоляции исключает два вида потерь тепла — конвекцию и
перенос тепла за счет теплопроводности. Сжиженному газу
передается лишь тепло остаточных газов в вакуумной полости,
а также за счет излучения и теплопроводности конструкцион-
конструкционных материалов. Создание глубокого вакуума (остаточное
давление 1,3—0,13 мПа) в теплоизолирующем пространстве
практически исключает перенос тепла из-за теплопроводности
и конвекции газа. К недостаткам этого вида изоляции относят-
относятся необходимость надежной герметизации кожуха, трудность
создания и поддержания в период эксплуатации высокого ва-
вакуума. Коэффициент теплопроводности высоковакуумной изо-
изоляции составляет примерно 4,6-10~4 Вт/(м-К), остаточное дав-
давление— от 0,13-10~2 до 0,13 Па. Такая изоляция нашла при-
применение при защите сосудов для жидкого кислорода вмести-
вместимостью 1—50 л.
Вакуумно-порошковая тепловая изоляция представляет со-
собой порошкообразный материал, размещенный в вакуумиро-
ванном пространстве. Наиболее распространенными материала-
материалами для вакуумно-порошковой изоляции являются аэрогель, пер-
перлит, кремнегель, а также стекловолокно. Коэффициент тепло-
теплопроводности такой изоляции составляет C—6) • 10~4 Вт/(м-К).
Основные преимущества вакуумно-порошковой изоляции та-
таковы: отсутствие необходимости.в высоком вакууме и возмож-
возможность создания разрежения (остаточное давление 1,33—
0,013 Па) с помощью обычного механического насоса; исклю-
исключение необходимости полировки стенок (как правило, обяза-
обязательной при высоковакуумной изоляции); возможность исполь-
использования любых металлических материалов. Одним из недо-
недостатков этой изоляции являются трудности вакуумирования
из-за большой поверхности и адсорбционность порошков [99,
101]. Вакуумно-порошковая изоляция нашла применение для
изоляции трубопроводов, стационарных и транспортных резер-
116
вуаров при хранении жидкого кислорода в сосудах вмести-
вместимостью до 100 м3 и более.
Многослойная (вакуумно-многослойная, экранно-вакуум-
ная) теплоизоляция представляет собой чередующиеся слои
изоляционного и экранирующего материалов, помещенные в
вакууме. Экраны выполняют из металлической фольги и раз-
разделяют прокладками из теплоизолирующего волокнистого ма-
материала. Наибольшее практическое распространение получила
алюминиевая фольга, имеющая малую плотность, низкую стои-
стоимость и высокую отражательную способность, а также пленка
из полиэфиров, на которую нанесено алюминиевое покрытие.
В качестве теплоизолирующих прокладок широкое распрост-
распространение получила стеклянная бумага, спресованная из очень
тонких волокон. Многослойная изоляция позволяет снизить
(на порядок) коэффициент теплопроводности по сравнению с
вакуумно-порошковой изоляцией, уменьшить массу изоляции
на единицу объема, сократить период охлаждения изоляции и
предотвращает ее усадку (в отличие от вакуумно-порошковой
изоляции). Несмотря на необходимость создания и поддержа-
поддержания высокого вакуума в межстенном пространстве (остаточное
давление 1,3 мПа) и сложность монтажа, эту изоляцию ис-
используют для защиты трубопроводов и резервуаров любой ем-
емкости при хранении жидкого кислорода i[99, 101].
Потери от испарения жидкости в значительной мере зависят
от формы резервуара. Самая рациональная форма резервуа-
резервуара— сферическая (шаровая) или цилиндрическая, причем вы-
высота цилиндра должна быть равна диаметру. Для такого ци-
цилиндра величина потерь на 10% больше, чем для шара того
же объема [102]. Потери от испарения зависят и от вмести-
вместимости резервуара, с увеличением которой они снижаются.
С увеличением степени заполнения сосуда потери на испарение
в единицу времени возрастают, а относительные потери умень-
уменьшаются [101].
Потери от испарения вследствие притока тепла через изо-
изоляцию зависят от габаритов и конструкции резервуаров. Эта
сложная зависимость учитывается при конструировании ре-
резервуаров. На потери при испарении влияет также приток теп-
тепла по опорам, подвескам и трубам (тепловым мостам), кото-
который стремятся уменьшить за счет улучшения изоляции и кон-
конструкции этих элементов. Для уменьшения жидкого кислорода
резервуары могут снабжаться специальными устройствами, на-
например системой обратной конденсации, или устройствами, по-
позволяющими экономно использовать образующийся при хране-
хранении газообразный кислород, например газонаполнительными
станциями.
Хранение жидкого кислорода, как и любой криогенной жид-
жидкости, без потерь является важной задачей. Испарение жидкого
кислорода приводит не только к потерям продукта, но и на-
накоплению в нем различных, менее летучих примесей (масла и
117
ацетилена), что может создать аварийную ситуацию. Известна
несколько способов хранения жидкого кислорода без потерь.
Все они связаны с применением дополнительного оборудова-
оборудования для резервуаров либо с затратой энергии, необходимой
для обеспечения условий длительного хранения [101, 103].
Первый способ — обратная конденсация испарившихся па-
паров кислорода. При втором способе хранения без потерь под-
поддерживают температуру, равную (или ниже) температуре ки-
кипения жидкого кислорода (криостатирование). Если переохла-
переохладить жидкий кислород ниже температуры кипения при соот-
соответствующем давлении, можно уменьшить потери от испаре-
испарения, а при наличии хорошей изоляции резервуара — хранить
в течение нескольких суток жидкий кислород практически без
потерь [23, 104].
Стационарные резервуары для хранения жидкого кислорода
могут иметь насыпную, вакуумно-порошковую или вакуумно-
многослойную изоляцию. Последнюю применяют главным об-
образом в специальных резервуарах небольшой вместимости (до
6—10 м3).
Вместимость железнодорожных цистерн для жидкого кис-
кислорода обычно составляет 30—50 м3, рабочее давление в них
0,25 МПа. Цистерны снабжены вакуумно-порошковой изоля-
изоляцией, и потери от испарения равны 0,3% в сутки [25, 105].
Цистерну с жидким кислородом перед отправлением осматри-
осматривают, обращая особое внимание на состояние арматуры, предо-
предохранительных устройств, контрольно-измерительных приборов
и тепловой изоляции. Наличие снеговых пятен на кожухе ука-
указывает на значительное испарение жидкого кислорода и уве-
увеличение потерь вследствие снижения вакуума в изоляционном
пространстве.
Жидкий кислород перекачивают с помощью специальных
насосов, а также передавливанием газообразным азотом или
сухим сжатым воздухом. Для переливания используют гибкие
шланги (рукава) диаметром 40, 70 и 100 мм, изготовленные из
гофрированных металлических труб с волокнистой изоляцией,
покрытой металлической сеткой. Концы шлангов соединяют со
штуцером резервуаров специальными разъемными муфтами
[24].
Крупные хранилища вместимостью более 100 м3 обычно
изолируют насыпной изоляцией. Так, резервуары вместимостью
1000—3000 м3 для жидкого кислорода имеют изоляцию из пер-
перлитового порошка или шлаковой ваты толщиной до 1 м и бо-
более. Потери жидкого кислорода от испарения в таких резер-
резервуарах составляют 0,15—0,18% в сутки, т. е. меньше, чем для
сосудов с вакуумно-порошковой изоляцией. Одним из недостат-
недостатков волокнистой и порошковой изоляций является резкое уве-
увеличение коэффициента теплопроводности при насыщении изо-
изоляции влагой. Во избежание попадания влаги в изоляционном
пространстве поддерживают небольшое избыточное давление
118
Рис. 5.2. Резервуар для
хранения жидкого фто-
фтора:
/ — кожух; 2 — емкость для
жидкого азота; 3 — емкость
для жидкого фтора; 4 — тру-
трубопровод слива жидкого
фтора; 5 — вентиляционный
трубопровод емкости 2; 6—
трубопровод налива жидкого
фтора
подачей сухого азота [25]. Материал резервуаров —легирован-
—легированная сталь или алюминиевый сплав, например сплав АМц.
Жидкий кислород, получаемый на промышленных предприя-
предприятиях, доставляется потребителям автомобильным, железнодо-
железнодорожным или воздушным транспортом.
Автомобильные транспортные резервуары имеют различную
вместимость. Автоцистерны снабжают жидкостным насосом, а
полуприцепы обычно его не имеют. Вместимость автоцистерны
достигает 8—9 м3, а полуприцепов —20—25 м3 [25]. Транс-
Транспортные резервуары для жидкого кислорода представляют
собой горизонтальные цилиндрические сосуды с вакуумно-
порошковой изоляцией. Внутренний сосуд изготавливают из
легированной стали или алюминиевого сплава, кожух —из уг-
углеродистой стали. Рабочее давление во внутреннем сосуде со-
составляет 0,2—0,35 МПа; потери при испарении не превышают
0,5% в сутки. Жидкий кислород транспортируют с открытым
вентилем газосброса [23, 25].
Жидкий фтор транспортируют автомобильным и железно-
железнодорожным транспортом в специальных цистернах. Автомобиль-
Автомобильная цистерна для перевозки жидкого фтора представляет собой
три горизонтальных цилиндрических резервуара, смонтирован-
смонтированных один в другом и установленных на полуприцепе. Общая
масса автоцистерны, вмещающей 2,5 т жидкого фтора, равна
10 т. Центральный (внутренний) резервуар заполняют жидким
фтором. Кольцевое пространство между центральным и вторым
резервуарами заполняют жидким азотом, а между вторым и
наружным резервуарами —перлитовым порошком или диокси-
диоксидом кремния и вакуумируют. Таким образом, резервуары с
жидким фтором имеют двойной слой изоляции: первый —экран
жидкого азота, второй —вакуумная порошковая изоляция
(рис. 5.2).
Жидкий фтор передавливают газообразным гелием, кото-
который подают при небольшом давлении в автоцистерну [106].
Перевозят жидкий фтор с закрытым вентилем газосброса. Как
при хранении, так и при транспортировании жидкий фтор дол-
должен быть переохлажден по сравнению с температурой кипения
парами жидкого азота на 8 К. В качестве материалов для ре-
119
зервуаров жидкого фтора рекомендуется монель-металл, леги-
легированная сталь (например, 12Х18Н10Т) или алюминий [107].
Жидкий фтор можно транспортировать и в специальных же-
железнодорожных цистернах, вмещающих до 25 т окислителя
[14].
Хранить жидкий фтор довольно сложно, так как пары фто-
фтора очень токсичны и бурно взаимодействуют с различными
веществами, накапливающимися в процессе хранения (отложе-
(отложениями). Чтобы предотвратить попадание паров фтора в атмо-
атмосферу, перед заполнением проверяют герметичность резервуа-
резервуаров, затем очищают их от загрязнений, обрабатывают тра-
травильными растворами, промывают и сушат.
Для обезжиривания поверхностей, соприкасающихся со
фтором, используют шелочные растворы (для стальных, мед-
медных, никелевых и алюминиевых резервуаров) и органические
растворители. Обработку растворами проводят в течение 10—
15 мин при температуре 333—363 К [25]. Для стали применяют
раствор, содержащий гидроксид натрия E0—100 г/л) и кон-
контакт Петрова C0—50 г/л). Никель, медь и ее сплавы лучше
обезжиривать смесью гидроксида натрия B0—30 г/л), бикар-
бикарбоната натрия B5—30 г/л) и жидкого стекла или мыла C—
10 г/л). Ржавчину и окалину удаляют 5—10%-м раствором
H2SO4 и 10—15%-м раствором НС1. Обезжиренные поверхности
промывают водой, сушат и пассивируют газообразным фтором.
Пассивация необходима для того, чтобы на поверхности ме-
металла образовалась стойкая к последующему воздействию
жидкого фтора пленка фторида металла [25, 108]. Эта пленка
уменьшает или предотвращает коррозию и разрушение деталей
при контакте с жидким фтором.
Крупные резервуары и трубопроводы перед пассивацией
продувают газообразным азотом, создают внутри резервуара
разрежение и затем заполняют газообразным фтором (давле-
(давление в резервуаре 0,02—0,05 МПа). После выдержки в течение
1 ч избыток фтора отводят в систему нейтрализации и обору-
оборудование заполняют фтором (давление 0,2 МПа). По истечении
2 ч давление снижают до атмосферного. После такой обработ-
обработки давление фтора вновь повышают до рабочего (с промежу-
промежуточной выдержкой).
Стационарный резервуар для хранения жидкого фтора, как
и автоцистерна, состоит из трех концентрически расположен-
расположенных сосудов. Жидкий фтор хранят в переохлажденном со-
состоянии практически без потерь, так как при притоке тепла
вначале испаряется жидкий азот. Давление в резервуаре со
фтором @,035—0,042 МПа) обычно на 0,007 МПа выше атмо-
атмосферного.
При хранении жидкого фтора может возникнуть необходи-
необходимость улавливания и нейтрализации паров фтора. В таких
случаях выделяющийся фтор стремятся превратить в менее
агрессивные и токсичные и легко улавливаемые соединения.
120
Например, пары фтора сжигают при недостатке воздуха в
пламени природного газа [4, 25, 39]. Для улавливания и нейт-
нейтрализации фтора используют ракушечник или известковый по-
поглотитель [39].
Фторные окислители. Монооксид фтора OF2 транспортируют
и хранят аналогично жидкому фтору. Материалы, применяемые
в контакте с монооксидом фтора, и методы работы те же, что
и при работе со фтором. Трифторид хлора C1F3 хранят и пере-
перевозят в США в специальных цельнотянутых стальных резервуа-
резервуарах под давлением. В качестве материала для прокладок ис-
используют медь, алюминий, тефлон, пропитанный фторидом
меди. Перекачивают окислитель с помощью диафрагменных
насосов. Подготовка технических средств к заполнению и нейт-
нейтрализации мало чем отличается от подобных работ со фтором
Азотнокислотные окислители хранят и транспортируют в ре-
резервуарах, бочках, автомобильных и железнодорожных цистер-
цистернах, выполненных из алюминия и его сплавов, а также из ле-
легированной стали. Резервуары и цистерны оборудуют сливно-
наливными трубами, предохранительными клапанами, маномет-
манометрами и уровнемерами. Перекачивают азотнокислотные окисли-
окислители насосами — центробежными или поршневыми, выполнен-
выполненными из кислотостойкой хромоникелевой стали [4, 17].
Обычные прокладочные материалы, рукава и шланги из
текстильных материалов и резины для указанных окислителей
непригодны. Для этих целей применяют металлические рукава
из гофрированной легированной стали, а также из фторопласта
или полиэтилена. Для уплотнения деталей насосов, а также
для запирающих элементов и седел клапанов и прокладок наи-
наиболее пригоден алюминий, а из неметаллических материалов —
фторопласт и фторопласт с прессованным асбестом [4, 10].
В процессе хранения азотной кислоты в алюминиевых ре-
резервуарах или при перевозках в алюминиевых цистернах окис-
окислитель может загрязняться продуктами коррозии. Исследования
показали, что загрязнение на 90% состоит из оксида алюми-
алюминия А12О3, остальные 10% представляют собой частицы окали-
окалины, песок и т. п. При обводнении азотной кислоты резко уско-
ускоряется коррозия металлов, в том числе и легированной стали.
Загрязняется азотная кислота в основном при контакте ее раз-
разбавленных растворов или паров обводненного конденсата с
металлами. Подавляющее большинство твердых частиц имеют
размеры до 5 мкм, хотя встречаются и частицы размером 70—
100 мкм [НО]. В связи с этим при приеме и выдаче азотнокис-
азотнокислотные окислители фильтруют, используя фильтры из проволоч-
проволочной сетки легированной стали, а также металлокерамики или
стойких к окислителю полимерных материалов.
Хранят окислители обычно в сварных горизонтальных ре-
резервуарах— подземных, полуподземных или наземных. Для
защиты резервуаров от агрессивного воздействия окисли-
121
телей предпочтительно заглублять резервуары в землю, так как
при этом обеспечивается постоянство температуры окислителя
в летний и зимний периоды (нет резкого перепада температур)
и тем самым уменьшается скорость коррозии стенок резервуа-
резервуара. Однако при таком виде храпения следует тщательно защи-
защищать сварные швы, которые более подвержены коррозии, чем
основной материал резервуара.
Важным при хранении является герметизация резервуара
и его оборудования. При отсутствии герметичности пары окис-
окислителя вместе с влагой воздуха образуют разбавленную азот-
азотную кислоту, которая разрушает даже чистый алюминий (при
разбавлении кислоты увеличивается степень диссоциации ее
молекул и повышается интенсивность процессов электрохими-
электрохимической коррозии). Негерметичность технических средств ухуд-
ухудшает качество окислителя, способствует образованию солей —
продуктов коррозии — и коррозионному разрушению металла.
Поэтому следует обеспечивать герметичность всех технических
средств (резервуаров, бочек, цистерн, трубопроводов и насосов),
не допускать попадания паров окислителя на контактирующие
с воздухом поверхности и влаги (разбавленной азотной кисло-
кислоты) в окислитель. Для контроля герметичности оборудования
применяют краски-индикаторы и различные составы, которые
при попадании на них паров окислителя изменяют цвет [4].
Резервуары для хранения азотнокислотных окислителей обо-
оборудуют фланцем для снижения давления паров окислителя, ко-
который обычно соединяют с системой нейтрализации. При упот-
употреблении окислителя возможны его проливы на оборудование
или грунт, а также образование слабых растворов азотной
кислоты в результате взаимодействия паров окислителя с вла-
влагой воздуха. Азотнокислотные окислители, их растворы — не
только агрессивные, но и токсичные вещества. Во избежание
коррозионного разрушения оборудования и для обеспечения
безопасности работающего персонала технические средства
после работы с окислителем освобождают от его остатков и
обезвреживают. Очистка считается законченной, если поверх-
поверхность после очистки остается чистой и сухой, а рН воды при
смачивании ею обезвреженной поверхности равен 6—8.
Очищают технические средства от остатков окислителя раз-
различными способами в зависимости от их конструкции, объема
остатков окислителя, требуемой чистой очистки и т. д. Для очи-
очистки могут быть использованы вакуумная сушка, паровая
очистка и продувка инертным газом, но все эти способы не
обеспечивают полного удаления с поверхности пленки окисли-
окислителя и оксидов азота.
Полного удаления остатков окислителя можно достичь при
промывке средств водой, но в промываемых объектах имеются
тупиковые зоны, в которых может оставаться окислитель или
его пары. Кроме того, промывную воду по окончании обработ-
обработки необходимо обезвреживать. Для нейтрализации окислителей
122
и их паров применяют щелочные растворы NaOH, Na2CO3,
Са(ОНJ, NaHCO3 или СаСО3. Улавливание оксидов азота
щелочными растворами используют во многих системах при
производстве азотной кислоты [29]. Продукты такой нейтра-
нейтрализации— нетоксичные вещества. После обработки технических
средств водными щелочными растворами их промывают водой
для удаления щелочного раствора и продуктов нейтрализации
и высушивают. Окончательную промывку водой ведут до нейт-
нейтральной реакции. Нейтрализацию щелочными растворами про-
проводят главным образом для обезвреживания остатков окисли-
окислителя и оборудования из легированной стали. Щелочные раство-
растворы агрессивны по отношению к алюминию и его сплавам.
Аммиак и его водные растворы (эти растворы можно ис-
использовать не только летом, но и зимой) обеспечивают полную
нейтрализацию остатков окислителя, даже в застойных зонах
[4]. Однако продукты нейтрализации — кристаллические соли,
которые в дальнейшем необходимо удалить водой. Для погло-
поглощения оксидов азота можно применять водные растворы ам-
аммиака или карбоната аммония [29], сульфата и бисульфата
аммония и др. [4, 29].
Один из способов нейтрализации окислителей на основе
азотной кислоты и их паров — сжигание с каким-либо горю-
горючим [4]. Достоинством метода является возможность одновре-
одновременной нейтрализации и окислителя, и горючего. Но при сжи-
сжигании не исключена вероятность образования токсичных про-
продуктов сгорания из-за наличия в окислителе ингибитора кор-
коррозии— фторида водорода или других токсичных фторсодер-
жащих добавок. Кроме того, с точки зрения экономии такой
способ нейтрализации не всегда выгоден. При использовании
водных растворов аммиака для обезвреживания азотной кис-
кислоты и оксидов азота продукты нейтрализации можно в даль-
дальнейшем использовать как минеральные удобрения. При сжига-
сжигании же окислителей затрачивается дорогостоящее горючее [4].
При проливах окислителя на металл последний необходимо
обильно полить водой, нейтрализовать остатки кислоты щелоч-
щелочным раствором и проверить нейтральность реакции индикато-
индикатором. Ввиду высокой агрессивности разбавленной азотной кис-
кислоты нельзя спускать в канализацию кислоту и промывную
воду без их предварительной нейтрализации, в противном слу-
случае произойдет разрушение труб [16]. Пролитый на грунт
окислитель нейтрализуют водными щелочными растворами.
Четырехокись азота. Самыми стойкими в среде четырехоки-
си азота являются алюминий и легированная сталь. Поэтому
большие количества этого окислителя хранят в резервуарах,
изготовленных из указанных материалов. Оборудование резер-
резервуаров, в которое может проникнуть влага, выполняют из ле-
легированной стали, наиболее стойкой к действию 60%-й азотной
кислоты. Четырехокись азота, не содержащая технологических
примесей в виде воды и азотной кислоты, не вызывает корро-
123
зии малоуглеродистой стали при обычной температуре.
При хранении окислителя должна быть обеспечена герметич-
герметичность, так как четырехокись азота гигроскопична, а наличие
влаги делает окислитель некондиционным и повышает его кор-
коррозионную агрессивность.
Для снижения потерь конструкционных материалов из-за
коррозии технические средства подвергают предварительной
пассивации. При этом на поверхности легированной стали об-
образуется пассивированная пленка, обладающая хорошими за-
защитными свойствами и позволяющая значительно снизить кор-
коррозионные потери. Для пассивации применяют 30%-ю HNO3,
30%-ю НШз + 2% К2Сг207, 5%-ю HNO3+0,5% K2Cr207 и дру-
другие растворы [36] при температуре 18—20 °С [4, 36]. Обраба-
Обрабатываемую поверхность выдерживают в указанных растворах в
течение 4 ч.
Как и при хранении азотнокислотных окислителей, не сле-
следует допускать попадания N2O4 в окружающую атмосферу.
Пары и жидкую четырехокись азота нейтрализуют теми же ме-
методами, что и азотнокислотные окислители. Перекачивают че-
четырехокись азота насосами либо передавливают сухим возду-
воздухом (с точкой росы не выше —40 °С) или инертным газом —
азотом. При передавливании азотом четырехокиси азота, со-
содержащей как добавку оксид азота, следует контролировать
(и не допускать) превышения в азоте содержания кислорода,
который может окислить оксид азота.
В отличие от азотнокислотных окислителей температурный
диапазон нахождения четырехокиси азота в жидком состоянии
более узкий, что должно учитываться при ее хранении и транс-
транспортировании. При замерзании четырехокиси азота затруд-
затрудняется ее перекачивание, однако разрушения трубопроводов и
резервуаров при этом не происходит, так как, затвердевая, че-
четырехокись азота сжимается. Резервуары с N2O4 обычно раз-
размещают в подземных или полуподземных хранилищах [4], а
для средств транспортирования предусматривают тепловую изо-
изоляцию и систему подогрева перевозимого окислителя.
Хранение окислителя при температуре выше температуры
его кипения не требует специального охлаждения, так как жид-
жидкое состояние окислителя обеспечивается при умеренных дав-
давлениях. Во всем остальном средства транспортирования и хра-
хранения не отличаются от аналогичных средств для азотнокис-
азотнокислотных окислителей.
Высококонцентрированный пероксид водорода. Лучшим кон-
конструкционным материалом для транспортирования и хранения
пероксида водорода считается алюминий высокой степени чи-
чистоты. Из него изготовляют резервуары для перевозки и хра-
хранения этого продукта. Для транспортирования пероксида водо-
водорода используют алюминиевые бочки вместимостью 100—120 кг
окислителя, автоцистерны-заправщики вместимостью до 15 м3
и железнодорожные цистерны вместимостью 15—30 м3; в от-
124
дельных случаях перевозят в алюминиевых резервуарах, уста-
установленных на железнодорожной платформе или в бортовом ав-
автомобиле [28, 111]. Все резервуары для Н2О2 снабжены пред-
предохранительными и вентиляционными устройствами, позволяю-
позволяющими удалять образующийся при разложении продукта кис-
кислород.
Крупные резервуары и цистерны оборудуют термопарами
или термометрами, размещенными в гильзах из стойкого к
пероксиду водорода материала. Контроль за температурой хра-
хранимого или перевозимого продукта обязателен, так как резкое
повышение температуры указывает на его разложение. При раз-
разложении пероксида водорода в закрытых объемах тепло реак-
реакции разложения не успевает рассеяться, и повышение темпера-
температуры продукта сопровождается самоускорением разложения..
Попадание различных загрязнений из атмосферы может ката-
катализировать процесс разложения пероксида водорода, поэтому
вентиляционные устройства оборудуют фильтрами.
Хранят и перевозят пероксид водорода при атмосферном
давлении. В отдельных случаях допускается его хранение при
достаточно высоком давлении, обычно в вертикальных резер-
резервуарах из легированной стали.
Стационарные резервуары для хранения этого окислителя
(как правило, горизонтальные, алюминиевые) устанавливают
на фундаменте и защищают от воздействия прямых солнечных
лучей. Предусматривается система охлаждения резервуара во-
водой при высоких температурах окружающего воздуха. Для слу-
случая очень высокой скорости разложения пероксида водорода
резервуары снабжены приспособлениями быстрого их опорож-
опорожнения и разбавления продукта до более низких концентраций.
Перекачивают пероксид водорода центробежными насоса-
насосами (из легированной стали) или методом передавливания су-
сухим, очищенным от всяких загрязнений газообразным азотом..
В качестве прокладочного материала рекомендуются полихлор-
полихлорвинил, тефлон (политетрафторэтилен) [10, 14]. Трубопроводы,
вентили, клапаны и другая арматура не должны иметь застой-
застойных зон, в которых создаются условия для разложения перок-
пероксида водорода и опасного повышения давления. Конструкция
резервуаров должна обеспечивать полное их освобождение от
продукта после прекращения перекачивания.
Для перевозки окислителя используют специальные бочки.
Затворы и воздушки устроены таким образом, что при опроки-
опрокидывании бочки любое количество вытекающей через вентиля-
вентиляционное устройство — воздушник — жидкости попадает в верх-
верхнюю камеру, и утечка продукта исключается. Имеются также
алюминиевые бочки без верхней камеры; их можно перевозить
только в вагонах. Оба типа бочек снабжены предохранитель-
предохранительными клапанами. В верхних ободах бочек делаются сливные
отверстия, чтобы атмосферная влага не скапливалась вокруг
отверстия воздушника [28].
Большая опасность при хранении может возникнуть при
попадании в сосуды с пероксидом водорода загрязнений, спо-
способных катализировать разложение Н2О2. В этом случае целе-
целесообразно ввести в жидкий продукт дополнительное количе-
количество стабилизатора — фосфорной кислоты. Если добавка не
предотвратит разложение, следует немедленно разбавить кон-
концентрированный окислитель до 67%-й концентрации Н2О2, при
которой он уже не опасен {4, 112].
Все технические средства и их оборудование, контактирую-
контактирующее с пероксидом водорода, подвергают специальной обработ-
обработке— пассивации. Она заключается в очистке металлической
поверхности от загрязнений, снятии химическим методом ста-
старой оксидной пленки и формировании новой защитной оксидной
пленки на поверхности металла.
Очищают металлические поверхности от различного рода
загрязнений и удаляют старую оксидную пленку раствором
азотной или серной кислоты. Предварительно алюминиевые
поверхности протравливают раствором щелочи — гидроксида
натрия. Окончательное формирование новой защитной пленки
происходит при обработке очищенной поверхности раствором
пероксида водорода.
Алюминиевые резервуары перед заполнением тщательно
очищают, иногда с применением моющих растворов. Затем
промывают слабоконцентрированным раствором NaOH, далее
дистиллированной водой и заполняют раствором азотной кис-
кислоты C0—45%-й концентрации). Время выдержки резервуа-
резервуара, заполненного азотной кислотой, определяется вместимостью
резервуара и концентрацией кислоты. Для промывки можно
использовать также 10%-ю серную кислоту высокой чистоты
(несколько часов). Затем кислоту смывают дистиллированной
водой. После такой обработки резервуар выдерживают запол-
заполненным 30%-м раствором пероксида водорода в течение 1—
3 сут для окончательного формирования защитной оксидной
пленки. При повторном заполнении резервуара окислителем,
если сосуд не был загрязнен, перемывать и перепассивировать
его не следует. Если пассивация проведена качественно, поте-
потери пероксида водорода при температуре хранения, равной
20 °С, составляют менее 0,1% в год [4, 14]. Небольшие детали
и узлы оборудования из алюминия пассивируют аналогичным
образом [4].
Резервуары из легированной стали также подвергают пас-
пассивации. После очистки их заполняют водным раствором
10%-й азотной и 3%-й плавиковой кислот. Раствор выдержи-
выдерживают в течение 3 ч при 20 °С в пассивируемом резервуаре до
получения необходимой по внешнему виду поверхности. Дета-
Детали и узлы из легированной стали обрабатывают аналогичным
образом, изменяя концентрацию азотной кислоты и время об-
обработки. Все обработанные детали, узлы, прокладки, седла
клапанов и другую арматуру после кислотной обработки вы-
й26
держивают в концентрированном пероксиде водорода для
окончательного удаления оставшихся загрязнений и формиро-
формирования на поверхности металла защитной пленки.
Часто в процессе изготовления и монтажа алюминиевая
поверхность технических средств загрязняется железом, и для
его удаления такую поверхность обрабатывают раствором кис-
кислот [112J. Как правило, пассивированные поверхности при
контакте с пероксидом водорода не корродируют. Однако при
загрязнении окислителя хлоридами или перхлоридом в концент-
концентрации 5 мг/л наблюдается точечная коррозия алюминия. По-
Поэтому промывать обработанные кислотами алюминиевые по-
поверхности перед контактом с пероксидом водорода следует
только дистиллированной водой [28, 112].
Наряду с пассивацией для защиты алюминия применяют
анодирование металла. Стойкость алюминия в окислителе
можно повысить анодированием металла и последующим па-
рафинированием его поверхности.
5.2. ХРАНЕНИЕ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ, ПЕРЕКАЧИВАНИЕ
II НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ГОРЮЧИХ
Жидкий водород транспортируют и хранят в специальных ре-
резервуарах или цистернах различной вместимости — от 0,85 до
100 м3 — с двойными стенками, пространство между которыми
заполнено вакуумно-порошковой либо многослойной изоляцией.
Резервуары (цистерны) имеют цилиндрическую или сфериче-
сферическую форму. Внутренний кожух резервуаров изготавливают из
легированной стали, алюминия, титана или меди, а внешний —
из углеродистой стали. Резервуары снабжены контролирую-
контролирующим, сливно-наливным и другим оборудованием [113]. За ру-
рубежом для хранения больших объемов жидкого водорода ис-
используют сферические резервуары вместимостью 340 и 900 м3
с вакуумно-порошковой изоляцией.
Трубопроводы и арматура на стационарных резервуарах
имеют изоляцию. Для присоединения к транспортным сред-
средствам используют гибкие гофрированные шланги с высокова-
высоковакуумной изоляцией и металлической оплеткой. Присоедини-
Присоединительные устройства снабжены прокладками из фторопласта-4
[4].
Жидкий водород из резервуаров сливается самотеком, либо
его передавливают избыточным давлением, или перекачивают
центробежными насосами погружного или выносного типа с
изолированными подшипниками. Перед заполнением резервуа-
резервуаров жидким водородом их освобождают от воздуха, продувая
инертным газом, например азотом. Резервуары и их коммуни-
коммуникации при приеме продукта предварительно охлаждают, пода-
подавая небольшую порцию жидкого водорода. При этом водород
частично испаряется, и стенки резервуара охлаждаются. Пред-
Предварительное охлаждение резервуаров можно осуществлять и
12Г
жидким азотом. Полное охлаждение резервуаров наступает
через 16—24 ч после начала их заполнения. Степень заполне-
заполнения резервуаров жидким водородом не должна превышать 0,9.
При перекачивании больших объемов жидкого водорода
образуется значительное количество газа, который отводится
в безопасное место и выбрасывается в атмосферу на высоту
не менее 12 м. В некоторых случаях для обеспечения безопас-
безопасности газы разбавляют азотом.
При опорожнении и заполнении резервуаров жидким водо-
водородом в нем могут накапливаться кристаллы растворенных
кислорода и азота. Для их удаления резервуары периодически
A—2 раза в год) размораживают и зачищают. С целью умень-
уменьшения потерь жидкого водорода при длительном хранении ре-
резервуары рекомендуется оборудовать системами обратной кон-
конденсации паров или переохлаждать продукт на несколько гра-
градусов ниже температуры его кипения.
Жидкий водород на большие расстояния перевозят автомо-
автомобильным либо железнодорожным транспортом. Толщина изо-
изоляции резервуара автоцистерны — 3,17 см, потери продукта в
них составляют 1% в сутки [114]. За рубежом для транспорти-
транспортирования жидкого водорода созданы специальные автомобиль-
автомобильные прицепы и полуприцепы вместимостью 25—55 м3. В ем-
емкости полуприцепа давление составляет 914 кПа, потери про-
продукта не превышают 0,5% в сутки. Стравливание избыточного
давления при перевозке не производится [115].
По железной дороге жидкий водород транспортируют в ци-
цистернах вместимостью 60—125 м3 с многослойной изоляцией
(толщиной не менее 2,5 см). Потери жидкого водорода в таких
цистернах составляют 0,25—0,5% в сутки [115]. Для перевозки
горючего водным транспортом разработаны специальные бар-
баржи вместимостью 1000 м3, в которых поддерживается темпе-
температура 19 К.
Заполнение цистерн жидким водородом и их опорожнение
осуществляются передавливанием со скоростью 1,1 м3/мин при
давлении 70 кПа. В этих условиях потери горючего для ци-
цистерны вместимостью 107 м3 составляют 2,6%. В такой цистер-
цистерне водород перевозят с закрытым вентилем газосброса. За вре-
время транспортирования в течение 9 дней давление в цистерне
увеличивается незначительно — на 80 кПа. Железнодорожные
цистерны оборудуют трубами большого диаметра для быстро-
быстрого слива и налива жидкого водорода.
Для транспортирования и хранения проблема тепловой изо-
изоляции жидкого водорода имеет первостепенное значение. Наи-
Наибольшее распространение в оборудовании для жидкого водо-
водорода получили высоковакуумная, вакуумно-порошковая и мно-
многослойная (вакуумно-мкогослойная, экранно-вакуумная) низко-
низкотемпературные тепловые изоляции [116]. Известны также ком-
комбинированные способы изоляции, например вакуумно-порошко-
вакуумно-порошковая с азотным экраном, многослойная и порошковая и др. [4].
128
За рубежом для тепловой изоляции баков жидкого водорода
на космических кораблях предложено вместо многослойной
экранно-вакуумной изоляции использовать тонкостенные двух-
двухслойные гибкие вакуумированные оболочки с полыми микро-
микросферическими частицами, изготовленными из стекла с метал-
металлическим покрытием. Изоляция из микросферических частиц
имеет меньшую массу, более стабильные характеристики и луч-
лучшие теплоизоляционные свойства в условиях невесомости вви-
ввиду малой поверхности контакта частиц [117].
При хранении жидкого водорода в условиях глубокого хо-
холода прочностные характеристики металлов и сплавов (преде-
(пределы прочности, текучести и упругости), а также твердость и
модуль упругости, как правило, увеличиваются, а ударная вяз-
вязкость, удлинение и сужение уменьшаются [48]. Внутренние
кожухи оборудования для жидкого водорода рекомендуется
изготавливать из широко известных легированных хромирован-
хромированных сталей марок 12Х18Н10Т, 0Х18Н12Б и 10Х14Г14Н4Т. Сре-
Среди сплавов меди для изготовления ответственных узлов и де-
деталей оборудования для жидкого водорода могут использовать-
использоваться латуни марок Л62, ЛС69-1, ЛЖМЦ 59-1№1, а из бронз —
оловянно-фосфористая Бр. ОФ10-1, бериллиевая Бр. Б2 и алю-
алюминиевые бронзы [118].
Большинство сплавов алюминия (АМц, АМг, АМг58, АМгб,
А519) характеризуется улучшением механических свойств при
понижении температуры. Поэтому алюминиевые сплавы широ-
широко используют при изготовлении емкостей для хранения жид-
жидкого водорода [119]. При пайке деталей оборудования употреб-
употребляют мягкие (оловянисто-свинцовые) припои марок ПОС18,
ПОС 30 и ПОС 40.
Среди неметаллических конструкционных материалов в обо-
оборудовании для жидкого водорода применяют стекло некоторых
видов, стеклопластики и пластмассы типа политетрафторэтиле-
политетрафторэтилена (фторопласт-4) и политрифторхлорэтилена. Эти пластмас-
пластмассы обладают наибольшей пластичностью при температуре жид-
жидкого водорода. Особенно хорошие механические свойства при
низких температурах имеют пластмассы, армированные стекло-
стекловолокном. Политетрафторэтилен и политрифторхлорэтилен ис-
используют при изготовлении уплотнительных прокладок, колец
и манжет, работающих в широком диапазоне температур.
В условиях производства, хранения и транспортирования
необходимо учитывать такие свойства жидкого водорода, как
высокую пожаро- и взрывоопасность в смеси с воздухом и
кислородом, высокую скорость распространения и невидимость
водородного пламени, а также возможность низкотемператур-
низкотемпературных ожогов.
Концентрационные пределы воспламенения водорода доста-
достаточно широки: в смеси с воздухом они составляют 4-1-75% (об.)
и в смеси с кислородом — 4-^-96% (об.). Пределы взрываемости
водорода в смеси с воздухом 18,3-^74% (об.) и в смеси с кисло-
9—518 129
родом—15-^94% (об.) [120]. В условиях проливов жидкого
водорода пожары и взрывы могут возникать при наличии ис-
источников воспламенения водородно-воздушных смесей. При от-
отсутствии таковых водород быстро испаряется и рассеивается в
воздушной среде. Проливы больших объемов сопровождаются
резким охлаждением окружающего воздуха и грунта, в резуль-
результате чего вблизи почвы образуется и сравнительно долго со-
сохраняется холодное водородное облако. При воспламенении во-
дородно-воздушной смеси над пролитым водородом образуется
неустойчивое шаровое пламя, которое, распространяясь вверх
со скоростью около 6,5 м/с, приобретает грибовидную форму.
Горение водорода протекает спокойно, без взрыва. Хотя
температура пламени достигает « 1900 К, его излучающая спо-
способность примерно в 10 раз ниже, чем у пламени углеводород-
но-воздушных смесей. В таких условиях для предотвращения
ожогов обслуживающего персонала достаточно удаления его
на расстояние не менее 55 м. Однако трудно определить мо-
момент возникновения и направление распространения бесцвет-
бесцветного пламени при сгорании водорода, что может вызвать
серьезные последствия.
Для обеспечения безопасности при производстве, транспор-
транспортировании и хранении жидкого водорода необходимо исполь-
использовать оборудование специальной конструкции, изготовленное
из материалов, механические свойства которых сохраняются при
низких температурах. Перекачивать и хранить жидкий водород
без тепловой изоляции запрещается. Трубопроводы должны
быть снабжены компенсаторами, емкости — дыхательными
предохранительными клапанами при минимальном числе флан-
фланцевых соединений, а также дренажными устройствами, обес-
обеспечивающими отвод газообразного водорода на безопасное
расстояние. Периодически следует выводить пары водорода во
избежание закупорки льдом вентилей и линий газосброса. Кро-
Кроме того, емкости должны иметь обваловку, покрытую по внут-
внутренней площади щебенкой, что обеспечивает быстрое испаре-
испарение продукта при его проливах.
В условиях производства и хранения на стартовых позициях
следует строго соблюдать минимально допустимые расстояния
между емкостями и опасными источниками воспламенения го-
горючего [4]. Впускные и выпускные вентили емкостей должны
иметь дистанционное управление на случай аварийной ситуа-
ситуации. При возникновении пожара немедленно прекращается по-
поступление жидкого или газообразного водорода в зону огня.
Тушат горящий водород водой, жидким азотом либо водяным
паром. Небольшие очаги пожара можно тушить с помощью
углекислотных огнетушителей, можно использовать также па-
пары, содержащие азот или бикарбонат калия.
Для предотвращения пожаров важно своевременно опреде-
определить место утечки жидкого и газообразного водорода при его
хранении, транспортировании и перекачивании. Утечка может
130
Рис. 5.3. Зависимость образования фак-
тических смол от продолжительности
хранения углеводородных ракетных го-
рючих:
1 — из бакинских нефтей с крекинг-компонен-
том; 2 — из туймазинской нефти с крекинг-
компонентом: 3 — из смеси бакинской и туй-
мазинской нефтей прямой перегонки
О 2 4 6 8 Ю
Продолжительность, мес
12
возникнуть в узлах уплотнения, фланцах и трубопроводах в
результате термического сжатия материалов под действием
температуры ^20 К, а также образования трещин из-за цик-
циклических тепловых ударов. Утечке и быстрому снижению кон-
концентрации водорода в этом районе способствуют малая вяз-
вязкость водорода и его высокий коэффициент диффузии.
Для обнаружения утечки водорода за рубежом разработаны
детекторы [121]. Действие некоторых из них основано на спо-
способности водорода воспламеняться в смеси с воздухом при
контакте с нагретым элементом, обладающим каталитическими
свойствами. С помощью таких детекторов можно обнаружить
утечку при концентрации водорода в воздухе 0,02% (об.). Тер-
Термические детекторы позволяют обнаружить водород при его
содержании до 5-10~4%; их действие основано на высокой теп-
теплопроводности водорода. Разработаны и другие высокочувстви-
высокочувствительные детекторы [115].
При работе с жидким водородом во избежание низкотемпе-
низкотемпературных ожогов следует пользоваться спецодеждой, асбесто-
асбестовыми или кожаными рукавицами. На ноги надевают высокие
ботинки с отворотами, глаза и лицо защищают очками со щит-
щитками или прозрачными экранами. Работая с жидким водородом
в помещении, необходимо обеспечить надежную вентиляцию с
кратностью воздухообмена не менее 20—30 и обязательный
контроль за содержанием газообразного водорода в воздухе
[47].
В производственных помещениях электрооборудование долж-
должно быть выполнено во взрывобезопасном исполнении. При пе-
перекачивании жидкого водорода технологическое оборудование
надежно заземляется; для предотвращения накопления стати-
статического электричества не рекомендуется работать в одежде из
найлона, терилена и обуви на резиновой или синтетической по-
подошве.
Углеводородные ракетные горючие хранят в стальных (из
углеродистой стали) резервуарах разной емкости, наземных
или заглубленных. Углеводородные горючие, полученные пря-
прямой перегонкой, в условиях длительного хранения достаточно
стабильны. В них медленно накапливаются продукты окисле-
окисления, содержание которых не превышает 0,1—0,2%. Значитель-
131
но быстрее окисляются горючие, содержащие крекинг-компонен-
крекинг-компоненты. Как видно из рис. 5.3, в горючих накапливаются фактиче-
фактические смолы, и их содержание может достигать 900 мг/100 мл.
Характеристика образующихся при хранении в углеводород-
углеводородных горючих продуктов окисления приведена ниже:
Плотность при 20 °С, кг/м3
Молекулярная масса
Эмпирическая формула
Элементный состав:
углерод
водород
сера
азот
кислород
Эти продукты представляют собой сложную смесь спиртов,
кислот, эфиров, соединений с карбонильной группой и смоли-
смолистых веществ. Преобладают в продуктах окисления спирты и
сложные эфиры; это продукты этерификации соединений с гид-
роксильной и кислотной группами. Среди продуктов окисления
углеводородных горючих основную массу (96~-97%) состав-
составляют нейтральные соединения (преимущественно спирты и 20—
30% смолистых веществ); кислых соединений содержится
1-4% [4].
В процессе хранения в углеводородных горючих образуют-
образуются главным образом растворимые смолы нейтрального харак-
60
Прямогон-
ное горючее
959,3
183
Q 2^20^1,2
74,85
10,77
2,70
1,26
10,41
Крекинговое
горючее
1090,7
282
^18^23,7^2,2
77,10
8,40
1,10
0,80
12,60
15 30 45 ВО
Продолжительность, сут
12 3
Продолжительность, годы
Рис. 5.4. Зависимость образования осадков при хранении углеводородного
горючего с крекинг-компонентом от продолжительности хранения:
1—4 — содержание продуктов окисления на свету ( ) и в темноте ( ) соот-
соответственно 125, 50, 25 и 5 мг/100 см3
Рис. 5.5. Зависимость состава осадков при герметичном хранении углеводо-
углеводородного горючего с крекинг-компонентом от продолжительности хранения:
1 — кислород; 2 — смолы; 3 — углерод; 4 — зола; 5 — железо; 6 — азот
132
тера, в основном эфироспирты. На долю кислых смолистых
продуктов и оксикислот приходится около 2%. Кроме того,
при хранении горючего образуются и твердые нерастворимые
смолы, которые находятся в нем в виде мелкодисперсных и
коллоидных частиц, представленных полиоксиэфирами. Части-
Частицы твердых смол в условиях хранения подвергаются коагуля-
коагуляции, в результате которой формируются микрочастицы более
крупных размеров, достигающие 100 мкм и более. За счет этих
частиц на дне резервуара и цистерн накапливается твердый
осадок [64]. Чем больше концентрация в горючем продуктов
окисления, тем интенсивнее развивается коагуляция микроча-
микрочастиц и больше осадка (рис. 5.4).
В процессе хранения углеводородного горючего, содержаще-
содержащего крекинг-компоненты, в осадках повышается доля смолистых
соединений, которые играют главную роль в формировании
твердой фазы. Как видно из рис. 5.5, через 3 года хранения
крекинг-керосина содержание смол в осадках увеличивается с
11 до 42%. Твердые смолы углеводородных горючих, как пра-
правило, нейтральные соединения, содержащие гидроксильные,
сложно-эфирные и простые эфирные группы. Механизм обра-
образования смолистых осадков в углеводородных горючих при их
хранении можно представить следующей схемой [4]:
Малостабильные Промежуточные Первичные Растворимые Нерастворимые
углеводороды продукты продукты в топливе -в топливе
в топливе окисления окисления смолы твердые смолы *
Моноцикличе-
Моноциклические олефино- „^гидропер- —> Спирты
ароматические оксиды J
углеводороды т —^-Сложные Димеры слож- _ '
Альдегиды *-эфиры "^ных эфиров Осадок
т f
Кислоты Окси- Двойные L
I—>-кислоты "--*"ф
>-Эфиро- Двойные эфи-
спирты *"роспирты
•-Сложные w Димеры слож-
Углеводородные ракетные горючие характеризуются малой
коррозионной активностью. Сухие углеводородные горючие пря-
прямой перегонки практически не вызывают коррозии сталей. Кор-
Коррозия в углеводородных горючих обычно развивается только в
присутствии воды, находящейся в нерастворенном состоянии.
Углеводородные горючие, содержащие крекинг-компоненты,
обладают большей коррозионной агрессивностью по сравне-
сравнению с прямогонными, так как содержат больше коррозионно-
агрессивных кислых кислородсодержащих соединений (они
накапливаются в процессе хранения горючего).
При хранении углеводородных горючих в резервуарах воз-
возможны потери их от испарения. Скорость испарения горючих
типа керосина в наземных резервуарах не превышает в летний
период 0,4 кг и в зимний период 0,02 кг в месяц на 1 м3 паро-
парового пространства резервуара [4]. В подземных резервуарах
скорость испарения составляет 0,003—0,019 кг/м3 в месяц.
Фильтруемость углеводородных ракетных горючих в усло-
условиях перекачивания при низких температурах зависит от тем-
133
Содержание Н2О, % рИс. 5.6. Зависимость пропускной способ-
способов 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 '0,Ш'ности (температура забивки) фильтра от
1 I температуры помутнения (/) и содержа-
содержания воды B) в горючем с крекинг-ком-
крекинг-компонентом
пературы помутнения, начала кри-
кристаллизации и в меньшей степени
от вязкости [64]. При фильтровании
горючего типа керосина, охлажден-
-40-30 -20 40 Оного до —50°С, уменьшение расхо-
Температура помутнения,°с да горючего через 35-микронный
фильтр наступает после 40 мин ра-
работы. Увеличение в составе горючего содержания ароматиче-
ароматических углеводородов резко ухудшает его фильтруемость в связи
с большой гигроскопичностью ароматических соединений. Гид-
Гидравлические потери при перекачивании углеводородных ракет-
ракетных горючих прямой перегонки в условиях их охлаждения до
—60 °С невелики и не превышают 53,3 кПа '[67]. Зависимость
пропускной способности фильтров при отрицательных темпера-
температурах от температуры помутнения и содержания воды в горю-
горючем с крекинг-компонентами представлена на рис. 5.6 [64]. Ха-
Характеристика отложений на фильтрах при фильтровании кре-
крекинг-керосинов в условиях охлаждения ниже их температуры
помутнения дана в табл. 5.1.
Отложения на фильтрах, образующиеся в условиях низких
температур при фильтровании крекинг-керосинов, состоят из
46—49% кристаллов льда и 48—49% высококристаллических
продуктов окисления диенов. При отрицательных температурах
смолистые соединения и твердые загрязнения мало участвуют
в формировании осадков. С увеличением продолжительности
охлаждения горючего в составе низкотемпературных осадков
возрастает доля продуктов окисления диенов и снижается со-
содержание кристаллов льда. Как видно из рис. 5.7, удаление из
Таблица 5.1. Характеристика низкотемпературных отложений
на топливных фильтрах
Показатель
Молекулярная масса
Эмпирическая формула
Элементный состав, %:
углерод
водород
сера
азот
кислород
Образец 1
продукты окисления
217
диенов
220
^13^23,4^1,5 Ql3. 7^25^1,5
74,29
10,74
0,51
3,49
10,97
74,58
11,33
0,62
3,27
10,80
Образец 2
смолистые
продукты
560
^38^49^3
81,58
8,19
0,68
1,12
8,43
134
Рис. 5.7. Зависимость пропускной спо-
собности (перепад давления) фильтра
от температуры охлаждения для не-
очищенного горючего (J) и горючего,
очищенного от продуктов окисления и
воды B)
-20 -10 -40 SO
Температура ,°С
горючего воды и продуктов окисления предотвращает образо-
образование в нем низкотемпературных осадков, и топливные фильт-
фильтры не забиваются [4].
При применении углеводородных горючих возникновение
пожаров возможно по разным причинам: из-за взрыва паров
горючих в баках ракет и в результате образования статическо-
статического электричества в резервуарах, а также вследствие загорания
горючего от источника открытого пламени или электрической
искры либо самовоспламенения горючего при попадании на
нагретые поверхности [113]. Склонность углеводородных горю-
горючих воспламеняться от открытого пламени характеризуется их
температурой вспышки, которая зависит от давления насыщен-
насыщенных паров горючих. При нагревании паров горючего до тем-
температуры вспышки над поверхностью его образуется взрыво-
взрывоопасная концентрация паров горючего в воздухе. Для углево-
углеводородных горючих взрывоопасные концентрации их паров в
воздухе лежат в пределах 1,1—7,1% (об.) [122]. Самовоспла-
Самовоспламенение горючих типа керосина возможно в тех случаях, когда
поверхность нагрета выше 325 °С. С понижением атмосферного
давления уменьшается температура самовоспламенения [113].
Статическое электричество является одним из главных ис-
источников воспламенения углеводородных горючих. Наиболее
часто пожары возникают при перемешивании и перекачивании
горючих, а также при неправильном заполнении и опорожнении
резервуаров. Образование статического электричества при пе-
перекачивании происходит за счет трения перекачиваемого горю-
горючего о стенки трубопроводов, о поверхности фильтров, сепара-
сепараторов и резервуаров, а также за счет трения друг о друга со-
содержащихся в топливе микрочастиц. Статическое электричество
может накапливаться и в неподвижном горючем при осажде-
осаждении твердых микрочастиц, микрокапель воды или при прохож-
прохождении через горючее пузырьков воздуха либо паров легкоки-
пящих углеводородов. Наибольшее количество статического
электричества накапливается в баках горючего в начале и в
конце их заправки. Интенсивность накопления статического
электричества зависит от удельной электрической проводимости
горючих. По мере падения электрической проводимости сни-
снижается интенсивность зарядов статического электричества. По-
Поэтому в различных углеводородных горючих накапливается
135
разное количество статического электричества. Так, при пере-
перекачивании горючего типа керосина образуется в 2—10 раз
больше зарядов статического электричества, чем при перекачи-
перекачивании горючего широкого фракционного состава. Увеличение
скорости перекачивания и повышение загрязненности горючих
механическими примесями способствуют их большей электри-
электризации; аналогичное действие оказывает и присутствующая во-
вода. При перекачивании осушенных горючих статического элект-
электричества образуется вдвое меньше, а добавка 0,5% диспергиро-
диспергированной воды повышает электризацию горючего в 2,5 раза. Если
в процессе перекачивания углеводородного горючего образуют-
образуются пузырьки воздуха, то электризация его увеличивается в 2—
3 раза, и чем мельче эти пузырьки, тем больше накапливается
статического электричества. Увеличение содержания в горючем
продуктов окисления смолистого типа также способствует на-
накоплению статического электричества в условиях его перека-
перекачивания. Например, с увеличением смолистых веществ от 0,8
до 6,2 мг/100 см3 склонность к электризации повышается при-
примерно в 6,5 раз.
Одним из эффективных способов борьбы с воспламенением
углеводородных горючих является применение антиэлектро-
антиэлектростатических присадок. Присадка Shell Oils ASA-3 вводится в
углеводородное горючее в количестве до 0,2%. Это смесь хро-
хромовой соли моно- или диалкилсалициловой кислоты, додецил-
сульфосукцината кальция и 50%-го углеводородного раствора
сополимера метилметакрилата и метилвинилпиридина. С уве-
увеличением добавки этой присадки повышается электрическая
проводимость горючего и тем самым снижается возможность
накопления статического электричества. Высокая эффективность
присадки была подтверждена испытаниями при ее концентра-
концентрации даже 0,0001%. Добавка присадки в углеводородные горю-
горючие не ухудшает их физико-химических и эксплуатационных
свойств,
Снижение электризации углеводородных горючих достигает-
достигается при их очистке от твердых микрозагрязнений и смолистых
продуктов. Увеличение размера пор фильтра до 5 мкм сни-
снижает степень электризации углеводородных горючих в 2 ра-
раза, а применение для очистки силикагеля или отбеливающей
глины полностью предотвращает накопление статического
электричества в условиях перекачивания горючих. Использова-
Использование процесса гидроформинга позволяет снизить склонность
горючих к электризации в 8 раз.
Большое внимание уделяется гелеобразным и эмульгиро-
эмульгированным углеводородным горючим с целью снижения пожаро-
и взрывоопасное™. Например, в состав эмульгированного го-
горючего может входить 1,3% воды и 1,7% эмульгатора, полу-
полученного на основе металлических солей органических кислот
[4].
136
Аминное горючее на основе триэтиламина и ксилидина в
условиях хранения, транспортирования и перекачивания обла-
обладает высокой гигроскопичностью. При 100%-й влажности воз-
воздуха и температуре 20 °С в нем может раствориться до 9,6%
воды; с повышением температуры растворимость увеличивает-
увеличивается. По растворимости воды аминное горючее значительно пре-
превосходит изопропилнитрат и углеводородное горючее типа ке-
росина [4]. Растворение воды в горючем зависит от условий
его транспортирования, перекачивания и хранения: чем больше
горючее контактирует с окружающим воздухом, тем больше в
нем содержится воды.
Фильтруемость аминного горючего при отрицательных тем-
температурах изучалась на лабораторной установке, моделирую-
моделирующей топливную систему летательных аппаратов. Обезвоженное
аминное горючее при температуре —50 °С обладает лучшей
фильтруемостыо, чем углеводородное горючее типа керосина.
При содержании воды до 0,7% фильтруемость горючего значи-
значительно хуже: уже через 35 мин расход его через 35-микронный
фильтрующий элемент снижается на 50%. Фильтруемость амин-
аминного горючего значительно хуже фильтруемостИ несим-д&метш-
гидразина [67].
Гидравлические потери в топливных системах при перека-
перекачивании аминного горючего аналогичны потерям углеводород-
углеводородного горючего типа керосина. Величина этих потерь при пере-
перекачивании горючего по трубопроводу в условиях отрицатель-
отрицательных температур невелика и практически не влияет на подачу
горючего в камеру сгорания ЖРД. Повышение вязкости амин-
аминного горючего при отрицательных температурах не оказывает
заметного влияния и на производительность топливных насо-
насосов [67].
Аминное горючее относится к разряду огнеопасных и ядови-
ядовитых продуктов. Воспламеняемость его на воздухе зависит от
характера легковоспламеняющегося компонента. Ниже приве-
приведены концентрационные пределы воспламеняемости компонен-
компонентов аминных горючих с воздухом в присутствии источника огня
при температуре 20°С и атмосферном давлении (в % об.):
Нижний предел верхний предел
Ксилидин 1,3 4,2
Диэтиламин 2,2 14,9
Триэтиламин 1,5 6,1
Самым широким пределом воспламенения, как видно из
этих данных, обладает диэтиламин, однако количество его в
горючем невелико. Значительно большую опасность представ-
представляет триэтиламин, поскольку в аминном горючем его содер-
содержание достигает 50%, т. е. воспламеняемость аминного горю-
горючего определяется триэтиламином.
Температурные пределы воспламенения компонентов амин-
аминного горючего приведены в табл. 5.2 [122]. Таким образом, по
137
Таблица 5.2. Характеристики воспламеняемости компонентов
аминного горючего
Компонент горючего
Триэтиламин
Изомерные ксилидины
Диэтиламин
Анилин
Температура, °С
самовоспла-
самовоспламенения па-
паров на воз-
воздухе
510
545
490
620
вспышки
-12
98
-26
79
Пределы воспламеняе-
воспламеняемости, °С
нижний
— \2
80
-26
70
верхний
14
103
8
90
температурным пределам воспламенения изомерные ксилидины
также не являются огнеопасными в условиях транспортирова-
транспортирования и хранения горючего. Триэтиламин и в еще большей степе-
степени диэтиламин представляют большую опасность, однако со-
содержание диэтиламина в горючем невелико и не вызывает его
воспламенения.
Наиболее ядовитым компонентом аминного горючего являет-
является ксилидин, по токсичности он в 3 раза превышает триэтил-
триэтиламин. Отравление аминным горючим возможно при его попада-
попадании в организм человека через дыхательные пути и кожные
покровы. Вначале болезненных и раздражающих явлений не
ощущается, они проявляются через определенный период вре-
времени в зависимости от степени отравления. Признаки отрав-
отравления— головная боль, ослабление сердечной деятельности,
нарушение функций центральной нервной системы и остроты
зрения. Сильная головная боль, резкая слабость, боли в су-
суставах и мышцах, рвота, потеря сознания наблюдаются при
сильном отравлении, а при очень тяжелых отравлениях проис-
происходит внезапная потеря сознания, пульс слабеет и появляются
судороги. Предельно допустимые концентрации компонентов
аминного горючего в воздухе производственных помещений та-
таковы: ксилидин — 3, триэтиламин—10, диэтиламин — 30 и ди-
метилбензиламин — 5 мг/м3.
Гидразинные горючие отличаются низкой химической ста-
стабильностью при хранении в резервуарах с доступом окружаю-
окружающего воздуха. В результате окисления монометилгидразина и
ятш-диметилгидразина кислородом воздуха образуются ди-
метиламин, вода, тетраметилтетразен, диметилнитрозоамин,
диметилметиленгидразин, диазометан, аммиак полиметилены и
смолистые продукты, представляющие собой главным образом
димеры первичных продуктов окисления основного вещества
горючего [4]. Скорость и глубина окисления НДМГ зависят
от концентрации кислорода, температуры, продолжительности
138
окисления и наличия каталитически активных металлов. Ката-
Катализаторами окисления яешж-диметилгидразина являются медь
и ее сплавы, а легированные стали, алюминий и его сплавы, ни-
никель и медь не проявляют каталитического действия [183].
Гидразинные горючие можно хранить в герметичных резер-
резервуарах при небольшом избыточном давлении азота. Хранение
горючего в негерметичных резервуарах сопровождается резким
ухудшением его качества. Для уменьшения контакта с кислоро-
кислородом воздуха горючее перекачивают быстро с обязательным за-
кольцовыванием парового пространства емкостей. Обычно
НДМГ хранят в горизонтальных стальных резервуарах, уста-
установленных наземно или заглубленных.
Гидразинные горючие практически не вызывают коррозии
конструкционных материалов в паровой и жидкой фазах. Ма-
Малоуглеродистые стали, чугун, легированные стали, алюминий
и его сплавы, никель, хром, титан и его сплавы при обычных
температурах почти не подвергаются коррозии в течение дли-
длительного контакта с этими горючими [123]. НДМГ — слабое
органическое основание и поэтому может вызывать коррозию
алюминия и его сплаЕов в разбавленных водных растворах
(более 50% воды). В таких растворах не подвергаются корро-
коррозии малоуглеродистые и легированные стали.
Для хранения яесгш-диметилгидразина используют склад-
складские резервуары из малоуглеродистых сталей, а топливные
баки ракет изготавливают из алюминия и легированных ста-
сталей [4]. Горючее практически не подвергается изменениям при
длительном хранении (в течение 3 лет) в алюминиевых баках
ракет. Его можно хранить в резервуарах и топливных баках,
изготовленных из малоуглеродистых и легированных сталей,
алюминия, титана и их сплавов в течение более 3 лет [124].
Испытания прокладочных и уплотнительных полимерных
материалов в контакте с НДМГ показали, что самыми стойки-
стойкими к нему являются фторопласт и полиэтилен, удовлетвори-
удовлетворительно стойкие бутилкаучуки некоторых сортов. Полностью
разрушаются или растворяются в яесши-диметилгидразине по-
ливинилхлорид, цолисилоксаны и поливинилспиртовые полиме-
полимеры [4]. Прокладки из фторопласта и полиэтилена не подверг-
подверглись изменениям в условиях эксплуатации в контакте с НДМГ
в течение более 2 лет, т. е. из фторопласта и полиэтилена
можно изготавливать прокладки и рукава для его перекачива-
перекачивания. В качестве прокладочного материала для насосов реко-
рекомендуется использовать асбест, пропитанный графитом.
Гидразинные горючие относят к разряду легковоспламеняю-
легковоспламеняющихся жидкостей. иесшю-Диметилгидразин с воздухом обра-
образует взрывоопасные смеси в широких пределах концентраций —
от 2 до 99% (об.). В местах хранения гидразинных горючих
следует избегать открытого огня, источников искры. Все обору-
оборудование, контактирующее с этими горючими, должно быть за-
заземлено. При проведении работ с гидразинными горючими не-
139
Рис. 5.8. Зависимость температуры
вспышки (/) и воспламенения B) от
содержания гидразина в его водных
растворах.
Пунктир соответствует температуре
кипения.
обходимо пользоваться провода-
проводами, осветительными приборами и
электромоторами во взрывобезо-
wr „ ьо хт J0 0/ ш пасном исполнении [4].
Содержание N?Hd, % г, J- -1
г 2 4' Воспламенившийся несим-т-
метилгидразин тушат большим
количеством воды. При этом горючее растворяется и охлажда-
охлаждается. Жидкий НДМГ горит ровным бесцветным пламенем, и
его довольно легко погасить, если разбавить двумя или более
объемами воды на один объем горючего. При больших концент-
концентрациях водные растворы горят, но по мере снижения концент-
концентрации горючего в растворе пламя постепенно ослабевает. Диок-
Диоксид углерода (жидкий) также эффективен при тушении НДМГ,
но химическую пену применять не рекомендуется, так как го-
горючее инактивирует поверхностно-активное вещество и разру-
разрушает пену.
Пары яеош-диметилгидразина легко самовоспламеняются
с такими окислителями, как азотная кислота, четырехокись
азота, пероксид водорода и галогенсодержащие соединения.
Гидразин жидкий безводный достаточно стоек и н^взрыво-
опасен. В отсутствие катализаторов наблюдается его разложе-
разложение (в незначительной мере) при нагревании до температуры
275 °С. Пары же гидразина представляют большую пожарную
опасность. Температура вспышки безводного гидразина состав-
составляет 52°С. Смеси паров гидразина с воздухом воспламеняются
при концентрации гидразина в пределах 4,7—100% (об.) и го-
горят фиолетовым пламенем. Жидкий гидразин при температуре
40 °С имеет давление паров над раствором достаточное для со-
создания концентрации его в воздухе выше 4,7% (об.). Поэтому
воздух, насыщенный парами гидразина, при любой температу-
температуре выше 40 °С представляет собой легковоспламеняющуюся
смесь. Воспламеняемость паров гидразина можно снизить раз-
разбавлением его инертными газами [4]..
Водные растворы гидразина обладают меньшей воспламе-
воспламеняемостью, чем безводный гидразин. Такие растворы, содер-
содержащие менее 40% гидразина, не воспламеняются (рис. 5.8).
Поэтому для тушения воспламенившегося гидразина и исполь-
используют воду.
Помещения, в которых ведутся работы с гидразином, долж-
должны хорошо проветриваться во избежание образования взрыво-
взрывоопасных смесей с воздухом. Электрическое оборудование всех
типов, применяемое на участках, где могут присутствовать па-
пары гидразина, должно быть во взрывобезопасном исполнении.
140
Все металлическое оборудование, контактируемое с гидрази-
гидразином, заземляют с целью предупреждения образования стати-
статического электричества.
Гидразинные горючие обладают сильным токсическим дей-
действием. Наиболее опасно вдыхание их паров. Предельно до-
допустимая концентрация паров яешж-диметилгидразина в воз-
воздухе составляет 0,1 мг/м3. По запаху можно обнаружить в воз-
воздухе опасное содержание паров НДМГ лишь при концентрации
в 50 раз выше допустимой.
Вдыхание паров «есиж-диметилгидразина вызывает кашель,
боли в грудной клетке, хрипоту и учащенное дыхание. При вды-
вдыхании больших объемов паров горючего возможны потеря
сознания и судороги с последующим наступлением состояния
прогрессирующей депрессии. Пострадавшего от отравления
«еош-диметилгидразином следует немедленно удалить из зоны
заражения, обеспечить ему покой и непрерывно подавать кис-
кислород, а затем госпитализировать. Как правило, НДМГ не вы-
вызывает хронических отравлений, и состав крови восстанавли-
восстанавливается через 6 недель.
Для предупреждения отравления все работы с этим горючим
следует проводить в фильтрующих противогазах, защитной
одежде, резиновых сапогах и перчатках. Если концентрация
горючего в воздухе производственного помещения слишком вы-
высока, нужно воспользоваться изолирующими и шланговым про-
противогазами. Поскольку НДМГ сильно адсорбируется защитной
спецодеждой, ее нельзя хранить в жилых и служебных поме-
помещениях.
По воздействию на организм человека гидразин и несим-
диметилгидразин во многом аналогичны. Однако в ряде слу-
случаев токсическое действие гидразина более опасно. При попа-
попадании на кожу он разъедает ее. Пораженные участки кожи
следует лечить так же, как залечивают ожоги, полученные от
воздействия сильных щелочей. При длительном воздействии
паров гидразина на глаза могут возникнуть ожоги. Предельно
допустимая концентрация гидразина в воздухе составляет
0,1 мг/м3 [4].
Нейтрализация (обезвреживание) технических средств. Пос-
После работы с гидразинным и аминным горючими эта операция
может осуществляться с использованием различных раствори-
растворителей— трихлорэтилена, тетрахлоруглерода или их смеси с бен-
бензином. Ввиду высокой испаряемости указанных растворителей
остатки их легко удалить из нейтрализуемых объектов путем
продувки горячим воздухом от воздухоподогревателя или воз-
воздухом от компрессора. Сравнительно низкая температура за-
замерзания растворителей позволяет успешно использовать их в
зимнее время.
Для нейтрализации технических средств летом после работы
с гидразинным горючим, если отсутствуют хлорорганические
растворители, можно использовать 1,5%-й водный раствор би-
141
хромата калия или натрия. Нейтрализацию и зачистку резер-
резервуаров, железнодорожных цистерн и бочек из-под аминного
горючего можно также производить 0,5%-м водным раствором
моющего препарата. Поверхности, загрязненные аминным го-
горючим, обрабатывают сильной струей раствора моющего пре-
препарата. Водный раствор препарата растворяет триэтиламин и
практически не растворяет ксилидин. В результате триэтила-
триэтиламин переходит в раствор, а ксилидин выносится в виде эмуль-
эмульсии, которая быстро расслаивается, и ксилидин всплывает на
поверхность.
Во избежание атмосферной коррозии резервуары из углеро-
углеродистой стали, обработанные раствором моющего препарата,
защищают 0,3%-м водным раствором нитрита натрия (этот
раствор можно использовать многократно). Для разбавления
в резервуарах несливаемых остатков гидразинных и аминных
горючих и нейтрализации технических средств, бывших в кон-
контакте с такими горючими, при температуре ниже 0°С приме-
применяют керосин.
Качество нейтрализации технических средств оценивают по
остаточной концентрации в них паров горючих через 2 ч и
дополнительно через сутки после окончания нейтрализации.
Если индикаторные трубки (или бумажки) показывают нали-
наличие недопустимой концентрации паров горючих, нейтрализа-
нейтрализацию повторяют, дополнительно обрабатывая их нейтрализую-
нейтрализующими жидкостями.
Промывочную воду после нейтрализации технических
средств, содержащую гидразинное горючее, нейтрализуют гипо-
хлоритом кальция (хлорной известью) или солью Са(СЮJ*
•ЗН2О (называемой солью ДТС ГК). Отработанный керосин с
растворенными в нем остатками горючих сжигают на метал-
металлических противнях или в небольших емкостях в специальна
отведенных и оборудованных для этих целей местах. Из раст-
раствора моющего препарата после нейтрализации аминного горю-
горючего ксилидин удаляют с поверхности раствора и сжигают;
растворенный триэтиламин обезвреживают хлорной известью
или ДТС ГК.
При проливах гидразинных и аминных горючих зараженный
слой грунта удаляют механическим путем и выжигают в по-
пожаробезопасном месте. Когда такой способ неприменим, грунт
обезвреживают с помощью кашицы ДТС ГК или хлорной из-
известью. Операция нейтрализации длится около 1 ч, после чего
проверяют полноту нейтрализации.
Все работы по нейтрализации технических средств и проли-
проливов горючих следует проводить в защитной одежде и противо-
противогазах с соблюдением установленных правил техники безопас-
безопасности.
Раздел //
Реактивные топлива
Глава 6
УСТРОЙСТВО ВОЗДУШНО РЕАКТИВНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
В НИХ ТОПЛИВ
Успехи в развитии современной авиации неразрывно связаны
с созданием и совершенствованием воздушно-реактивных дви-
двигателей (ВРД). На борту летательного аппарата, оснащенного
таким двигателем, нет необходимости размещать запас окисли-
окислителя, как в ракете. Это позволяет значительно увеличить запас
топлива, а следовательно, продолжительность работы двигате-
двигателя и полета летательного аппарата.
По способу предварительного сжатия воздуха, поступаю-
поступающего в камеру сгорания, воздушно-реактивные двигатели под-
подразделяют на: 1) бескомпрессорные, в которых воздух сжи-
сжимается только за счет скоростного напора, и 2) компрессорные,
где воздух сжимается компрессором. К первой группе относят-
относятся прямоточные (ПВРД) и пульсирующие (ПУВРД) двигате-
двигатели, а ко второй — газотурбинные (ГТД).
Оснащение самолетов воздушно-реактивными двигателями
позволило существенно улучшить их аэродинамические свой-
свойства и увеличить скорость. Уже первые самолеты с газотурбин-
газотурбинными двигателями имели скорость ^950 км/ч, что на 25% пре-
превышало рекордную скорость, достигнутую самолетом со спе-
специальным гоночным поршневым двигателем — 756,6 км/ч.
При создании первых авиационных воздушно-реактивных
двигателей использовали существовавшие в то время освети-
осветительный и тракторный керосины. Однако в скором времени
выяснилось, что дальнейшее совершенствование ВРД и лета-
летательных аппаратов невозможно без создания новой, не изве-
известной ранее группы топлив — реактивных (авиационные керо-
керосины и топливо широкого фракционного состава).
Газотурбинные двигатели, в том числе двигатели авиационного типа, в
дальнейшем начали использовать также в качестве силовых установок на-
наземной техники и некоторых кораблей, в народном хозяйстве в качестве
привода электрогенераторов на тепловых и передвижных электростанциях,
локомотивах (газотурбовозах) и т. д. На этих типах газотурбинных двига-
двигателей применяют дизельное и близкое к нему по качеству газотурбинное
топлива.
143
6.1. УСТРОЙСТВО И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Устройство авиационных газотурбинных двигателей. Простей-
Простейшим по конструкции является прямоточный двигатель, его
принципиальная схема показана на рис. 6.1. Чтобы такой дви-
двигатель развивал тягу, летательному аппарату необходимо обес-
обеспечить некоторую начальную скорость, а воздушной струе, вы-
выходящей из сопла, — скорость, превышающую скорость полета.
При этом в камеру сгорания будет поступать воздух, сжатый
в диффузоре под действием скоростного напора. В результате
сгорания топлива в камере сгорания двигателя температура
воздуха повысится. Нагретый газ будет стремиться расширить-
расшириться и оказывать давление во всех направлениях. В диффузоре
он встречает противодавление струи воздуха, входящей туда,
поэтому газ выходит через сопло, где приобретает необходи-
необходимую скорость, превышающую скорость полета летательного
аппарата.
Указанные особенности рабочего процесса обусловливают
главный недостаток прямоточного двигателя: он не может со-
создавать тяги при работе на месте, когда в камере сгорания от-
отсутствует избыточное давление от скоростного напора. Поэто-
Поэтому для подобного летательного аппарата необходим стартовый
двигатель другой конструкции, например ракетный.
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель не имеет
этого недостатка, так как снабжен органами распределения,
которые в период сгорания отделяют камеру сгорания от вход-
входного устройства, а иногда и от реактивного сопла. Сила тяги
в пульсирующем двигателе создается следующими друг за
другом импульсами благодаря пульсирующему истечению га-
газов через реактивное сопло. Широкого распространения такие
двигатели не получили; они могут быть установлены, напри-
например, на самолетах-снарядах [125].
Применение на пилотируемом летательном аппарате пуль-
пульсирующего двигателя или комбинированной силовой установки
на базе прямоточного двигателя нецелесообразно. В связи с
этим в настоящее время в качестве основных двигателей само-
самолетов и вертолетов используют газотурбинные. В них давление
Статьи
воздул кТНА
(оплидо
Рис. 6.1. Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя:
/—диффузор; 2 — форсунки и стабилизатор пламени; 3 — камера сгорания; 4 — сопло
144
Воздух из
атмосферы J
Топливо к основным
камерам
Топливо в
! форсажную
камеру
Продукты
сгорания
Рис. 6.2. Схема одноконтурного турбореактивного двигателя:
/ — входное устройство; 2 — компрессор; 3 — основная камера сгорания; 4 — турбина;
5 — форсажная камера; 6 — регулируемое сопло
воздуха на входе в камеру сгорания повышается за счет ком-
компрессора, приводимого в действие газовой турбиной. Это и
обеспечивает тягу ГТД в статических условиях. При работе
двигателя сжатый воздух подается в камеру сгорания, кото-
которая расположена перед турбиной, где нагревается за счет не-
непрерывного сжигания топлива. Сжатый и нагретый газ при-
приобретает запас энергии, полезно используемая часть которой
совершает работу в турбине и идет на ускорение газовой струи
в выходном сопле.
В зависимости от способа создания тяги авиационные га-
газотурбинные двигатели подразделяют на одноконтурные (одно-
(одноступенчатые) турбореактивные (ТРД), двухконтурные турбо-
турбореактивные (ТРДД) и турбовинтовые (ТВД) [125, 126].
Устройство авиационных ГТД. В одноконтурных турбореак-
турбореактивных двигателях (рис. 6.2) весь воздух, сжимаемый компрес-
компрессором и нагреваемый в камере сгорания, проходит через тур-
турбину, получает ускорение в выходном сопле и покидает двига-
двигатель. Такие двигатели широко распространены в силовых
установках летательных аппаратов. Они имеют сравнительно
простую конструкцию, обеспечивают большую скороподъемность
и сверхзвуковую скорость полета, что особенно важно для ист-
истребительной авиации. Турбореактивные двигатели обладают
высокой надежностью, в том числе большим ресурсом, но они
малоэкономичны при полете с дозвуковыми скоростями, поэто-
поэтому их не применяют на транспортных самолетах с малыми
(дозвуковыми) скоростями. Простота конструкции обусловли-
обусловливает целесообразность применения этих двигателей также на
беспилотных самолетах-снарядах, ресурс работы которых со-
составляет несколько часов, т. е. можно существенно упростить
конструкцию двигателя без снижения надежности.
При малых дозвуковых скоростях полета желательно в ка-
качестве движителя использовать воздушный винт, который об-
обусловливает лучшую экономичность ТВД по сравнению с ТРД.
Турбовинтовые двигатели снабжают тянущим (в редких слу-
случаях толкающим) винтом в случае самолетного двигателя или
10-518
145
Воздух из 1
атмосферы
Продукты
сгорания
Рис. 6.3. Схема двухконтурного турбореактивного двигателя:
/, 3 — компрессоры низкого и высокого давления; 2 — второй контур; 4 — камера сгора-
сгорания; 5, 6 — турбины высокого и низкого давления; 7, 8 — выходные сопла второго и пер-
первого контуров
несущим винтом — у двигателя вертолета. Воздушный винт по-
потребляет основную часть полезно используемой энергии газа,
превращенной турбиной в работу, и создает около 90% тяги
самолета; остальная тяга создается реакцией газовой струи.
Высокая эффективность винта определяется тем, что он «от-
«отбрасывает» большую массу воздуха с относительно невысокой
скоростью, немного превышающей скорость полета. При ис-
использовании воздушного винта сокращается расход топлива и
увеличивается дальность полета. Поэтому турбовинтовые дви-
двигатели нашли применение на транспортных и бомбардировоч-
бомбардировочных самолетах и на вертолетах. С 70-х годов новые ТВД для
силовых установок самолетов практически не создают (заме-
(заменили двухконтурными турбореактивными двигателями), а для
силовых установок вертолетов их продолжают совершенство-
совершенствовать.
В двухконтурном турбореактивном двигателе (рис. 6.3) ком-
компрессор 1 подает часть сжатого воздуха во второй контур 2 —
кольцевой канал, расположенный вокруг первого контура дви-
двигателя, включающего компрессор 3, камеры сгорания 4, турби-
турбины 5, 6 и сопло 8. Если расход воздуха через внешний контур
превышает расход через внутренний, двигатель называют тур-
турбовентиляторным. Работа компрессора в этом случае напоми-
напоминает действие воздушного винта (пропеллера): воздух засасы-
засасывается из атмосферы, проходит второй контур и создает допол-
дополнительную тягу. Отношение масс воздуха, проходящего по на-
наружному и внутреннему контурам, называют степенью двух-
двухконтурности. У современных двухконтурных двигателей для
сверхзвуковых самолетов степень двухконтурности небольшая —
от 0,5 до 2,0; для дозвуковых самолетов в зависимости от их
назначения она может быть от 3 до 8. С увеличением степени
двухконтурности диаметр второго контура возрастает, а длина
сокращается, т. е. в предельном случае вентилятор превра-
146
щается в воздушный винт, а двухконтурный двигатель — в тур-
турбовинтовой.
Конструктивные особенности основных узлов и систем дви-
двигателя— входного устройства, компрессора, камеры сгорания,
турбины, сопла и топливной системы; способы повышения тя-
тяги— сжигание топлива в форсажной камере или во втором
контуре, впрыск жидкости, снижающей температуру газа перед
турбиной; степень двухконтурности двигателя, а также способы
повышения экономичности — организация ступенчатого сгора-
сгорания, использование регенераторов тепла — все эти перечислен-
перечисленные факторы определяют требования к качеству реактивных
топлив и условия их применения.
В авиационных газотурбинных двигателях применяют вход-
входные устройства с регулируемыми и нерегулируемыми геометри-
геометрическими размерами. Псследние используют на летательных ап-
аппаратах с дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями полета,
не превышающими скорость звука более чем в 1,5 раза. В этих
случаях нет необходимости в согласовании пропускной спо-
способности диффузора и компрессора. При полетах с большей
скоростью, например равной 3-1-5 М, входное устройство долж-
должно обеспечить подведение к компрессору в 3 раза больше воз-
воздуха, чем при скорости 1,5 М. Это может быть достигнуто
только за счет регулирования входного устройства. С измене-
изменением расхода воздуха изменяются и расход топлива и коэф-
коэффициент избытка воздуха, что вызывает также необходимость
применения специальных мер для обеспечения устойчивого вос-
воспламенения топливовоздушной смеси в широком диапазоне
изменения ее состава.
В авиационных газотурбинных двигателях самолетов, как
правило, устанавливают осевые компрессоры. Они имеют ма-
малую массу и небольшие поперечные размеры, высокий к.п.д. и
обеспечивают большую степень повышения давления (степень
сжатия), а следовательно, и более высокую температуру воз-
воздуха, поступающего в камеру сгорания. Центробежные и осе-
центробежные компрессоры применяют на вертолетных двига-
двигателях, пусковых устройствах и на бортовых вспомогательных
газотурбинных двигателях.
В настоящее время наиболее распространены кольцевые и
трубчато-кольцевые камеры сгорания. Их элементы (кожух)
можно включать в силовые корпусы двигателя, что снижает
общую массу последнего. Такие камеры требуют сравнительно
сложных «доводочных» работ по обеспечению полного и устой-
устойчивого сгорания топлива, расположения зоны горения в задан-
заданной области и равномерного распределения температуры газов
в окружном направлении перед сопловым аппаратом турбины.
Форсирование турбореактивных двигателей может обеспе-
обеспечиваться за счет форсажных камер, располагаемых за турбиной.
Сжигание в этой камере дополнительного количества топлива
повышает температуру и скорость газа, выходящего из сопла.
10* 147
При этом реактивное сопло выполняют регулируемым, а в ка-
качестве рабочего тела для силового привода обычно применяют
топливо. Отказы в работе силового привода, обусловленные ка-
качеством топлива, возможны из-за образования отложений про-
продуктов окисления топлива, коррозии металлов и разрушения
уплотнений, т. е. при использовании топлива или материалов
несоответствующего качества.
При разработке основных и форсажных камер за счет кон-
конструктивных и эксплуатационных мероприятий, а также с уче-
учетом свойств топлива необходимо обеспечить: 1) надежный пуск
двигателя на земле и на всех эксплуатационных высотах по-
полета; 2) устойчивое горение на всех режимах работы двигате-
двигателя, при всех эксплуатационных .высотах и скоростях полета, а
также при быстром переходе с одного режима на другой;
3) максимальную полноту сгорания топлива и минимальные
потери тепла через стенки камеры в окружающую среду;
4) равномерность полей давления и температуры газов; 5) ми-
минимальные потери давления в камере и удобство осмотра эле-
элементов конструкции в условиях эксплуатации. Таким образом,
организация рабочего процесса двигателя в значительной мере
определяет требования к качеству реактивного топлива.
В двухконтурном турбореактивном двигателе разделение
воздуха, сжатого в компрессоре, по двум контурам позволяет
оптимизировать тепловой режим газов перед турбиной и улуч-
улучшает условия сгорания.
Характерной особенностью конструкций современных ГТД
является их высокая автоматизация. Частота вращения рото-
ротора, температура газов перед турбиной, давление воздуха за
компрессором и многие другие параметры поддерживаются ав-
автоматически. При этом рабочим телом в регулирующей аппара-
аппаратуре обычно служит топливо, что также предъявляет дополни-
дополнительные требования к его качеству.
Области применения воздушно-реактивных двигателей. В со-
соответствии с особенностями конструкции каждый тип двигате-
двигателя имеет те или иные преимущества и недостатки, а следова-
следовательно, наиболее рациональную область применения. Область
использования различных типов ВРД в авиации в первую оче-
очередь определяется зависимостью тяги и удельного расхода
топлива от требуемой скорости и высоты полета самолета.
Основные преимущества воздушно-реактивных двигателей пе-
перед поршневыми и турбовинтовыми силовыми агрегатами за-
заключаются в возможности получать высокую тягу при неболь-
небольших размерах и массе летательного аппарата. Высота полета
самолета с турбореактивным двигателем может достигать 20—
25 км, а с прямоточным — до 35 км [126].
С повышением до определенного значения скорости полета
тяга ТРД увеличивается, в то время как для винтомоторной
силовой установки она уменьшается. По удельным расходам
топлива турбовинтовой и поршневой двигатели при скорости
148
/. 2 3 4 о
Скорость полета, М
Рис. 6.4 Зависимости удельного рас-
расхода топлива от скорости полета са-
самолетов, оснащенных воздушно-ре-
воздушно-реактивными двигателями разного ти-
типа:
j — аэродинамическое качество самолетов
с различными двигателями; 2 — удельный
расход топлива соответствующих самоле-
самолетов; стрелками указаны области для су-
существующих типов двигателей, пунктиром
отмечены теоретические значения указан-
указанных показателей
полета <1 М имеют наилуч-
наилучшие показатели. При дальней-
дальнейшем увеличении скорости по-
полета преимущества турбовин-
турбовинтового двигателя теряются, и
он начинает расходовать примерно столько же топлива, как..и
турбореактивный, который в случае сверхзвукового полета ха-
характеризуется меньшими удельными расходами топлива. Турбо-
Турбореактивные двигатели с большой степенью двухконтурности
превосходят по экономичности турбовинтовые при скорости по-
полета, равной скорости звука.
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели при скорости
<2М имеют максимальный удельный расход, однако при 3 М
удельный расход в них меньше, чем у турбореактивного двига-
двигателя.
Наиболее экономичные области применения самолетов —
максимальная высота полета Ятах и максимальная скорость
полета Umax— представлены ниже [126]:
Тип двигателя ^тах> км утах» км^4
Турбовинтовой
Двухконтурный турбореактивный
Турбореактивный без форсажной ка-
меры
Двухконтурный турбореактивный с
форсажной камерой
Турбореактивный с форсажной каме-
рой
Прямоточный
Высокое аэродинамическое качество* самолетов с ВРД об-
обусловлено тем, что эти двигатели развивают большую тягу,
имеют малую площадь поперечного сечения и малую удель-
удельную массу. Значения аэродинамического качества самолетов
с различными типами двигателей и удельный расход топлива
в зависимости от скорости полета представлены на рис. 6.4.
10—11
\\~\2
12—14
20—25
25—30
30—35
700—800
850—900
950—1000
3000—3600
3300—4200
4800—6000
* Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению летательного
аппарата. Последняя величина при полете с дозвуковыми скоростями про-
пропорциональна квадрату скорости полета и площади поперечного сечения ле-
летательного аппарата.
149
При длительном полете на большой высоте возможно силь-
сильное охлаждение (при,дозвуковой скорости) или сильный нагрев,
(в случае сверхзвуковой скорости) топлива, находящегося в
баках летательного аппарата. Это предъявляет повышенные
требования к низкотемпературным свойствам топлива, его тер-
термоокислительной стабильности и совместимости с конструк-
конструкционными и уплотнительными «материалами.
6.2. УСТРОЙСТВО ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ САМОЛЕТОВ
И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ В НИХ ТОПЛИВ
Топливные системы и их элементы. Масса топлива, необходи-
необходимого для обеспечения полета, составляет от 30 до 60% взлет-
взлетной массы самолета. Поэтому размещение его и организация
бесперебойной подачи к двигателям представляет сложную
проблему, от решения которой во многом зависят эффективность
и надежность летательного аппарата. Топливная система совре-
современных, особенно сверхзвуковых, самолетов — целый комплекс
взаимосвязанных подсистем: подачи топлива в двигатели, пе-
перекачивания его в расходные баки, управления порядком пере-
перекачивания, контроля, наддува и дренажирования топливных
баков, заправки и слива топлива на земле и в полете и т. д.
Требования, которые предъявляют к топливным системам,
весьма разнообразны: высокая надежность и живучесть, пожар-
пожарная безопасность, малые массовые и габаритные характери-
характеристики, простота конструкции, удобство контроля, эксплуатации
и ремонта. Как правило, улучшение одних характеристик топ-
топливной системы, например надежности, достигается толька
ухудшением других — массы, габаритов.
Топливная система обычно состоит из различных узлов»
агрегатов и устройств: баков, трубопроводов, подкачивающих
насосов, одного или нескольких насосов высокого давления, ре-
регуляторов подачи топлива, фильтров, форсунок, дренажной
системы. На рис. 6.5 показана часть топливной системы само-
самолета с 4-мя силовыми установками.
На самолетах размещают мягкие топливные баки или баки-
отсеки, а также металлические подвесные баки. Конструкция
баков зависит от типа самолета, тепловых режимов его пла-
планера и величин деформации крыльев в полете. Мягкие баки
многослойные, их склеивают из нескольких слоев резины, в том
числе стойкой к топливу, и прорезиненной ткани. В баках
военных самолетов между слоями резины, стойкой к топливу
и вулканизованной, может быть размещен протектор из на-
натурального каучука или сырой губчатой резины. В случаях
повреждения бака протектор под действием топлива набухает,
и пробоина затягивается. Мягкие баки обладают хорошими
теплоизолирующими свойствами, не подвержены вибрации и
уменьшают вибрацию крыла. Недостатки мягких топливных
баков — повышенная пожароопасность (из-за утечки топлива
150
1 2 34 5 6 Резервный бак ЗСУ Главный бак ЗМ
17 18 13
Дополнительный 5ак 'ЧСУ
2S Ш
33
38
32
Рис. 6.5. Схема топливной системы самолета с 4-я силовыми установками:
/ — трубопровод подачи топлива к двигателям; 2 — датчик-топливомера; 3 — кран коль-
кольцевания; 4 — обратный клапан; 5 — поплавковое устройство клапана заправки; 6 — дат-
датчик-сигнализатор с сигналом на закрытие клапана заправки; 7 — заправочная горловина
топливного бака; 8— дренажный трубопровод; 9, 16— краны слива топлива; 10, 13, 28,
34 — электроприводной центробежный насос; 11 — нажимной кран слива конденсата; 12,
27 — сигнализатор давления топлива за насосом; ./4—-датчик давления топлива перед
форсунками; 15 — сигнализатор минимального давления топлива; 17 — двигательный под-
подкачивающий насос; 18 — датчик расходомера; 19, 23 — датчики давления топлива; 20 —
топливно-масляный радиатор; 21 — фильтр; 22«— сигнализатор перепада давления топли-
топлива на фильтре; 24 — насос-регулятор; 25 — датчик топливомера с компенсатором и сиг-
сигналом на выключение насосов перекачивания дополнительного бака и на включение
насоса главного бака 4-й СУ; 26 — дренажный бак; 29 — датчик топливомера дренаж-
дренажного бака на включение насоса при достижении заданного количества топлива в баке;
30, 43 — предохранительный клапан давления; 31 — заборный патрубок дренажной систе-
системы; 32, 44 — вакуумные клапаны; 33 — кран аварийного слива топлива; 35 — клапан для
слива топлива в бак; 36, 40 — струйные насосы; 37 — гидравлический кран заправки;
38, 45 —датчик давления в баке; 39 — кран, заправки бака; 41, 42 — бортовые штуцеры
централизованной заправки баков топливом; 45 — главный кран заправки топливом
во внутреннее пространство самолета и трудности обнаруже-
обнаружения места утечки), малый срок службы (из-за старения рези-
резины) и температурные ограничения использования.
Баки-отсеки применяют на дозвуковых пассажирских и
транспортных самолетах, чему благоприятствует плоская фор-
форма конструктивных элементов крыльев, а также на самолетах
с большим нагревом конструкции, где установка мягких баков
невозможна. Баки-отсеки изготавливают сварными или клепа-
клепаными и герметизируют с помощью герметиков, которыми об-
обмазывают швы, а иногда и всю внутреннюю поверхность бака-
отсека (для обеспечения герметичности при образовании не-
небольших трещин). Баки-отсеки позволяют наиболее рациональ-
рационально использовать внутреннее пространство самолета и увели-
увеличить запас топлива. Вместе с тем по сравнению с мягкими
баками они имеют повышенную поражаемость, плохую при-
пригодность к ремонту, недостаточные теплоизолирующие свой-
свойства.
Подвесные топливные баки бывают сбрасываемые в полете
и несбрасываемые. В таких баках нецелесообразно размещать
насосы, и топливо из них выдавливают воздухом, нагнетаемым
компрессором. Несбрасываемые баки оборудуют аналогично
основным бакам-отсекам.
В топливных системах самолетов устанавливают преимуще-
преимущественно лопастные (центробежные и осевые) и струйные на-
насосы. Они обеспечивают перекачивание топлива из основных
и дублирующих баков в расходные и балансировочные баки с
подачей его в зависимости от типа самолета от 0,3 до 100 м3/ч
(и более) при сравнительно низком давлении @,20^-0,25 МПа)
и небольшом напоре на входе. Центробежные и лопастные на-
насосы приводятся в действие от вала двигателя (насосы II сту-
ступени подкачивания топлива, расположенные непосредственна
на двигателе) либо посредством электрического, гидравличе-
гидравлического или пневматического приводов. Конструкция внутрибако-
вого центробежного топливного насоса показана на рис. 6.6.
Надежность этого агрегата определяется герметичностью уплот-
уплотнений вращающихся деталей. Во избежание попадания топлива
в полость электродвигателя устанавливается уплотнительная
резиновая манжета 8. Просачи-
Просачивающееся топливо охлаждает
манжету 8 и центробежным от-
ражателем 7 отбрасывается к
дренажному каналу 11. Сетка 4
10
Рис. 6.6. Внутрибаковый центробежный
топливный насос:
/—-вентиляционный канал; 2 — корпус; 3 —
стенка топливного бака; 4 — предохранитель-
предохранительная сетка; 5—уплотнительное кольцо; 6—
электропривод; 7 — центробежный отражатель;
8 — уплотнительная манжета; 9 — вал; 10 — ра-
рабочее колесо; И—- дренажный канал
152
Вид л
11 10
Рис. 6.7. Насос-регулятор плунжещого
типа:
; — кооп\с; 2 — ротор; 3, 13 — подшишики;
4— золотниковая шайба; 5, 6 — профилирван-
ные окна; 7 — сервопоршень; 8 — плушер;
9 — пружина; 10 — шток; И — серьга; 12~ на-
клонная шайба; 14 — вал
(размер ячеек до 2 мм) прдо-
зфаняет насос от попадашя
крупных посторонних примесей и
кристаллов, образующихся при
охлаждении топлива.
Характеристики насоса зависят от частоты вращения дви-
двигателя и в значительной стегени от температуры окружающей
среды, особенно при работе на топливе с крутой вязкостно-
температурной зависимостью. Если нагрев топлива в баках
>100°С или температура воздуха, * окружающего внебаковую
часть насосного агрегата, >200°С, потребляемая мощность
электропривода достигает 7—10 кВт. Такие насосы из-за боль-
больших габаритов очень трудно разместить в крыльевых баках
самолетов с тонким крылом. В подобных случаях эффективным
может быть привод от воздушной турбины (воздух подается
от компрессора турбореактишого двигателя) или от газовой
турбины, когда в отбираемое от компрессора воздухе сжи-
сжигается часть топлива.
Наиболее легким малогабаритным и термостойким являет-
является гидравлический привод. Энергия к нему подается топли-
топливом после II ступени подкачшания давлением 1—2 МПа. Топ-
Топливо после гидротурбопривода сливается в магистраль между
насосами I и II ступеней покачивания или в топливные баки
(в топливных системах с напряженным тепловым балансом).
В самолетах с газотурбшным двигателем значительное
количество топлива при вьюком давлении перепускается во
всасывающую линию и расходный бак из основных и форсаж-
форсажных насосов двигателя. Его можно эффективно использовать
в струйных насосах. Давление топлива на входе в такой насос
должно превышать сумму давлений насыщенных паров и ка-
витационного запаса насоса.
Основные топливные насо:ы подают топливо при высоком
давлении к форсункам основрых и форсажных камер сгорания.
Привод этих насосов осуществляется непосредственно от дви-
двигателя. Конструкция насосов предусматривает изменение пода-
подачи топлива при постоянной частоте вращения ротора двигате-
двигателя и сохранение ее неизменной при изменении частоты враще-
вращения, что достигается установкой насосов-регуляторов плунжер-
плунжерного типа (рис. 6.7).
Ротор 2 — главная деталь наша. Внутри его равномерно по окруж-
окружности и наклонно к оси расположены цилиндрические каналы. В каналах
размещаются полые плунжеры 9 с пружинами. Торец ротора прижимается
153
к золотниковой шайбе 4 с двумя профилированными окнами 5 и 6\ через
одно из них топливо всасывается F), а через другое E) вытесняется прк
большом давлении (8—15 МПа). Полусферические концы плунжеров 9 опи-
опираются на сферическую либо коническую поверхность упорного подшипни-
подшипника, запрессованного в наклонную шайбу 12. Шайба может поворачиваться
под действием сервопоршня 7 и изменять угол наклона к оси насоса. Если
угол установки шайбы отличен от нуля, то при вращении ротора плунжеры
под воздействием наклонной шайбы и пружин совершают возвратно-посту-
возвратно-поступательное движение с тем большей амплитудой, чем больше угол наклона;
соответственно тем больше подача топлива. Пара трения наклонная шай-
шайба — плунжер работает в условиях комбинированного трения с большими
удельными нагрузками, что вызывает ее повышенный износ при недоста-
недостаточно высоких противоизносных свойствах топлива. В последнее время для
снижения износа плунжеров применяют подпятники, устанавливаемые меж-
между концами плунжеров и шайбой.
Топливные форсунки подают топливо в камеру сгорания в
паровой или жидкой фазе. Двигатель, оборудованный форсун-
форсунками испарительного типа, менее чувствителен к склонности
топлива образовывать нагар в камере сгорания. Однако при
их применении возможно образование высокотемпературных
отложений в каналах форсунок. Большинство двигателей имеют
центробежные, одно- или двухкамерные, регулируемые либо не-
нерегулируемые форсунки распыливающего типа. На рис. 6.S
показана двухкамерная регулируемая форсунка.
Форсунки должны распыливать топливо с умеренной неод-
неоднородностью, обеспечивая диаметр капель от 10 до 400 мкм
(наибольшее число капель имеет диаметр от 70 до 100 мкм).
Это создает благоприятные условия для организации рабочего
процесса, повышает устойчивость горения на бедных смесях.
Наличие в факеле топлива капель большего диаметра нежела-
нежелательно, так как они не успевают испариться и сгореть до тур-
турбины.
Угол конусности факела распыленного топлива зависит от
режима работы двигателя. При запуске, когда расход топлива
небольшой, этот угол относительно невелик — 604-70°. Топливо
концентрируется в малом объеме, что создает хорошие усло-
условия для его воспламенения и сгорания. На малой нагрузке
(«газе») угол достигает 110-=-120°, а на максимальном режиме,
когда топливо подается при высоком давлении, он составляет
80-f-90°, что исключает попадание капель на стенки камеры
сгорания.
Существенное влияние на работу центробежной форсунки
оказывает температура топлива. С ее понижением и, следова-
следовательно, увеличением вязкости топлива уменьшается коэффи-
коэффициент расхода форсунки, качество распыливания топлива
ухудшается. С повышением температуры уменьшаются коэф-
коэффициент расхода и угол факела. Особенно заметно снижается
коэффициент расхода в интервале температур 150—200 °С, ког-
когда давление насыщенных паров наиболее массовых марок топ-
топлива приближается к давлению воздуха в камере сгорания.
154
Рис. 6.8. Топливная двухка-
двухкамерная регулируемая форсун-
форсунка:
/—корпус; 2 — основной канал; 3 —
сетка фильтра; 4 — вспомогатель-
вспомогательный канал малого газа; 5 — сопло
основное; 6, 10 — тангенциальные
отверстия; 7 — сопло малого газа;
8, 9 — камеры завихрения; // — раз-
разделительная трубка
Очень важный фак-
фактор — равномерная пода-
подача топлива каждой фор-
форсункой и, следовательно,
равномерность распреде-
распределения топлива по всему
объему камеры сгорания.
Это обеспечивает свое-
своевременное завершение
процесса сгорания и рав-
равномерный фронт темпера-
температур перед турбиной. Все форсунки, входящие в комплект дан-
данного двигателя, должны обеспечивать одинаковое качество рас-
пыливания и объемы подачи топлива. Неравномерность подачи
топлива на максимальном режиме не должна превышать 2ч-
3%, на режимах малых расходов—10-г-20% и внутри каждого
факела — 20-i-30%. Недостаточная чистота топлива и малая его
термоокислительная стабильность могут привести к образова-
образованию отложений в каналах форсунок и нарушению равномерно-
равномерности подачи топлива.
Чистота топлива достигается очисткой его при заправке
летательного аппарата и фильтрованием в топливной системе
через проволочные сетки из цветных металлов или легирован-
легированной стали 12Х18Н9Т. Сетка обычного плетения обеспечивает
«тонкость» фильтрования 20-f-40 мкм, сетка саржевого плете-
плетения— 12-f-16 мкм; более высокую степень очистки обеспечи-
обеспечивают бумажные фильтры (84-12 мкм).
Соотношение массы двигателя и топлива. Малая удельная
масса* — важнейшее требование авиационных двигателей. Этот
показатель в значительной степени влияет на общую массу
самолета, его скороподъемность и дальность полета: с увели-
увеличением удельной массы двигателя на 1 кг масса самолета
увеличивается на 3—5 кг. В результате совершенствования воз-
воздушно-реактивных двигателей средняя удельная масса их по
сравнению с двигателями первого поколения снизилась в 5—
6 раз.
* Удельная масса (туд)—отношение массы двигателя без топлива,
масла и самолетных агрегатов (тдв) к его номинальной тяге (R); для тур-
турбовинтовых двигателей туд = тдв/Ме, где Ne — суммарная мощность на ва-
валу винтов и реактивного выхлопа.
155
Главнейшие способы снижения массы газотурбинных двига-
двигателей в той или иной мере влияют на условия применения и
требования к качеству реактивных топлив. К этим способам
относятся:
повышение параметров процесса и показателей работы от-
отдельных агрегатов — сокращение числа ступеней компрессора
за счет увеличения степени повышения давления воздуха на
одной ступени, увеличение температуры газа и уменьшение
числа ступеней турбины за счет увеличения теплоперепада на
каждой ступени;
конструктивное совершенствование двигателя и его узлов,
включающее наряду с другими мероприятиями применение
охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток в турбине;
применение новых жаропрочных материалов для узлов и
деталей двигателя, подвергающихся воздействию высоких тем-
температур, и новых технологических приемов изготовления этих
деталей.
Значительная доля в общей массе двигателя приходится
на узлы, непосредственно связанные с обеспечением эффектив-
эффективного процесса горения и преобразования энергии продуктов
сгорания. В турбореактивном двигателе доля массы компрес-
компрессора составляет 33%, турбины — 26%, камер сгорания—10%
и топливной и масляной систем — примерно 10% [125].
Тяга (мощность) двигателя влияет и на показатели его
экономичности, в частности удельный расход топлива ge, рав-
равный отношению массы топлива, расходуемого за 1 ч, к тяге
(для ТРД) и к мощности (для ТВД). В стендовых условиях
удельный расход топлива первых двигателей составлял 130—
150 кг/(кН-ч); современные ТРД имеют 80-f-90 кг/(кН-ч),
ТРДД —350^-400 кг/(кН-ч), а ТВД— 0,27^-0,38 кг/(кВт. ч).
При создании летательных аппаратов добиваются оптималь-
оптимального соотношения удельных значений тяги, расхода топлива и
массы силовой установки [128]. При достигнутых соотноше-
соотношениях между указанными параметрами важнейшие технико-
экономические показатели вовремя проектирования летательно-
летательного аппарата контролируются и оптимизируются по многим крите-
критериям: взлетной массе (то), расчетной дальности полета (L),
крейсерской скорости полета, полезной нагрузке, ресурсу, стои-
стоимости и др. При сравнительном анализе силовых установок
летательных аппаратов в качестве критерия используют также
величину суммарной массы двигателей и потребного топлива
для расчетной длительности полета. Масса топлива тТ состав-
составляет от 30 до 60% взлетной массы летательного аппарата и
рассчитывается по формуле
kRL
где k — коэффициент, учитывающий размерность; R — осредненная тяга
двигателей, кг; L — расчетная дальность полета, км; qH — удельная теплота
156
сгорания топлива, кДж/кг; ц — полный к. п. д. силовой установки (т] = 0,07—
0,12) [126].
При проектировании самолета учитывают неодинаковую
плотность используемого топлива, т. е. для одной и той же
массы потребуется разная вместимость топливных баков, чта
скажется на лобовом сопротивлении летательного аппарата.
Различные значения может иметь и удельная теплота сгорания
топлива, но этот фактор принимают во внимание только для
отдельных типов летательных аппаратов, например крылатых
ракет. Массовая авиационная техника рассчитывается на при-
применение реактивного топлива с обычной для среднедистиллят-
иъп нефтяных фракций удельной теплотой сгорания, равной
~43 МДж/кг, или 33,5 МДж/л.
Общий запас топлива на борту самолета (тъ) включает
топливо: 1) необходимое для выполнения программы полета
по заданному маршруту (тпр); 2) расходуемое двигателем при
работе на земле во время запуска, опробования и вырулива-
выруливания; 3) расходуемое при маневрировании в воздухе в зоне
аэродрома до выхода на маршрут; 4) необходимое для выпол-
выполнения маневров, связанных с неблагоприятными условиями по-
полета (например, встречный ветер); 5) резерва посадки; 6) не-
вырабатываемого остатка в баках и трубопроводах. Величина
#22 определяется по формуле
т2 = Лтпр. F.2)
Коэффициент А зависит от типа, назначения и программы по-
лет# самолета и показывает, какой дополнительный резерв
топлива следует размещать на его борту для обеспечения за-
заданий безопасности полета. По данным [127], для истреби-
истребителей А = 1,07ч-1,Ш, а для транспортных самолетов Л = 1,20ч-
-1,21.
Для современных самолетов характерно следующее соот-
соотношение масс топлива и конструкции системы, в которой оно.
размещается (в%) [127]:
Топливо на борту самолета 100 Остаток топлива
Конструкция топливной си- 8—9 невырабатываемый 2,5—3,5
стемы несливаемый 0,3—0.4
величина аэродинамического сопротивления самолета при
заданной массе топлива зависит от степени использования
свободных объемов, предназначенных для размещения топлив-
топливных баков, т. е. от коэффициента заполнения отсеков /С3.о.
Для герметизированных баков, из которых топливо вытесняется
сжатьш газом, /С3.о~1,0. Наименьшее значение Кз.о @,8-т-0,9) у
расходных протестированных баков с большим числом механиз-
механизмов автоматического управления порядком выработки топлива,
насосов и другого оборудования [127].
резкое увеличение массы топлива обусловливает сложность
его размещения, особенно на самолетах со сверхзвуковой ско-
157
ростью полета, для которых характерно уменьшение толщины
крыльев, а масса топлива составляет 55—60% от взлетной массы
(бомбардировщик В-58, «Конкорд») [127].
Для транспортных самолетов, в фюзеляже которых разме-
размещаются пассажиры и грузы, топливные баки предусматривают
главным образом в крыльях. В связи с этим профиль крыла вы-
выбирают, исходя не только из аэродинамических требований, но и
из условий размещения в нем топлива. Наиболее рациональное
использование внутренних объемов крыльев и увеличение вме-
вместимости топливной системы на современных самолетах (Ил-76,
Ан-24, Ту-144, В-70, «Конкорд») достигается при использовании
в крыльях баков-отсеков (см. рис. 6.6).
Нагрев топлива в топливной системе летательного аппарата.
Условия эксплуатации самолетов крайне разнообразны. В на-
наземных условиях и при малых скоростях полета топливо мо-
может подвергаться значительному охлаждению, особенно в ба-
баках-кессонах, вплоть до температуры начала кристаллизации.
При больших скоростях полета из-за аэродинамического нагре-
нагрева планера самолета, а также в результате нагрева в агрега-
агрегатах топливной системы температура топлива может превысить
температуру начала его кипения.
Основным фактором, определяющим нагрев конструкции
самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, являются
большие температуры торможения воздуха Ттор*. В общем слу-
случае зависимость 7тор от скорости полета при температуре атмо-
атмосферного воздуха Тв (К) выражается уравнением
7тор = A + 0.18Л1») 7В. F.3)
Установившиеся температуры поверхности самолета в за-
зависимости от скорости полета на различной высоте показаны
на рис. 6.9.
Отрицательное действие аэродинамического нагрева сказы-
сказывается на температуре топлива также и потому, что его ис-
используют для охлаждения систем кондиционирования, элект-
электронного оборудования и др. Тепло от бортовых систем само-
самолета в топливо отводится через радиаторы-теплообменники,
устанавливаемые обычно в магистрали, соединяющей расход-
расходный бак с двигателем, а в некоторых случаях — непосредствен-
непосредственно в расходном баке. Температура топлива на входе в двига-
двигатель ГдВ определяется уравнением
Гн + АГр + ДГ?, F.4)
где Гб — температура топлива в расходном баке; ДГН, ДГР и AT г—нагрев
топлива соответственно в подкачивающем насосе расходного бака, в радиа-
радиаторе и в местных сопротивлениях магистрали.
* Температура торможения — одна из характеристик высокоскоростного
потока газа, равная температуре этого газа, адиабатически заторможенного
до нулевой скорости.
158
/ 2 3 4
Скорость полета, М
S
-50
2 4 6 в 10
Продолжительность полета, ч
Рис. 6.9. Расчетные значения установившихся температур поверхности само-
самолета при разной скорости полета на различной высоте в турбулентном (—)
и ламинарном ( ) слоях
Рис. 6.10. Зависимость температуры топлива в баках различных самолетов
от продолжительности полета
Охлаждение топлива в баках летательного аппарата. Охлаж-
Охлаждение топлива характерно при длительных полетах с дозвуко-
дозвуковой скоростью. Это явление нежелательно из-за возможного
образования кристаллов льда из влаги, находившейся в ра-
растворенном состоянии в нагретом топливе, кристаллов высоко-
высокоплавких углеводородов (высокомолекулярных алканов нормаль-
нормального строения) и повышения вязкости топлива. Наиболее бы-
быстрое понижение температуры топлива A0—20 °С в час) на-
наблюдается в первые часы полета, затем скорость охлаждения
уменьшается до 5°С в час, а температура топлива может сни-
снизиться до —43 °С (рис. 6.10). По результатам наблюдения за
7000 полетов самолетов «Боинг-707», «Боинг-747», ДС-8, ДС-10
практически над всей территорией земного шара, включая по-
полярные области, минимальная температура топлива в баках
отмечена—43,5 °С (на высоте 10—12 км при температуре на-
наружного воздуха —75 °С) [129].
Считается, что для предупреждения отказов топливных си-
систем в результате кристаллизации ^-алканов в самолетах, обо-
оборудованных топливными фильтрами с тепловой защитой, тем-
температура топлива в баках должна быть на 3°С выше темпе-
температуры начала кристаллизации. Это может быть достигнуто за
счет выбора высоты и скорости полета. Так, для самолета
«Боинг-747» при применении топлива с температурой кристал-
кристаллизации —40 °С и температуре наружного воздуха не ниже
—66 °С безопасная минимальная скорость полета составляет
0,84 М; при температуре ниже — 66 °С необходимо изменить
(снизить) высоту полета или увеличить скорость.
Кавитационный режим подкачивающих насосов в резуль-
результате возрастания вязкости топлива был отмечен только при
значительном охлаждении — на 15—25 °С ниже температуры
начала кристаллизации.
Перекачивание топлива во время полета. При проектирова-
проектировании самолета выбирают такое расположение топливных баков,
при котором его центр тяжести при полной заправке топливом,
находится вблизи центра тяжести до заправки. Во время по-
полета по мере расходования топлива необходимо поддерживать
центровку самолета (в допустимом диапазоне изменений). Это
достигается четкой программой порядка перекачивания топли-
топлива из баков, стабильностью гидравлических характеристик на-
насосов, трубопроводов вне зависимости от температуры топли-
топлива и маневра (эволюции) самолета в пространстве. Сверхзву-
Сверхзвуковые пассажирские самолеты оборудуют системами управле-
управления центром тяжести в полете путем перекачивания топлива
в зависимости от скорости полета. Для реализации этого ме-
метода требуется установка дополнительных балансировочных
баков.
В связи с конструктивными трудностями организации пода-
подачи топлива из каждого бака к двигателю при любых положе-
положениях самолета в пространстве, в том числе в состоянии неве-
невесомости и при действии отрицательных нагрузок, питание дви-
двигателей осуществляется из расходных баков. Расходные баки
упрощают контроль за наличием резерва топлива для посад-
посадки, за работой средстр автоматики при сложных системах пе-
перекачивания; позволяют выравнивать и в ряде случаев сни-
снизить температуру топлива, поступающего к двигателям; обес-
обеспечить дегазацию и частичный отстой топлива, поступающего
в расходный бак из очередных баков; улучшить кавитационные
характеристики насосов; снизить мощность, напор и массу пе-
перекачивающих насосов, устанавливаемых во всех баках, кроме
расходных. Вместе с тем многочисленные перекачивания топли-
топлива в отдельных случаях могут привести к возникновению стой-
стойких эмульсий, что нарушает работу топливной системы.
Возникновению эмульсии и кавитации насосов способствует
резкое снижение давления в топливных баках при наборе са-
самолетом высоты. В этом случае нарушается динамическое
равновесие системы «жидкое топливо — растворенные в нем
газы (воздух)—газы и пары в надтопливном пространстве».
Из топлива выделяются растворенные газы со скоростью, про-
пропорциональной скорости падения абсолютного давления в баке.
При большой скорости подъема выделение газов идет бурно,
и топливо «вскипает». Такое явление наблюдается при первом
наборе высоты. Так как выделившиеся из топлива газы не ус-
успевают вновь раствориться в нем, то при повторном наборе
высоты «вскипания» не происходит. Выделение газов во всасы-
всасывающем патрубке насоса и на входе в лопатки рабочего коле-
колеса, где самое низкое давление в топливной системе, приводит
160
к уменьшению активного сечения, возрастанию скорости потока
и увеличению потерь давления на входе в насос, что в итоге
может вызвать кавитацию.
6.3. ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ТОПЛИВ
Факторы, определяющие качество реактивных топлив. Тре-
Требования к качеству реактивных топлив определяются различ-
различными факторами: особенностями организации рабочего процес-
процесса в воздушно-реактивном двигателе; большим объемом топ-
топлива, размещаемого на борту летательного аппарата; условия-
условиями его размещения и перекачивания по топливной системе;
большим расходом топлива во время полета; использованием
топлива не только как источника энергии, но и в качестве
смазывающей среды и рабочего тела в системах регулирова-
регулирования и в гидравлических приводах, а также в качестве хладо-
агента и рядом других.
В камере сгорания ВРД топливо непрерывно сгорает в по-
потоке быстродвижущегося воздуха, при этом процессы распы-
ливания, испарения, смешения с воздухом и горения наклады-
накладываются друг на друга. Основным нарушением нормального
процесса горения в ГТД является срыв пламени. Для стабили-
стабилизации процесса в камере сгорания создают воздушный вихрь
вокруг оси камеры и зоны обратных потоков. Текущие против
главного потока горячие газы повышают эффективность испа-
испарения и полноту сгорания топлива, способствуя непрерывному
воспламенению свежей топливовоздушной смеси и турбулиза-
ции потока. В результате возрастает скорость горения, умень-
уменьшается осевая скорость воздуха вблизи границ зоны обратных
токов, а пламя удерживается в определенной области камеры
сгорания.
Особо неблагоприятные условия сгорания создаются на
больших высотах, где снижаются температура и давление
окружающего воздуха, С подъемом на высоту плотность воз-
воздуха падает, его массоьый расход уменьшается. Необходимость
сохранения заданного состава топливовоздушной смеси приво-
приводит к снижению расхода топлива, уменьшению давления впры-
впрыска, ухудшению качества распыливания и испарения, что,
в свою очередь, нарушает процессы воспламенения и горения,
изменяет положение зоны горения в камере. При определен-
определенных соотношениях указанных факторов возникают колебания
давления в камере, и процесс горения может прекратиться.
При снижении температуры воздуха, поступающего в камеру
сгорания, уменьшаются скорости испарения и химических пре-
превращений топлива, задержка воспламенения увеличивается.
Это снижает скорость горения и положение зоны пламени в
пространстве: часть несгоревшего топлива уносится в зону
смешения, где вследствие разбавления воздухом нет необходи-
необходимых условий для его полного сгорания.
11—518 161
При работе газотурбинных двигателей в расчетных условиях
коэффициент выделения тепла в основных камерах сгорания
составляет 0,95—0,99, а в форсажных 0,85—0,97 [126]. Осо-
Особенностью процесса сгорания топлив в этих двигателях являет-
является существенная роль излучения факела пламени. При высо-
высокой теплонапряженности камеры сгорания, достигающей
4,17 МВт/м3, дополнительный поток лучевой энергии от частиц
сажи, образующихся в пламени, может привести к местному
разрушению (прогару) жаровой трубы.
Жаровые трубы — наиболее часто повреждаемые элементы камер сго-
сгорания. Их повреждение вызывается вибрацией стенок, отложением кокса и
нагара, неравномерностью температуры стенок и частым изменением темпе-
температурного режима краев отверстий для прохода воздуха, что приводит к
появлению трещин. Нагар, изолируя стенки жаровой трубы от охлаждающе-
охлаждающего воздуха, вызывает их местные перегревы, появление температурных на-
напряжений, коробление и растрескивание. Кокс и нагар, отложившиеся на
форсунке, изменяют характеристики распыливания, горения, распределения
температуры газов перед турбиной.
Более подробно особенности процесса сгорания в воздуш-
воздушно-реактивном двигателе изложены в работе [130].
Большой расход реактивного топлива обусловливает сле-
следующие требования: обеспеченность ресурсами, дешевизну
и необходимую чистоту. При формулировании требований к
топливу учитывают возможность его значительного нагрева и
охлаждения, контакта с цветными металлами и сплавами, ре-
резинами и герметиками, изменения давления и влажности окру-
окружающей среды в процессе полета.
Требования к качеству топлив. С учетом объемов потребле-
потребления топлив, условий эксплуатации летательных аппаратов, осо-
особенностей протекания процесса сгорания в двигателях, условий
применения в узлах и агрегатах топливных систем двигателей
и летательных аппаратов топливо должно отвечать следующим
общим требованиям:
1) быть обеспечено сырьевыми ресурсами и вырабатываться
доступными технологическими процессами; 2) хорошо перека-
перекачиваться по топливной системе летательного аппарата и двига-
двигателя при любых температурах, низком давлении в баках и при
полете на больших высотах; 3) полностью испаряться в камере
сгорания, воспламеняться в широких пределах состава топли-
вовоздушной смеси; 4) обладать высокой теплотой сгорания,
плотностью, обеспечивать устойчивое сгорание с высокой ско-
скоростью; 5) не содержать зольных элементов, не образовывать
нагара и других высоко- и низкотемпературных отложений;
6) быть некоррозионно-активным по отношению к деталям
топливной системы и газовоздушиого тракта двигателя, а так-
также хорошо совместимыми с неметаллическими материалами
(резиной, герметиками); 7) иметь достаточно хорошие проти-
воизносные, защитные и охлаждающие свойства; 8) быть мало-
малотоксичными и, наконец, 9) иметь высокую стабильность в усло-
162
виях длительного хранения, транспортирования и применения.
Многие из перечисленных требований — общие для всех
групп топлив: бензинов, реактивных, дизельных и котельных
топлив. Некоторые из них отражают специфические условия
реактивного движения и принципы работы авиационных сило-
силовых установок. Полная тяга ВРД составляет:
/ 1 / Qn \
= m(ur—uB) = m\ у ~^j— % + ив2 — ив j, F.5)
где т — расход воздуха и топлива в единицу времени; иг — скорость исте-
истечения продуктов сгорания; ив — скорость воздуха на входе; т)е — эффектив-
эффективный коэффициент полезного действия.
Удельная тяга, отнесенная к единице массы рабочего те-
тела— воздуха и топлива, и удельный расход топлива рассчиты-
рассчитываются по формулам
F>6)
Из приведенных уравнений следует, что чем больше теплота
сгорания топлива и меньше воздуха требуется для его полного
сгорания, тем выше удельная тяга. Тяга зависит также от
термического к.п.д. т]^, поскольку эффективный к.п.д. г]е~
я^г]/. Величина щ определяется составом продуктов сгорания
и степенью их расширения. С учетом изложенного топлива
должно иметь по возможности более высокую теплоту сгора-
сгорания, а для полного сжигания должно требоваться как можно
меньше воздуха.
Требования высокой плотности топлива связаны с его боль-
большим расходом и особенно важны для летательных аппаратов,
имеющих ограниченную вместимость топливных баков, напри-
например истребителей.
По мере развития авиационной техники требования к топ-
ливам становились все более жесткими. Так, с появлением
сверхзвуковой авиации резко ужесточились требования к тер-
термоокислительной стабильности топлива. С увеличением вмести-
вместимости топливных баков транспортных и бомбардировочных са-
самолетов пришлось повысить скорость заправки, а это повыси-
повысило опасность накопления зарядов статического электричества
в топливе и вызвало необходимость применения средств борь-
борьбы с этим явлением, в частности введения антистатических
присадок.
Общие требования к конкретным показателям качества топ-
топлив сформулировать не представляется возможным, так как,
удовлетворение требований по одним показателям можно до-
достичь, как правило, только за счет снижения требований к
другим, а положительный эффект одних показателей можно
И* 163
усилить соответствующими значениями других показателей.
Например, с увеличением плотности топлива ухудшается его
испаряемость, но возрастает вязкость, что в определенной сте-
степени может компенсировать недостаточные противоизносные
свойства. Таким образом, оптимальный уровень качества реак-
реактивных топлив является обычно следствием компромиссных ре-
решений.
Глава 7
ПРОИЗВОДСТВО РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
Физико-химические свойства нефтепродуктов и реактивных
топлив, в частности, определяются свойствами перерабатывае-
перерабатываемой нефти, способами получения базовых фракций и компо-
компонентов, методами их очистки и смещения, свойствами и кон-
концентрацией добавляемых присадок. В связи с этим химмотоло-
химмотология изучает особенности технологии топлив, масел, смазок и
технических жидкостей.
Качество реактивных топлив в сравнении с другими нефте-
нефтепродуктами в наибольшей степени зависит от природы нефти
и пределов выкипания фракций, выделяемых при атмосферной
перегонке. Фракции прямой перегонки очищают разными спо-
способами, обусловленными составом нефти и требованиями, предъ-
предъявляемыми к качеству топлива. Некоторое количество реактив-
реактивных топлив получают каталитической деструктивной перера-
переработкой в присутствии водорода дистиллятов атмосферной или
вакуумной перегонки и продуктов каталитического крекинга.
Режим каталитической переработки зависит от качества сырья
и в свою очередь практически полностью определяет качество
топлива.
7.1. ПОЛУЧЕНИЕ ТОПЛИВ ПРЯМОЙ ПЕРЕГОНКОЙ НЕФТИ
Добываемая на промыслах нефть содержит растворенные газы,
механические примеси в виде песка и глины (около 1,5%), воду
(до 50% и более), различные соли (от десятков граммов до
нескольких килограммов на 1 м3 нефти), а также различные
химические соединения, закачиваемые в скважины для увели-
увеличения нефтеотдачи пластов, предотвращения коррозии обору-
оборудования, отложения солей, парафинов, развития микроорга-
микроорганизмов и в других целях. Все эти продукты могут частично
перейти в реактивные топлива, получаемые прямой перегонкой,
и повлиять на их качество.
Установки первичной переработки нефти составляют основу
всех нефтеперерабатывающих предприятий. От их работы за-
зависят качество и выходы получаемых топлив или их компонен-
164
Иетть
рр
Y<Pp.Z80-320
Мазут
'Гудрон(>500°С)
Рис. 7.1. Принципиальная схема перегонки нефти на атмосферно-вакуумной
трубчатой установке:
/ — теплообменник; 2 — колонна К-1; 3 — холодильники; 4 — трубчатые печи; 5 — атмо-
атмосферная ректификационная колонна К 2; 6 — газосепаратор; 7 — выносные отпарные сек-
секции; 8 — вакуум-создающий эжектор; 9 — барометрический конденсатор; 10 — вакуумная
колонна
тов. Для современной нефтеперерабатывающей промышлен-
промышленности характерна многоступенчатость при производстве нефте-
нефтепродуктов. Предварительно нефть проходит подготовительные
технологические процессы на промыслах и на самом предприя-
предприятии. Это — стабилизация нефтей на промыслах для удаления
газовых компонентов, обессоливание и обезвоживание на НПЗ
и очистка от механических примесей, что обеспечивает защиту
оборудования от коррозии и способствует получению продуктов
высокого качества.
Принципиальная схема АВТ. Фракции реактивного топлива
выделяют на атмосферных трубчатых установках. Вследствие
большого разнообразия перерабатываемых нефтей и широкого
ассортимента получаемых продуктов (и их качества) установ-
установки первичной переработки нефти также многообразны. Одна из
возможных типовых схем представлена на рис. 7.1.
Подогретая в теплообменниках 1 нефть поступает в колонну 2 предва-
предварительного испарения, где из нее удаляются низкокипящие бензиновые
фракции. С низа колонны 2 нефть подается для дальнейшего нагрева в
змеевики трубчатой печи 4 и затем поступает в основную ректификацион-
ректификационную колонну 5. Здесь она разделяется на паровую и жидкую фазы. Пары,
поднимаясь вверх по колонне, подвергаются многократной конденсации и
испарению на тарелках, при этом достигается разделение нефти, на фрак-
фракции. Допустимый нагрев нефти в печи достигает 360—380 °С. При более
высокой температуре начинается нежелательный процесс разложения угле-
углеводородов — крекинг. Химически активные продукты крекинга — алкены —
резко ухудшают качество реактивных топлив, поэтому их содержание в топ-
топливе ограничивается. В низ колонны 5 подается перегретый пар, что спо-
способствует более полному извлечению светлых нефтепродуктов из мазута.
С верха колонны 5 отводятся пары бензина и воды. Они конденсируются,
охлаждаются и поступают в газосепаратор. Часть бензиновой фракции воз-
возвращается в колонну 5 (острое орошение), а остальная — выводится с ус-
165
тановки на дальнейшую переработку. При переработке сернистых нефтей на
верх колонны 5 вместе с бензином-орошением для защиты ее от коррозии
подаются следующие реагенты: 1,5%-й раствор СаСО3, 4—6%-й раствор
NH3, а при необходимости — ингибиторы коррозии, например 0,5—1,0%-й
раствор ИКБ-2, в состав которого входят азотистые соединения [135]. Эти
соединения принимают активное участие в образовании смол и осадков при
нагревании топлива [136], поэтому переход ингибитора в реактивное топли-
топливо нежелателен. Содержание его контролируют, измеряя удельную элект-
электрическую проводимость топлива (она должна быть не более 10 пСм/м).
Из колонны 5 фракция 180—220 °С перетекает в верхнюю секцию от-
парной колонны 7. В низ секции отпарной колонны подается перегретый
пар для удаления паров бензина, попадающих в керосиновую фракцию.
С низа верхней секции колонны 7 фракция 180—220 °С через теплообмен-
теплообменники и холодильники отводится на блок очистки (на схеме не показан).
В средней и нижней секциях колонны 7 подвергаются дополнительной
ректификации фракции 220—280 и 280—350 °С, вовлекаемые в производст-
производство дизельных топлив. С низа колонны 5 мазут после дополнительного на-
нагрева в трубчатой печи поступает на дальнейшее разделение в вакуумную
колонну 10. Создаваемый в этой колонне посредством эжектора 8 и кон-
конденсатора 9 вакуум облегчает испарение фракций мазута. В вакуумной ко-
колонне выделяются дистилляты, например фракции 350—420 и 420—500 °С,
которые используют в качестве сырья для деструктивной переработки (ка-
(каталитический крекинг, коксование и др.) с получением компонентов мо-
моторных и котельных топлив. Остаток вакуумной перегонки — гудрон исполь-
используют в котельных топливах, в масляном производстве и для получения до-
дорожных битумов.
Данные о качестве фракций и мазута, получаемых при ат-
атмосферной перегонке нефти типа ромашкинской, приведены в
табл. 7.1. [133]. Керосиновая фракция 180—220 °С имеет тем-
температуру начала кристаллизации не выше —60 °С, а темпера-
температуру вспышки не ниже 28 °С; по этим показателям она удовлет-
удовлетворяет требованиям к наиболее массовому реактивному топли-
топливу. В зависимости от состава перерабатываемой нефти, осна-
оснащенности предприятия оборудованием и требуемого соотноше-
соотношения вырабатываемых бензина, реактивного и дизельного топлив
пределы выкипания фракций различны и количество фракций,
вовлекаемых в реактивное топливо, неодинаково. Если требует-
требуется повысить пожаробезопасность топлива, отбирают керосино-
керосиновую фракцию с более высокой температурой начала кипения,
а для увеличения ресурсов повышают температуру конца ки-
кипения керосиновой фракции или смешивают ее с бензиновой
фракцией, отбираемой с верха основной ректификационной
колонны.
Влияние изменений температуры начала и конца кипения
фракций, отобранных в лабораторных условиях на аппарате
разгонки нефти (АРН-2) из промышленной смеси западноси-
западносибирских нефтей, на выход и качество топлива характеризуют
данные табл. 7.2 [137]. Для топлива типа ТС-1 с увеличением
температуры конца кипения на 10 °С повышается выход на
«10% и одновременно возрастает температура начала кри-
кристаллизации примерно на 5°С. Вовлечение в состав топлива
бензиновой фракции позволяет повысить его ресурсы на 70—
90%.
1G6
Таблица 7.1. Характеристика продуктов прямой перегонки нефти
Продукт
Плотность
при 20 °С,
кг/м3
Фракционный состав (ГОСТ 2177—82), °С
10% (об.
50% (об.)
90% (об.)
Бензиновая фракция
с верха колонны
предварительного ис-
испарения
То же, с верха ос-
основной ректифика-
ректификационной колонны
Фракция 180—220 °С*
Фракция 220—280 °С
Фракция 280—350 °С
Мазут
680
730
30
70
54
97
100
127
150
155
164
168
780
816
868
960
145
202
268
248
169
212
279
190
238
307
214
266
348
232
282
360
500
* В технологических схемах фракции характеризуют значениями истинных темпера-
температур кипения (ИТК), которые отличаются от значений, получаемых при разгонке на ла-
лабораторном приборе по ГОСТ 2177—82, где другие условия испарения, ректификации и
охлаждения.
Очистка фракций. Фракции прямой перегонки нефти под-
подвергают очистке от соединений, ухудшающих качество реак-
реактивных топлив. Для удаления некоторых из таких соединений
фракции обрабатывают раствором гидроксида натрия и про-
промывают водой. Низкокипящие бензиновые фракции очищают
8—10%-м раствором гидроксида натрия,' а керосиновые фрак-
фракции (во избежание образования стойких эмульсий)—более
слабым 3—6%-м раствором, при этом удаляются нефтяные
кислоты, фенолы, а также сероводород и меркаптаны.
В присутствии воды образуются растворимые в воде соли
и феноляты натрия. Щелочные соли нефтяных кислот и фено-
феноляты натрия склонны к гидролизу, особенно при повышенной
температуре и низкой концентрации NaOH, поэтому при очи-
очистке кислоты и фенолы удаляются не полностью.
С сероводородом гидроксид натрия реагирует с образова-
образованием сульфидов при избытке щелочи или сульфидов и сульфи-
сульфитов при недостатке щелочи.
Меркаптаны вступают в реакцию с образованием меркап-
тидов натрия. Меркаптиды, особенно высокомолекулярные,,
легко подвергаются гидролизу, что препятствует извлечению
их при очистке керосиновых фракций. Так, C2H5SH извлекает-
извлекается на 97%, a C5HUSH — только на 33%. Поэтому из реактив-
реактивных топлив меркаптаны щелочной очисткой практически не
удаляются.
Керосиновую фракцию после очистки гидроксидом натрия
промывают водой; расход воды — не менее 15% от объема
промываемого топлива.
В результате щелочной очистки из реактивного топлива
удаляются нефтяные кислоты, что, как оказалось, ухудшает
16?
Таблица 7.2. Показатели качества и выход топлива, полученного из смеси
западносибирских нефтей
Показатель
Плотность при 20 °С, кг/м3
Фракционный состав, °С:
н. п.
10%
50%
90%
98%
Давление насыщенных па-
паров, гПа-
при 50 °С C8 °С)
при 150°С
Вязкость кинематическая,
мм2/с:
при 20 °С
при —40 °С
Теплота сгорания, кДж/кг
Высота некоптящего пламе-
пламени, мм
Температура, °С:
вспышки
начала кристаллизации
застывания
Содержание, %
ароматических углеводо-
ПП 7TOR
VJ \JJ\\JD
нафталиновых углеводо-
углеводородов
серы общей
серы меркаптановой
Люминометрическое число
Концентрация осадка
(ГОСТ 9144—79), мг/100
см3
Выход, %:
на нефть
по отношению к топливу
с температурой начала
кристаллизации —60 °С
Пределы выкипания керосиновых фракций
120-250
788
135
144
185
228
247
?2,8
123
1,51
6,34
43 120
26
34
-56
-61
19,8
1,8
0,23
Отсут-
ствуст
60
2
21,19
108
120—260
794
139
150
189
235
258
22,6
121
1,57
7,02
43 070
25
34
—51
—57
20,2
2,2
0,27
0,002
58
4
22,76
116
(по ИТК), С
120-280 | н. П.-260
801 762
141 73
152 106
191 158
252 203
272 250
22,4 B00)
120 —
1,73 1,05
10,41 3,37
42 900 43 410
24 27
36 —
-46 -57
-51 —64
21,0 13,9
3,2 1,7
0,28 0,17
0,002 0,002
55 73
7 4
26,40 31,5
134 173
н. п.—280
771
70
104
171
247
265
A85)
—
1,16
4,16
43 230
26
-52
-57
17,6
2,4
0,27
0,002
67
5
34,8
191
его противоизносные свойства. Поэтому по возможности избе-
избегают этот способ очистки. Однако удаление нефтяных кислот
может быть и на стадии подготовки нефти к переработке, ког-
когда ее обрабатывают NaOH. В связи с защелачиванием нефти
на ЭЛОУ многие товарные партии реактивного топлива, не под-
подвергнутого «защелачиванию», имеют малое содержание кис-
кислот—кислотность менее 0,2 мг/100 см3 топлива — и недостаточ-
недостаточно хорошие противоизносные свойства.
Меркаптаны — самые нежелательные соединения в составе
бензиновых и керосиновых фракций, которые используют для
реактивного топлива. Для удаления меркаптанов применяют
такие процессы: плюмбитную очистку, очистку хлоридом меди
СиСЬ и процесс «Мерокс».
В основе плюмбитной очистки лежит взаимодействие меркаптанов с ок-
оксидом свинца в щелочной среде с получением растворимых в нефтепродук-
нефтепродуктах меркаптидов свинца и их перевод в присутствии серы в дисульфиды
2RSH+PbO —** Pb(SRJ —1—>¦ PbS + RSSR.
Раствор регенерируют, продувая его воздухом
2PbS + 2NaOH + 2О2 > 2РЬО + Na2S2O3 + Н2О.
Избыток серы, который добавляют в раствор, растворяется в топливе, тем
самым качество топлива ухудшается.
При очистке хлоридом меди образуются меркаптиды меди, которые
также взаимодействуют с СиСЬ с образованием дисульфида и хлорида меди:
4RSH + 2CuCl2 > RSSR + 2CuSR + 4HCl,
2CuSR + 2CuCl2 > 4CuCl + RSSR.
Хлорид меди регенерируется в присутствии соляной кислоты и кислорода
воздуха:
4СиС1 + 4НС1 + О2 > 4СиС12 + 2Н2О.
Наряду с указанными реакциями возможна нежелательная реакция между
хлоридом меди и меркаптанами с образованием растворимых в топливе
меркаптидов меди. Присутствие меди ухудшает термоокислительную ста-
стабильность топлива. Топливо, содержащее 2-10% меди, не выдерживает
испытания на термоокислительную стабильность динамическим методом по
цвету подогревателя, а в присутствии 5-10~6% меди — и по перепаду дав-
давления на фильтре [139]. Зарубежными спецификациями, например MIL-T-5624,
для устранения отрицательного влияния меди допускается введение в топ-
топливо деактиватора металлов.
Процесс «Мерокс» заключается в окислении меркаптанов кислородом
воздуха в щелочной среде в присутствии твердого катализатора. В резуль-
результате меркаптаны превращаются в дисульфиды, которые остаются в раство-
растворенном состоянии в очищаемом топливе. Технология процесса включает ста-
стадии предварительной очистки, демеркаптанизации, промывки и фильтрова-
фильтрования. Предварительную очистку осуществляют обработкой NaOH, при этом
из нефтяных кислот получаются соли — нафтенаты натрия. Остатки непро-
реагировавшего гидроксида натрия и образовавшиеся мыла удаляют фильт-
фильтрованием через песчаный фильтр. Демеркаптанизацию проводят в реакторе,
заполненном катализатором, смоченным щелочным раствором при темпера-
температуре 50 °С и давлении 0,7 МПа.
Водную промывку применяют после щелочной очистки для удаления
следов щелочи и растворимых в воде поверхностно-активных веществ. Топ-
Топливо для удаления воды фильтруют через слой соли (NaCl), а затем гли-
глины. Фильтрование через соль предохраняет глину от влаги. Перколяция че-
через глину необходима для удаления из очищаемого топлива меди и нерас-
нерастворимых в воде ПАВ, что положительно сказывается на термоокислитель-
термоокислительной стабильности топлива и работоспособности фильтров-сепараторов.
На эффективность очистки процессом «Мерокс» влияет наличие в топ-
топливе серы, нафтеновых кислот, азотистых оснований, ПАВ, гомологов фе-
фенола, воды, меди и других металлов. Нафтеновые кислоты, адсорбируясь,
блокируют поры катализатора. Нафтенаты меди также обладают высокой
адсорбционной способностью и могут образовать вязкие отложения, нару-
нарушающие работу золотниковых пар топливно-регулирующей аппаратуры.
169
В процессе «Мерокс» предусматривается обязательное «защелачйвание»
очищаемой фракции, в связи с этим топливо имеет плохие противоизнос-
ные свойства. В работе [138] приводятся сведения о новом процессе де-
меркаптанизации фирмы «Baker», не требующем предварительной щелочной
обработки. В этом процессе меркаптаны также окисляются кислородом воз-
воздуха при 30—55 °С в присутствии жидкофазного катализатора. Катализа-
Катализатор не подвергается воздействию сероводорода или нафтеновых кислот, од-
однако содержание сероводорода в очищаемом продукте не должно превы-
превышать 15 млн.
Гидроочистка фракций прямой перегонки нефти. Эффектив-
Эффективным методом удаления из топлива гетероатомных соединений
является каталитическая очистка в присутствии водорода —
гидроочистка. В присутствии катализатора и водорода наибо-
наиболее легко реагируют сернистые соединения алканового и алке-
нового типов с образованием алканов и сероводорода:
RSH -f- Н2 > RH + H2S; RSR + 2Н2 > 2RH + H2S;
RSSR + ЗН2 v 2RH + 2H2S.
Тиофаны, тиофены и сернистые соединения ароматического
типа значительно труднее подвергаются разложению. С увели-
увеличением молекулярной массы и усложнением структуры молекул
соединений серы снижается ^скорость гидрогенизационного
удаления серы. Это учитывают при производстве реактивных
топлив. В тех случаях, когда достаточно удалить из топлива
только меркаптаны, в зарубежной практике очистку проводят
в «мягком» режиме, если же необходимо снизить общее содер-
содержание сернистых соединений (гидрообессеривание), топливо
очищают в более «жестком» режиме, но при этом меньше вы-
выход жидких продуктов и больше расход водорода. По данным
[140], расход водорода при гидродемеркаптанизации состав-
составляет около 0,4 м3/м3, а при гидрообессеривании ж8 м3/м3.
Режимные параметры гидроочистки таковы: температура
от 320 до 430 °С, давление от 3 до 10 МПа, объемная скорость
подачи сырья от 2 до 5 ч-1 и более, расход водорода от 10 до
100 м3/м3 сырья [141]. Нижнее значение температуры лимити-
лимитируется скоростью процесса обессеривания, а верхнее—началом
закоксовывания катализатора. Кокс образуется главным обра-
образом в результате дегидрогенизации цикланов, гидрокрекинга
углеводородов и конденсации циклических структур.
С повышением парциального давления водорода увеличи-
увеличивается степень обессеривания и уменьшается закоксовывание
катализатора, одновременно ускоряются процессы гидрирова-
гидрирования алкенов и ароматических углеводородов (последнее неже-
нежелательно, так как повышается расход водорода). При увеличе-
увеличении объемной скорости подачи сырья уменьшаются время пре-
пребывания продуктов в зоне реакции и степень их химических
превращений. Это несколько улучшает противоизносные свой-
свойства гидроочищенного топлива, но способствует образованию
отложений. Для низкокипящего сырья допускается более вы-
высокая объемная скорость. В циркулирующем газе концентра-
170
ция водорода обычно составляет более 80% (об.), остальное —
метан, сероводород, вода, аммиак и другие примеси. При по-
повышенной концентрации сероводорода снижается эффективность
гидроочистки, поэтому его удаляют из циркулирующего газа
с помощью раствора мопоэтаноламина. Сероводород, взаимо-
взаимодействуя в абсорбере с моноэтаноламином при температуре
25—40 °С, образует дисульфид. Дисульфид в водном растворе
моноэтаноламина выводится в десорбер, где при 110—120 °С
разлагается. Таким образом обеспечивается регенерация реа-
реагента.
В качестве катализаторов используют соединения А1—Со—
Ni и А1—Со—Мо. Переход кобальта, никеля и молибдена в
очищаемое топливо нежелателен, поэтому содержание этих
металлов в топливе (допускается не более 5-10~5 %) контроли-
контролируют высокочувствительным спектральным методом. Выход
жидких продуктов после гидроочистки составляет 97—98%, сте-
степень гидрирования сернистых соединений 90—95%, алкенов —
70—85%, расход водорода около 0,25% (масс.) [141].
При гидроочистке из дистиллята наряду с нежелательными
веществами удаляются также соединения, являющиеся природ-
природными ингибиторами окисления, и ПАВ улучшающие противо-
износные свойства топлив. Поэтому в гидроочищенные топлива
вводят антиокислительную и противоизносную присадки или
же смешивают гидроочищенный компонент (до 70%) с фрак-
фракцией прямой перегонки.
Дальнейшее увеличение жесткости режима каталитической
обработки фракции в присутствии водорода за счет снижения
объемной скорости подачи сырья и применения других катали-
катализаторов дополнительно ведет к частичному гидрированию аро-
ароматических углеводородов (процесс гидродеароматизации)
[142]. Показано [143], что при гидродеароматизации кероси-
керосиновых дистиллятов протекают самые разнообразные реакции:
гидрирование алкилбензолов с образованием алкилированных
цикланов; превращение би- и трициклических ароматических
углеводородов в цикланоароматические, а последних в алкил-
бензолы; разрыв колец у циклановых углеводородов с образо-
образованием алканов меньшей молекулярной массы; раскрытие од-
одного из колец трициклических циклановых углеводородов с
образованием бициклических, а затем и моноциклических
структур; расщепление алканов (первичная реакция крекинга)
и гидрирование образовавшихся алкенов. Реакции конденсации
и коксообразования при гидродеароматизации практически не
наблюдаются. Для промышленного процесса гидродеаромати-
гидродеароматизации прямогонной фракции 165—270 °С на палладиевом цео-
литсодержащем катализаторе оптимальной является температу-
температура 300—320 °С, что соответствует максимальной скорости гид-
гидрирования ароматических углеводородов.
Выход жидких продуктов при гидродеароматизации состав-
составляет 94—95%. В последнее время процесс гидродеароматиза-
171
ции широкого практического применения не находит, так как
оказалось возможным в необходимых случаях повысить допу-
допустимое содержание ароматических углеводородов в топливе.
7.2. ПОЛУЧЕНИЕ ТОПЛИВ ДЕСТРУКТИВНЫМИ
ПРОЦЕССАМИ. ВВЕДЕНИЕ ПРИСАДОК
Гидрокрекинг. Реактивные топлива получают в процессе гид-
гидрокрекинга из высококипящих вакуумных дистиллятов нефти.
Катализаторы гидрокрекинга содержат в качестве гидрирую-
гидрирующих компонентов металлы платиновой группы, никель, молиб-
молибден, вольфрам, кобальт, нанесенные на аморфные и кристал-
кристаллические алюмосиликаты [143]. В присутствии таких катали-
катализаторов при гидрокрекинге сырья образуется повышенное коли-
количество алканов изостроения, что позволяет получать из тяже-
тяжелых дистиллятов реактивное и дизельное топлива без приме-
нелия процесса депарафинизации.
В результате гидрокрекинга из одного и того же сырья
получают бензин или преимущественно (не менее 70%) реак-
реактивное либо дизельное топливо. Эта специфика процесса яв-
является особенно ценной, так как позволяет изменять объем вы-
вырабатываемого топлива с учетом потребности, в том числе и
сезонной.
Реактивные топлива, полученные гидрокрекингом, имеют
температуру начала кристаллизации ниже —60 °С и содержат
немного (^10%) ароматических углеводородов; в них, как и в
гидроочищенных топливах, практически полностью отсутствуют
гетероатомные соединения. Для снижения окисляемости топлив
и улучшения их противоизносных свойств необходимо вводить
противоокислительные и противоизносные присадки.
Глубокое гидрирование. В этом процессе получают реактив-
реактивное топливо из керосино-газойлевых дистиллятов прямой пере-
перегонки отборных нефтей или продуктов каталитического кре-
крекинга, содержащих более 60% ароматических углеводородов.
В ходе процесса ароматические углеводороды превращаются
в цикланы. Соответствующий подбор сырья позволяет получить
топливо, содержащее преимущественно цикланы с высокой
плотностью (при 20 °С равной 840 кг/м3), малым содержанием
серы (<0,01%), алкенов (йодное число <0,2 г Ь/ЮО г) и фак-
фактических смол (<3 мг/100 мл) [144]. Можно предположить,
что гидрированию подвергаются практически все гетероатомные
соединения и алкены. Из-за малого содержания в продуктах
гидрирования природных антиокислителей в топливо необходи-
необходимо добавлять соответствующие присадки. Несмотря на отсут-
отсутствие ПАВ, гидрогенизат при достаточно высокой вязкости
имеет удовлетворительные противоизносные свойства.
Введение присадок. Добавление различных присадок к ба-
базовым продуктам (фракциям) реактивных топлив зависит от
способов их получения на НПЗ. Антиокислительные присадки
,172
в осязательном порядке вводят в топлива, полученные гидроге-
низационными способами в концентрации от 17 до 24 мг/л (тре-
(требования зарубежных спецификации) или 0,003—0,004%. В оте-
отечественные топлива добавляют 2,6-ди-грс?г-бутил-4- метил фенол
(ионол) по ГОСТ 10894—76. За рубежом добавляют также
смесь экранированных фенолов следующего состава [145]: 65—
80% 2,6-ди-грег-бутилфенола. 3— 15% 2,4,6-три-трет-бутилфе-
нола и 3—03% 2-грег-бутилфенола. Все соединения, относящие-
относящиеся к группе фенолов, эффективны в качестве антиокислителей
в начальной стадии окисления топлива, поэтому их следует
вводить в свежеприготовленное топливо. Характеристика про-
промышленных антиокислителей для топлив приведена в работе
[146].
За рубежом при необходимости разрешается вводить в топ-
топливо деактиваторы металлов — не более 5,7 мг/дм3. Деактива-
торы связывают ионы металлов (в частности, меди) в прочный
химически пассивный комплекс. К комплексообразующим соеди-
соединениям относятся шиффовы основания типа салицилиденов, на-
например Г^Ы'-дисалицилиденпропилендиамин, Ы,Ы/-дисалицили-
денэтилендиамин. Обычно деактиваторы металлов вводят в
топливо в виде растворов (толуола или ксилола). Деактивато-
Деактиваторы металлов и их комплексы с металлами плохо растворяются
в топливе, что может быть причиной образования отложений
на топливных фильтрах.
В топлива, предназначенные для самолетов гражданской
авиации, за рубежом добавляют ингибиторы коррозии по тре-
требованию потребителей, а в топливо для военной авиации США
их вводят обязательно. В качестве ингибитора коррозии упо-
употребляют смесь димера карбоновой ненасыщенной (линолевой)
кислоты с небольшим количеством растворимого в углеводоро-
углеводородах органического эфира ортофосфорной кислоты — бис(диамил-
фепил)ортофосфат. Присадку вводят в виде концентрата-раст-
концентрата-раствора в реактивном топливе, содержащем 40% кислоты и 0,35%
эфира. Ингибитор коррозии одновременно улучшает и проти-
воизносные свойства топлива.
Для снижения электризуемое™ топлив при перекачиваниях
и фильтровании к ним добавляют антистатические присадки.
Последние повышают электрическую проводимость топлив и
скорость релаксации зарядов, предупреждают тем самым воз-
возникновение пожаровзрывоопасиых разрядов статического элект-
электричества. Отечественную присадку Сигбол (от слов «синергизм
большой») можно добавлять до 0,001%.
Зарубежная антистатическая присадка ASA-3 фирмы
«Shell» представляет смесь равных частей хромовых солей мо-
по- и диалкилсалициловых кислот с кальциевой солью суль-
сульфированного эфира янтарной кислоты и 2-этилгексилового спир-
спирта. К этим компонентам добавляют до 40% сополимера эфиров
метилметакриловой кислоты и лауринового или стеаринового
спирта с винилпиридином. Раствор присадки D—5%-й) в реак-
173
тивном топливе используют в качестве концентрата, который
вводят в топливо из расчета, чтобы концентрация присадки не
превышала 1 г/м3.
На предприятии (что характерно для зарубежной практики)
или на местах применения топлива перед заправкой летатель-
летательных аппаратов в него могут вводить противообледенительные
присадки. Это монометиловый эфир этиленгликоля (метилцел-
лозольв), моноэтиловый эфир этиленгликоля (этилцеллозольв)
по ГОСТ 8313—76, тетрагидрофурфуриловый спирт (ТГФ) по
ГОСТ 17477—75 и смесь этилцеллозольва с метанолом (жид-
(жидкость И-М) или ТГФ с метанолом (ТГФ-М).
Глава 8
АССОРТИМЕНТ И КАЧЕСТВО ОТЕЧЕСТВЕННЫХ
РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
Реактивные топлива обычно классифицируют по двум домини-
доминирующим признакам: склонности к образованию отложений и
испаряемости (табл. 8.1) [147]. Оба признака указывают воз-
возможную область применения топлив в зависимости от типа ле-
летательного аппарата.
Отечественные реактивные топлива делятся на две подгруп-
подгруппы: 1) с обычным уровнем склонности к образованию отло-
отложений (прямогониые) и 2) термостабильные. В каждой под-
Таблица 8.1. Классификация реактивных топлив (отечественных и зарубежных)
по основным признакам*
Показатель
Склонность к образованию отложений
обычная
малая (термостабильное
топливо)
Испаряе- Высокая Средняя Низкая Высокая Средняя Низкая
мость
Пределы вы- 60—280 135—280 180—240 135-280 160—280 195—315
кипания, °С
Температура <-18 >28 >60 >28 >40 >60
вспышки в
закрытом
тигле, °С
Марки топ- Т-2, JP-4, ТС-1, Т-1, JP-5 PT, TS T-8B Т-6
лив Jet В Jet A, JetA-1 (JP-8)*
* Зарубежные спецификации на реактивные топлива, кроме как на топливо TS
(термостабильный авиационный керосин), не предусматривают дополнительные по срав-
сравнению с топливами, полученными прямой перегонкой, требования к уровню термоокис-
термоокислительной стабильности. Все зарубежные топлива могут вырабатываться с применением
гидрогенизационных процессов. *В таких случаях в них обязательно вводят антиокисли-
антиокислительные присадки, и по уровню термоокислительной стабильности эти образцы соответ-
соответствуют отечественным топливам РТ, Т-6 и Т-8В.
174
группе вырабатывают по 2-^-3 марки топлива с разными пре-
пределами выкипания: широкого фракционного состава — Т-2, лег-
легковоспламеняющиеся авиационные керосины ТС-1, Т-1, РТ и
Т-8В и авиационный керосин тяжелого фракционного состава
с повышенной температурой вспышки — Т-6.
8.1. АССОРТИМЕНТ РЕАКТИВНЫХ ТОП ЛИВ
Факторы, определяющие ассортимент топлив. Ассортимент вы-
вырабатываемых реактивных топлив определяется следующими
четырьмя факторами: сырье (С), технология производства топ-
топлив (Т), конструкция летательных аппаратов и условия их
применения. Последние два фактора связаны с требованиями
к прокачиваемости (П), испаряемости (И) и горючести (Г)
топлив. Важнейшими характеристиками этих свойств соответ-
соответственно являются температура начала кристаллизации, преде-
пределы выкипания и содержание ароматических углеводородов.
Каждый из факторов, определяющих ассортимент реактив-
реактивных топлив, с учетом качественных или количественных пока-
показателей может быть рассмотрен на 5 уровнях (рангах), как это
показано в табл. 8.2. Факторы распределены таким образом,
что по мере перехода от меньших к большим рангам умень-
уменьшаются ресурсы топлива, усложняется технология и увеличи-
увеличиваются затраты на производство топлива, но в то же время
повышается уровень его качества.
Таблица 8.2.
топлив
Наименова-
Наименование
Факторы,
I
определяющие
\ >
ассортимент
1
Ранг состояния
3
качество
4
реактивных
5
Сырье Смесь любых Смесь мало- Вакуумный
нефтей сернистых дистиллят
нефтей любых
нефтей
Технология Прямая пе- Демеркапта- Гидроочист-
лроизводства регонка
Температура
начала кри-
кристаллизации,
°С
Пределы
выкипания,
°С
Содержание
ароматических
углеводоро-
углеводородов, %
—40
пизация
фракции
прямой пе-
перегонки
-45
ка фракций
прямой пе-
перегонки
—50
Газойль
каталитиче-
каталитического кре-
крекинга
Гидрокре-
Гидрокрекинг ваку-
вакуумного
дистиллята
-55
Керосино-га-
зойлевые
фракции
отборных
нефтей
Глубокое
гидрирова-
гидрирование кероси-
но-газойле-
вой фракции
-60
60—280 135—250 135—280 165—280 195—315
25
22
20
12
10
175
В отечественной практике образцы топлив с температурой
начала кристаллизации выше —50 °С и с содержанием арома-
ароматических углеводородов более 22% в промышленных масштабах
не вырабатываются, так как такое топливо на современной
технике может найти только ограниченное применение, а вы-
выход дефицитного дизельного топлива при этом уменьшится.
Сочетание рангов сырья, технологии и показателей качества
для различных марок реактивных топлив и конкретных усло-
условий может быть различным. Так, для получения топлива РТ
используют смеси любых нефтей, дистилляты которых подвер-
подвергают гидроочистке. Топливо имеет температуру начала кри-
кристаллизации не выше —50 °С, выкипает в пределах 135—
280 °С и содержит не более 22% ароматических углеводородов.
Все это можно выразить условной формулой: С1Т3П3И3Г2.
8.2. КАЧЕСТВО ТОПЛИВ j
Прямогонные реактивные топлива. Топлива Т-1, ТС-1 и Т-2
получают прямой перегонкой нефти. Выделенные дистилляты
при необходимости подвергают щелочной очистке и промывке
водой, затем отстаивают и фильтруют.
Топливо Т-1 характеризуется формулой С2Т1П5И3Г3 и пред-
представляет собой керосиновую фракцию малосернистых нефтей,
выкипающую в пределах 140—280 °С. Высокая плотность — бо-
более 800 кг/м3 и вязкость — при 20 °С более 1,5 мм2/с, малое
содержание сернистых соединений в сырье обеспечивают высо-
высокий уровень качества топлива по всем эксплуатационным свой-
свойствам, кроме склонности к образованию нагара и других отло-
отложений. Ресурсы этого топлива ограниченны.
Топливо ТС-1 — чаще всего это фракция сернистых нефтей,
выкипающая в пределах 140—250 °С. Более узкий фракцион-
фракционный состав обусловлен повышенным содержанием в сернистых
нефтях алканов, что отрицательно сказывается на температуре
начала кристаллизации. При получении топлива из малосерни-
малосернистых парафинистых нефтей приходится ограничивать конец
кипения температурой 220—230 °С. Содержание серы в топливе
ТС-1 выше, чем в топливе Т-1, но в первом меньше смолистых
соединений и нестабильных углеводородов, поэтому и образует-
образуется меньше отложений. Допускается получение топлива ТС-1
смешением гидроочищенного и прямогонного дистиллятов. Та-
Таким образом топливо ТС-1 может характеризоваться формула-
формулами С1B)Т1B,з)П4(з,5)И4Г2. В эксплуатации обе марки топлива Т-1
и ТС-1 взаимозаменяемы.
Топливо Т-2 включает бензиновые и керосиновые фракции
прямой перегонки сернистых и малосернистых нефтей, его фор-
формула С1B)Т1B,з)ПE)И5Г2. Обладая высокой испаряемостью, оно
обеспечивает надежный запуск двигателей. В связи с низкой
вязкостью и необходимостью обязательной обработки щелочью
бензиновых фракций для удаления коррозионно-активных со-
176
Таблица 8.3. Свойства реактивных топлив в соответствии
с требованиями ГОСТ 10227—62
Показатель
Плотность при 20 °С,
кг/м3, не менее
Фракционный состав, °С,
не выше:
н. п.
10% (об.)
50% (об.)
90% (об.)
98% (об.)
Вязкость кинематиче-
кинематическая, мм2/с:
при 20 °С, не менее
при —40 °С, не более
Удельная теплота сго-
сгорания низшая, кДж/кг,
не менее
Высота некоптящего пла-
пламени, мм, не менее
Кислотность, мг КОН/100
мл топлива, не более
Давление насыщенных
паров, гПа, не более
Температура, °С:
вспышки в закрытом
тигле, не ниже
начала кристаллиза-
кристаллизации, не выше
Йодное число, г 12/100г,
не более
Содержание, %, не бо-
более!
ароматических угле-
углеводородов
серы общей
меркаптановой серы
Содержание в топливе,
мг/100 мл, не более:.
фактических смол
осадка
Зольность, %, не более
ТС-1
775
150
165
195
230
250
1,25
8
42 900
25
0,7
—
28
-60
3,5
22
0,25
0,005
5
10
0,003
* Высшей категории качества.
ТС-1*
780
150
165
195
230
250
1,30
8
43 120
25
0,7
28
-60
2,5
22
0,20
0,003
3
8
0,003
Т-1
800
150
175
225
270
280
1,50
16
42 900
20
0,7
30
-60
2,0
20
0,10
—
6
18
0,003
Т-2
755
60
[не ниже)
145
195
250
280
1,05
6
43 100
;
25
0,7
133
—60 1
3,5 I
22 I
Метод испытания
ГОСТ 3900—85
ГОСТ 2177—82
ГОСТ 33—82
ГОСТ 21261—75 (или:
ГОСТ 11065—75)
ГОСТ 4338—74
ГОСТ 5985—79
ГОСТ 1756—52
ГОСТ 6356—75
ГОСТ 5066—56
"ЮСТ 2070—82
^ОСТ 6994—74
0,25 ГОСТ 19121—73
0,005 ГОСТ 17323—71
5 I
Т>СТ 1567—83 (или
ГОСТ 8489—85)
16 ГОСТ 9144—79
0,003 ГОСТ 1461—75
единений топливо имеет недостаточно высокие противоизносные
свойства. Фракции прямой перегонки при необходимости могут
подвергаться демеркаптанизации или гидроочистке.
Топлива ТС-1, Т-1 и Т-2 вырабатывают в соответствии с
ГОСТ 10227—62 по той технологии и из тех нефтей, которые
применялись при изготовлении образцов, прошедших государ-
12—518
177
'Ственные испытания с положительными результатами на дви-
двигателях или по комплексу методов квалификационных испыта-
испытаний в соответствии с установленным порядком. Нормы по по-
показателям качества этих топлив приведены в табл. 8.3. Кроме
того, в топливе должны отсутствовать: сероводород
(ГОСТ 17323—71), водорастворимые кислоты (ГОСТ 6307—75,
индикаторный метод), водорастворимые щелочные соединения,
механические примеси и вода (методы определения изложены
в ГОСТ 10227—62), мыла нафтеновых кислот (ГОСТ 21103—75).
Топливо должно выдерживать испытание при 100 °С в течение
3 ч на медной пластинке без изменения цвета пластинки
(ГОСТ 6321—69). Допускается вырабатывать топливо ТС-1 с
температурой начала кристаллизации не выше —55 и —50 °С,
предназначенное для всех климатических зон, за исключением
зоны li (ГОСТ 16350—80). Топливо ТС-1 для применения в
климатической зоне h получают по согласованию с потреби-
потребителем. В отдельных случаях (по особому требованию потреби-
потребителей) топливо Т-1 должно выпускаться плотностью при 20 °С
не менее 810 кг/м3. Для улучшения эксплуатационных свойств
в топлива ТС-1, Т-1 и Т-2 могут вводить присадки, допущен-
допущенные к применению в установленном порядке (антистатические,
противообледенительные и др.).
Термостабильные реактивные топлива. Наиболее массовое
термостабилыюе топливо РТ могут получать прямой перегон-
перегонкой, смешением продуктов прямой перегонки и гидроочистки и
гидроочисткой прямогонной фракции 135—280 °С из различных
нефтей. В результате гидроочистки резко снижается содержа-
содержание общей серы, нестабильных углеводородов и смолистых со-
соединений, практически полностью удаляются меркаптаны. Все
это снижает склонность топлива к образованию отложений,
однако повышает окисляемость и ухудшает противоизносные
свойства. Для улучшения противоизносных свойств в топливо
разрешается вводить противоизносную присадку (от 0,002 до
0,004%), а для снижения окисляемое™ — присадку ионол (от
0,003 до 0,004%).
Основной особенностью топлива Т-6 является высокая плот-
плотность р2о^84О кг/м3. Это может быть достигнуто за счет глу-
глубокого гидрирования керосино-газойлевой фракции прямой пе-
перегонки отдельных нефтей или каталитического крекинга с
пределами выкипания 195—315 °С. При этом из топлива уда-
удаляются сернистые соединения, смолистые вещества и неста-
нестабильные углеводороды, а большая часть ароматических угле-
углеводородов превращается в цикланы. Топливо обладает высоки-
высокими энергетическими свойствами. Для снижения окисляемости
в пего вводят ионол.
Топливо Т-8В имеет температурные пределы выкипания
1С<5—280 °С. Оно может быть получено гидроочисткой, гидро-
деароматизацией (ужесточенным режимом гидроочистки) пря-
могонных фракций нефти или гидрокрекингом вакуумного га-
178
Таблица 8.4. Свойства термостабильных реактивных топлив
в соответствии с требованиями стандартов и технических условий*
Показатель
t ч
1
564
CD
н
и
S
00
1
о
156
о
00
tit
о
СЛ
1
308
Т-6
(ГОС
Метод испытания
Плотность при 20 °С, 775
кг/м3, не менее
Фракционный состав, °С,
не выше:
н. п. (не ниже) 135
10% (об.) 175
50% (об.) 225
90% (об.) 270
98% (об.) 280
Вязкость кинематическая,
мм2/с:
при 20°С
при — 40 °С
Удельная теплота сго-
сгорания, кДж/кг, не ме-
менее
Высота некоптящего
пламени, мм, не менее
Кислотность, мг КОН/100
мл топлива
Йодное число, г 12/100г,
не более
Температура, °С:
вспышки в закры- 28
том тигле, не ниже
начала кристаллиза- —60
ции, не выше
Содержание в топливе,
мг/100 мл, не более:
осадка 6
растворимых смол 30
нерастворимых смол 3
фактических смол 4
Содержание, %, не более:
ароматических угле- 22
водородов
нафталиновых угле- 1,5
водородов
серы общей 0,1
меркаптановои серы 0,001
Зольность, %, не более
Термическая стабиль-
стабильность, определяемая ди-
динамическим методом при
150—180 °С:
перепад давления на 100
фильтре за 5 ч, гПа,
не выше
800
165
185
280
>1,25 >1,50
43 120 42 900
25 20
0,4—0,7 0,4—0,7
0,5 1,0
45
-50
6
22
2,0
0,1
0,001
0,003 0,003
100
840
195
220
255
290
315
<4,5
<60
42914
20
^0,5
1,0
-60
Отсут-
Отсутствие
6
10
A,0)*
0,005
Отсут-
Отсутствие
0,003
(ЮО)
ГОСТ 3900—85
ГОСТ 2177—82
ГОСТ 33—82
ГОСТ 21261—75 (или
ГОСТ 11065—75)
ГОСТ 4338—74
ГОСТ 5985—79
ГОСТ 2070—82
ГОСТ 6356—75
ГОСТ 5066—56
ГОСТ 11802—66
ГОСТ 8489—85
ГОСТ 6994—74
ГОСТ 17749—72
ГОСТ 19121—73
ГОСТ 17323—71
ГОСТ 1461—75
ГОСТ 17751—79
12*
179
Продолжение
Показатель
3
16?
РТ
(ГОСТ
560—86)
о
Т-8В
(ТУ-38-
Ю8—80)
g
Т-6
(ГОСТ
Метод испытания
отложения на подо-
подогревателе, баллы, не
более
Люминометрическое чис-
число, не ниже
Взаимодействие с водой,
баллы, не более:
состояние поверхно-
поверхности раздела
состояние разделен-
разделенных фаз
* В скобках даны значения,
2
50
1
1
2
50
1
1
B)
D5)
A)
@
ГОСТ 17750—79
СТ СЭВ 5022—85
соответствующие квалификационным нормам.
зойля. В топливо Т-8В могут добавлять те же присадки, что и
в топливо РТ.
Нормы по показателям качества термостабильных топлив
приведены в табл. 8.4. В топливах РТ, Т-8В и Т-6 должны от-
отсутствовать сероводород (для Т-6 норма устанавливается па
месте производства), водорастворимые кислоты и щелочные
соединения, а также механические примеси и вода, мыла наф-
нафтеновых кислот (для РТ). Топлива должны выдерживать испы-
испытания на медную пластинку. В случае топлива РТ допускается
изменение цвета пластинки до оранжевого, темно-оранжевого
или малинового, а также отдельные пятна тех же цветов, при
этом до введения присадок пластинка после испытания не
должна изменять начального цвета и блеска. Стандартом нор-
нормируется уровень противоизносиых свойств топлива РТ: износ
плунжеров натурного насоса-регулятора во время стендовых
испытаний не должен превышать 0,2 мм. В случае разногла-
разногласий предусмотрены определение механических примесей массо-
массовым методом (ГОСТ 10577—78) и норма —не более 0,0003%.
Фактический уровень качества топлив. Отечественная про-
промышленность вырабатывает реактивные топлива, как правило,
имеющие запас качества, особенно по показателям, наиболее
склонным к изменению при хранении топлив. В зависимости
от состава сырья, специфики технологии производства, ассор-
ассортимента и объема получаемых реактивных топлив, изготовлен-
изготовленных на различных предприятиях, их качество неодинаково.
Данные по фактическим показателям качества топлив ТС-1 и
РТ — наиболее массовых топлив — приведены в табл. 8.5
[148].
180
Таблица 8.5.. Характеристика показателей качества топлив ТС-1 и РТ,
вырабатываемых отечественной промышленностью
Показатель
Плотность при 20 °С, кг/м3
Фракционный состав, °С:
н. п.
10% (об.)
50% (об.)
90% (об.)
98% (об.)
Вязкость кинематическая,
мм2/с:
при 20 °С
при —40 °С
Удельная теплота сгорания
кДж/кг
Люминометрическое число
Высота некоптящего пла-
пламени, мм
Содержание углеводородов
0/ •
/0-
ароматических
нафталиновых
Температура, °С:
вспышки
начала кристаллизации
Кислотность, мг КОН/100 mj
Йодное число, г 12/100 г
Содержание, мг/100 мл:
фактических смол
осадка
Содержание серы, %:
общей
меркаптановой
Значения дл5
средне-
взве-
взвешенное
785
140
155
175
210
230
1,3
5,5
43 20С
57
26
17
0,5
31
-57
i 0,40
0,5
3
5
0,10
мини-
маль-
мальное
777
135
151
171
202
216
1,25
4,3
) 43 04С
55
25
15
0,3
29
-60
0,15
0,3
1
4
0,05
\ ТС-1
макси-
маль-
мальное
797
150
165
195
230
250
1,54
7,4
43 56С
63
28
19
1,0
36
—53
0,41
0,6
5
6
0,17
Значения для РТ
средне-
взве-
взвешенное
784
150
160
178
209
227
1,33
5,5
43 210
62
27
16,5
0,5
37
-57
0,55
0,3
2
2
0,01
мини-
маль-
мальное
775
141
152
169
201
218
1,25
4,5
43 200
55
25
11
0,2
30
-60
0,40
0,1
Отсут
ствие
1
0,004
0,0025 0,0015 0,0050 Отсутствие
макси-
маль-
мальное
799
161
167
189
223
247
1,55
8,3
42 420
65
29
22
1,5
44
—53
0,70
0,5
4
6
0,03
Коэффи-
Коэффициент
весомости
показа-
показателя
3,5
2,5
1,4
2,2
1,0
2,5
3,7
2,7
3,1
1.7
2,0
1,5
1,2
3,1
5,2
3,4
1,5
1,5
2,3
2,3
0,0007 3,0
Различные марки топлив можно использовать на однотип-
однотипных двигателях и летательных аппаратах. В связи с этим важ-
важно знать, окупаются ли дополнительные затраты при про-
производстве более качественного и, следовательно, более дорогого
топлива. Это оценивают, например, по увеличению ресурса
авиационной техники или снижению затрат на ее обслужива-
обслуживание. Другой вариант оценки — непосредственное сравнение
уровня качества различных марок топлив. Для комплексной
оценки качества топлива сравнивают значения интегральных
показателей, определенных дифференциальным методом [149],
который включает в себя следующие операции:
1) выбор базовых значений показателей качества Пб;
2) определение относительных значений показателей каче-
качества По путем установления функциональной зависимости меж-
181
ду фактическими Пф и базовыми Пб значениями каждого еди-
единичного показателя: ПО = /(ПФ; Пб);
3) определение коэффициентов весомости Кв относительных
значений показателей качества;
4) нахождение интегрального показателя качества П„ по
формуле:
2Кв'г*П°.г'- (8Л)
i=\
Функциональные зависимости между фактическими и базо-
базовыми значениями показателей качества реактивных топлив
носят различный характер, а в ряде случаев вообще неизвест-
неизвестны. Линейная зависимость наблюдается для плотности и теп-
теплоты сгорания. Для вязкости, люминометрического числа, со-
содержания ароматических углеводородов и других показателей
функции монотонно возрастают или убывают. Некоторые пока-
показатели характеризуются зависимостями, имеющими экстремаль-
экстремальные точки. Так, в отсутствие ПАВ топливо имеет плохие про-
тивоизносные свойства, а при избытке ПАВ — высокую эмуль-
гируемость. В связи с этим рекомендуется рассчитывать от-
отдельные показатели, выбрав в качестве базовых средневзвешен-
средневзвешенные фактические значения их для наиболее распространенного
топлива ТС-1 с учетом фактического (или допустимого) диа-
диапазона изменения показателей для всего ассортимента реак-
реактивных топлив. В таком случае
П0=1±(Пб-Пф)/АПф, (8.2)
где АПф — наблюдаемый (или допустимый) диапазон изменения единично-
единичного показателя качества топлива; плюс — для случая, когда стандарт на
топливо ограничивает максимальное значение показателя качества, минус —
минимальное значение.
При расчете по формуле функциональные связи между фак-
фактическими значениями показателей качества и эффектом от
применения топлива можно принять линейными. Коэффициенты
весомости показателей качества топлив ТС-1 и РТ, найденные
методом экспертных оценок, даны в табл. 8.5. Следует под-
подчеркнуть, что максимальные значения имеют показатели, опре-
определяющие аттестацию топлива ТС-1 на высшую категорию ка-
качества (см. табл. 8.3).
С учетом средних значений показателей качества реактив-
реактивных топлив различных марок [149] расчет интегральных пока-
показателей качества выполнен по двум вариантам: а) в предполо-
предположении, что коэффициенты весомости всех показателей равны
друг другу, т. е. фактически без учета коэффициентов весомо-
весомости, и б) с учетом значений коэффициентов весомости. Полу-
Полученные зависимости представлены на рис. 8.1.
Как видно, диапазон изменений уровня качества реактив-
реактивных топлив различных марок в первом варианте расчета не-
182
Рис. 8.1. Интегральные показате- . 110
р
ли качества реактивных топлив
^ т Г
ТС-1 1-1 Т-1 Т-2
(Сашинскм (Ьанинсная
нефть) нефть)
Марка то пли 6 а
Т~8
сколько уже, однако поря- \
док распределения топлив \
по возрастанию их уровня '
качества остается прежним: ^
Т-1 из сахалинских нефтей, Ц- so
Т-1 из бакинских неф-
нефтей, Т-2, ТС-1, Т-8 и
РТ. Сравнительно низкое
значение уровня качества
топлива Т-8 объясняется отсутствием в нем присадок и невысо-
невысокими противоизносными свойствами, косвенно оцениваемыми по
кислотности. Полученные результаты подтверждают прогрес-
прогрессивность тенденции развития нефтеперерабатывающей промыш-
промышленности, предусматривающей расширение выпуска гидроочи-
гидроочищенных топлив и сокращение производства топлива Т-1.
Вместе с тем следует отметить, что данная методика при
оценке уровня качества учитывает только уровень эксплуата-
эксплуатационных свойств топлив, т. е. степень удовлетворения требова-
требований к топливам по надежности и эффективности эксплуатации
авиационной техники. Если же учитывать факторы, связанные
с ресурсами топльв и затратами на их производство, соотно-
соотношения между интегральными показателями качества топлив
РТ, ТС-1 и Т-2 будут более близкими. По изложенной выше
методике оценены интегральные показатели качества топлива
ТС-1, вырабатываемого на различных предприятиях (в рас-
расчете учитывался только фактически наблюдаемый интервал
изменения показателей топлива этой марки — Пф). Установлено,
что значение интегрального показателя для ТС-1 изменяется
в пределах 95—115 единиц; приблизительно 30% вырабатывае-
вырабатываемого топлива имеет ПИ^Ю5.
Глава 9
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОПЛИВ
Химмотология выделяет и изучает следующие эксплуатацион-
эксплуатационные свойства реактивных топлив: прокачиваемость, испаряе-
испаряемость, воспламеняемость, горючесть, склонность к образованию
отложений, совместимость с конструкционными материалами,
фрикционные, противоизносные, защитные и охлаждающие
свойства, а также токсичность [152]. Каждое из этих свойств
определенным образом связано с физико-химическими свойства-
свойствами и показателями качества топлива. Взаимосвязь эксплуата-
эксплуатационных свойств с показателями качества реактивных топлив
показана в табл. 9.1.
183
Таблица 9.L Взаимосвязь эксплуатационных и физико-химических свойств
и показателей качества реактивных топлив
КМ — квалификационный метод, утвержденный Государственной междуведомственной ко-
комиссией по испытанию юплив, масел, смазок и специальных жидкостей при Госстандар-
Госстандарте; ВМ — ведомственный (или исследовательский) метод
Свойство
Показатель
Метод испытания
Степень чистоты
Текучесть
Фильтруемость
Поверхностная
ность
Прокачиваемость
Содержание воды и ме-
механических примесей
Содержание механиче-
механических примесей
Вязкость кинематическая
при —40 °С
Температура начала кри-
кристаллизации
актив- Взаимодействие с водой
Содержание мыл нафте-
нафтеновых кислот
Визуальный (стандарты
на топлизо)
ГОСТ 10577—78
ГОСТ 33—82
ГОСТ 5066—56 (СТСЭВ
3658—82)
СТ СЭВ 5034—85
ГОСТ 21103—75
Пределы выкипания
Летучесть
Температура воспламе-
воспламенения
Пределы воспламенения
Электризуемость
Удельная энергоемкость
Устойчивость горения
Излучательная способ-
способность пламени
Склонность к образова-
образованию нагара
Испаряемость
Температурная характе-
характеристика фракционного
состава
Давление насыщенных
паров при 38 °С
Давление паров при 100,
150 или 200 °С
Воспламеняемость
Температура вспышки в
закрытом тигле
Температура самовос-
самовоспламенения
Температурные пределы
воспламенения
Концентрационные пре-
пределы воспламенения
Удельная электрическая
проводимость
Горючесть
Плотность при 20 °С
Удельная теплота сго-
сгорания
Пределы устойчивого го-
горения
Полнота сгорания
Люминометрическое чис-
число
Высота некоптящего пла-
пламени
Содержание ароматиче-
ароматических углеводородов
Содержание нафталино-
нафталиновых углеводородов
Масса нагара
ГОСТ 2177—82
ГОСТ 1756—52 (СТ
СЭВ 3654—82)
КМ
ГОСТ 6356—75
ВМ
ВМ
ВМ
ГОСТ 25950—83
ГОСТ 3900—85
ГОСТ 21261—75 (или
ГОСТ 11065—75)
КМ
КМ
ГОСТ 17750—72
ГОСТ 4338—74
ГОСТ 6994—74 и ОСТ
3801277—82
ГОСТ 17749—72
КМ
184
Продолжение
Свойство
Показатель
Метод испытания
Склонность к образованию отложений
Низкотемпер атурные
ложения
Термоокислительная
стабильность
Высокотемпературные от-
отложения
от- Содержание фактических
смол
Йодное число
Индекс термостабильно-
термостабильности
Содержание осадка
Содержание раствори-
растворимых и нерастворимых
смол
Перепад давления на
фильтре
Отложения на трубке
подогревателя
Температура начала об-
образования отложений
Зольность
ГОСТ 1567—83
(или ГОСТ 8489—85)
ГОСТ 2070—82
КМ
ГОСТ 9144—79
ГОСТ 11802—66
ГОСТ 11802—66
ГОСТ 17751—79 и КМ
ГОСТ 17751—79 и КМ
КМ
ГОСТ 1461—75
Совместимость с
Коррозионная актив-
активность
конструкционными материалами
потери ГОСТ 18598—73 и КМ
Воздействие на резину и
герметики
Коррозионные
меди и бронзы
Масса отложений
Испытание на медной
пластинке
Содержание серы об-
общей
Содержание меркаптано-
вой серы
Содержание сероводоро-
сероводорода
Содержание водораство-
водорастворимых кислот и щелочей
Содержание металлов
Предел прочности
Относительное удлинение
Период старения
Изменение твердости гер-
герметика
ГОСТ 18598—73
ГОСТ 6321—69
ГОСТ 19121—73
ГОСТ 17323—71
ГОСТ 17323—71
ГОСТ 6307—75
КМ
КМ
КМ
КМ
КМ
Защита
коррозии
металлов
Защитные свойства
от Коррозионные потери ме- ГОСТ 18597—73
таллов в условиях
денсации воды
кон-
Вязкость
Снижение
трения
Противоизносные свойства
Вязкость кинематическая ГОСТ 33—82
при 20°С
износа пар Износ плунжеров и шай- КМ
бы на стенде ВНИИ НП
Диаметр пятна износа КМ
Критическая нагрузка КМ
Критерий противоизнос- КМ
ных свойств
185
Продолжение
Свойство
Показатель
Метод испытания
Показатель износа в ус- КМ-
ловиях комбинирован-
комбинированного трения
Наличие противоизнос- Гарантируется изготови-
ных присадок телем
Кислотность ГОСТ 5985—79
Охлаждающие свойства
Теплопоглошающая спо- Удельная теплоемкость ВМ
собность Теплопроводность ВМ
Токсичность*
Токсическое воздействие Класс токсичности
топлив на человека и Предельно допустимая
окружающую среду концентрация в рабочей
зоне
Предельно допустимая
концентрация в атмосфе-
атмосфере населенных пунктов
Предельно допустимая
концентрация в воде
водоемов
Токсическое воздействие Концентрация оксидов
продуктов сгорания углерода и азота, угле-
углеводородов и сажи
ГОСТ 12.1.007—76
ВМ
ВМ
ВМ
ВМ
* ГОСТ 4.25—83 предусматривает также группу показателей сохраняемости, характе-
характеризующих стабильность эксплуатационных свойств при хранении (время окисления и пе-
период индукции, определяемые квалификационными методами) и хранимость (гарантий-
(гарантийный срок хранения) топлив.
9Л. ПРОКАЧИВАЕМОСТЬ
Важное значение прокачиваемое™ как эксплуатационного свой-
свойства реактивных топлив определяется большим объемом топ-
топлива, размещаемого на борту летательного аппарата, и его
расходом во время полета, необходимостью многократного пе-
перекачивания по топливной системе в ходе полета, возможностью
значительного охлаждения и нагрева, резким снижением атмо-
атмосферного давления при наборе высоты. Нарушение подачи топ-
топлива возможно вследствие следующих причин:
повышения его вязкости в процессе охлаждения выше рас-
расчетной;
выделения в топливе твердой фазы (кристаллов воды или
углеводородов);
загрязнения (блокирования) фильтров механическими при-
примесями, находящимися в топливе и попадающими из атмо-
атмосферного воздуха;
выделением из топлива паров и растворенных газов.
186
Возможность возникновения указанных процессов зависит
от углеводородного состава топлива, наличия в нем воды, ме-
механических примесей, поверхностно-активных веществ и харак-
характеризуется степенью чистоты, текучести, фильтруемости и по-
поверхностной активности топлив.
Степень чистоты. По техническим требованиям в топливе
содержание воды и механических примесей не должно быть в
таком количестве, которое обнаруживается невооруженным
глазом в стеклянном цилиндре диаметром 40—55 мм, запол-
заполненном топливом. Для удаления воды и механических приме-
примесей на аэродромах топливо отстаивается, неоднократно фильт-
фильтруется через фильтры и фильтры-сепараторы при сливе из
транспортных средств, перекачивании в отстойные резервуа-
резервуары, при выдаче в топливозаправщик или в систему централи-
централизованной заправки E—10 мкм) и при заправке самолетов че-
через фильтры топливозаправщиков или централизованных за-
заправщиков E—7 мкм). В системе питания самолета топливо
также фильтруется через фильтры A2—16 мкм) летательного
аппарата. Необходимость такого многоступенчатого фильтро-
фильтрования объясняется тем, что появление микрозагрязнений в
топливе возможно как в результате загрязнения извне (напри-
(например, атмосферной пылью), так и вследствие коррозии метал-
металлов и непрерывного окисления углеводородов и гетероатомных
соединений в процессе хранения топлива.
Содержание механических примесей в топливе, по данным
КИИ ГА, приведено в табл. 9.2. В состав загрязнений реак-
реактивного топлива кроме минеральных и органических веществ
входит вода. Соотношения между указанными веществами
характеризуют данные табл. 9.3 [150].
В формировании загрязнений наряду со структурной вла-
влагой участвуют микрокапли эмульсионной воды. В связи с вы-
высокой поверхностной активностью воды на поверхности капель
собирается микродисперсная фаза, состоящая из частиц мине-
минерального происхождения. На этой первичной частице адсорби-
адсорбируются смолы и другие ПАВ, присутствующие в топливе, и ча-
частицы загрязнений укрупняются.
Таблица 9.2. Содержание механических примесей в реактивном топливе
Место отбора пробы
Содержание, г/т
среднее
2,0
1,0
1,1
1,6
1,8
максималь-
максимальное
2,7
1,2
1,2
1,7
2,1
Расходный резервуар аэропорта
Выходной патрубок заправочного агрегата
Баки самолета:
при оперативном обслуживании
при периодическом обслуживании
перед ремонтом самолета
187
Таблица 9.3. Состав загрязнении реактивных топлив
Место отбора пробы
Содержание веществ, % в пересчете
на воздушно-сухое
минеральных
органических
структурной
влаги
Железнодорожная цистерна
Цистерна топливозаправщика
Раздаточный кран
Бак самолета:
после заправки
после полета
52
56
24
63
55
,3
,0
,4
,1
,1
23,7
36,4
70,3
29,3
29,1
24
7
15
7
15
,0
,6
,3
,6
,8
Увеличение числа частиц загрязнений наблюдается на по-
поверхности раздела топливо — отстойная вода.
Смолистые вещества, растворенные в топливах, сами прак-
практически не отлагаются на фильтрах. В присутствии же свобод-
свободной влаги они ассоциируются с ее капельками и могут задер-
задерживаться фильтрами. Загрязнение реактивных топлив механи-
механическими примесями, частицами продуктов коррозии, особенна
мылами нафтеновых кислот (в случае применения процесса
защелачивания и плохой промывки), ухудшает работу фильт-
фильтров. Поэтому при применении щелочной очистки топлива обя-
обязательно предусматривается водная промывка.
Анализ проб топлива, отбираемых из баков пассажирских
самолетов перед их заправкой, показывает, что в 97 случаях
из 100 в топливе присутствует отстойная или эмульсионная
вода, в 75 — содержание нерастворенной воды превышает
0,003%, т. е. почти в каждом полете пассажирского самолета
в топливе из растворенного состояния выделяется вода, обра-
образующая эмульсию и отстой на дне баков. Присутствие нераст-
нерастворенной воды — наиболее опасная причина нарушения подачи
реактивных топлив в полете. При охлаждении топлива кап-
капли эмульсии и отстой могут замерзнуть, закупорить жиклеры
автоматических устройств, вызвать примерзание клапанов ре-
регулировочных агрегатов, заклинивание крыльчатки или полом-
поломку приводов насосов. Отстаивание, вымораживание и удаление
воды с помощью фильтров-сепараторов при заправке самоле-
самолетов дают определенный эф-
эффект, но не исключают в даль-
дальнейшем при полете появление
в топливе эмульсионной и от-
отстойной воды в результате
Рис. 9.1. Зависимость растворн?лости
воды в реактивных топливах от тем-
температуры:
-40 -20 0 20 40 60 Заштрихованная область — диапазон изме-
_ 1пп оп нений для топлива ТС-1 и РТ различных
Температура, С образцов
188
охлаждения топлива и снижения растворимости в нем воды.
Как следует из зависимостей, представленных на рис. 9.1, при
охлаждении топлива Т-2 во время полета от +40 До —20 °С
может выделиться до 0,01% воды, т. е. несколько литров воды
в каждом баке.
Повышение растворимости воды в топливе Ст при положи-
положительной температуре и 100%-й влажности газовой среды опи-
описывается уравнением
lgCr=lgC273+0,00157\ (9.1)
где С273 — содержание воды, растворяющейся в данном топливе при
273 К, %.
Содержание растворенной в топливе воды изменяется пря-
прямо пропорционально изменению влажности среды. При поло-
положительной температуре содержание растворенной воды (%) в
топливе Т-2 описывается формулой
С = Ф @,1885 lg T— 0,448), (9.2)
где г|э — относительная влажность газовой среды, %; Т — температура, К.
Фактическое содержание воды в топливе, находящемся в
резервуарах и топливозаправщиках в различных климатиче-
климатических районах, мало зависит от сезона и составляет от 0,001 до
0,010% [150]. Для удаления воды, находящейся в отстое, из
баков самолетов Ил-62, Ту-154, Ту-134, Як-40 после полетов
(в зависимости от их продолжительности и высоты) сливают
от 1 до 20 л топлива [151].
Эффективным средством борьбы с кристаллизацией эмуль-
эмульсионной воды и замерзанием отстоя является добавление в
топливо от 0,1 до 0,3% противообледенительных присадок [152]:
моноэтилового эфира этиленгликоля (этилцеллозольва, по
ГОСТ 8313—76) или тетрагидрофурфурилового спирта (ТГФ)
(по ГОСТ 17477—75). Присадки способны растворять воду,
а также снег и иней, осыпающиеся в топливо со стенок резер-
резервуаров и топливных баков.
Растворимость воды в топливе в присутствии присадок по-
повышается за счет образования водородной связи между моле-
молекулами воды и присадки. Полагают [66], что каждая молеку-
молекула присадки способна удерживать в растворе ассоциат, со-
состоящий как минимум из четырех молекул воды. При большей
концентрации воды обводненная присадка переходит в отстой.
Водные растворы противообледенительных присадок замер-
замерзают при отрицательной температуре, значение которой зави-
зависит от концентрации присадки и ее свойств, в том числе зна-
значения коэффициента распределения между топливом и водой
(рис. 9.2).
В связи с повышенной гигроскопичностью топлив, содержа-
содержащих противообледенительные присадки, и возможностью пере-
перехода этих присадок из обводненного топлива в отстой их до-
189
бавляют перед заправкой летательных аппаратов. Топливо пред-
предварительно отстаивают и фильтруют через фильтры-сепараторы.
Неизрасходованное топливо с противообледенительными при-
присадками может храниться в резервуарах аэродромного склада
до 6 мес.
Текучесть. Это свойство реактивных топлив определяется
групповым углеводородным составом, молекулярной массой и
характеризуется вязкостью, температурой застывания, нали-
наличием напряжения сдвига, а также комплексными показателями,
например количеством топлива, которое способно перетечь че-
через клапан под действием силы тяжести из одной камеры в
другую после охлаждения топлива ниже температуры начала
кристаллизации [153].
Влияние вязкости на подачу топлива в значительной степе-
степени зависит от конструкции топливной системы и режима рабо-
работы ее агрегатов. В общем случае с возрастанием вязкости топ-
топлива увеличиваются потери давления АР насоса из-за гидрав-
гидравлических сопротивлений, снижается коэффициент полезного
действия ц насоса и подача. Влияние вязкости на ЛР и г\ цент-
центробежного подкачивающего насоса при постоянной подаче
15 м3/ч характеризуют приведенные ниже данные [125]:
150
11
) 0,15
Максимально допустимые значения вязкости для топлив-
топливных систем разных самолетов составили 85, 160 и 210 мм2/с
[152].
Перекачивание реактивных топлив в наземных условиях
при хранении и транспортировании не вызывает затруднений,
так как даже в северных районах Советского Союза их тем-
температура не опускается ниже температуры, при которой топ-
топлива теряют подвижность. При температуре ниже —40 °С вяз-
вязкость топлива Т-6 может повыситься до 60—80 мм2/с, что зна-
значительно увеличивает гидравлические сопротивления при его
движении по топливопроводам, но не вызывает нарушений в
перекачивании. Осложнения в подаче могут быть при фильт-
v, мм2/с
АР
п
1
7
0
,40
50
8
0
,30
100
10
0.
,20
-70
10 10 30 40 50 60 70 80 3010Q
Содержание присадки, % (об,)
Рис. 9.2. Зависимость температу-
температуры замерзания растворов от содер-
содержания противообледенительных
присадок в воде:
/ — мстилцеллозольв; 2 — этилцелло-
зольв; 3 — тетрагидрофурфуриловый
спирт; —температура замерза-
замерзания; температура начала об-
образования кристаллов гидратов (стрел-
(стрелками показан переход к полному за-
замерзанию раствора)
,190
Рис. 9.3. Зависимость кинематической вязкости
реактивных топлив от температуры:
— топлива ТС-1 и РТ (/нач кр<—60°С); 2 — топливо
ТС-1 (/
=—50 °С); 3 — топливо Т-8В; 4 — различные
образцы топлива Т-6
, J0-
ю
-60 -40 -20 0 20
Темпера тира, °С
ровании топлива Т-6 через фильтры тон- g 20
кой очистки, так как при его вязкости §
20-1-25 мм2/м перепад давления на филь-
тре достигает предельного значения—
5ч-6 МПа.
Влияние структуры углеводородов на
их вязкость и вязкостно-температурные
свойства показано в работе [154]. Отме-
Отмечена общая тенденция повышения вязко-
вязкости и ухудшения этих свойств с ростом
молекулярной массы углеводородов, однако бывают и аномаль-
аномальные закономерности.
Среди углеводородов различных групп наименьшей вяз-
вязкостью и наиболее пологой вязкостно-температурной кривой
обладают алканы и алкены нормального строения. Сильно раз-
разветвленные алканы, как правило, имеют более высокую вяз-
вязкость, которая резче возрастает с понижением температуры.
Аналогичная картина наблюдается для алкилированных цикла-
нов и особенно ароматических углеводородов. Бициклические
углеводороды по сравнению с моноциклическими одинаковой
молекулярной массы обладают более высокой вязкостью и
худшей вязкостно-температурной зависимостью.
Зависимость кинематической вязкости реактивных топлив
от температуры показана на рис. 9.3. Она хорошо описывается
следующим уравнением [155]:
lglg(v + 0,73) = л_ 3,9899 lg Г, (9.3>
где коэффициент А для различных топлив составляет:
ТС-1, РТ
9,3398
9
тч
,4325
9.
Т-8В
,4730
Т-6
9,6910
9,2940
Вязкость топлив и их смесей может быть найдена по номо-
номограмме, представленной на рис. 9.4. Линия AF характеризует
вязкостно-температурную зависимость топлива, имеющего V2o =
= 1,3 мм2/с, линия ДС — топлива с v2o = 4 мм2/с, а линия BE —
вязкость смеси указанных топлив, в составе которой доля ком-
компонента, равна отношению отрезков АВ :АС или ВС: АС.
Исследование динамической вязкости показало, что все топ-
топлива при охлаждении до температуры начала кристаллизации
(этот момент отмечен звездочками на кривых рис. 9.5) харак-
характеризуются пологой вязкостно-температурной зависимостью..
Для некоторых топлив ход кривой не изменяется и после на-
начала кристаллизации, а для исследованных образцов топлив
191
Рис. 9.4. Номограмма для расчета вязко-
вязкости реактивных топлив и их смесей при раз-
различной температуре (пояснения в тексте).
ТС-1 и РТ после начала кристалли-
заци наблюдается резкое увеличе-
увеличение динамической вязкости [156].
§ Неодинаковое изменение вязко-
§? сти обусловлено различным углево-
| дородным составом топлив. На рез-
§ кое возрастание вязкости реактив-
| ных топлив при охлаждении их ни-
ниже температуры начала кристалли-
кристаллизации преимущественное влияние
оказывают алканы. Установлено,
что отдельные образцы топлив при
значительном охлаждении характе-
характеризуются наличием предельного напряжения сдвига то, что яв-
является основным признаком аномалии вязкости жидкости. За-
Зависимости на рис. 9.6 показывают определяющую роль алканов
при переходе ньютоновой жидкости в жидкость с аномальной
вязкостью. Абсолютное напряжение сдвига т0 для смесей алка-
алканов и цикланов даже несколько выше, чем у исходного топлива.
Ароматические углеводороды и цикланы при данной температу-
температуре не характеризуются наличием предельного напряжения
сдвига.
12
-50 -45 -40-65
Температура,°С
-60 -55 -50
Рис. 9.5. Зависимость динамической вязкости реактивных топлив и углево-
углеводородов от температуры:
а) 7-Т-1; 2-РТ; 3-Т-8В; 4 -ТС-1; 5-фр. 160-280 °С; 6 -фр. 120-250 °С- б) угле-
видсродн, вы-елеьные из ТС-1; и фр. 120-250 °С; /-цикланы; 2 - смесь цик-
цикланов и ароматических; 3 — смесь алканов и цикланов
192
32
1ft
Градиент скорости,
Рис. 9.6. Зависимость напряжения сдвига от градиента скорости для ТС-1
(а) и фр. 120—250 °С (б):
/—исходное топливо (фракция); 2 — смесь алканов и цикланов; <3 — цикланы; 4 — смесь
циклаков и ароматических углеводородов
Для оценки текучести топлив в стендовых условиях их
охлаждают в баке, оборудованном натурными агрегатами,
и перекачивают подкачивающим насосом. Предельной темпе-
температурой текучести считают ту температуру, при которой после
перекачивания в баке остается около 30% топлива.
Фильтруемость. Бесперебойная подача топлива в двигатели
зависит не только от степени его чистоты, которая может
быть достигнута за счет отстаивания и многократного филь-
фильтрования топлива перед заправ-
заправкой, но и от возможности обра-
образования в нем кристаллов льда
и углеводородов. Следует отме-
отметить, что отстаивание достаточно
эффективно только по отноше-
отношению к частицам сравнительно
большого размера и в маловяз-
ком топливе. Об этом можно су-
дить по данным, представленным
на рис. 9.7 [60].
Добавление противообледени-
тельных присадок препятствует
образованию кристаллов льда и
обеспечивает фильтрование топ-
топлива при более низкой темпера-
температуре, как это видно из рис. 9.8
Рис. 9.7. Диапазоны скорости оседания
частиц Fe(OHJ и капелек воды
( ) в реактивных топливах
при 20 °С
13—518
Ю 20 30
Размер частиц, мкм
193
20 10 0 -10 -20 -30 -W-50
Температура ,°С
Рис. 9.8. Зависимость перепада давле-
давления на фетровом фильтре от темпера-
температуры топлива в присутствии 0,3% этил-
целлозольва:
/, 4 — топливо Т-1 без присадки и с присад-
присадкой; 2, 5 — топливо ТС-1 без присадки и с
присадкой; 3,6 — топливо Т-2 без присадки
и с присадкой
[152]. В то же время в эксплуа-
эксплуатационных условиях невозможно
каким-либо образом предупре-
предупредить кристаллизацию углеводо-
углеводородов в случае охлаждения топ-
топлива до соответствующей темпе-
температуры и, следовательно, нарушение работы фильтров по этой
причине. Момент появления в топливе кристаллов углеводоро-
углеводородов в отечественной и зарубежной практике фиксируется по-
разному. Отечественными стандартами предусматривается опре-
определение температуры начала кристаллизации (/н. кр), т. е. по-
появления кристаллов, видимых невооруженным глазом, а в зару-
зарубежных спецификациях — температуру, при которой эти кри-
кристаллы в результате некоторого нагрева топлива исчезают, пла-
плавятся (/Пл). Обычно tun на 2—3°С выше, чем tH. кр. Значения
температур /пл, ^н.кр и застывания (/Заст) топлив характеризуют
данные табл. 9.4 [137, 157].
Большая разность между указанными температурами для
различных образцов топлив, как, например, для JP-8, опреде-
определяется наличием в топливе нормальных алканов разной моле-
молекулярной массы. Присутствие в топливе небольшого количе-
количества высокомолекулярных алканов резко повышает /н.кр, но
мало влияет на /Заст- Температура начала кристаллизации прак-
практически не зависит от общего содержания алканов в топливе
и в основном определяется температурой конца кипения топли-
топлива, т. е. наличием высокомолекулярных алканов. Это подтверж-
подтверждают данные, представленные в табл. 9.5.
Таблица 9.4. Температура начала кристаллизации /н.кр, плавления кристаллов
tnn и застывания /Заст реактивных топлив
Топливо
и
е'
н
ТС-1 A20—250 °С) —54 —56 —61
ТС-1 A20—260 °С) —49 —51 —57
ТС-1 A20—280 °С) —44 —46 —51
JP-5 (образец 1) —52 —56 —60
Топливо
и
о.
и
JP-5 (образец 2) —46 —46 —57
JP-8 —44 —55 —65
Jet A-1 —49 —52 --58
194
Таблица 9.5. Влияние фракционного и углеводородного состава
на температуру начала кристаллизации реактивных топлив
Топливо
Пределы
выкипания,
Содержание углеводородо
алканы
ци;сланы
аромати-
ароматические
в, %
тетралины
1-2
Т-2
ТС-1
ТС-1
ТС-1
60-260
60—280
120—250
120—260
120-280
55,0
55,6
50,7
51,2
51,5
29,6
28,6
31,6
30,9
31,3
12,2
11,6
13,6
13,5
12,3
3,6
4,2
4,1
4,4
4,9
-56
—52
—56
-51
—46
При охлаждении топлива ниже ^н.кр его подача через само-
самолетные фильтры, не оборудованные системой тепловой защи-
защиты, может прекратиться. Кратковременное прекращение не
опасно, так как включается питание двигателя в обход фильт-
фильтра, а самолет может сменить высоту полета, перейдя в зону,
где температура атмосферного воздуха выше ^н.кр-
Поверхностная активность. Влияние ПАВ, находящихся в
топливе, может проявиться различным образом, однако эти
вещества, как правило, ухудшают прокачиваемость. Они спо-
способствуют росту частиц загрязнений, адсорбируются на фильт-
фильтрующих поверхностях и ускоряют их блокирование механиче-
механическими примесями и мазеобразными отложениями, затрудняют
удаление из топлива воды, так как в их присутствии повы-
повышается устойчивость водных эмульсий. Поэтому содержание в
топливе ПАВ должно быть оптимальным, достаточным для
обеспечения хороших противоизносных свойств, но и не спо-
способствовать сильному эмульгированию воды и дезактивации
водоотделяющих поверхностей фильтров-сепараторов. В отече-
отечественной практике наличие ПАВ в реактивных топливах конт-
контролируется при испытании их на взаимодействие с водой [158].
Адсорбция поверхностно-активных веществ в воде и дис-
диспергирование жидкости во время перемешивания приводят к
образованию адсорбционных слоев ПАВ на поверхности капель
и эмульсии двух типов. Механизм этого явления состоит в
следующем. Носителем поверхностной активности на границе
с неполярной жидкостью (топливом) служат гидрофобные (не-
(неполярные) частицы молекул ПАВ. При этом молекулы ПАВ
гидрофильной частью адсорбируются на каплях воды и «удер-
«удерживают» их в слое топлива. В данном случае для «удержа-
«удержания» достаточно образоваться мономолекулярному адсорбцион-
адсорбционному слою. Для возникновения эмульсии топлива в воде не-
необходимо, чтобы на поверхности капель топлива адсорбирова-
адсорбировалось значительно большее количество ПАВ и образовался
внешний гидрофильный слой.
С наличием в топливе ПАВ связаны проблемы, обуслов-
обусловленные увеличением сил трения в прецизионных парах (золот-
13*
195
никах) топливно-регулирующей аппаратуры, ограничивающих
или изменяющих давление или расход топлива.
Величина диаметрального зазора в золотниках может быть
от двух до нескольких десятков мкм, что позволяет достичь
бесконтактного уплотнения. Основные требования, предъявляе-
предъявляемые к золотникам, — обеспечение высокой стабильности малых
по величине сил трения и герметичности (минимальных утечек
топлива). Чем меньше усилие трения, тем выше чувствитель-
чувствительность регулирующего элемента. Практически все отказы зо-
золотниковых пар вызываются повышенным трением или утечка-
утечками топлива через зазоры. Увеличение утечек обусловлено из-
изнашиванием деталей (этот процесс постепенный), и связанные
с ним отказы могут быть своевременно выявлены и предупреж-
предупреждены.
Отказы, вызываемые увеличением трения, носят внезапный
характер и поэтому являются особенно опасными. Обычно та-
такие отказы наблюдаются в виде временного «зависания» зо-
золотника в гильзе, после чего пара может продолжать работать
без отклонений. Это затрудняет проведение профилактических
мероприятий.
Повышение трения в золотниковых парах может быть след-
следствием гидравлических сил и облитерации зазоров—«заращи-
вания» зазоров поляризованными молекулами топлива и раз-
разного рода загрязнениями. «Заращивание» зазоров характерно
для малоподвижных золотников, оно протекает во времени.
Сущность процесса сводится к образованию на сопряженных
поверхностях адсорбированных граничных слоев ПАВ. Если
толщина слоя много меньше размера щели, он не оказывает
заметного влияния на расход топлива. Толщина слоя опреде-
определяется свойствами ПАВ и активностью силового поля металла.
По данным различных авторов, она может составлять от 0,1
до 10 мкм. Заращивание зазора толщиной 10 мкм при проте-
протекании через него топлива (при поступлении новых ПАВ) мо-
может наблюдаться в течение нескольких минут. Поскольку ад-
адсорбированные слои приобретают свойство сопротивления сдви-
сдвигу, усилие, необходимое для перемещения золотника, возра-
возрастает. При испытании установлено, что для страгивания с
места золотника диаметром 16 мм, помещенного в гильзу с
зазором 2 мкм, после выдержки в покое при давлении рабочей
среды 25 МПа потребовалось усилие 500 Н, т. е. в сотни раз
больше, чем обычно [159].
Описанные явления наблюдались при применении прямо-
гонных и гидроочищенных топлив со смесевой противообледе-
нительной присадкой ТГФ-М в случае несвоевременного слива
водных отстоев из топливных баков. В отстое концентрирова-
концентрировались ПАВ, которые попадая в иасос-регулятор, вызывали вре-
временное заклинивание золотников. Это обнаруживалось по ко-
колебаниям (или «зависанию») оборотов ротора турбины при
изменении положения рукоятки управления движением. Оче-
196
видно, избыток ПАВ в топливе наряду с улучшением противоиз-
носных свойств может привести и к отрицательным послед-
последствиям.
9.2. ИСПАРЯЕМОСТЬ
Испаряемость реактивных топлив определяется пределами вы-
выкипания фракции, отбираемой при прямой перегонке нефти.
Значения этих пределов — результат компромиссных решений,
так как их расширение увеличивает ресурсы топлива (каждые
10 °С обеспечивают увеличение выхода топлива на «8%), об-
облегчает запуск двигателя, но одновременно повышает пожаро-
опасность и может ухудшить прокачиваемость топлив. Испа-
Испаряемость топлив может стать причиной нарушения работы на-
насосов (кавитации) вследствие выделения паровой фазы и ра-
растворенных в топливе газов. Последнее наблюдается при быст-
быстром наборе высоты и при полете на большой высоте.
Нарушение работы подкачивающих насосов современных
конструкций наблюдается при соотношении паровой и жидкой
фаз больше 2. В случае применения баков без наддува и при
температуре топлив я^40°С работа подкачивающих топливных
насосов может быть нарушена на топливе ТС-1 примерно на
высоте 17 км, а на топливе Т-2 — на высоте 12 км [160].
Одной из мер предотвращения пожаров и повышения без-
безопасности полета является замена подкачивающих насосов,
расположенных в топливных баках, на всасывающие насосы,
размещенные непосредственно на двигателях. В таком случае
нарушение герметичности трубопроводов не вызовет вытекания
топлива из топливной системы (что наблюдается при примене-
применении нагнетающих подкачивающих насосов), а топливо вместе
с воздухом будет поступать в двигатель. Предельные соотноше-
соотношения паровой и жидкой фаз для таких топливных систем из-
изучаются [161].
Образование паровых пробок и нарушение подачи подка-
подкачивающими и основными насосами можно предупредить со-
созданием избыточного давления в баках и топливной системе
двигателя. При этом давление в топливном баке Р& должно
отвечать соотношению:
где Ра — атмосферное давление на высоте полета; Рнад— давление наддува
в топливных баках; pt — давление насыщенных паров топлива при темпе-
температуре топлива в баке; Рк — кавитационный запас. Обычно РНад = 200 гПа>
а Рк = 20 гПа.
С увеличением давления насыщенных паров топлива ухуд-
ухудшаются надежность работы насоса и подача топлива. Особен-
Особенно сильно это проявляется в условиях высотного полета, когда
подача может снизиться на 40—70% [127]. При наборе высоты
из топлива кроме паров начинают выделяться растворимые га-
197
О 25 50 75 100 125 150
Скорость набора бысоты, м/с
Рис. 9.9. Зависимость потребного
наддува топливных баков от скоро-
скорости набора высоты самолетом
зы (воздух). Объем выделив-
выделившегося воздуха с учетом его
расширения вследствие умень-
уменьшения давления в баке может
составлять несколько сотен
литров на 1 м3 топлива. При
этом поток топлива, поступаю-
поступающий в насос, становится двухфазным. Скорость выделения воз-
воздуха зависит от скорости падения давления в баке, т. е. скоро-
скорости набора самолетом высоты. При первом наборе высоты с
большой скоростью возможно вскипание топлива, вызывающее
кавитацию насосов и прекращение его подачи. Зависимость РНад
от скорости набора самолетом высоты приведена на рис. 9.9
[127].
Пределы выкипания. К фракционному составу топлив предъ-
предъявляются противоречивые требования: для облегчения запуска
двигателя, расширения пределов устойчивого горения, повыше-
повышения полноты сгорания и уменьшения нагарообразования топли-
топлива должны обладать по возможности более легким фракцион-
фракционным составом. Напротив, для уменьшения потерь от испаре-
испарения при хранении, повышения надежности работы топливных
насосов в высотных условиях, повышения объемной теплоты
сгорания реактивные топлива должны иметь утяжеленный
фракционный состав.
Топливо, содержащее низкокипящие фракции, обеспечивает
запуск двигателя на более бедных смесях. Так, если на топли-
топливе Т-2 двигатель запускается при определенных условиях при
общем коэффициенте избытка воздуха а = 6, то на топливе
Т-6 — при а = 3. В связи с этим на некоторых самолетах с ГТД
в качестве пускового топлива используют авиационный бензин
или бензин-растворйтель (нефрас).
Пусковые свойства в известной степени характеризует тем-
температура перегонки 10% (об.) топлива. Так, на топливе,
10% (об.) которого выкипает при 70°С, двигатель легко запу-
запускается при —55 °С, а с температурой выкипания 10% (об.) в
пределах 150—190 °С запуск осложняется уже при —35-1—40 °С.
Этот фактор имеет исключительно большое значение в случае
необходимости повторного запуска заглохшего в полете двига-
двигателя.
Связь других показателей фракционного состава топлива
![50, 90 и 98% (об.) перегонки] с надежностью и эффектив-
эффективностью авиационных газотурбинных двигателей изучена в
меньшей степени. Температура перегонки 90 и 98% (об.) топ-
топлива ограничивается главным образом, как уже отмечалось,
температурой начала кристаллизации топлива, но иногда и
198
общим содержанием ароматических углеводородов, и даже
вязкостью топлива при —40 °С.
Комплексный показатель фракционного состава tCp =
= 1/з(^о%+^5о%+^9о%) может быть использован для расчета
теплоты сгорания реактивных топлив (qH, кДж/кг) по формуле
[162]:
qH = 35 950 -}- 94,87Са — 9,44 /ср — 0,35Са/ср +
+ E525— 111, 1Са + Ю, 15/ср + 0,377Са/ср)/0,001р, (9.4)
где Са— массовая доля ароматических углеводородов в топливах, %; tCp —
средняя температура кипения, °С; р — плотность при 20 °С, кг/м3.
Влияние температур перегонки 10, 50 и 98% (об.) топлива
на его склонность к образованию нагара характеризуется зна-
значениями коэффициентов (весомостей), равными соответственно
0,30, 0,54 и 0,16 [163].
Летучесть. Показатель, характеризующий это свойство,—
давление насыщенных паров pt— стандартом нормирован
только для топлива широкого фракционного состава Т-2 при
38°С. Для термостабильных топлив предусмотрен контроль
давления насыщенных паров в ходе квалификационных испы-
испытаний при 100, 150 или 200 °С. В первом случае pt определяют
в двухкамерном металлическом цилиндре, снабженном мано-
манометром (ГОСТ 1756—52).
Для повышения точности измерения давления насыщенных
паров топлив предложен сравнительный метод [164, 165], по
которому топливо и эталонный нефтепродукт (индивидуальный
углеводород) помещают в два идентичных сосуда, подключен-
подключенных к дифференциальному манометру, показания которого АР
соответствуют разности давлений в сосудах. Результат рассчи-
рассчитывают по формуле
где /?э — известное значение давления насыщенных паров эталонного нефте-
нефтепродукта (индивидуального углеводорода) при температуре испытания.
При выборе эталона кривые, описывающие зависимости pt
и рэ от температуры, эквидистантны, а неизбежные колебания
температуры не сказываются на АР и результатах измерения.
Средние значения давления насыщенных паров реактивных
топлив (р, гПа) в зависимости от температуры (Т, К) могут
быть рассчитаны по формуле
lgp=A—B/T. (9.5)
Значения коэффициентов А и В для различных топлив приве-
приведены ниже:
199
Л
в
Т-2
7,6
1840
ТС-1, РТ
7,2
1820
Т-8В
7,1
2060
Т-6
10,2
3260
Указанная зависимость позволяет вычислить ориентировоч-
ориентировочное значение допустимого нагрева топлива в баках самолета,
при котором давление насыщенных паров не будет превышать
величину наддува, т. е. не будет значительных потерь топлива
от испарения. Этот нагрев для различных марок топлива со-
составляет:
Топливо
Температура,
°С
Т-2
85—90
ТС-1, РТ
110—120
Т-8В
120—125
Т-б
165-175
9.3. ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ
Воспламеняемость определяет необходимые меры и средства
пожарной защиты при хранении, транспортировании и приме-'
нении топлив. Пожаро- и взрывоопасность топлив характери-
характеризуется температурой, при которой возможно образование топ-
ливовоздушной смеси, способной к воспламенению, минималь-
минимальной энергией зажигания таких смесей от постороннего источ-
источника воспламенения, температурой самовоспламенения смесей,
а также вероятностью воспламенения от разрядов статического
электричества, накапливающихся в топливе при его перекачи-
перекачивании и фильтровании.
Температурные и концентрационные пределы воспламенения
топливовоздушных смесей. В стандартах на топлива кроме
нормы по температуре вспышки в закрытом тигле указаны
также сведения по температуре воспламенения топливовоздуш-
ной смеси от нагретой поверхности и ее концентрационным пре-
пределам воспламенения. Средние значения показателей воспла-
воспламеняемости реактивных топлив [165] приведены в табл. 9.6.
Минимальная энергия разряда, необходимая для воспла-
воспламенения топливовоздушных смесей, с увеличением их темпера-
Таблица 9.6. Показатели воспламеняемости реактивных топлив различных
марок
Показатель
Т-1
ТС-1, РТ
Т-2
Т-6
Температура воспламенения от на- 240 240 245 235
гретой поверхности, °С
Температура воспламенения от ис-
источника зажигания при 100 кПа, °С:
минимальная 35 30 —20 65
максимальная 60 60 20 105
Концентрация паров топлива в воз-
воздухе, способная к воспламенению,
% (об.):
минимальная 0,6 0,6 1,2 0,6
максимальная 4,7 4,7 8,0 4,7
Скорость выгорания топлива с по- 1,3 1,7 1,8 1,0
верхности, мм/мин
200
Рис. 9.10. Зависимость энергии разряда,
необходимого для воспламенения топливо-^ qq
воздушной смеси, от ее температуры для^ 60 ~
топлива различных марок ~ 40
-20' -10 0 10 20
Температура, GC
1
туры снижается. Эта зависимость g
показана на рис. 9.10. Скорость рас- §
пространения пламени составляет от S.
0,3 до 0,6 м/с [165]. с?
Новым способом повышения по-
пожаробезопасное™ реактивного топ-
топлива является введение полимерной
высокомолекулярной присадки, ко-
которая в обычных условиях находится в виде суспензии и мало
ухудшает текучесть топлива. При аварии самолета и разруше-
разрушении топливных баков под действием напряжения сдвига молеку-
молекулы присадки образуют пространственную решетку, которая
удерживает частицы топлива и препятствует возникновению
легковоспламеняющегося тумана из мелких капель топлива, что
снижает вероятность возникновения пожара. При применении
топлива с такой присадкой двигатели необходимо оборудовать
дополнительными насосами-разжижителями, которые разруша-
разрушали бы высокомолекулярные структуры перед поступлением топ-
топлива в камеру сгорания. По сообщениям фирмы ICI основные
лабораторные и натурные исследования реактивного топлива с
присадкой указанного типа (FM-9) завершены успешно. Было
объявлено, что стоимость топлива с присадкой будет на 3—6%
больше стоимости топлива без присадки [166]. Тем не менее во
время экспериментального моделирования в 1985 г. катастрофы
управляемого по радио самолета «Боинг-720», заправленного
топливом с присадкой FM-9, пожар предотвратить не удалось.
Поэтому исследования в указанном направлении продолжаются.
Электризуемость. Реактивные топлива, не содержащие ан-
антистатических присадок, — хорошие диэлектрики. Их удельная
электрическая проводимость обычно не превышает 5 пСм/м,
по квалификационной норме для прямогониых топлив с инги-
ингибитором коррозии ИКБ-2 020^10 пСм/м. Относительная диэлект-
диэлектрическая проницаемость топлив составляет от 1,9 до 2,1.
Наличие в топливе мелкодисперсных частиц (механических
примесей, эмульсионной воды) значительно увеличивает по-
поверхность раздела фаз, а вследствие этого и электризацию
топлив. Аналогичный эффект наблюдается при дроблении струи
топлива в результате трения о воздух, например, при заполне-
заполнении емкости свободно падающей струей. В отдельных случаях
топливо, не содержащее антистатическую присадку, может
иметь электрическую проводимость 30—40 пСм/м, что обуслов-
обусловливается попаданием в него небольшого количества загрязне-
загрязнений, например остаточных продуктов (мазута).
201
Из-за высокого удельного электрического сопротивления
топлива A011—1012 Ом-м) даже при хорошем заземлении сте-
кание и релаксация заряда протекают медленно, тем самым
создаются условия для его накопления в заполняемой емкости.
Величина накопившегося заряда (Q, мкКл) с учетом заряда
топлива и утечки за счет электрической проводимости выра-
выражаются следующей зависимостью:
oy (9.6)
где у — объемная плотность электрического заряда в перекачиваемом топ-
топливе, мкКл/м3; V — скорость перекачивания, м3/с; е— диэлектрическая про-
проницаемость топлива; е0 — электрическая постоянная, равная 8,85-10~12 Ф/м;
а — удельная электрическая проводимость топлива, пСм/м.
В емкости, наполняемой наэлектризованным топливом,
электрический заряд может достичь уровня, при котором по-
появятся искровые разряды с поверхности топлива на заземлен-
заземленные выступающие металлические детали резервуаров, автоци-
автоцистерн, баков самолетов, т. е. возможно воспламенение топливо-
воздушной смеси.
Как следует из формулы (9.6), с увеличением электрической
проводимости пропорционально снижается накапливающееся
количество заряда. Добавляя антистатические присадки, ниж-
нижний предел электрической проводимости устанавливают с таким
расчетом, чтобы релаксация электрического заряда протекала
достаточно быстро. Экспериментально установлено, что это
обеспечивается во всех случаях, когда G2oS^5O пСм/м. Верхний
предел электрической проводимости — не более 600 пСм/м при
фактической температуре, наблюдаемой в топливной системе,
установлен с учетом обеспечения точности показаний измери-
измерительной аппаратуры электроемкостного типа.
Электрическая проводимость топлива возрастает при повы-
повышении температуры в соответствии с зависимостью
lgot=\go2Q + a(t — 20), (9.7)
где Ot, G2о — электрическая проводимость топлива при температурах топли-
топлива t и 20 °С, пСм/м; а — коэффициент, который находят по таблице:
а, пСм/м
а
25 0,0044
50 0,0048
100 0,0055
200 0,0056
о, пСм/м
а
300 0,0057
400 0,0059
500 0,0001
>600 0,0062
С изменением температуры топлива, содержащего присадку
Сигбол, на ГС а изменяется примерно на 1,5%. Нагрев топ-
топлива увеличивает подвижность зарядов и значение а.
202
9.4. ГОРЮЧЕСТЬ
Энергоемкость. Под удельной энергоемкостью реактивного топ-
топлива понимают объемную удельную теплоту сгорания, равную
произведению массовой удельной теплоты сгорания на плот-
плотность. Для характеристики реактивного топлива обычно при-
применяют низшую удельную теплоту сгорания. Эксперименталь*
но определяемая удельная теплота сгорания (массовая) силь-
сильно зависит от химического состава топлива. Она возрастает с
относительным увеличением содержания атомов водорода в
молекуле углеводорода. Из углеводородов, выкипающих в оди-
одинаковых температурных пределах, максимальную теплоту сго-
сгорания имеют алканы, затем идут цикланы и ароматические
углеводороды. С повышением температуры выкипания топлива
удельная теплота сгорания снижается.
Плотность топлива в сравнении с удельной теплотой сгора-
сгорания изменяется в обратном порядке: наиболее высокая она у
ароматических углеводородов и с повышением температуры
выкипания топлива увеличивается. Изменение группового угле-
углеводородного или фракционного состава топлива неодинаково
влияет на относительное изменение удельной теплоты сгорания
и плотности. Так, при увеличении содержания ароматических
углеводородов плотность возрастает на 10—15%, а удельная
теплота сгорания снижается только на 4—6%. С повышением
температуры выкипания топлива также происходит более рез-
резкое увеличение плотности, чем уменьшение удельной теплоты
сгорания.
Увеличение содержания цикланов и ароматических углево-
углеводородов, а также повышение температуры выкипания топлива
приводит к увеличению его энергоемкости. Современные товар-
товарные реактивные топлива имеют энергоемкость в пределах от
32,8 до 36,3 МДж/л и более и располагаются в порядке воз-
возрастания этого показателя следующим образом: Т-2, ТС-1, РТ,
Т-1, Т-6. Эксплуатационное значение энергоемкости следует
рассматривать с двух точек зрения. При полной заправке топ-
топливных баков дальность полета летательного аппарата прямо
пропорциональна энергоемкости, и наиболее выгодно топливо
с максимальным значением этого показателя. Однако нередки
случаи, когда нет необходимости летать на максимальную
дальность. В непродолжительном полете имеющийся объем
топливных баков полностью не используется, и более выгодно
взять топливо с меньшей энергоемкостью, т. е. большей мас-
массовой теплотой сгорания и меньшей плотностью.
Учитывая важное эксплуатационное значение максималь-
максимальной дальности полета летательных аппаратов, стремились со-
создавать топлива, обладающие высокой плотностью [167, 168].
Достижение этого за счет повышения температуры конца ки-
кипения топлива имеет ограниченные возможности в связи с
ухудшением его испаряемости и низкотемпературных свойств.
203
Одновременно видоизменяли групповой углеводородный состав
топлива за счет переработки отборных нефтей нафтенового
основания и превращения путем гидрирования ароматических
углеводородов в нафтеновые. Такая обработка способствовала
и повышению термической стабильности топлива, что имело
большое практическое значение в связи с постоянным повы-
повышением скоростей полета летательных аппаратов и ростом теп-
лонапряженности двигателей. Однако подобные топлива имеют
весьма ограниченные сырьевые ресурсы, и на их производство
требуются большие энергетические затраты. В современных
условиях это является большим недостатком для топлив мас-
массового применения.
В связи с этим наметился другой путь повышения плотно-
плотности, а следовательно, и энергоемкости топлив массового при-
применения— повышение их температуры выкипания за счет сни-
снижения требований по температуре начала кристаллизации и ис-
использование высокоароматизированных нефтяных фракций без
их гидрирования. Температура начала кристаллизации топлива
повышается с —60 °С до —50 °С, а содержание ароматических
углеводородов увеличивается с 10,0—18,5 до 22—25% (в за-
зависимости от марок топлива). Практически стабильность топ-
топлив, как показано ниже, при этом существенно не меняется, а
проблемы повышенного нагарообразования ароматизированных
топлив могут быть разрешены за счет совершенствования кон-
конструкции ГТД.
Известны и другие способы повышения энергоемкости топ-
топлив. Например, создание синтетических топлив, состоящих в
основном из би- и полициклических нафтеновых углеводородов,
спирановых углеводородов, а также металлорганических со-
соединений. Но эти топлива из-за ограниченности сырьевых ре-
ресурсов и дороговизны нельзя рассматривать как массовые для
реактивной авиации. Их можно использовать лишь для авиа-
авиационной техники узкоспециального назначения либо для от-
отдельных полетов летательных аппаратов.
Устойчивость горения. Под устойчивостью горения реактив-
реактивных топлив понимают способность сохранять фронт пламени
при отклонении от нормального режима горения топлив в
случае обеднения или обогащения смеси. Устойчивость горе-
горения характеризуют предельными значениями состава смеси по
коэффициенту избытка воздуха, при которых сохраняется
фронт пламени. Чем шире пределы устойчивого горения топли-
топлива, тем большие возможности имеет двигатель в маневре по
числу оборотов, легче обеспечивается его запуск и надежнее
работа на различных режимах. Пределы устойчивого горения
определяют на лабораторных горелках диффузионного типа
[169] либо на установках с модельными камерами сгорания.
Влияние углеводородного состава топлива на пределы
устойчивости горения проявляется под воздействием химиче-
химических и физических факторов. Роль химических факторов опре-
204
деляется долей топлива, сгорающего вследствие самовоспламе-
самовоспламенения: чем она больше, тем выше скорость сгорания смеси в
двигателе. В работе [130] приведены результаты исследования
влияния химического состава топлива для близких по физиче-
физическим свойствам испытуемых образцов на пределы устойчивого
горения в условиях, имитирующих прямоточные воздушно-
реактивные двигатели. Показано, что при низких температурах
топлива наибольшими пределами устойчивого горения харак-
характеризуются алканы, наименьшими — ароматические углеводо-
углеводороды. С повышением температуры расширяются пределы
устойчивого горения ароматических углеводородов, а алканов
и цикланов сужаются либо остаются без изменений.
Роль физических факторов сводится к влиянию свойств
топлива на смесеобразование. Так, повышение испаряемости
топлива, характеризуемое снижением температуры начала ки-
кипения и увеличением содержания низкокипящих фракций, при-
приводит к расширению пределов устойчивого горения, в основ-
основном в сторону более бедных смесей. Повышение температуры
конца кипения топлива и увеличение содержания высококипя-
щих фракций, наоборот, сужает эти пределы, что осложняет
запуск двигателей и может сделать его невозможным. Сниже-
Снижение вязкости и поверхностного натяжения топлива улучшает
распиливание и качество смесеобразования, и это также рас-
расширяет пределы устойчивого горения.
Пределы устойчивого горения зависят и от условий сгора-
сгорания топлива — давления и температуры поступающего воздуха.
Суммарное влияние различных показателей качества топли-
топлива на пределы устойчивого горения, выраженное предельными
значениями коэффициента избытка воздуха, установленное
при испытании на установке с модельной камерой сгорания,
показано на рис. 9.11 [170]. Как видно, с повышением средней
температуры выкипания прямогонного топлива пределы устой-
устойчивого горения сужаются. В большей степени это изменение
выражается при работе двигателя на бедных смесях.
Таким образом, надежную работу авиационных двигателей
на различных режимах за счет расширения пределов устой-
устойчивого горения топлива можно обеспечить совершенствованием
конструкции двигателей, направленным на улучшение смесеоб-
смесеобразования, снижение- скоростей потока и обеспечение предпла-
менной подготовки топлива, способствующей повышению доли
топлива, сгорающего вследствие самовоспламенения, а также
изменением химического состава топлива в сторону увеличения
доли алканов и снижения температур его выкипания.
Излучательная способность пламени. В камерах сгорания
газотурбинных двигателей в процессе горения топлива лучи-
лучистая энергия от пламени переносится к стенкам. Перенос на-
наблюдается в основном в инфракрасном диапазоне волн длиной
1—2 мкм и не ослабляется заградительным слоем воздуха,
изолирующим стенки от горячих газов. Главный источник лу-
205
сгорания, кПа
Рис. 9.11. Зависимость предельных
значений коэффициента избытка воз-
воздуха при устойчивом горении топ-
лив от давления воздуха на входе в
камеру сгорания:
/ — бензин Б-70; 2 — топливо Т-1; 3 — ди-
дизельное топливо
чистой энергии — мельчайшие
частицы твердого углерода, ко-
которые всегда образуются при
сжигании жидких углеводород-
углеводородных топлив. Интенсивность све-
свечения пламени при горении
топлив в ГТД характеризует-
характеризуется люминометрическим числом,
определяемым с помощью лю-
минометра. Некоторые иссле-
дователи считают, что вследствие гиперболического характера
зависимости люминометрического числа (ЛЧ) от концентрации
сажистых частиц лучше пользоваться другим показателем — ин-
индексом черноты пламени (ИЧП), который определяют с по-
помощью тех же люминометров. Он более коррелируется с пове-
поведением топлива в двигателе. Указанные показатели связаны
приближенной зависимостью: ИЧП^ 10 000/(ЛЧ+ 100) [171].
Но для характеристики реактивных топлив по излучательной
способности пламени наибольшее распространение получило лю-
минометрическое число.
Излучательную способность пламени в ГТД определяют с
помощью терморадиометров, оценивая ее по световому числу.
Это — отношение измеренной терморадиометром плотности лу-
лучистой энергии факела при горении соответственно испытуемого
и эталонного топлив, выраженное в процентах.
Связь между излучательными свойствами пламени (Ф),
температурой стенки жаровой трубы (/ж.тр) и люминометриче-
ским числом (ЛЧ) топлива для двигателей разной конструкции
можно проследить по данным, представленным в табл. 9.7,
и по влиянию давления в камере сгорания двигателя J-79 на
излучательную способность пламени для топлива с люминомет-
Таблица 9.7. Влияние топлива на излучательную способность пламени в
различных ГТД [160, 172]
Давление в камере сгорания 0,5 МПа
ЛЧ
то-
топлива
218
135
99
Двигатель J-79
Ф,
ж°ср
222 —
247 571
269 —
Двигатель J-57
Ф,
КВТ/М2
31
254
315
сс
353
363
382
ЛЧ
то-
J плива
1
64
1 44
0
Двигатель J-79
Ф,
кВт/м2
351
407
705
ЖсСТР
635
660
754
Двигатель J-57
Ф,
401
429
795
t
ж. тр'
412
428
533
206
рическим числом, равным 44:
Рк сг, МПа Ф, кВт/м2 /ж тр, °С
0,2 228 507
0,3 388 629
0,5 407 660
Как следует из этих данных, при горении топлива тепло-
напряженность стенки жаровой трубы значительно зависит от
конструкции двигателя и давления в камере сгорания. При по-
постоянстве последних использование топлива с меньшим ЛЧ
приводит к повышению плотности лучистой энергии факела и
дополнительному нагреву стенок камеры сгорания. Это может
быть причиной перегрева стенок, уменьшения усталостной
прочности металла и появления в нем трещин, коробления и
прогаров.
Люминометрическое число зависит от углеводородного со-
состава топлива. В общем виде это выражается повышением ЛЧ
реактивного топлива при увеличении содержания в нем водо-
водорода, снижении содержания ароматических углеводородов
(особенно би- и полициклических), уменьшении плотности и
снижении температуры выкипания. Различными исследовате-
исследователями установлено несколько зависимостей люминометричерко-
го числа от отдельных показателей, в той или иной мере свя-
связанных с углеводородным составом топлива. Так, эмпириче-
эмпирическая формула [173] отражает зависимость ЛЧ от содержания
в топливе водорода Сн (в %):
ЛЧ= 16,50Сн— 174,5. (9.8)
Предложены также эмпирические уравнения, показывающие
зависимость ЛЧ от плотности, фракционного состава, содержа-
содержания ароматических углеводородов и других показателей, свя-
связанных с углеводородным составом топлива. Эти зависимости
имеют практическую ценность при сравнении образцов топлив,
близких по своему углеводородному составу. В то же время
следует учитывать, что, например, зависимость между ЛЧ и
содержанием водорода не учитывает структуру молекулы угле-
углеводорода, от которой в значительной степени зависит этот
показатель. Так, ЛЧ нормальных алканов значительно отли-
отличаются от ЛЧ их изомеров, содержащих одинаковое число
атомов углерода и водорода. Например, ЛЧ я-гексана и 2,3-ди-
метилбутана составляют соответственно 171 и 127 [174].
В других предложенных эмпирических зависимостях углеводо-
углеводородный состав также выражен косвенно через фракционный
состав в сочетании с содержанием в топливе ароматических
углеводородов и, как правило, каким-либо другим показателем.
Эти эмпирические зависимости в основном справедливы для
получаемых традиционными технологическими процессами
нефтяных реактивных топлив, характеризующихся узкими пре-
пределами изменения углеводородного состава. В случае значи-
207
тельного отклонения химического состава топлива от тради-
традиционного, например при получении синтетических топлив из
ненефтяного сырья или использовании присадок, влияющих на
процесс горения, требуется экспериментальное определение
люминометрического числа.
Исходя из того, что главным источником свечения пламени
являются мельчайшие частицы сажи, можно заключить о на-
наличии тесной связи между люминометрическим числом и дым-
ностью продуктов сгорания. Такая связь действительно суще-
существует. Однако нет абсолютной аналогии в изменении указан-
указанных показателей с изменением состава топлива [160]. Напри-
Например, со снижением температур выкипания топлива интенсив-
интенсивность свечения пламени на установке УНТ-1 снижается меньше,
чем дымление:
Топливо
Дизельное ДЛ
Реактивное:
Т-1
ТС-1
РТ
Бензин Б-70
Интенсивность, %:
дымообразования
100
70
65
60
55
свечения пламени
100
90
80
75
65
Эта разница в поведении становится еще более заметна,
если в топливо введена антидымная присадка Любризол-565:
Т-1 без присадки Т-1+0,5% при-
присадки
Плотность лучистой энергии, 23,4 23,3
кВт/м2
Световое число 134 134
Дымное число 133 99
Изложенное свидетельствует о самостоятельном значении
такой характеристики реактивных топлив, как излучательная
способность пламени и трудности ее однозначного выражения
через другие показатели.
Склонность к нагарообразованию. В принципе возможно со-
создание камеры сгорания газотурбинного двигателя, обеспечи-
обеспечивающей сгорание без образования нагаров и дыма топлив в
широком диапазоне изменений их. Однако такие камеры мало-
малопригодны для авиационного двигателя ввиду того, что они
имеют весьма узкие пределы устойчивого горения. Расширить
этот диапазон можно только локальным либо общим обогаще-
обогащением горючей смеси, а при любом обогащении смеси в двигате-
двигателе интенсифицируются процессы образования нагара. Поэтому,
как правило, при сгорании топлив в серийных авиационных
ГТД образуется нагар. Он обычно откладывается локально,
неравномерно на стенках камеры сгорания и на форсунках.
Обладая плохой теплопроводностью, отложения нагара при-
208
водят к неравномерному охлаждению и нагреву отдельных
участков стенки камеры сгорания, вызывают большие темпера-
температурные напряжения и как результат приводят к деформации и
возможным разрушениям стенок камеры. При большом коли-
количестве нагара у отверстий для поступления воздуха в жаровую
трубу может нарушиться работа двигателя вследствие ухудше-
ухудшения процесса смесеобразования и охлаждения стенок камеры.
Нарушение рабочего процесса, коробление и даже прогар
камер сгорания могут произойти из-за отложений нагара на
форсунках и изменения вследствие этого направления движе-
движения и формы факела. Кроме того, при повышенном нагарооб-
разовании обычно происходит засорение турбинных сопел и
эрозионный износ лопаток турбины.
Качество (состав, структура) и масса нагара, образующего-
образующегося в двигателе, зависят от химического состава топлива и от
условий его сгорания, определяемых конструкцией двигателя,
в том числе качеством распыливания топлива, составом рабо-
рабочей смеси, давлением в камере сгорания, температурой ее
стенок. Для оценки склонности топлив к нагарообразованию в
ГТД используют различные методы. В основном они сводятся
к определению состава топлива, например содержания С и Н,
параметров пламени в различных диффузионных горелках,
полноты сгорания, массы образующегося нагара, дыма и не-
некоторых других параметров на модельных лабораторных уста-
установках и установках с натурными камерами сгорания либо на
полноразмерных двигателях в стендовых условиях.
Влияние состава топлива на его нагарообразующую спо-
способность оценить сложно. Ввиду того что одним показателем
углеводородный состав такой сложной смеси, какой является
реактивное топливо, выразить не удается, влияние этого соста-
состава на нагарообразование в ГТД более объективно отражаются
зависимостями массы образующегося нагара одновременно от
нескольких показателей. Исследования [14, 175], проведенные
на индивидуальных углеводородах, показали, что их полнота
сгорания и нагарообразующая способность увеличиваются в
следующем ряду: алканы > моноциклические цикланы > цик-
лоолефины > бициклические цикланы > моноциклические аро-
ароматические углеводороды с боковыми цепями > полицикличе-
полициклические ароматические углеводороды.
Однако, используя эти зависимости, следует учитывать, что
групповой углеводородный состав не отражает размеров моле-
молекул углеводородов, а следовательно, и их физических свойств,
которые в значительной степени влияют на процесс горения и
нагарообразования. В результате отдельные углеводороды из
указанных групп в этом ряду могут поменяться местами.
Многочисленными исследованиями влияния различных по-
показателей, отражающих в какой-то мере состав топлив, уста-
установлены общие тенденции. Они сводятся к тому, что склонность
топлива к нагарообразованию уменьшается с увеличением со-
14—518 209
держания водорода, происходящим при уменьшении содержа-
содержания ароматических углеводородов, снижении плотности и тем-
температур выкипания. Предложены следующие эмпирические
аналитические зависимости склонности реактивного топлива к
нагарообразованию от различных показателей, связанных с его
.составом [14, 173, 176, 177]:
C=52,2—3,4СН, (9.9) Ян.п = И ,25СН— 161,5, (9.10)
К = (t0/ +600) 0,6 (Н/С— 0,207)/(Н/С — 0,259), (9.11)
G = In @,83С/Н—. 1,5)/0,54 + t^ /225— 3,0, (9.12)
G= 14-10-9 (С/Н) р2 -\/v(CaJl + 20Сц + 40Са), (9.13)
где G — масса нагара, образующегося в модельной установке, г; #н.п—вы-
#н.п—высота некоптящего пламени, мм; К — коэффициент нагарообразования (фак-
(фактор (NASA); *IOo/o ^50о/о — температура выкипания соответственно 10 и 50%
(об.) топлива, °С; Са, Сц, Сал — содержание ароматических углеводородов,
цикланов и алканов соответственно, %; С/Н— массовое соотношение угле-
углерода и водорода; р — плотность топлива, кг/м3; v — вязкость топлива при
20 °С, мм2/с.
Установлено также, что высокое содержание в топливе смо-
смолистых и сернистых соединений вызывает усиленное нагарооб-
разование, а повышенное содержание соединений серы способ-
способствует также уплотнению и упрочнению нагара. Однако для
современных товарных реактивных топлив, в которых содер-
содержится относительно немного смол и сернистых соединений, из-
изменение их содержания в пределах норм, допускаемых стан-
стандартами, практически не сказывается на нагарообразующей
способности топлива. Была исследована нагарообразующая
способность реактивных топлив на искусственно полученных из
товарных отечественных топлив образцах, различающихся либо
только температурой выкипания отдельных фракций, либо со-
содержанием моно- и бициклических ароматических углеводоро-
углеводородов. Получена следующая эмпирическая зависимость массы
нагара, образующегося в различных лабораторных установках
с модельными камерами сгорания, от показателей, отражающих
состав топлива:
G= КF,3 + 0,1А) ^срР2.ю-18, (9.14)
где G — масса нагара, г; р — плотность топлива при 20 °С, кг/м3; /ср — ус-
усредненная температура выкипания топлива (°С), которая рассчитывается
по температурам выкипания его 10, 50 и 98% (об.) (соответственно
*Ю%> *50%> Wono Ф°РмУле: *ср = О,ЗО*1о%+О,54*Бс%+(иб*98%; /( — коэф-
коэффициент, зависящий от конструкции экспериментальной установки. (Напри-
(Например, для установки ВНИИ НП он равен 280, а для 1-164 равен 1,3).
При наиболее характерном для товарных топлив содержа-
содержании моноароматических углеводородов изменение до 3% би-
бициклических ароматических углеводородов почти не сказывает-
сказывается на нагарообразующей способности топлива. Зависимость
(9.14) позволила обобщить полученные разными исследовате-
исследователями данные по массе нагара в модельных установках при ис-
испытании различных отечественных товарных топлив. На рис.
2 10
Рис. 9.12. Зависимость склонности к
нагарообразованию от содержания
ароматических углеводородов в ре-
реактивных топливах (масса нагара на
установке ВНИИ НП):
О — Т-6; Л —Т-1; ф—РТ; Х-ТС-1 Ч
9.12 линиями показаны пре- §
дельные значения, рассчитан- *
ные по формуле (9.14). Все у
отечественные товарные топли- ^
ва имеют склонность к нагаро-
нагарообразованию значительно бо-
более низкую, чем потенциально
возможную, исходя из требо-
требований стандарта на них. Это
объясняется запасом качества
О 5 Ю 15 20 25 50 35~
Содержание ароматических цгпеводородйб, %
вырабатываемых отечественных топлив по многим показателям:
фракционному составу, содержанию ароматических углеводоро-
углеводородов и другим.
Современные авиационные ГТД имеют, как правило, высо-
высокий уровень отработки конструкции, поэтому обладают боль-
большим запасом по возможности применения топлив с повышен-
повышенной нагарообразующей способностью. Это позволяет увеличи-
увеличивать сырьевые ресурсы реактивных топлив за счет расширения
температурных пределов их выкипания и увеличения доли аро-
ароматических углеводородов. Однако еще имеются авиационные
двигатели, которые таким запасом не обладают. Например,
в двигателе РД ЗМ-500 при работе на топливе Т-1 уже при
содержании в нем 22% ароматических углеводородов образует-
образуется недопустимое количество нагара [62]. Приведенные на рис.
9.12 данные позволяют провести сравнительную оценку топлив
по нагарообразующей способности и, зная предельные воз-
возможности двигателя на одном из топлив, выявить возможность
его работы на топливах других марок и допустимое изменение
их состава.
Таким образом, приемлемое нагарообразование в двигателе
можно обеспечить за счет его конструкции и подбора химиче-
химического состава топлива. Так как расширение сырьевых ресурсов
реактивных топлив связано с изменением их состава, вызы-
вызывающим повышение нагарообразующей способности, большое
практическое значение приобретает улучшение этого показателя
с помощью присадок. В качестве таковых используют гидропе-
роксиды, нитросоединения, азиды, галогеноводороды, а также
металлорганические соединения, содержащие металлы перемен-
переменной валентности (Си, Fe, Cr и др.) [62, 168]. Металлсодержа-
Металлсодержащие присадки менее предпочтительны из-за повышения золь-
зольности топлива. И хотя в настоящее время антинагарные при-
присадки пока в массовых реактивных топливах не используют,
есть основания полагать, что в будущем интерес к ним воз-
возрастет.
14*
211
9.5. СКЛОННОСТЬ К ОБРАЗОВАНИЮ ОТЛОЖЕНИЙ4
Низкотемпературные отложения. Склонность реактивных
топлив к образованию отложений связана с происходящими в
них процессами окисления, конденсации и полимеризации ге-
тероатомных соединений. Эти процессы протекают как при
высоких, так и при низких температурах, только с меньшей
скоростью. Работами различных исследователей [178, 179] по-
показано, что механизм окисления меняется при достижении тем-
температур в реактивных топливах 110—130°С. При более низких
температурах нет принципиального различия в механизме об-
образования отложений в реактивных топливах: начиная от тем-
температуры начала кристаллизации и до указанных температур,
меняется лишь скорость процесса.
В практике эксплуатации авиационной техники низкотемпе-
низкотемпературные отложения в реактивных топливах в основном отме-
отмечают на стенках складских резервуаров, фильтрах тонкой очи-
очистки заправочных средств, а также в топливных системах са-
самолетов на фильтрах тонкой очистки, деталях топливоподаю-
щей аппаратуры и в топливомасляных радиаторах.
Образующиеся в небольших количествах в резервуарах
складов, они представляют собой преимущественно обводнен-
обводненные продукты коррозии. Такие отложения сравнительно легко
удаляются при плановых зачистках резервуаров, и при надле-
надлежащем фильтровании горючего при заправке они не попадают
в топливные системы летательных аппаратов.
Образование отложений в самих топливах и на деталях
топливных систем, как правило, обусловлено некоторым на-
нагревом топлива. При чрезмерном количестве эти отложения
могут отрицательно воздействовать на работу топливных си-
систем, вызывая забивку фильтров, нарушая работу топливоре-
гулирующей аппаратуры и снижая эффективность охлаждения
нагретых тел в теплообменных аппаратах. Осадок, образовав-
образовавшийся на фильтре самолета без топливомасляного радиатора
при применении реактивного топлива ТС-1 с пятилетним сроком
хранения, имеет следующий состав: 42,7% углерода и 5,7%
водорода в органической части; зольность — 54,6% [179].
Склонность топлив к образованию низкотемпературных от-
отложений в стандартах на отечественные топлива принято оце-
оценивать по содержанию фактических смол и йодному числу.
Указанное свойство можно характеризовать и другими показа-
показателями, отражающими содержание и характер гетероатомных
соединений. О содержании гетероатомных соединений можно,
например, судить и по кислотности топлива, определение кото-
которой также предусмотрено соответствующими стандартами. В ис-
исследовательской практике часто для этой цели используют
хроматографическпй метод.
Содержание фактических смол (при всей условности этого,
заимствованного из* методов испытания бензинов показателя)
212
косвенно характеризует суммарную долю находящихся в топ-
топливе гетероатомных соединений, способных к образованию осад-
осадков, и отложений окислительного характера. Йодное число ха-
характеризует содержание в топливе алкенов, которые из всех
находящихся в нем углеводородов являются наиболее склон-
склонными к окислению и дальнейшим превращениям.
Среди отечественных товарных топлив (см. табл. 8.3) наи-
наихудшим по содержанию фактических смол является топливо
Т-1. Поскольку в результате гидрогенизации нефтяных фрак-
фракций из них удаляется основная масса гетероатомных соедине-
соединений, в топливах, подвергшихся такой обработке, содержится до
2 мг/100 мл фактических смол, что с учетом погрешности опре-
определения можно принять за их отсутствие. Топливо ТС-1 в связи
с использованием для его получения малосмолистых нефтей,
с вовлечением в него в ряде случаев до 70% гидроочищенной
фракции, а также более низкой температурой конца кипения
содержит фактических смол значительно меньше, чем топливо
Т-1. По этим же причинам йодное число топлив, подвергшихся
гидрогенизации, мало и составляет 0—0,5 г Ь/мл, для осталь-
остальных топлив оно, как правило, в несколько раз больше.
Аналитических зависимостей между указанными показате-
показателями и отложениями, образующимися в реактивных топливах
в процессе эксплуатации техники, пока не установлено. Однако
отмечается, что по склонности к низкотемпературным отложе-
отложениям в топливных системах летательных аппаратов хуже топ-
топливо Т-1, лучше ТС-1. Современные отечественные гидрогени-
зированные топлива при эксплуатации авиационной техники
низкотемпературных отложений, как правило, не образуют.
В результате происходящих в топливе окислительных и со-
сопряженных с ними процессов полимеризации и уплотнения
склонность топлив к образованию низкотемпературных отло-
отложений при длительном их хранении в естественно-природных
условиях изменяется. Стандартами на прямогонные топлива
допускается повышение содержания фактических смол до
8 мг/100 мл после 3 (и более) лет его хранения на складах.
Разные исследователи [179, 180] отмечают, что изменение со-
содержания фактических смол при длительном хранении топлив
имеет циклический характер, т. е. с течением времени содер-
содержание фактических смол в топливе постепенно повышается и
снижается. Более подробно эти явления рассмотрены ниже в
связи с высокотемпературными отложениями.
Термоокислительная стабильность. Склонность к образова-
образованию отложений реактивных топлив характеризуется также их
термоокислительной стабильностью. Уровень качества топлив
по этому показателю зависит от их устойчивости к окислению
при нагревании и к формированию второй фазы. Последняя
нарушает гомогенность жидкости и в эксплуатационных усло-
условиях приводит к забивке фильтров, отложениям на деталях
узлов и агрегатов топливной систем летательных аппаратов,
213
что может вызвать различные нарушения в их работе. Экс-
Эксплуатационное значение термоокислительной стабильности
реактивных топлив постоянно возрастает, так как с развитием
авиационной техники происходит повышение теплонапряжен-
ности двигателей и их топливных систем, расширение исполь-
использования топлива в качестве рабочего тела для охлаждения
масла, радиолокационной и другой аппаратуры, для конди-
кондиционирования кабины и салонов, а также для других целей.
Уровень термоокислительной стабильности в первую оче-
очередь зависит от устойчивости топлив к окислению. Установле-
Установлено, что по мере повышения устойчивости к окислению углево-
углеводороды различных классов можно расположить в следующий
ряд: непредельные, цикланоароматические, алкилароматиче-
алкилароматические, цикланы, алканы. С повышением молекулярной массы
химическая стабильность углеводородов снижается [181]. Раз-
Различные углеводороды, присутствующие в реактивных топливах,
подвергаются окислению в смеси и оказывают взаимное влияние
на скорость окисления: могут инициировать либо тормозить
процесс. Например, ароматические углеводороды защищают
от окисления цикланы, причем гомологи нафталина и другие
полициклические углеводороды обладают большей защитной
способностью, чем гомологи бензола. Цикланоароматические
углеводороды значительно увеличивают скорость окисления
алканов и цикланов. Продукты окисления, накапливающиеся
в топливах, заметно изменяют направление и скорость окисле-
окисления углеводородов; они могут оказывать и тормозящее, и ини-
инициирующее действие. Так, в гидрогенизированных реактивных
топливах накапливающиеся продукты автоокисления при соот-
соответствующей концентрации оказываются естественными ингиби-
ингибиторами дальнейшего окисления [178].
В химических превращениях топлив принимают участие и
гетероатомные соединения, продукты окисления которых взаи-
взаимодействуют с веществами, образующимися при окислении
топлив, при этом усложняется состав конечных продуктов.
Среди гетероатомных соединений отрицательное действие на
стабильность топлив оказывают соединения серы и самыми
реакционноспособными являются меркаптаны [182]. Азотистые
соединения при обычных температурах довольно стабильны к
окислению, но в химических превращениях топлив они уча-
участвуют. Среди соединений азота наиболее реакционноспособны
замещенные в кольце (пирролы и индолы) [183, 184].
Проведенный многими исследователями анализ продуктов,
образующихся при окислении реактивных топлив, свидетель-
свидетельствует о многообразии протекающих окислительных процессов,
связанном со сложным углеводородным составом топлив, на-
наличием в нем гетероатомных соединений. Это обусловливает
разные скорости и направления процессов окисления, взаим-
взаимное влияние компонентов топлив и продуктов их окисления.
Глубокоочищенные от гетероатомных соединений топлива
214
имеют повышенную в сравнении с неочищенными топливами
склонность к окислению. Скорость окисления гидроочищенных
топлив соизмерима со скоростью окисления индивидуальных
соединений [179, 185, 186]. Продукты окисления — смесь кис-
кислородсодержащих структур: гидропероксидов, спиртов, альде-
альдегидов и кетонов, кислот, сложных эфиров. В них обнаружи-
обнаруживаются также непредельные соединения. Основная часть про-,
дуктов окисления в топливе находится в растворенном состоя-
состоянии. По данным [167], лишь одна трехсотая часть их выпадает
при окислении в осадок.
С повышением температуры увеличивается количество обра-
образующегося за определенное время осадка, и при температуре
130—170 °С (в зависимости от марки топлива) оно достигает
максимума, а с дальнейшим повышением температуры сни-
снижается. Однозначного объяснения этому явлению нет. Его
связывают с уменьшением доступа кислорода к топливу по
мере роста температуры [185], с поверхностно-активными
свойствами и изменением растворимости осадка [187, 188], а
также с экстремальным изменением вероятности зарождения
свободных радикалов и адсорбционной активности зародышей
твердой фазы [181].
Осадки в гидрогенизированных топливах в случае отсут-
отсутствия контакта с металлами имеют аморфное строение. В них
обнаруживают ароматические структуры и различные кисло-
кислородсодержащие функциональные группы, в частности СО и ОН.
При окислении топлив в контакте с металлами в осадке най-
найдена и кристаллическая фаза, состоящая в основном из смеси
солей карбоновых кислот [167].
Авторами работы [186] изучены кинетические закономер-
закономерности окисления реактивных топлив в контакте с конструк-
конструкционными материалами топливных систем летательных аппа-
аппаратов. Среди исследованных металлов есть катализаторы и
ингибиторы окисления. Металлы-катализаторы окисления по
активности расположены авторами в следующий ряд: Pb>Cu>
>Sn>Cr>Al>Fe, а металлы-ингибиторы окисления — в ряд:
Nb>Zn>Ni>W>Mg>Mo. В определенной последователь-
последовательности по удельной каталитической активности располагаются
цветные сплавы и стгли. Показано, что каталитическое дей-
действие материалов проявляется в ускорении распада гидропер-
гидропероксидов с образованием свободных радикалов, а тормозящее
действие гетерогенных ингибиторов — в многократном обрыве
цепей на их поверхности. Сделан вывод о существовании ли-
линейной зависимости между окисляемостью топлива в присут-
присутствии контактирующих материалов и образованием продуктов
уплотнения (осадков и смол) при окислении.
В работе [167] предложено общее кинетическое уравнение
образования коллоидных систем при окислении реактивных
топлив, исходя из подобия коагуляции коллоидных растворов
и бимолекулярной реакции. Это уравнение выведено с большим
215
количеством допущений и требует дополнительного эксперимен-
экспериментального определения влияния различных факторов (каталити-
(каталитических, объемных и других), от которых так же, как от входя-
входящих в уравнение температуры и энергии активации процесса
коагуляции, зависят формирование коллоидных частиц и их
рост.
В соответствии с общепринятыми представлениями окисле-
окисление углеводородных топлив — это цепной процесс. Как было
показано в работе [130], определение скорости окисления та-
такой смеси углеводородов, какой является реактивное топливо,
весьма затруднительно. Приближенные методы определения
скорости процесса не дают представления о возможности и
скорости образования в них второй фазы, а следовательно,
и склонности топлив к образованию отложений. Это свойства
топлив в настоящее время наиболее достоверно оценивают
методами, с помощью которых непосредственно определяют из-
изменение количества образующейся второй фазы в топливе при
его нагревании. Для отечественных топлив предусмотрена оцен-
оценка термоокислительной стабильности в статических и динами-
динамических условиях. В статических условиях определяют массы
осадка, растворимых и нерастворимых смол, образующихся при
окислении топлива кислородом воздуха при 150°С в приборах
ЛСАРТ или ТСРТ-2. В динамических условиях регистрируют
перепад давления на контрольном фильтре, время до полной
забивки фильтра, наличие отложений на оценочной трубке
при прокачивании нагретого топлива на установке ДТС-1, а
также индекс термостабильности и температуру начала обра-
образования отложений — на установке ДТС-2. За рубежом стан-
стандартами на топлива предусмотрено определение аналогичных
показателей. Исключение составляют два последних метода,
которые впервые разработаны в нашей стране. В исследова-
исследовательской практике используют и другие методы, но они не
имеют особых преимуществ перед перечисленными выше.
Результаты исследования состава и термоокислительной
стабильности некоторых конкретных образцов топлив показаны
в табл. 9.8. Из всех перечисленных показателей, характеризую-
характеризующих склонность топлив к образованию отложений, лучше всего
дифференцировать топлива по индексу термостабильности (ИТ),
температуре начала образования отложений (tH.o) и перепаду
давления (ДР) на фильтре за 5 ч испытания. Содержание фак-
фактических смол, йодное число, масса образующегося осадка при
окислении в статических условиях очень грубо характеризуют
указанное эксплуатационное свойство реактивных топлив.
Практически совершенно не чувствительным к современным
топливам является показатель, отражающий массу отложений
на установке ДТС-1. По склонности к образованию отложений
на нагретой поверхности, характеризуемой ИТ, в порядке ухуд-
ухудшения этого показателя реактивные топлива располагаются в
ряд: Т-1->ТС-1-> РТ-^Т-6. При этом следует учитывать, что
216
Таблица 9.8. Термоокислительная стабильность реактивных топлив [189]
Обозначения: Сф сМ — содержание фактических смол; Сс об — содержание серы
общей; Сс м — содержание серы меркаптановой; Са — содержание ароматических угле-
углеводородов; и. ч. — йодное число; ИТ — индекс термостабильности; tH 0 — температура
начала образования отложений; АР — перепад давления на фильтре по результатам ис-
испытаний на различных установках (приборах)
Номер
образ-
образца
Показатели физико-химических
свойств
SO
о5
vb
О
S
о3
и
о
-о
И. Ч
г 1/1
ДТС-2
Н
о
о
X
ДТС-1
V
ю
а
га
к
к
отло
балл
Масса
осадка*,
мг/100 мл
2
3
4
10
5
3
Топливо Т-1 (прямой перегонки)
0,4 5,1
0,040 Отсут-
Отсутствие
0,035 »
0,035 »
0,036 »
13
11
13
21
0,2
0,3
0,5
3,6
3,2
3,1
99 85 (за
4 ч)
86 2
100 —
90 0
14
8
13
7
5
б
7
Топливо ТС-1 (прямой перегонки)
0,130 0,0050
0,110 0,0041
— 0,0011
18
15
20
0,6
0,6
3,8
1,7
1,5
2 1,130 0,0047 14 0,7 1,2
90
88
102
96
48
0
85 (за
2 ч)
0
Топливо ТС-1 (смесь прямогонного и гидроочищенного компонентов)**
9
10
11
12
13
14
15
16
1
1
2
1
3
2
1
1
0,046
0,100
0,070
Т о п л и
0,008
0,010
0,010
0,009
0,0035
0,0025
—
0,0020
во РТ
Отсут-
Отсутствие
0,0002
0,0006
Отсут-
Отсутствие
16
18
19
18
0
0
0
0
,2
,5
,4
,4
3
1
0
0
(гидроочистки
17
15
15
15
0
0
0
0
,3
,2
,1
,1
0
0
0
0
,1
,7
,90
,60
с
,85
,75
,45
,38
83
88
83
100
присадкой
135
180
173 0,
181
0
«К»)
0
0
85
0
—
0
—
0
0
0
0
5
4
7
4
2
3
2
2
Топливо Т-6 (глубокого гидрирования прямогонного дистиллята)
17 3 — — 7 0,2 0,14 180 0,32 0 1
18 Отсут- 0,006 Отсут- 5 0,2 0,07 178 0 0 1
ствие ствие
* Для топлиз Т-1 и ТС-1 —на приборе ЛСАРТ (ГОСТ 9144—79): для топлив РТ и
Т-6 — на приборе ТСРТ-2 (ГОСТ 11802—66).
** Соотношение компонентов: для образцов 9 и 11—30:70; для образцов 10 и 12 —
36 : 64.
217
для каждой марки топлива индекс термостабильности изме-
изменяется в довольно широком диапазоне. В результате отдельные
лучшие образцы топлив Т-1 и ТС-1 по этому показателю могут
превосходить худшие образцы соответственно топлив ТС-1 и
РТ.
Приведенные лабораторные результаты хорошо согласуются
с данными использования указанных топлив на авиационной
технике: именно на топливе Т-1 больше всего образуется отло-
отложений на внутренней поверхности топливомасляных радиаторов
и других деталях топливной системы.
По температуре начала осадкообразования реактивные топ-
топлива довольно четко делятся на три группы в зависимости от
технологии их получения: 1) Т-1 и ТС-1, не подвергающиеся
гидрогенизационной обработке, или содержащие смесь прямо-
гонной и гидроочищенной фракций (85—100 °С); 2) для гидро-
очищенного топлива РТ—135—180 °С; 3) для глубокогидриро-
ванного топлива Т-6 около 180 °С.
При удалении гетероатомных соединений из прямогонных
топлив Т-1 и ТС-1 адсорбционной очисткой на силикагеле или
оксиде алюминия их показатели ИТ и tH.o становятся такими же,
как для топлива РТ:
ИТ U «v °С
Топливо Т-1:
до очистки
после очистки
после очистки
Топливо ТС-1:
до очистки
после очистки
ния
на
на
на
оксиде алюминия
силикагеле
оксиде алюми-
3,20
0,55
0,34
1,70
0,78
100
160
167
88
148
Смешение гидроочищенных фракций с прямогонными приво-
приводит к снижению температуры начала образования отложений до
уровня, свойственного прямогонным топливам, и к ухудшению
индекса термостабильности в пропорции взятых компонентов
смеси.
Соединения серы, в том числе меркаптаны, а также непре-
непредельные углеводороды в количествах, допустимых стандартами
на топливо, незначительно влияют на показатели ИТ и tu.o. При
наличии окисленных соединений в концентрациях, характерных
для указанных товарных топлив, не сказывается на этих пока-
показателях и содержание ароматических углеводородов. Их влия-
влияние можно проследить только в гидрогенизированных топливах,
содержащих небольшое количество гетероатомных соединений.
Так, топлива РТ и Т-6 с содержанием ароматических углеводо-
углеводородов 15—18 и 5—7% соответственно значительно различаются
по ИТ и ^н.о, а топливо Т-8В, содержащее 12% ароматических
углеводородов, находится в промежуточном положении (ИТ =
= 0,25, ^н.о=180оС).
218
Таблица 9.9. Влияние антиокислительных присадок на термоокислительную
стабильность топлива
Присадка
ИТ
Топливо РТ
Исходное, без присадки 0,85
То же, 0,003% ионола 0,70
После адсорбционной
очистки:
исходное, без при- 0,14
садки
с 0,003% ионола 0,05
173
178
184
186
Присадка
ИТ
Топливо Т-1
Исходное, без присадки 5,28
Исходное + присадка:
0,003% ионола 5,20
0,05% ионола 5,90
0,2% ионола 2,10
0,01% я-оксидифенил- 1,68
амина
0,05% я-оксидифенил- 1,50
амина
Азотированное 1,24
То же, 0,003% ионола
1,29
'н. о'
°с
98
90
90
98
100
99
100
103
Влияние различных функциональных присадок на склон-
склонность реактивных топлив к образованию отложений на горячей
поверхности проявляется по-разному. В отечественной и зару-
зарубежной практике распространение получили шесть типов (по
функциональному назначению) присадок к реактивным топли-
вам: антиокислительные, противоводокристаллизационные, про-
тивоизносные, диспергирующие, защитные и антиэлектростати-
антиэлектростатические. С точки зрения термостабильности топлив наибольший
интерес представляют противоокислительные и диспергирующие
присадки. Проведенные исследования [190] показали, что анти-
антиокислители, подавляя окислительный процесс, воздействуют
только на количество образующегося осадка, не изменяя темпе-
температуры начала его образования (табл. 9.9). Таким же образом
действует и замещение в топливе при испытании растворенного
кислорода на азот (азотирование). При введении антиокислите-
антиокислителей в концентрации выше предельной, как и при азотировании,
в топливе практически полностью подавляются окислительные
процессы, а отложения в несколько меньшем количестве обра-
образуются за счет термического уплотнения имевшихся в топливе
смолистых веществ и других гетероатомных соединений. Приве-
Приведенные данные свидетельствуют о том, что с помощью только
противоокислительных присадок нельзя получить значительного
улучшения термостабильности реактивных топлив, особенно об-
обладающих высокой склонностью к образованию отложений на
нагретой поверхности.
Диспергирующие присадки в отличие от антиокислительных
уменьшают ИТ и увеличивают tH.o (рис. 9.13). На эффектив-
эффективность диспергирующих присадок большое влияние оказывает их
собственная окисляемость и стойкость к разложению при нагре-
нагревании. Максимальный эффект достигается при одновременном
использовании диспергирующей и противоокислительной приса-
219
Температура 6 зонах термопар, °С
100 /47 178 132 №
Рис. 9.13. Спектры толщины отложений
топлива Т-1 с диспергирующими при-
присадками:
/ —Т-1 исходное; 2 — 0,05% присадки ТП; 3 —
0,05% ПМАМ-2; 4-0,05% ИХП-2; 5-0,05%
ПОДФА+0,01% ПМАМ-2; 5 — 0,05% ПМАМ-2
азотированное
100 200 300 400
Длина нагревателя, мм
500
док. Проблемы, связанные с обес-
обеспечением высокой термической
стабильности топлив, как пока-
показали исследования, могут быть
решены не только за счет гидро-
гидрогенизации топлив, но и с помо-
помощью комплексной присадки, об-
обладающей антиокислительными и
диспергирующими свойствами.
Последний путь с точки зрения
энергетических затрат может ока-
оказаться предпочтительным.
Присадки других функциональных назначений воздействуют
на термоокислительную стабильность топлив в соответствии с
тем, обладают ли они и в какой мере антиокислительными и
диспергирующими свойствами. Так, противообледенительные
присадки этилцеллозольв и тетрагидрофурфуриловый спирт
практически не влияют на tUmO и несколько снижают ИТ прямо-
гонных топлив, не изменяя этот показатель у гидрогенизирован-
ных топлив. Противоизносные присадки «К» и сантолен «С», не-
несмотря на то что обладают высокими поверхностно-активными
свойствами, мало изменяют ИТ и практически не влияют на tB.o.
Антистатические присадки Сигбол и ASA-3 несколько увеличи-
увеличивают ИТ и снижают tK.o. Ухудшение этих показателей в значи-
значительной степени снижается при одновременном введении ионо-
ла. Наибольшее различие в своем влиянии на термоокислитель-
термоокислительную стабильность имеют защитные присадки, которые в зави-
зависимости от своих поверхностно-активных свойств могут как
улучшать ИТ и tH.o, так и ухудшать эти показатели (табл. 9.10).
Проведенные на установке ДТС-2 исследования подтвердили
отмеченный ранее экстремальный характер зависимости осадко-
осадкообразования от температуры, что определяется в основном со-
составом топлива и продуктов окисления, а не давлением его на-
насыщенных паров и отсутствием доступа кислорода воздуха к
топливу. В топливе на выходе из установки ДТС-2 присутствует
значительное количество растворенного кислорода, достаточное
для продолжения окислительного процесса. Осадкообразование
наблюдается и при азотировании испытуемого топлива. В зави-
зависимости от температуры поверхности на ней откладываются
продукты окисления только соответствующего состава. Такой
процесс не зависит от давления насыщенных паров топлива и
связанной с этим степенью поступления кислорода из газовой
220
фазы. Полученные результаты являются новым подтверждени-
подтверждением высказанной ранее [181] точки зрения, что механизм образо-
образования отложений на нагретой поверхности имеет преимуществен-
преимущественно гетерогенный характер, а наличие максимума отложений
связано с изменением адсорбционной способности продуктов
окисления при увеличении температуры. Продукты окисления
в зависимости от строения молекул различны по адсорбционной
способности, поэтому получаются максимумы отложений при
разных температурах. Изменение химического (фракционного)
состава топлива приводит к изменению адсорбционной способ-
способности продуктов окисления и за счет этого к смещению макси-
максимума отложений по длине нагревательного элемента.
Зольность. Этот показатель характеризует содержание в
топливе минеральных примесей. Они представляют собой в ос-
основном продукты коррозии заводского оборудования, средств
хранения и транспортирования, попавшую в топливо почвенную
пыль, продукты износа топливной аппаратуры. Если топливо
вырабатывают из нафтеновых нефтей и подвергают при произ-
производстве «защелачиванию», то при недостаточной водной промыв-
промывке в нем может оставаться значительное количество натрия в ви-
виде нафтената. При сгорании топлива минеральные примеси в
случае их большого количества могут образовывать отложения
в проточной части ГТД и снижать к. п. д. двигателя за счет ухуд-
ухудшения его газодинамических свойств, а также оказывать корро-
коррозионное воздействие на лопатки турбин. Если же адгезионные
свойства образующихся после сгорания топлив минеральных со-
соединений недостаточно высокие, эти соединения обычно не обра-
образуют отложений на деталях газового тракта ГТД и выносятся
в виде твердых частиц вместе с отработанными газами. При
Таблица 9.10. Влияние присадок на термоокислительную
стабильность топлива
Присадка
Топливо Т-1
Без присадки
0,3% Этилцеллозольва
0,3% Тетрагидрофурфу-
рилового спирта
Топливо ТС
Без присадки
0,3% Этилцеллозольва
Топливо РТ, гпдро;
Образец jVo 1, без при-
присадки
0,003% присадки «К»
0,003% Сантолена «С»
5
9
О
,-1
1
1
У-11
0
0
0
IT
,20
66
,26
,58
,4!
топ
,17
,22
,21
'н.о.
°С
98
98
100
IC0
1С0
юе
175
172
173
Присадка
Топливо Т-1,
гидроочищенпое
Образец № 2, без при-
присадок
0,0005% Сигбола
0,0005% ASA-3
0,0005% Сигбола-f
+ 0,003% ионола
Образец № 3, без при-
присадок
0,003% присадки БМП
0,003% присадки КАП-25
ИТ
0,
2Ь
1,
1,
0,
9
о!
14
04
11
39
34
87
10
<н.о,
°С
184
100
98,
147
184
125
188
221
этом может наблюдаться повышенный эрозионный износ лопа-
лопаток турбин и соплового аппарата. Содержащиеся в топливе ми-
минеральные примеси могут также при длительном его хранении
выпадать в осадок и образовывать отложения на стенках емко-
емкостей. Содержание минеральных примесей в топливе обычно рез-
резко возрастает при нарушении правил его хранения и транспор-
транспортирования, а также при увеличении коррозии и износа деталей
топливной аппаратуры при повышенных температурах.
Зольность отечественных реактивных топлив всех марок
(в соответствии с требованиями стандартов на них) не должна
превышать 0,003%. В практике эксплуатации авиационной тех-
техники случаев превышения нормы зольности обычно не отмеча-
отмечается. Значение указанного показателя в основном вспомогатель-
вспомогательное— контроль за случайным попаданием в топливо посторон-
посторонних примесей, но такие явления, как правило, с высокой чувст-
чувствительностью обнаруживаются другими методами.
9.6. СОВМЕСТИМОСТЬ С КОНСТРУКЦИОННЫМИ
МАТЕРИАЛАМИ
Коррозионная активность. Коррозионное воздействие реактив-
реактивных топлив на металлы и сплавы может приводить к снижению
надежности работы авиационной техники, а также оборудова-
оборудования и технических средств, используемых при производстве,
транспортировании, хранении и заправке этих топлив. В усло-
условиях эксплуатации под действием топлива коррозии подвергают-
подвергаются внутренние поверхности резервуаров, трубопроводов и пере-
перекачивающих средств, детали агрегатов топливных систем, ком-
коммуникаций и баки летательных аппаратов. Естественно, продук-
продукты коррозии загрязняют топливо. Кроме коррозии металлов и
сплавов в жидкой фдзе топлива отмечают коррозию газовоз-
газовоздушного тракта авиационных двигателей в результате воздейст-
воздействия продуктов сгорания топлива.
По характеру коррэзионного разрушения металлов и сплавов
различают более 20 вадов коррозионных поражений, в том чис-
числе наиболее характерные для реактивных топлив сплошную,
местную, межкристаллитную и щелевую коррозию. По механиз-
механизму протекания процес-а различают два типа коррозии: химиче-
химическую и электрохимическую. Скорость, вид проявления и меха-
механизм коррозионного гроцесса в основном определяются соста-
составом среды, природой материала и температурными условиями.
Влияние состава топлива на его коррозионную активность обус-
обусловлено наличием в нем коррозионно-активных веществ и инги-
ингибиторов коррозии.
В стандартах на реактивные топлива их коррозионную ак-
активность предусмотрею оценивать по воздействию на медную
пластинку, а зарубежных топлив — дополнительно по воздейст-
воздействию на серебряную шастинку. По комплексу методов квалифи-
квалификационных испытаний дополнительно определяют коррозионную
222
активность топлив при повышенной температуре по отношению
к бронзе и меди.
К коррозионно-активным веществам, присутствующим в ре-
реактивных топливах, относятся сера и ее соединения, а также
кислородные соединения в виде органических и неорганических
кислот и щелочей. В топливах не допускается наличие водорас-
водорастворимых кислот и щелочей как наиболее коррозионно-агрессив-
ных веществ. Нерастворимые в воде органические кислоты, кото-
которые переходят в топлива из нефти в процессе производства и об-
образуются в результате окисления углеводородов при длительном
хранении, менее коррозионно-агрессивны, но могут непосредст-
непосредственно вступать в реакцию с цветными металлами (РЬ, Си и др.)
и вызывать их коррозию. В связи с этим их содержание в реак-
реактивных топливах, к#к правило, ограничивается (ГОСТ 5956—
79)—не более 0,7 мг КОН/100 мл. Органические кислоты, об-
обладая поверхностно-активными свойствами, улучшают противо-
износные и защитные свойства топлив. Поэтому для улучшения
противоизносных свойств содержание органических кислот в
топливе ограничено максимально допускаемым с точки зрения
коррозии, а «защелачивание» и водная промывка такого топли-
топлива при производстве отменены.
Из сернистых соединений наиболее нежелательны сера, серо-
сероводород, меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофены и тиофа-
ны; их коррозионная активность очень различна. К коррозионно-
активным относят сероводород, меркаптаны и серу, остальные
соединения считаются неактивными.
Присутствие сероводорода в топливах недопустимо и его
удаляют из нефтяной фракции при выработке топлива. Удале-
Удаление же свободной серы и меркаптанов сопряжено со значитель-
значительными трудностями, и поэтому их наличие в небольших количест-
количествах наряду с реактивными сернистыми соединениями допускает-
допускается в товарных реактивных топливах. В дистиллятах топлива
ТС-1, полученных из различных нефтей без специальной допол-
дополнительной обработки для удаления сернистых соединений, со-
содержатся (% в пересчете на серу) [62]:
Сера общая 0,13—0,25 Дисульфиды 0,011—0,051
Сероводород Отсутствие Сульфиды 0,024—0,104
Сера свободная Отсутствие —0,012 Сера остаточ- 0,042—0,153
Меркаптаны Отсутствие —0,04 ная
Содержание сернистых соединений серы в топливе ТС-1 мож-
можно охарактеризовать следующими данными (% в пересчете на
серу) [45]:
Сера общая След,ы Сульфиды Следы —0,12
Соединения серы Отсутствие — 0,025 Дисульфиды Отсутствие
окисленные Тиофены Отсутствие — сле-
Меркаптаны Отсу тствие — 0,05 ды
223
Рис. 9.14. Влияние свободной серы в
топливе на коррозию бронзы ВБ-24 и
коррозионные отложения на металле:
;—Т-1; 2 — ТС-1 из грозненских нефтей; 3 —
ТС-1 из туймазинской нефти
Свободная сера вызывает ин-
интенсивную коррозию роторов топ-
топливных насосов из бронзы ВБ-24
ц не влияет на кадмиевые и цин-
цинковые покрытия. Зависимость
_______ коррозии от содержания свобод-
0,00/ 0,002 0}003 о/т ной серы в различных топливах
Содержание серы, % представлена на рис. 9.14. Как
видно, коррозионные потери металла и количество образовав-
образовавшихся продуктов коррозии резко возрастают при увеличении
содержания серы более 0,002% [62, 192]. Содержание свобод-
свободной серы в реактивных топлизах косвенно оценивается по ис-
испытанию на медной пластинке. Топлива, содержащие меркап-
меркаптаны и >0,001% свободной серы, испытания на медную плас-
пластинку не выдерживают.
Меркаптаны особенно коррозионно-агрессивны по отношению
К: бронзе и меди, к свинцу, иридию и кадмию, из которых изго-
изготавливают детали топливной аппаратуры. На рис. 9.15 показано
Влияние меркаптанов на коррозию бронзы ВБ-24 и меди Ml при
6О°С [193]. С увеличением содержания меркаптанов в топливе
Повышается скорость коррозии, и по мере их расходования на
Коррозионный процесс, т. е. снижения содержания в топливе,
Коррозия замедляется и в итоге стабилизуется. Коррозионная
агрессивность меркаптанов зависит от их строения. Она возра-
возрастает по мере уменьшения разме-
размеров молекулы и снижения темпе-
температуры их кипения. Так, меркап-
меркаптаны, содержащиеся во фракции
130—240 °С, не вызывают значи-
I тельной коррозии меди за 100 ч
]при60°С, а содержащиеся во
фракции 60—130 °С почти пол-
полностью взаимодействуют с метал-
металлом в этих условиях. Наиболее
коррозионно-агрессивны меркап-
меркаптаны алифатического строения,
Рис. 9.15. Зависимость коррозионных
потерь бронзы ВБ-24 (—) и меди
( ) от длительности испыта-
испытания и содержания меркаптановой се-
серы:
наименее — ароматического, у которых тио-группа присоединена
непосредственно к ядру.
Присутствующие в реактивных топливах мало активные со-
соединения серы — сульфиды, дисульфиды, тиофены и тиофаны —
практически не вызывают коррозии топливной аппаратуры реак-
реактивных двигателей при температурах до 120 °С. С дальнейшим
повышением температуры до 250 °С коррозионно инертными ос-
остаются только тиофены [194]. Сульфиды вызывают заметную
коррозию бронз ВБ-24 и ВБ-24Н при 150 °С, а дисульфиды и
тиофаны —при 200 °С [195, 196].
Коррозионную агрессивность топлива при наличии соедине-
соединений серы очень сильно повышает присутствие воды. При экс-
эксплуатации авиационной техники в таких условиях отмечают са-
самую сильную коррозию кадмиевых покрытий, которые при дли-
длительном воздействии меркаптанов могут полностью разрушать-
разрушаться. Это явление сопровождается образованием студенистых от-
отложений меркаптидов кадмия, в отдельных случаях они нару-
нарушают нормальную работу двигателя. В настоящее время при-
применение кадмиевых покрытий в топливной аппаратуре ограни-
ограниченно и значительно снижено содержание меркаптановой серы
в реактивных топливах.
Интенсивность коррозионных процессов, протекающих в про-
проточной части ГТД под влиянием продуктов сгорания реактивных
топлив, также зависит от состава последних. При полном сгора-
сгорании все составляющие топлива соединения окисляются до окси-
оксидов, причем преобладают в продуктах сгорания реактивных
топлив оксиды углерода и вода. Они практически не представ-
представляют коррозионной опасности для жаропрочных сталей, исполь-
используемых в этих двигателях.
Наибольшее внимание с точки зрения коррозии заслуживают
содержащиеся в топливах сернистые соединения, которые неза-
независимо от своего состава окисляются до оксидов серы (SO2 и
SO3), а также микропримеси металлов V, Na, Mo и некоторых
Других.
Оксиды серы снижают коррозионную стойкость хромонике-
левых сплавов. Зависимость скорости газовой коррозии от сум-
суммарного содержания в топливе соединений серы (в пересчете
на серу) показана ниже [62]:
Содержание серы, % 0,010 0,015 0,07 0,13 0,15
Скорость коррозии, г/(м2-ч) 0,75 1,25 2,10 4,90 4,90
Температура начала коррозии, °С 1040 1030 1015 965 960
Как следует из этих данных, с ростом содержания серы ско-
скорость коррозии значительно возрастает и температура начала
коррозии снижается. Однако в некоторых случаях зависимость
газовой коррозии от содержания серы в топливе может иметь
более сложный характер [198]. Так, при испытаниях на установ-
установке с модельной камерой сгорания получено, что газовая корро-
15-518 225
50| | Рис. 9.16. Зависимость коррозион-
коррозионных потерь стали от содержания в
401\ топливе серы:
У — температура 840 °С, сталь ХН 75 МБТЮ;
" 30 — X 2— температура 920°, сталь ЭП-99
I
" L
1
2
1
1 !
- 20 -
| _^-^-—7 " ' зия стали с ростом содержа-
§ w ^^^ 2 ния серы до 1 % при 840 °С no-
noil^ стоянно возрастает, а при
I" I I \ i 1 I 920 °С снижается (рис. 9.16).
о Oft ot8 1,2 ifi 2,0 Такое снижение коррозии наб-
Содержание серы, % людается только в зоне, близ-
близкой к горящему факелу пла-
пламени. Исследованиями авторов [197] показано, что это явление
связано со способностью серы в малом количестве подавлять
ионизацию продуктов сгорания.
Из микропримесей металлов наиболее коррозионно-агрессив-
ны в газовой фазе примеси ванадия. Они присутствуют в топли-
вах преимущественно в виде сложных высокомолекулярных со-
соединений— порфиринов. Повышение содержания ванадия при-
приводит к монотонному ускорению газовой коррозии хромонике-
левых сталей. Механизм ванадиевой коррозии заключается в
том, что в условиях значительного избытка воздуха низшие ок-
оксиды ванадия переходят в V2O5 и он, будучи легкоплавким со-
соединением, является переносчиком кислорода, т. е. ускоряет
окисление металлов. Ванадиевая коррозия вызывает межкри-
межкристаллическое разрушение металла, она возникает при 650 °С и
содержании ванадия более Ы0~5%.
Процесс газовой коррозии резко усиливается при одновре-
одновременном присутствии в зоне горения соединений ванадия и нат-
натрия. Последние могут попадать в топливо на НПЗ вследствие
недостаточной водной промывки после «защелачивания», а так-
также при транспортировании в случае попадания морской воды.
Кроме того, соединения натрия могут попадать в камеру сгора-
сгорания двигателя вместе с воздухом при его заборе вблизи морской
воды, что характерно для полетов летательных аппаратов в
морских условиях. Соли натрия образуют с ванадием также
легкоплавкие F25—650 °С) ванадаты натрия —NaVO3, Na4V2O7,
Na3VO4 и комплексные соединения — ванадилванадаты Na2O-
•V2O4-5V2O5, которые ускоряют коррозионный процесс.
Соединения Mo, Co, Ni, W и других металлов могут оказать-
оказаться в топливе в виде примесей, унесенных с катализаторов в про-
процессе нефтепереработки. Некоторые из этих примесей усилива-
усиливают газовую коррозию в продуктах сгорания топлива. Например,
при сгорании соединений молибдена образуется его высший ок-
оксид МоО3; он по температуре плавления и направлению ускорен-
ускоренного развития коррозионного процесса аналогичен V2O5.
Основными мерами предотвращения коррозионного воздейст-
воздействия реактивных топлив на конструкционные материалы являют-
226
ся: подбор коррозионно-стойких металлов и сплавов, снижение
содержания коррозионно-активных компонентов, применение ан-
антикоррозионных присадок, а также соблюдение надлежащих
регламентов обслуживания авиационной техники. На практике,
как правило, перечисленные способы используют комплексно с
учетом требований надежности работы техники и экономических
факторов.
Воздействие на резины и герметики. Стойкость резин и гер-
метиков в реактивных топливах имеет весьма актуальное значе-
значение, так как во всех топливных системах летательных аппаратов
устанавливают детали из резин в качестве разных уплотнений,
мембран, прокладок и других резиновых технических изделий.
Из резины изготовлены также рукава для заправочных средств
и мягкие резервуары для хранения топлив. Герметики использу-
используют в большинстве летательных аппаратов в качестве покрытий
внутренней поверхности топливных баков.
Недостаточная стойкость резин и герметиков в реактивных
топливах приводит к вымыванию из них ингредиентов, измене-
изменению объема, нарушению эластичности, ухудшению прочностных
свойств, а в некоторых случаях — к растрескиванию и разруше-
разрушению. Такие изменения свойств указанных материалов обычно со-
сопровождаются нарушениями герметичности узлов и агрегатов
топливных систем, что в итоге приводит к ухудшению, а воз-
возможно, и отказу в их работе, а также к повышению пожаро-
опасности летательных аппаратов и загрязнению окружающей
среды. Разрушение резин и герметиков, кроме того, приводит к
загрязнению топлив механическими примесями, что вызывает
отрицательные последствия. Повышенное агрессивное воздей-
воздействие топлива на материал резино-тканевых резервуаров и рука-
рукавов сокращает сроки их возможного использования.
Проблема стойкости резин и герметиков в реактивном топ-
топливе должна решаться подбором соответствующей рецептуры их
при создании новой техники. Особых трудностей при этом не
возникает. Однако при разработке топлив новых видов или из-
изменении технологии их производства приходится изыскивать
возможность использования топлив для уже эксплуатируемой
техники или проводить необходимый объем ее модернизации.
В таких случаях особую важность приобретает воздействие топ-
топлив на резины и герметики.
Оценивают степень воздействия реактивных топлив на рези-
резины и герметики в лабораторных условиях. Обычно испытуемые
образцы резины или герметика выдерживают в топливе при вы-
выбранной температуре и затем определяют стандартными мето-
методами их физико-механические свойства. С целью имитации ус-
условий, характерных для топливных систем летательных аппара-
аппаратов, в некоторых методиках образцы выдерживают в потоке
топлива либо периодически заменяют контактирующие с образ-
образцами порции топлива в процессе испытания. Именно такие ме-
методы включены в комплекс квалификационных методов. Они
15* 227
позволяют четко дифференцировать реактивные топлива по ука-
указанному свойству.
По воздействию на резины и герметики реактивные топлива
могут очень сильно различаться. Обобщенные результаты иссле-
исследования по междуведомственной методике (в приборе ЦИТО-С)
стойкости резины ИРП-1078 в различных топливах без антиокис-
антиокислительных присадок приведены на рис. 9.17. Считается, что ре-
резина является стойкой по отношению к топливу, если в резуль-
результате испытания коэффициенты Ка и Кг составляют не более
0,5. Испытанные топлива по воздействию на резины делятся на
две группы. В первую группу входят гидрогенизационные топли-
топлива; в них резина выдерживает только от 2 до 6 трехчасовых
этапов испытаний в протоке топлива на кольцо при 135 °С. Вто-
Вторую группу составляют получаемые без гидрогенизации топли-
топлива Т-1 и ТС-1, а также смесевые топлива ТС-1, полученные сме-
смешением прямогонных и гидроочищенных фракций. В этих топли-
топливах резина сохраняет работоспособность в течение 3—9 и более
указанных этапов испытаний.
Исследования механизма разрушения и стабилизации нит-
рильной резины в реактивных топливах [199] показали, что аг-
агрессивность их воздействия прежде всего определяется окисли-
окислительными процессами, происходящими в топливах. На рис. 9.18
представлены обобщенные данные, полученные при исследова-
исследовании кинетики изменения газового объема над не содержащим
присадок топливом Т-7 с нитрильной резиной при 150 °С в спе-
специальном приборе.
Приведенные данные хорошо согласуются с данными авто-
авторов [200, 201], которые вымывали из резин антиокислители раз-
различными растворителями и изучали кинетику накопления гид-
ропероксидов при окислении топлива с препарированной рези-
резиной. Они пришли к выводу, что при контакте с топливом внача-
вначале из резины вымываются антиокислители, а затем разрушение
Рис. 9.17. Зависимость изменения механических свойств резины от длитель-
длительности испытания в различных топливах:
К $ — коэффициент изменения относительной прочности; Д?—коэффициент относитель-
относительного удлинения
228
+20
Рис. 9.18. Кинетика изменения газового
объема над реактивным топливом с нит-
рильной резиной:
1 — топливо исходное; 2 — топливо и нитрильная
резина; 3 — топливо с антиокислителем, резина
без антиокислителя; 4 — топливо и резина без
антиокислителя; 5 — топливо с 0,25% сульфидной
серы и резина без антиокислителя; 6 — топливо
с 0,25% тиофеновой серы и резина без антиокис-
антиокислителя; 7 —топливо с 0,005% меркаптановой серы
и резина без антиокислителя
45-
резины вызывают образующиеся 8
при окислении топлива гидроперок-
сиды.
Скорость разрушительного воз-
воздействия топлив на резины в значи-
значительной мере зависит от темпера-
температуры, увеличиваясь с ее повыше-
повышением.
Таким образом, в практике экс-
эксплуатации авиационной техники
наиболее опасны случаи, когда ис-
используют топливо с высокой сте-
степенью очистки от гетероатомных со-
соединений, не защищенное от окисле-
окисления присадками, при повышенных температурах и в узлах, где
резиновые технические изделия контактируют с большой массой
омывающего их топлива, в результате чего из резины вымыва-
вымываются антиокислители, т. е. резко ухудшаются ее эксплуата-
эксплуатационные свойства.
Кроме указанных окислительных процессов на стойкость ре-
резин в реактивных топливах определенное воздействие оказыва-
оказывают и другие физико-химические процессы. Отмечается [202],
что набухание резин марок 3825, ИРП-1078, 9831 возрастает при
увеличении содержания в топливе ароматических углеводоро-
углеводородов. Установлено, что работоспособность резин на основе нит-
рильного каучука СКН-26 также зависит от группового углево-
углеводородного состава топлива: цикланы и ароматические углеводо-
углеводороды по отношению к резине более агрессивны, чем алканы. Со-
Соединения серы в виде сульфидов или тиофенов в топливе снижа-
снижают его агрессивное воздействие на резины [203]. Очевидно,
указанным многоплановым влиянием состава топлива объясня-
объясняется различие в поведении по отношению к резине топлив, нахо-
находящихся в одной группе (см. рис. 9.17, топлива Т-6 и РТ, ТС-1
и Т-1). Проведенные исследования показали, что тиоколовые
герметики ведут себя в контакте с реактивными топливами в
целом аналогично нитрильным резинам [204].
Главную роль в разрушительном воздействии топлив на ре-
резины и герметики играют все же окислительные процессы. По-
Поэтому основным способом улучшения указанного свойства топ-
топлив является подавление этих процессов. С этой целью в прак-
229
тике эксплуатации авиационной техники наибольшее распро-
распространение получило использование антиокислительных приса-
присадок к топливу. Почти все соединения, подавляющие окислитель-
окислительный процесс в топливе, эффективно предотвращают ухудшение
свойств резин и герметиков, находящихся в контакте с ним. При
этом добавление уже 0,0005% ионола в топливо РТ повышает
предел прочности резины с 1,8 до 9,6 МПа, а относительное
удлинение — с 27 до 164% при исходном значении этих показа-
показателей резины соответственно 11,8 МПа и 150%, т. е. коэффици-
коэффициенты Ко и Кг в результате добавления присадки становятся рав-
равными менее 0,5. Эффект от добавления большего количества
ионола существенно не возрастает.
Значительно улучшить качество топлива по воздействию на
резины и герметики можно также вовлечением прямогонного
топлива в гидрогенизированное. Так, для обеспечения допусти-
допустимого уровня качества по указанному показателю в топливо РТ
(без присадок) необходимо добавить 10—20% топлива ТС-1.
Объем вводимого топлива ТС-1 зависит от его состава, опреде-
определяемого типом перерабатываемой нефти. Недостатком этого спо-
способа является ухудшение термостабильности гидрогенизирован-
ного топлива.
Все современные отечественные реактивные топлива, подвер-
подвергающиеся гидрогенизации в процессе производства, вырабаты-
вырабатываются с добавлением антиокислительных присадок и характе-
характеризуются низкой агрессивностью по отношению к резинам и гер-
метикам.
9.7. ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА
Противоизносные свойства топлив определяют надежность и,
в частности, ресурс работы пар трения топливной аппаратуры.
Эти пары работают в режимах трения качения, скольжения и
комбинированного трения при различных нагрузке, температуре,
скорости относительного перемещения, в условиях жидкостной и
граничной смазки [205]. Среди различных пар трения агрегатов
топливной системы наиболее интенсивно изнашивается пара
плунжер — наклонная шайба. Она служит контрольной парой
при оценке противоизносных свойств топлив в условиях эксплуа-
эксплуатации. Износ сфер плунжеров зависит от износостойкости мате-
материалов, длительности и условий работы, как это показано на
рис. 9.19. Оказалось, что вспомогательные насосы, работающие,
как правило, с меньшей подачей (меньшим углом наклона шай-
шайбы), изнашиваются быстрее. Это объясняется тем, что при ма-
малом угле наклона шайбы преобладает трение скольжения,
с увеличением угла наклона возрастает доля трения качения,
соответственно изменяется вклад в противоизносный эффект
рабочей среды — химических и физических свойств топлива.
Главным фактором, обусловливающим уровень противоизносных
230
100 200 300 400 500 600
Время работы, ч
w
1,5 2,0 2,5 . 3,0
Вязкость, мм21с
35 4,0
Рис. 9.19. Зависимость износа плунжеров, изготовленных из стали ХВГ
( ) и Х12М (—), от нагрузки насосов-регуляторов и длительности
работы:
1, 3 — вспомогательные насосы; 2, 4 — основные насосы
Рис. 9.20. Зависимость противоизносных свойств реактивных топлив от вяз-
вязкости и наличия в них ПАВ:
1, 2, 3 — для топлив РТ, ТС-1 и Т-6 при изменении вязкости за счет нагрева от 20 до
80 °С; 4 — для топлив, очищенных от ПАВ, при 25 °С
свойств реактивных топлив, является содержание в них хими-
химически активных и поверхностно-активных соединений. Вместе с
тем определенную роль играет и уровень вязкости топлив.
Вязкость. Влияние вязкости на противоизносные свойства
топлив характеризуют зависимости, представленные на рис. 9.20.
Особенно наглядно роль вязкости проявляется в случае гидро-
гидроочищенных топлив, о чем свидетельствуют данные стендовых ис-
испытаний на серийном насосе-регуляторе в течение 100 ч при
однократном прокачивании нагретого топлива (табл. 9.11)
[206].
Таблица 9.11. Влияние состава и вязкости топлив
на их противоизносные свойства
Топливо
Гидроочищенное
опытные образцы
образец № 1
образец № 2
образец № 3
образец № 4
Прямогонное
ТС-1
Т-1
ТС-1
Содержание, %
алканы
56,3
56,3
51,7
44,6
57,3
28,6
49,0
цикланы
27,7
27,8
29,1
40,9
28,3
55,5
36,2
ароматичес-
ароматические угле-
углеводороды
16,0
15,9
19,2
14,7
14,4
15,9
14,8
сера
0,01
0,01
0,01
0,01
0,08
0,04
0,02
V20, MM2/C
1,27
1,51
1,95
1,33
1,34
1,67
1,26
Износ
плунжера,
мм
0,76
0,64
0,46
0,57
0,47
0,09
0,29
231
На противоизносные свойства топлива оказывают влияние и
ароматические углеводороды. В условиях комбинированного
трения [205] ароматические углеводороды проявляют лучшие
противоизносные свойства по сравнению с алканами. В общем
случае зависимость показателя износа Ик.т от уровня вязкости
топлива без присадок определяется уравнением
lgHK.T = 2 — 0,125v2() (9.15)
С увеличением содержания сернистых соединений, и особен-
особенно меркаптанов, противоизносные свойства топлив ухудшаются.
Однако практически полное удаление из топлива соединений
серы гидроочисткой не улучшает противоизносных свойств, так
как наряду с нежелательными сернистыми соединениями уда-
удаляются и серосодержащие соединения и другие поверхностно-
активные вещества, улучшающие противоизносные свойства.
О наличии гетероорганических соединений можно косвенно
судить по содержанию в топливе адсорбционных смол. С уве-
увеличением их содержания противоизносные свойства топлив
улучшаются. Однако здесь наблюдается не только количествен-
количественный, но и качественный эффект. У топлив, подвергнутых гидро-
гидроочистке, с увеличением содержания адсорбционных смол проти-
противоизносные свойства улучшаются в меньшей степени, чем у пря-
могонных топлив. Это объясняют удалением из топлива при
гидроочистке преимущественно высокоокисленных молекул,
имеющих наиболее ярко выраженные поверхностно-активные
свойства. Значительное влияние на противоизносные свойства
топлива может оказать присутствие нафтеновых кислот @,002%
и более), спиртов @,02—0,04%) и сульфидов @,1—0,2%) [207].
Кислородсодержащие соединения, присутствующие в топливе
и вводимые в него в качестве присадок, улучшают противоиз-
противоизносные свойства.
Этот эффект определяется, в первую очередь, строением
функциональной группы, а структура углеводородного радикала
оказывает меньшее влияние. Гидроочищенные топлива без при-
присадок, а также смесевые топлива с содержанием гидроочищен-
гидроочищенного компонента >50% при одинаковой кислотности имеют, как
правило, худшие противоизносные свойства по сравнению спря-
могонными топливами (рис. 9.21) [208]. Противоизносные свой-
свойства прямогонных реактивных топлив с одинаковой кислот-
кислотностью тем хуже, чем больше в их составе меркаптанов [207].
Гидроочищенные топлива, кислотность которых повышена за
счет нефтяных кислот, обладают несколько лучшими противоиз-
носными свойствами, чем прямогонные топлива с соответствую-
соответствующим уровнем кислотности. При добавлении нефтяных кислот
(^=0,002%) противоизносные свойства топлив, полученных
разными процессами, становятся почти одинаковыми (рис. 9.22).
Удаление кислорода, растворенного в топливе, позволяет
снизить износ пар трения [209]. Результаты оценки противоиз-
противоизносных свойств ранее вырабатываемого гидроочищенного топли-
232
60
О 0,1 0,2 0f3 0,4 0,5 0,6 О/
Каслотиосюь, мг ?Х>Н/130мл
О 0,00! 0,002 0,003 0,00*
Содержание нефтяных кислот, %
Рис. 9.21. Зависимость противоизносных свойств реактивных топлиз от их
кислотности:
-f — гидросчищенные без присадок; О — смесевые; X — прямсгонные; @— гидроочищен-
гидроочищенные с противоизносной присадкой
Рис. 9.22. Зависимость противоизносных свойств топлива типа ТС-1 от кон-
концентрации добавленных нефтяных кислот:
/ —- прямогонное; 2 — гидроочищенное; 3 — очищенное на силикагеле
ва ТС-1, которое называли топливом Т-7, на стенде ВНИИ НП
приведены в табл. 9.12 [209]. Концентрация кислорода в топли-
топливе может быть снижена не только продувкой инертным газом,
но и в результате расхода на окисление молекул топлива. Оцен-
Оценка противоизносных свойств топлив при разной температуре по-
показала, что по мере повышения температуры износ вначале воз-
возрастает, что обусловлено снижением вязкости. Затем увеличение
износа замедляется, и, достигнув некоторого максимума, износ
начинает уменьшаться.
Добавление в топливо ионола замедляет этот процесс и сдви-
сдвигает точку максимума по температуре на 5—10 °С, а по величине
на 4—8 единиц (рис. 9.23) [210]. Это указывает на необходи-
необходимость избегать нежелательного температурного режима топлива
при разработке топливных систем летательных аппаратов.
Введение противоизносной присадки в гидроочищенных топ-
ливах, прекращение «защелачивания» топлива ТС-1 [211], при-
Таблица 9.12. Результаты оценки противоизносных свойств топлива Т-7 на
стенде ВНИИ НП
Состоят
Исходное
После продувки
образец 1
образец 2
1С топлива
азотом
Содержание О2
растворенного,
7о (об.)
4,4
0,6—1,7
0,4—0,6
Износ,
плунжеров
0,76
0,49
0,15
мм
шайбы
0,17
0,17
0,025
233
130
Рис. 9.23. Зависимость противочзносных
свойств топлив, содержащих 0,003% ионо-
ла ( ¦—), и без присадки (—) от тем-
температуры:
1 — ТС-1 гидрсочищенное; 2 — Т-8В; 3 — ТС-1 пря-
могонное; 4 — Т-6; 5 — РТ
менение более износостойких мате-
материалов и изменение конструкции уз-
узла трения насоса-регулятора — все
эти меры позволили решить про-
проблему противоизносных свойств ре-
реактивных топлив всех марок. Неко-
Некоторые ограничения по ресурсу топ-
топливной аппаратуры могут быть
только для топлива Т-2. Однако по
уровню противоизносных свойств различные образцы топлива
Т-2 значительно различаются. Исключение «защелачивания» или
добавление нафтеновых кислот делает это топливо равноценным
по противоизносным свойствам топливу ТС-1:
60 90
Температура} °G
ПО
Ик. т (метод ПСТ-2)
Ик. т (метод ПСТ-2)
Образцы Т-2 лаборатор-
лабораторные
с защелачиванием
без защелачивания
с добавлением нафте-
нафтеновых кислот
48—73
16—40
10-20
Образцы Т-2 опытно-
промышленные
с защелачиванием бен-
бензиновой фракции
с добавлением нафте-
нафтеновых кислот
51
16
С целью увеличения эффективности работы фильтров-сепа-
фильтров-сепараторов в зарубежной практике предпринимались попытки огра-
ограничить содержание ПАВ в топливе. Для этого в 1965 г. мини-
минимальное значение индекса сепарации (показатель, характери-
характеризующий эффективность отделения воды от топлива) было увели-
увеличено с 55 до 85 единиц и запрещено применение ингибиторов
коррозии (которые одновременно являются противоизносными
присадками). После этого стали наблюдаться отказы авиацион-
авиационной техники из-за низких противоизносных свойств топлива.
Проблема общими конструктивными мероприятиями полностью
не была решена в течение 10 лет, и в 1975 г. минимальное зна-
значение индекса сепарации для топлива JP-4 было установлено
70 единиц, одновременно предусмотрено обязательное введение
в топливо ингибитора коррозии, предупреждающего износ и
заклинивание пар трения. В зарубежной практике в этих целях
используют присадку Hitec E 515 (Сантолен С). Указанная при-
присадка при высоких температурах отрицательно влияет на склон-
склонность топлива к образованию отложений. В связи с этим за ру-
рубежом ведутся исследования по подбору противоизносной при-
присадки, не ухудшающей других эксплуатационных свойств топлив
и достаточно дешевой [160].
234
9.8. ОХЛАЖДАЮЩИЕ СВОЙСТВА
Охлаждающие свойства реактивных топлив особенно важны при
применении их в сверхзвуковых самолетах. Во время полета та-
такого самолета со скоростью, соответствующей 2,2 М, температу-
температура наружного воздуха, отбираемого для охлаждения, равна
150 °С. Таким образом, аэродинамический нагрев не только по-
повышает температуру обшивки самолета и топлива, находящего-
находящегося в его баках, но и уменьшает возможности использования воз-
воздуха для охлаждения, особенно в устройствах и системах, тре-
требующих охлаждения ниже 200 °С. К ним относится, например,
система кондиционирования воздуха, системы охлаждения элек-
электронного оборудования и гидравлических приводов.
Применение в этих случаях охлаждающих жидкостей неже-
нежелательно из-за увеличения массы летательного аппарата, поэто-
поэтому стремятся использовать в качестве поглотителя тепла топли-
топливо— единственный теплопоглотитель с большой емкостью на
борту сверхзвукового самолета. Тепло от бортовых систем само-
самолета в топливо отводится через радиаторы-теплообменники, ус-
устанавливаемые обычно на магистрали, соединяющей расходный
бак с двигателем, а в ряде случаев — и непосредственно в рас-
расходном баке. Последнее менее желательно, так как в застойных
зонах радиатора могут накапливаться отложения, образующие-
образующиеся в результате термоокислительных превращений топлива и
коррозии металлов. Количество тепла, отводимого топливом,
ограничивается максимальной температурой топлива в расход-
расходном баке и максимально допустимой температурой топлива на
входе в двигатель. Последняя зависит от конструкции двигате-
двигателя, склонности топлива к образованию отложений или режима
работы форсунок.
Система охлаждения сверхзвукового бомбардировщика ХВ-70
при максимальной температуре в расходном баке 115 °С и до-
допустимой температуре топлива на входе в двигатели 150 °С на
крейсерском режиме полета обеспечивает отвод в топливо
525 Дж/с [127]. Так как на режиме снижения расход топлива
мал, то для отвода тепла дополнительно используется вода; она
подается для испарения в отдельные контуры теплообменников.
Для увеличения теплоотдачи в топливо на сверхзвуковых са-
самолетах предусматривают меры по снижению максимальной
температуры топлива в расходных баках за счет рационального
порядка выработки топлива из других баков, улучшения тепло-
тепловой изоляции баков, а также меры по увеличению максимально
допустимой температуры топлива на входе в двигатель. Изуча-
Изучаются даже возможности охлаждения заправляемого в самолет
топлива или повышения его удельной теплоемкости.
Теплопроводность и теплоемкость. Количество отводимого
тепла и нагрев топлива в радиаторах зависят главным образом
от его теплоемкости, которая в свою очередь является функцией
плотности топлива и его температуры. С увеличением плотности
235
Таблица 9.13. Влияние температуры на теплоемкость реактивных топлив
Топливо
РТ
ТС-1
Т-8В
Т-6
—40 °С
1
1
1
1
J8
,76
,74
,62
Удельная
—20 °С
1,86
1,83
1,81
1,70
0
1,
1,
1,
1,
теплоемкость при различной
сс !
95
90
88
7S
20
2,
1,
1,
1
кДж/(кг-К)
°С
01
97
95
S6
40 °С
2,03
2,04
2 02
1,94
60
2
2
2
2
температуре,
СС
,15
,12
,10
,02
! so
9
9
2,
9
сс
23
18
16
10
j 100 °С
2,30
2,26
2,24
2,17
нефтепродуктов их теплоемкость уменьшается, а с ростом темпе-
температуры— возрастает. Экспериментальные данные Грозненского
нефтяного института по изобарной удельной теплоемкости реак-
реактивных топлив приведены в табл. 9.13.
Коэффициент теплопроводности при одной и той же темпе-
температуре для всех реактивных топлив приблизительно одинаков и
находится в пределах 0,1125—0,1150 Вт/(м-К), а с повышением
температуры уменьшается приблизительно на 0,00015—
0,0002 Вт/(м-К). Основные мероприятия по улучшению охлаж-
охлаждающих свойств топлив сводятся к предупреждению их окисле-
окисления и образования отложений, улучшения совместимости с теп-
лопередающими материалами. Охлаждающие свойства оценива-
оценивают при разработке новых образцов топлив и в дальнейшем при
их производстве и применении их не контролируют.
9.9. ТОКСИЧНОСТЬ
Возможность поражения людей и загрязнения окружающей
среды. Токсичность топлив характеризуется способностью вызы-
вызывать нарушения жизнедеятельности живых организмов. Уровень
токсичности определяет необходимые меры защиты людей и
окружающей среды от вредного воздействия как продуктов сго-
сгорания, так и самих топлив при их производстве, транспортиро-
транспортировании, хранении и применении. Реактивные топлива и их пары
могут проникать в организм человека через дыхательные пути,
желудочно-кишечный тракт, слизистые оболочки и глаза. Чаще
всего в организм человека через дыхательные пути попадают
пары топлив, содержащих легкокипящие фракции, например
топлива Т-2. Через желудочно-кишечный тракт топливо в не-
небольших количествах может попасть вместе с пищей, водой или
при случайном приеме внутрь. Углеводороды, входящие в состав
топлива, хорошо растворяют жиры и жироподобные вещества,
покрывающие кожу, сами хорошо растворяются в них и поэто-
поэтому, если не соблюдать мер предосторожности, могут легко про-
проникнуть в организм через кожные покровы.
В зависимости от количества топлива, поступившего в орга-
организм, и длительности воздействия может наблюдаться острое
или хроническое отравление. Острое отравление возможно толь-
236
ко при одновременном попадании в организм большого количе-
количества реактивного топлива. Хроническое отравление развивается
в результате систематического воздействия недопустимых доз
токсического вещества; для реактивных топлив оно малохарак-
малохарактерно. Такого типа поражения могут быть местными, например в
виде экземы. Общие поражения характеризуются нарушениями
нормальной деятельности нервной системы; например алканы,
составляющие основу большинства реактивных топлив, облада-
обладают наркотическим воздействием на человека. Степень и харак-
характер поражения определяются уровнем токсичности топлив, их
концентрацией (иногда степенью дисперсности), временем пре-
пребывания в зараженной атмосфере; путями проникновения топ-
топлив в организм, температурой окружающей среды, а также со-
состоянием и физиологическими особенностями людей.
Предельно допустимая концентрация. Главным фактором,
который определяет степень поражения, является предельно
допустимая концентрация (ПДК). Для реактивных топлив в
рабочей зоне она равна 300 мг/м3, а вводе водоемов — 10мг/м3.
Увеличение содержания циклических соединений, в том числе аро-
ароматических, несколько повышает токсичность топлив. Токсичность
продуктов сгорания углеводородных топлив зависит от органи-
организации рабочего процесса. Как правило, продукты сгорания реак-
реактивных топлив в авиационных газотурбинных двигателях в мень-
меньшей степени загрязняют атмосферный воздух по сравнению с
продуктами сгорания бензинов и дизельных топлив, применяе-
применяемых в поршневых двигателях. Авиационный ГТД характеризу-
характеризуется повышенным дымлением только на режимах взлета и по-
посадки, когда практически невозможно обеспечить благоприятные
условия сгорания.
Мероприятия по технике безопасности при обращении с ре-
реактивными топливами обязательно излагаются в нормативно-
технической документации на топлива (основные положения
этих мероприятий приведены в гл. 12).
Глава 10
ЗАРУБЕЖНЫЕ РЕАКТИВНЫЕ ТОПЛИВА
В международной практике при классификации и индексации
реактивных топлив используют показатели испаряемости — до-
доминирующий признак, а также воспламеняемости (температуру
вспышки в закрытом тигле) и прокачиваемое™ (температуру
кристаллизации). Значения пределов выкипания использованы
в так называемом «руководящем материале» (Guidance Mate-
Material) международной организации воздушного транспорта (In-
(International Air Transport Association — IATA) при присвоении
реактивным топливам международных обозначений, а также в
237
спецификациях США (ASTM — американского общества испы-
испытаний материалов), Англии (DERD) и «контрольного перечня»
(«Check List»), обязательного для компаний, поставляющих топ-
топливо в аэропорты через объединенные системы (Jointly Opera-
Operated Systems).
10.1. МЕЖДУНАРОДНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
II МАРКИ ЗАРУБЕЖНЫХ ТОПЛИВ
Основному по объему производства реактивному топливу для
гражданской авиации, выкипающему в пределах ^150—300 °С,
присвоено обозначение AVTUR (Aviation Turbine Fuel — авиа-
авиационное газотурбинное топливо). Топливо, в состав которого на-
наряду с керосиновой фракцией входит бензиновая фракция, имею-
имеющее пределы выкипания от ^50 до 280 °С, обозначается
AVTAG (G — gasoline, бензин). Топливо более узкого состава
по отношению к AVTUR, выкипающее в пределах от ^180 до
300°С, называется AVCAT (cut — резать, урезать).
В рекомендациях IATA, а также в зарубежных националь-
национальных нормативно-технических документах эти топлива соответ-
соответственно называют: типа керосина (Kerosine Type), широкого
фракционного состава (Wide Cut) и керосин с высокой темпе-
температурой вспышки (High Flash). Зарубежные топлива кроме
международных обозначений (Interservices Designation) и на-
названий имеют марки, определяемые государственными и ведом-
ведомственными спецификациями (табл. 10.1), а также разные фир-
фирменные названия.
Марки и номера нормативно-технических документов взаимо-
взаимозаменяемых реактивных топлив стран СЭВ приведены в
табл. 10.2.
Таблица 10.1. Обозначения, названия и марки зарубежных
реактивных топлив
Рекомендация IATA
обозначение
AVTUR
AVTAG
AVCAT
название
Aviation
Turbine Fuel —
sine Type
Aviation
Turbine Fuel —
Cut
Aviation
Turbine Fuel —
Flash
Point — Kerosine
Kero-
Wide
High
Type
Марка и обозначение топлив
по спецификации
ASTM, DERD,
«Check List»
военная специ-
спецификация США
Jet A (AVTUR-40) —
Jct-A-1 (AVTUR-50) JP-7, JP-8
Jet В JP-4
(AVCAT-48) JP-5
238
Таблица 10.2. Марки взаимозаменяемых реактивных топлив стран СЭВ
НРБ
ТС-1
<БДС
5075-82)
РТ
(БДС
15636—
83)
Т-2
(БДС
5075—82)
ВНР
РТ
(MSZ
16564—
71)
ГДР
S-1
(TGL
38582)
R-1
(TGL
38582)
—
Куба
ПНР
TFC-1 PSM-2
(D-2-3) (PN72/
С-96026);
Ali\
(BN76/
0533-01)
— Р-3
(PN72/
С-96026)
СРР
Т-1
(STAS
5639-77) ;
тн
1 о
(STAS
5639-77)
—
СССР
ТС-1
(ГОСТ
10227—
62)
РТ
(ГОСТ
16564—
71)
Т-2
(ГОСТ
10227—
62)
ЧССР
PL-6
(РВД-25-
005—81)
—
Топлива, перечисленные в табл. 10.2, за исключением АТК
и ТН, по показателям качества эквивалентны соответствующим
маркам отечественных топлив ТС-1, РТ и Т-2. На авиационные
керосины РТ и ТС-1 утвержден стандарт СТ СЭВ 5024—85, ко-
который вводится в СССР с 1987 г.
10.2. ТРЕБОВАНИЯ СПЕЦИФИКАЦИЙ К КАЧЕСТВУ
ТОПЛИВ
Требованиями руководящего материала IATA, спецификаций
Англии, США и контрольного перечня к качеству реактивных
топлив типа керосина (Kerosine Type, Jet A-1) и широкого фрак-
фракционного состава (Wide Cut, Jet В) по состоянию на середину
1984 г. приведены в табл. 10.3.
Сопоставляя приведенные данные с требованиями отечествен-
отечественных стандартов, можно сделать вывод, что они в известной сте-
степени аналогичны как по перечню свойств, так и по нормам на
отдельные показатели. Вместе с тем имеются и отличия. Так,
зарубежные стандарты ограничивают не только нижние, но и
верхние пределы плотности и давления насыщенных паров, ли-
лимитируют остаток в колбе и потери при определении фракцион-
фракционного состава, вязкость нормируют только при отрицательной
температуре (—20 или —30 °С), а для отдельных свойств ис-
используют альтернативные нормы по показателям, например лю-
минометрическое число или высота некоптящего пламени и со-
содержание нафталиновых углеводородов, и комплексные показа-
показатели, например, для оценки уровня горючести. Спецификации
подробно регламентируют перечень, концентрацию и порядок до-
добавления присадок. Есть показатели, которые в отечественной
практике не применяют: индекс сепарации, произведение ани-
239
Таблица 10.3. Требования к качеству реактивных топлив типа Jet A-1 a Jet В*
Показатель
IATA
ASTM
D1655—81
DERD 2494
«Check List»
IATA
ASTM
D165—81
DERD 2486
«Check
List»
Метод испытаний
ASTM
IP**
Топливо Jet A-l
Топливо Jet В
Плотность при 15 °C, 775—840 775—840 775—830 775-830 751—802 751—802 751—?02 751—802 D 1298
кг/м3
iD 86
Фракционный
°C, не выше:
н. к.
10% (об.)
20% (об.)
50% (об.)
90% (об.)
к. к.
потери, %
не более
остаток, °/(
не более
состав,
(об.),
, (об),
—
204
232
—
288
1.5
1,5
—
204
—
н. р.
н. р.
300
1,5
1,5
н. р.
н. р.
и. р.
н. р.
300
1,5
1,5
н. р.
204
Н. р
н. р
н. р
300
1,5
1,5
Давление насыщенных
паров при 38 °С, гПа
Вязкость кинематиче-
кинематическая при —20 °С,
мм2/с, не более
Температура кри-
кристаллизации***, °С, не
выше
Взаимодействие с во-
водой, баллы, не более:
состояние поверх-
поверхности раздела
состояние фаз
—47
16
2
—47
16
2
-50
16
2
—50
16
2
—
—
143
188
243
_-
1,5
1,5
—•
—
143
188
243
—
1,5
1,5
н. р.
н. р.
145
190
245
270
1,5
1,5
н. р.
н. р,
143
188
243
270
1,5
1,5
^210
-50
16
2
:2Ю
—50
16
9
140—210 140-210 D323 или
D2551
-58
16
2
—58
\б
1
D445
D2386
D 1094
160
123
69 или
171
71
16
289
Ф Индекс сепарации, не
менее:
ел
оо
с антистатической
присадкой
без присадки
Температура вспышки,
°С, не ниже
Концентрация анти-
антистатической присад-
присадки, млн-1, не более
Электрическая про-
проводимость, пСм/м
Теплота сгорания
низшая, кДж/кг, не
менее
Анилиновая точка
(°F) Хплотность
(API), не менее
Содержание водоро-
водорода, %
Люминометрическое
число, не менее
или высота не-
коптящего пла-
пламени, мм, не ме-
менее
или высота не-
коптящего пламе-
пламени, мм, не менее
и объемная доля
нафталиновых уг-
углеводородов, %,
не более
Содержание, % (°б.)»
не более
ароматических уг-
углеводородов
—
—
38
ы. р.
50—300
42 800
—
—
45
25
19
3
22
——
—
38
и. р.
50—300
42 800
—
—
45
25
20
3
20
70
85
38
и. р.
50—450
42 800
5250
13,84*
25
19
3
22
70
85
38
1,0
50—300
42 800
5250
—
45
25
20
3
*
22
—
—
—
1
50—300
42 800
5250
—
45
25
19
3
22
—
—
—
1
—
42 800
—
—
45
25
20
3
20
70
85
—
1
50-450
42 800
5250
—
—
20
3
25
70
85
— .
1.
50—450
42 800
5250
—
45
25
20
3
20
D 2550
D 56 или
D3243
—
D 2624
D240
D611 и
D 1298
D 1018 или
f D 3343 или
D3701
1 D 1740
D 1322
D 1840
D 1319
170 или
303
—
274
12
2 и 160
338
57
—
156
242
Показатель
алкенов
Концентрация факти-
фактических смол, мг/100
мл топлива, не более
Концентрация меди в
топливах, подвергну-
подвергнутых очистке в при-
присутствии меди, млн,
не оолее
Концентрация, мг/дм3,
не более
деактиватора ме-
металлов (добавле-
(добавление не обязатель-
обязательно)
антиокислителя в
гидроочищенном
топливе
то же, в других
топливах (не обя-
обязательно), не более
Термоокислительная
стабильность:
перепад давления
гПа, не более
состояние подо-
подогревателя, баллы
IATA
7
—
5,7
24
33
ASTM
D 1655—81
7
—
5,7
24
33
DERD 2494
5
7
150
5,7
17-24
24
33
«Check List»
5
7
150
5,7
17—24
24
33
IATA
ASTM
D 1655—81
7 7
— —
5,7 5,7
—
24 24
33 33
Менее 3
DERD 2486
5
7
—
5,7
17—24
24
33
«Check
List»
5
7
—
5,7
17-24
24
33
Продолжение
Метод испытаний
ASTM
IP**
D1319 156
D381 131
— 225
— —
D3241 323
Докторская проба Отрицательная Отрицательная D 484 30
Содержание, %, не
более
общей серы
0
0
,30
,001
0,1
о,
о,
0
30
003
,1
0
0
0
,30
,001
,015
0
0
0
,30
,001
,015
0,30
0,001
0,1
0
0
,30
,003
—
0
0
0
,30
,001
,015
0
0
0
,30
,001
,015
D
D
D
D
1266,
2622
1323
3243
D
1552,
107
104
273
меркаптановой
Кислотное число, мг
КОН/г топлива, не
более
Испытание на мед- 1 1 1 11 1 1 1 D 130 154
ную пластинку B ч,
100°С) баллы, не бо-
более
Испытание на сереб- — — 1 1 — — — — — 227
ряную пластинку в
течение 4 ч при 50 °С,
баллы, не более
* В документах, удостоверяющих качество топлива, приводятся фактические значения показателей, отмеченных буквами н. р. (не регламенти-
регламентируется).
** IP —Institute Petroleum — методы испытаний нефтяного института Великобритании.
*** Температура кристаллизации соответствует температуре исчезновения кристаллов в процессе медленного нагревания ранее охлажденного
топлива до начала появления кристаллов.
** Определение не обязательно; если содержание водорода>13,8%, то не нормируется содержание алкенов и нафталиновых углеводородов,
теплоты сгорания, произведение анилиновой точки на плотность и высота некоптящего пламени.
линовой точки на плотность, докторская проба, содержание во-
водорода и испытание на серебряную пластинку.
Индекс сепарации оценивает стойкость водно-топливных эмульсий, его
значение зависит от наличия в топливе поверхностно-активных веществ. Ес-
Если содержание ПАВ мало, топливо имеет плохие противоизносные свойства,
при избытке ПАВ возрастает эмульгируемость топлива ухудшается водоот-
водоотделяющая способность фильтров-сепараторов.
Величина произведения анилиновой точки на плотность характеризует
энергоемкость, фракционный состав и углеводородный состав топлива. Это
произведение будет тем больше, чем легче фракционный состав топлива и
меньше в нем ароматических углеводородов. В этом случае возрастает зна-
значение анилиновой точки и плотности, выраженной в градусах API (Ameri-
(American Petroleum Institute). Плотность, выраженная в единицах СИ (кг/м3),
будет уменьшаться, что следует из формулы пересчета указанных величин
для 15,6 °С:
р= 141 500/A31,5+ °АР1), (ЮЛ)
где ноль градусов API соответствует 1076 кг/м3, а 100 градусов API —
611 кг/м3.
Показатель «докторская проба» применяется со времен первой мировой
войны, когда из-за возрастания потребности авиационных бензинов в их
производство начали вовлекать сернистые нефти, содержащие сероводород
и меркаптаны. Это ухудшило запах бензина. В целях дезодорации бензин
стали подвергать плюмбитной очистке — «лечению». Метод качественно оп-
определяет наличие в топливе сероводорода и меркаптанов. Испытуемое топ-
топливо смешивают с водным раствором плюмбита натрия и добавляют немно-
немного свободной серы: топливо выдерживает испытание, если его цвет не из-
изменился и пленка (слой серы) на разделе фаз осталась желтой, слегка по-
посерела либо покрылась темными точками. Если слой серы, топливо или вод-
водная фаза приобрели оранжевую, коричневую либо иную окраску, реакция
считается положительно, т. е. топливо испытание не выдержало. Указан-
Указанный метод очень чувствителен. Если содержание меркаптанов определяют
количественно, испытание на «докторскую пробу» не проводят.
Английские спецификации предусматривают необязательное
определение содержания водорода — браковочная норма не уста-
устанавливается. При этом если содержание водорода ^13,8%, для
топлива можно не определять высоту некоптящего пламени и
произведение анилиновой точки на плотность.
Топлива, поставляемые для военной авиации капиталистиче-
капиталистических стран, должны удовлетворять требованиям военных спе-
спецификаций. Основными марками таких топлив в странах НАТО
являются JP-4, JP-5 и JP-8 (Jet Propulsion — реактивное движе-
движение)*. Требования военных спецификаций США к указанным
топливам приведены в табл. 10.4. Эти требования в основном
совпадают с требованиями гражданских спецификаций к топли-
топливам Jet В и Jet А-1. По сравнению с требованиями руководящего
материала IATA несколько ужесточены нормы по температуре
кристаллизации, удельной электрической проводимости и кис-
* Учитывая, что сочетание букв «JP» является аббревиатурой, встреча-
встречающееся в отечественной литературе другое написание букв, например, Jp
следует считать неправильным.
244
Таблица 10.4. Требования военных спецификаций США к качеству реактивных топлив*
Показатель
Плотность при 15 °С, кг/м3
Фракционный состав, °С не
вышег
н. к.
10% (об.)
20% (об.)
50% (об.)
90% (об.)
к. к.
остаток, %, не более
потери, %, не более
Вязкость кинематическая при
минус 20 °С, мм2/с, не более
Температура кристаллизации,
°С, не выше
Содержание механических при-
примесей, мг/дм3, не более
Взаимодействие с водой, бал-
баллы, не более:
состояние поверхности раз-
раздела
состояние фаз
MIL-T-5624L
JP-4
751—802
Не бр. *
Не бр.
145
190
245
270
1,5
1,5
—
—58
1
16
1
JP-5
788—845
Не бр.
205
Не бр.
Не бр.
Не бр.
290
—
—
8,5
—46
1
—
MIL-T-38219A, JP-7
779—806
>182
>196
>206
Не бр.
260
288
1,5
1,5
15 (—34,5 °С)
—43,5
3
—
MIL-T-23524C,
TS
767—797
^157
193
—
204
238
260
1,5
1,5
12 (-40 %)
—53
3
—
MIL-T-83133A,
JP-8
775—840
Не бр.
205
Не бр.
Не бр.
Не бр.
300
1,5
1,5
8
-50
1
16
16
Методы испытаний
(ASTM)
D 1298
D86
D445
D2386
D2276
D 1094
* В документах, удостоверяющих качество топлива, должны приводиться фактические значения показателей фракционного состава, отмечен-
ные «не бр.» (не браковочные).
Продолжение
Показатель
MIL-T-5624L
JP-4
MIL-T-38219A, JP-7
MIL-T-25524C,
TS
MIL-T-83133A,
JP-8
Методы испытаний
(ASTM)
Индекс сепарации, не менее 70 85
Содержание противообледе- 0,10—0,15 0,10—0,15
нительной присадки, % (об.)
Время фильтрования, мин не
более
Давление насыщенных паров
при 37,8 °С, гПа
Взрывоопасность, %, не более
Температура вспышки в закры-
закрытом тигле, °С, не менее
15
140—210
Удельная электрическая
водимость, пСм/м
низшая,
Теплота сгорания
кДж/кг, не менее
Анилиновая точка (Т)Хплот-
ность (°АР1), не менее
Содержание водорода, %, не
менее
Люминометрическое число, не
менее
или Высота некоптящего
пламени, мм, не менее
про- 200—600
42800
5250
13,6
20
50
60
42600
4500
13,5
19
85 Не бр. 70 D 2550 или D 3948
0,10—0,15 0,10—0,15 0,10—0,15 РТМ5791*или
FTMS 5327 или
FTMS 5340
— — — MIL-T-5624L Приложе-
Приложение А и D 2276
— - D 323
[ ^207 A49 °С)**
\ <3310 B60 °С)
60
43500
14,5***
75
43
42800
14
25
38
FEDSTD 1151
D 56 или D 93
D3243
200—600 D2624 и D 3114
42800
13,5
f D 240 или D 2382 или
\ D3338
D611 и D 1298 или
D 1405
Г D 101€
l или D
D 1740
1018 или D3343
3701
D 1322
Содержание, % (об.)
ароматических углеводоро-
углеводородов
25
25
5-20
25
D 1319
алкенов
Концентрация фактических
смол, мг/100 мл, не более
Концентрация, мг/дм3, не бо-
более:
дезактиватора металлов
антиокислителя
Термоокислительная стабиль-
стабильность:
перепад давления на фильт-
фильтре, гПа, не более
состояние подогревателя,
баллы, менее
Содержание серы, %, не более
общей
меркаптановой
Испытание на медную пластин-
5
7
5,8
17,2—24,0
33
3
0,4
0,001
16
5
7
—
17,2—24,0
33
3
0,4
0,001
16
—
5
Добавление
обязательно
То же
Ю04*
3
0,1
0,001
16
3
5
не
1004*
3
0,3
0,001
16
5
7
—
17—24
33
3
0,3
0,001
16
D 1319
D381
—
FED STD 3527
/ D3241,
1 D 1660
( D 1266
J D 2622, D 2887
( D3227
D 130
ку B ч, 100°С), баллы, не
более
Кислотное число, мг КОН/г
топлива, не более
0,015
0,015
0,15
0,015 D3242
* FTMS и FED STD — федеральные стандарты.
** Метод определения указан в MIL-T-38219A.
*** Нормируется, если люминометрическое число равно 70-^-75.
4* Метод испытания D1660 в устройстве CFR Coker предназначен только для топлива TS, испытание топлива JP-7 проводят в этом же устрой-
устройстве, но при условиях, указанных в MIL-T-25524C.
лотности топлив. В то же время в топливах допускается боль-
большее содержание ароматических углеводородов [до 25% (об.)]
и серы (до 0,4%), что позволяет расширить ресурсы топлива и
получать его прямой перегонкой из любых нефтей.
Спецификации на топлива JP-7 и TS предъявляют более вы-
высокие требования по показателям горючести и склонности к об-
образованию отложений. Эти топлива вырабатывают в малых коли-
количествах и применяют на самолетах специального назначения, на-
например высотных самолетах-разведчиках (TS).
В эти спецификации дополнительно введены показатели «вре-
«время фильтрования» и «взрывоопасность»; первый определяют,
фиксируя время фильтрования в вакууме C3 гПа) 3,785 дм3
A галлон) топлива через мембранный фильтр с порами разме-
размером 0,8 мкм.
Требования военных спецификаций к индексу сепарации топ-
топлив неоднократно пересматривались, при этом предпочтение от-
отдавалось водоотделяющей способности или противоизносным
свойствам топлива. Так, первоначально в топливе JP-4 норма по
индексу сепарации была установлена не менее 55, т. е. допуска-
допускалось большое количество в нем ПАВ. С 1965 г. в спецификации
США с целью повышения эффективности работы фильтров-сепа-
фильтров-сепараторов минимальное значение индекса сепарации было уста-
установлено 85. Одновременно было запрещено использовать все ин-
ингибиторы коррозии, которые, естественно, являются ПАВ. В ка-
качестве дополнительной меры по удалению из топлива ПАВ было
введено фильтрование топлива через фильтры, фильтрующие
элементы которых изготовлены из глины. Это резко ухудшило
противоизносные свойства топлива, в связи с чем с 1976 г. мини-
минимальное значение индекса сепарации было снижено до 70 и вве-
введено обязательное добавление ингибитора коррозии, тем самым
было исключено заклинивание пар трения, наблюдавшееся у на-
насосов-регуляторов некоторых типов.
Для топлив JP-4 и JP-5 спецификациями министерства обо-
обороны Англии DERD 2454 и DERD 2498 по сравнению с военны-
военными спецификациями США установлены другие нормы по ряду
показателей: содержание серы — не более 0,3%; высота некоп-
тящего пламени — не менее 20 мм (метод определения IP 57);
результаты испытания на медную пластину — не более 1 балла;
концентрация меди—не более 150 млн-1; состояние раздела
фаз при испытании топлива на взаимодействие с водой — не бо-
более 2 баллов; удельная электрическая проводимость от 50 до
600 пСм/м. Не нормируются время фильтрования и уровень
взрывоопасное™ топлива, используется набраковочный показа-
показатель— содержание водорода. При этом, если содержание водо-
водорода >13,8%, не обязательно определять содержание алкенов,
теплоту сгорания и высоту некоптящего пламени. Предусмотре-
Предусмотрено испытание топлива JP-5 на серебряную пластинку, количе-
количественное определение содержания механических примесей. Тем-
Температура конца кипения топлива допускается до 300 °С.
248
10.3. ФАКТИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ЗАРУБЕЖНЫХ ТОП ЛИВ
И ИХ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ С ОТЕЧЕСТВЕННЫМИ
ОБРАЗЦАМИ
Фактические значения показателей качества реактивных топлив,
опубликованные лабораторией министерства энергетики США
[212, 213], приведены в табл. 10.5. Анализируя данные таблицы,
следует отметить, что после 1975 г., т. е. после энергетического
кризиса в капиталистических странах, изменилась структура
производства топлив (в результате чего на испытание поступили
лишь единичные образцы топлива Jet A-1), а также значения по-
показателей, в первую очередь обеспечивающих ресурсы топлива.
За 10-летний период было испытано 676 проб реактивного топ-
топлива, что позволяет с достаточной степенью надежности судить
о качестве топлив и тенденциях его изменения в капиталистиче-
капиталистических странах. В этот период средние значения содержания аро-
ароматических углеводородов и меркаптановой серы, температуры
перегонки 10% (об.), высоты некоптящего пламени и темпера-
температуры кристаллизации приблизились к предельно допустимым в
настоящее время нормам. Особенно ярко эта тенденция наблю-
наблюдается в последние годы. Следует обратить внимание, что от-
отдельные образцы топлива Jet А имеют в 15 раз большее значе-
значение кислотности по сравнению с топливами ТС-1 и РТ, а также
содержат очень много алкенов — более 5%. По-видимому, эти
образцы топлив получены только прямой перегонкой нефти без
дополнительной очистки дистиллята. Вероятно, перед ректифи-
ректификацией нефть была нагрета до температуры, вызывающей кре-
крекинг отдельных углеводородов. В таблице приведены также
значения интегрального показателя качества топлив, вычислен-
вычисленного по формуле (8.1), по отношению к базовым средневзве-
средневзвешенным значениям показателей качества ТС-1. Сравнительно
низкие значения интегрального показателя для топлив Jet А и
JP-5 обусловлены их худшими испаряемостью и прокачивае-
мостью по сравнению с ТС-1.
Среди испытанных топлив были образцы, не удовлетворяю-
удовлетворяющие основным нормам спецификаций по высоте некоптящего
пламени B0 мм) и содержанию ароматических углеводородов
B0% об.). Это обусловлено временным, но регулярно возобнов-
возобновляемым допускаемым отступлением от указанных норм A8 мм
и 25% соответственно).
Фактический уровень качества зарубежных топлив обеспе-
обеспечивает их применение на отечественной авиационной технике без
ограничений (например, топлива JetA-1 по спецификации
DERD производства Алжира, Франции) или же с некоторыми
ограничениями, вызванными недостаточным уровнем противоиз-
носных свойств топлив, высокой температурой начала кристал-
кристаллизации (Jet А), или повышенной агрессивностью по отношению
к резинам на основе нитрильных каучуков. Ограничения зависят
249
Таблица 10.5. Фактические значения качества зарубежных реактивных топлив
Показатель
Плотность при 15 °С,
кг/м3
Фракционный состав,
н. к.
10% (об.)
50% (об.)
90% (об.)
к. к.
Вязкость кинематиче-
кинематическая при —30 °С,
мм2/с
Температура кристал-
кристаллизации, °С
Индекс сепарации
Теплота сгорания,
МДж/кг
Люминометрическое
число
Высота некоптящего
пламени, мм
Содержание, % (об.):
ароматических уг-
углеводородов
нафталиновых уг-
углеводородов
алкенов
Перепад давления на
фильтре, гПа
Содержание серы:
общей 1ХЮ3, %
меркаптановой,
МЛН
Содержание факти-
фактических смол, мг/100
мл
Кислотность,
мг/100 мл
Значение интеграль-
интегрального показателя ка-
качества, вычисленного
по формуле (8.1)
1965
808
183
205
237
.
7,75
53
97
43,21
49,5
23,1
16,1
1,38
1,0
8
67
0,4
0,5
92,7
Jet A-1
1970
810
_
181
206
237
8,68
-52
94
43,17
42,5
22,0
18,3
1,3?
1,1
5
74
0,3
1,1
89,8
* Даны интервалы значений минимум —
1975
791
187
206
219
6,17
-55
96
' 43,5С
47,1
28
9,5
) 0,1
0,5
—
50
0,1
1,0
104,3
Jet A
1965
806
187
210
240
8,9
—47
91
43,2S
52,0
24,0
14,9
1.9Е
1,5
12
60
0,4
0,8
86,9
максимум.
1970
813
188
214
247
.
9,5
—47
95
43,2с
48,9
23,3
16,4
> 1,91
1,1
6
50
0,5
0,6
84,2
1975
812
188
212
244
—
9,2
—45
95
1980*
790-838
147—182
167—199
197—227
212—262
242—289
1,9—14,6
_66-ь-40
90—100
1 43,3143,89—43,67
50,0
22,9
16,9
1,6;
1,0
9
60
0,8
0,9
83,6
—
19,0-28,0
10,7—23,0
7 0,07—3,0
0,9—5,4
1—50
10—240
0,1—3
0,1—3,4
0,1-9,0
82,9
от режима работы топливорегулирующих агрегатов отечествен-
отечественной техники. Топлива капиталистических стран, допущенные к
применению на отечественной авиационной технике с ограниче-
ограничением ресурса топливно-регулирующеи аппаратуры, приведены
в табл. 10.6 [214].
При работе на указанных зарубежных топливах ресурс се-
серийных плунжерных топливных агрегатов может быть сокращен
250
1965
767
100
151
208
1970
764
100
143
198
JP-4
| 1975
763
99
142
198
1980*
751-786
46-74
76-118
112-186
143—232
164—270
1965
818
196
212
236
| 1970
820
195
213
238
JP-5
1975 |
818
198
214
239
1980*
814—841
115—189
166—202
211—223
232—259
257-288
2,6
2,8 2,2
9,8 10,2 9,0
—60 —60 —64 —80-t—58 —51 —50 —49 —51ч-—47
87 88 90 75—100 96 95 94 75—90
43,59 43,57 43,5843,13—43,77 43,05 43,06 43,08 42,99—43,18
62,3
26,7
11,7
1,06
1,1
5
60
0,3
0,7
—
15,2
63,0
27,6
11,5
1,45
0,9
6
30
0,5
0,6
—
117,1
62,0
27,2
11,2
0,20
1,0
9
40
0,6
0,9
—
119
21
8
0
0
0
0
—
,0-35,2
,0-22,9
—
,4-2,4
0—4
10—100
,1 — 1,8
,1—0,9
116,4
—
22,
16,
2,
1,
17
120
о,
1,
87,
1
8
76
1
4
2
6
44
22,
15,
1,
1,
2
40
0,
о,
87,
4
9
21
0
4
5
5
—
22,9
15,2
__
1,2
5
60
0,6
1,0
—
88,8
19
15
0
0
0
0
—
,0-22,3
,7—19,5
—
,5-0,8
1-34
10—40
,1 — 1,0
,6—1,0
,2-0,5
85,2
до 30% от установленной продолжительности. Топливо Jet A
имеет температуру кристаллизации —40 °С и применяется с со-
соответствующими ограничениями и учетом возможности контроля
фактической температуры топлива в баках самолета. При пони-
понижении температуры топлива до температуры начала кристалли-
кристаллизации необходимо изменить высоту полета или увеличить ско-
скорость.
251
Таблица 10.6. Зарубежные топлива, допущенные к применению
на отечественной авиационной технике
Марка зарубежно-
зарубежного топлива
Jet А-1, АТК
Turbo A-1, AVTUR
Jet A
JP-5,
AVCAT(FSII)*
Jet В, AVTAG
JP-4,
AVTAG(FSII)
Код
НАТО
F-35
—
F-44
—
F-40
Спецификация
DERD 2494
ASTMD 1655-81
MIL-T-5624 L,
DERD 2452
ASTMD 1655-81
DERD 2486
MIL-T-5624 L,
DERD 2454
Страна, фирма-
изготовитель
Ангола, Ливия,
Мадагаскар, Ирак,
Йемен, Перу; фир-
фирмы «British Petro-
Petroleum», «Mobil Oil»,
«Shell»
США, «Exxon»
«British Petro-
Petroleum», «Shell»
«British Petrole-
Petroleum», «Shell»
США, Англия
* Топливо содержит противсобледенительную присадку — Fuel System Icin
Марка оте-
отечественного
эквива-
эквивалента
РТ, ТС-1
Т-2
g Inhibitor,
Топливо JP-4 и Jet В допускают к применению на самоле-
самолетах и вертолетах наряду с топливом Т-2 и принятыми для него
ограничениями. Из-за повышенной агрессивности топлива к ре-
резинам ограничивается ресурс работы серийной топливно-регу-
лирующей аппаратуры с температурным режимом до 100 °С при
работе на топливах Turbo А-1 (Перу) и АТК (Ирак) до 350 ч,
Jet А-1 (Йемен) —до 200 ч. При температурном режиме топлив-
но-регулирующей аппаратуры до 120 °С их ресурс на указанных
топливах ограничивается до 100 ч.
Глава 11
КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
Квалификационные испытания реактивных топлив играют важ-
важную роль в общей системе государственных испытаний топлив,
масел, смазок и специальных жидкостей. Комплекс квалифика-
квалификационных методов впервые был разработан в 1968 г., и его при-
применение позволило сократить длительность испытаний новых об-
образцов топлив с 3—4 лет до 3—4 недель, при этом сэкономлено
в среднем «500 тыс. руб. на каждом испытании. Совершенство-
Совершенствование авиационных двигателей связано с их дальнейшим ус-
усложнением, а следовательно, и удорожением, поэтому в настоя-
настоящее время экономический эффект от применения комплекса ме-
252
тодов еще больше. Ежегодно по этому комплексу испытывают
более десятка образцов реактивных топлив, т. е. экономия ис-
исчисляется миллионами рублен.
11.1. КОМПЛЕКС МЕТОДОВ КВАЛИФИКАЦИОННЫХ
ИСПЫТАНИЙ
Первоначально созданный комплекс методов квалификационных
испытаний реактивных топлив не имел строгого научного обос-
обоснования всех включенных в него методов. Однако он нашел ши-
широкое и успешное распространение при оценке качества образ-
образцов топлив, полученных по измененной технологии на новых за-
заводах из нефтяного сырья новых месторождений. В последую-
последующем в работах многих исследователей [215—217] были предло-
предложены совершенствования классификации эксплуатационных
свойств топлив и уточнение терминологии в этой области. По
ряду вопросов эти предложения существенно расходились, тем
не менее на основе обобщения современных данных рядом орга-
организаций различных ведомств была подготовлена новая редакция
стандарта ГОСТ 4.25—83 «Номенклатура показателей качества
топлив». Этот стандарт по существу подводит итоги очередного
этапа развития химмотологии. В нем на современном научном
уровне даны классификация эксплуатационных и физико-хими-
физико-химические свойства топлив, в том числе реактивных, перечень по-
показателей их качества, которыми в настоящее время можно до-
достаточно полно охарактеризовать все эти свойства.
Методы испытаний и их объем при квалификационной оценке
реактивных топлив на современном этапе представлены в гл. 9
(см. табл. 9.1).
Вначале комплексом квалификационных методов и стандар-
стандартами на реактивные топлива не предусматривалось определение
многих показателей, таких, как давление насыщенных паров при
100 °С и выше, температура самовоспламенения, температурные
и концентрационные пределы воспламенения, удельная электри-
электрическая проводимость, индекс термостабильности, температура
начала образования отложений, предел прочности, относитель-
относительное удлинение и период старения резины, изменение твердости
герметика, показатель износа в условиях комбинированного тре-
трения, удельная теплоемкость, теплопроводность, токсичность, вре-
время окисления и период индукции. По мере развития авиацион-
авиационной техники и технологии производства реактивных топлив не-
некоторые из этих показателей приобрели важное практическое
значение. Так, увеличение температуры топлива в баках и топ-
топливных системах летательных аппаратов в связи с повышением
скоростей полета и теплонапряженности двигателей потребовало
регламентации давления насыщенных паров топлив при темпе-
температурах 100—250 °С, а следовательно, и разработки методов оп-
определения этого показателя в указанном интервале температур.
253
Рис. 11.1. Прибор для из-
измерения давления насы-
насыщенных паров жидкости:
1 — вентили; 2 — вакуумметр;
3 — корпус; 4 — термометр; 5 —
ограничитель; 6 — сильфон; 7 —
дозатор; 8 —- охлаждающий ка-
канал; 9 — электронагреватель;
10 — крышка; И — разрезная
шайба
Возрастание скоро-
скоростей заправки лета-
летательных аппаратов топ-
топливом в сочетании с
увеличением тонкости
фильтрования привело
к необходимости конт-
контроля степени электри-
электризации топлив и разработки метода определения удельной элект-
электрической проводимости. Повышение теплонапряженности топ-
топливных систем летательных аппаратов и связанное с этим уже-
ужесточение требований к термостабильности топлив выявило не-
недостаточность существовавших ранее методов оценки этой ха-
характеристики и целесообразность разработки новых методов,
с помощью которых более полно определяется склонность топ-
топлив к отложениям при повышенных температурах („определение
индекса термостабильности и температуры начала образования
отложений).
Расширение использования термостабильных топлив, пред-
представляющих собой гидрогенизационные нефтяные фракции без
присадок, вызвало ряд отрицательных явлений, связанных своз-
действием таких топлив на резины и герметики, контактирую-
контактирующие с топливом в топливных системах летательных аппаратов.
Это привело к необходимости разработки методов определения
предела прочности резины при растяжении, ее относительного
удлинения и периода старения, а также изменения твердости
герметика, находящегося в контакте с реактивным топливом.
Ускоренное изменение качества указанных гидрогенизационных
топлив-по сравнению с обычными прямогонными и сокращение
вследствие этого допустимых сроков хранения на складах вы-
выявили потребность оценить лабораторным методом склонность
топлив к изменению качества в условиях хранения (определение
времени окисления и периода индукции).
Совершенствование комплекса квалификационных методов
испытаний реактивных топлив и опыт их использования показы-
показывают, что указанные методы (см. табл. 9.1) не следует рассмат-
рассматривать изолированно от методов, входящих в стандарты на топ-
топлива (они также приведены в таблице). При квалификационной
оценке качество реактивных топлив необходимо устанавливать
путем определения показателей, предусмотренных как комплек-
254
сом квалификационных методов, так и стандартами на топлива.
Такой подход позволяет с наибольшей полнотой охарактеризо-
охарактеризовать эксплуатационные свойства топлив.
В настоящее время определяются все (за исключением ох-
охлаждающих свойств и токсичности) эксплуатационные свойства
реактивных топлив, причем ряд свойств, например прокачивае-
мость, горючесть, совместимость с материалами и другие, ха-
характеризуются значительным числом показателей (до 12). Неко-
Некоторые показатели, такие, как вязкость, кислотность и другие,
одновременно характеризуют несколько эксплуатационных
свойств (прямо или косвенно).
Большинство методов, входящих в комплексы методов ква-
квалификационных испытаний и предусмотренных стандартами на
реактивные топлива, уже стандартизовано; остальные являются
междуведомственными. Многие из этих методов подробно опи-
описаны в работе [218]. Учитывая, что при применении того или
иного стандартизованного метода следует обращаться к соответ-
соответствующему стандарту, здесь будут описаны нестандартизован-
ные еще квалификационные методы с учетом изменений, про-
прошедших после выхода из печати указанной выше работы.
11.2. НЕСТАНДАРТИЗОВАННЫЕ МЕТОДЫ
КВАЛИФИКАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
Давление насыщенных паров топлива (метод разработан
А. А. Соловьевым и Б. А. Маловым [219]). Определение прово-
проводят в специальном сильфонном приборе (рис. 11.1) при темпера-
температурах от 20 до 200 °С и атмосферном давлении. Испытуемый об-
образец топлива, помещенный в рабочую полость герметичной
ячейки, нагревается, и при нагревании в результате повышения
давления насыщенных паров топлива происходит сжатие силь-
фона 6. Повышение давления в рабочей полости ячейки через
сильфон и дегазированное вакуумное масло, полностью запол-
заполняющее измерительную полость ячейки, воспринимается измери-
измерительным прибором—вакуумметром 2. Перед проведением испы-
испытания из ячейки с помощью вакуум-насоса удаляется воздух.
Дозатор заполняют испытуемым топливом и в количестве
^30 мл подают в ячейку, при этом обеспечивается соотношение
объемов парогазовой фазы к жидкой, равное 4:1. Включают
электронагреватель 9 с помощью регулятора напряжения, на-
нагревают и выдерживают топливо при заданной температуре, при
которой фиксируют показания вакуумметра 2.
Для повышения точности измерений давления насыщенных
паров проводят опыт по определению давления воздуха, выде-
выделившегося из топлива при испытании. Для этого плавно запол-
заполняют ячейку топливом из дозатора, сжимая тем самым паровоз-
паровоздушную смесь в ячейке до атмосферного давления. По разности
уровней жидкости в дозаторе вычисляют объем, занимаемый па-
паровоздушной смесью в ячейке при атмосферном давлении.
255
Давление насыщенных паров (/w, гПа) рассчитывают по
формуле:
Рнас = ос [ро- Рх - р (*— /о)]- 22 (* + 273)/(/0 + 273), A1.1)
где аир — постоянные прибора, указанные в паспортных данных; рэ, pi —
показания вакуумметра в начале испытаний и при температуре опыта
(в делениях шкалы образцового вакуумметра); t0, t — температуры в момент
заполнения и опыта, °С.
Допускаемые отклонения результатов параллельных опреде-
определений по этому методу не должны превышать ±6,5 Па.
Пределы устойчивого горения, полнота сгорания, масса обра-
образующегося нагара — эти показатели определяют на малоразмер-
малоразмерной однокамерной установке с модельной камерой сгорания, вы-
выполненной по типу камеры сгорания турбореактивного двигате-
двигателя ВК-1 [221].
Схема установки показана на рис. 11.2.
Полноту сгорания топлива оценивают по характеристикам,
выражающим зависимость коэффициента полноты сгорания ц
от коэффициента избытка воздуха а. Коэффициенты т] и а рас-
рассчитывают по тепловому балансу и газовому анализу при рабо-
работе установки с расходом воздуха GB = 0,25 кг/с, его температу-
температурой на входе в установку /в = 60°С и температурой газов в мер-
мерном участке, равной 200, 300, 400, 500, 600 и 700 °С. Допускае-
Допускаемые расхождения между двумя параллельными испытаниями не
превышают 0,02.
При определении пределов устойчивого горения состав газо-
газовой смеси, соответствующий появлению пламени на выходе из
Рис. 11.2. Схема малоразмерной однокамерной установки:
7 —топливные баки; 2 — фильтр; 3 — штихпроберы; 4 — краны; 5 — топливный насос; '6 —
манометр; 7 — малоразмерная камера сгорания; '8 — приборы, измеряющие расход и дав-
давление воздуха; 9 — электроподогреватель воздуха; 10 — ресивер
256
Рис. 11.3. Схема измери-
измерительного блока установки
ДТС-2:
/ — настроечная поверхность;^^"
2 — оценочная трубка нагрева- * ?_
теля; 3 — лампочка подсвета; ~
4 — считывающая каретка; 5 —
фотосопротивление; 6 — автома-
автоматический потенциометр
камеры сгорания, ус-
условно принимают за
предел устойчивого
сгорания топлива на
богатых смесях, а со-
состав смеси, соответст-
соответствующий срыву пламени, — за предел устойчивого горения на
бедных смесях. Суть испытания заключается в том, что состав
смеси при работе установки постепенно обогащают, повышая
давление подачи топлива до появления на выходе из камеры
сгорания начала факела. Для фиксирования предела устойчи-
устойчивого горения топлива на бедных смесях плавно уменьшают по-
подачу топлива до срыва пламени. В моменты появления факела
на выходе из камеры сгорания и полного угасания пламени в
ней измеряют расходы топлива и воздуха. Допускаемые рас-
расхождения между двумя параллельными испытаниями не бо-
более 5%.
Массу образующегося нагара определяют при работе уста-
установки на таком режиме: GB = 0,25 кг/с, /в = 60°С, а = 4. После
1 ч работы камеру сгорания разбирают, среднюю часть жаро-
жаровой трубы с отложившимся в ней нагаром взвешивают и по
разнице масс камеры сгорания до и после испытаний находят
массу нагара. Допускаемые расхождения между параллельны-
параллельными определениями не должны превышать 20%.
Индекс термостабильности и температуру начала образова-
образования отложений определяют на установках ДТС-2 и ДТС-2М.
Сущность испытания на обеих установках заключается в сле-
следующем. Испытуемое топливо прокачивают с постоянным рас-
расходом вдоль оценочной трубки нагревателя, который имеет за-
заданное температурное поле. По массе образовавшихся отложе-
отложений на металлической поверхности и температуре начала их об-
образования оценивают термоокислительную стабильность топли-
топлива. Эти показатели определяют путем регистрации яркости све-
света, отраженного от поверхности оценочной трубки.
Установка ДТС-2 включает испытательный и измерительный
блоки. Испытательный блок аналогичен установке ДТС-1М
(ГОСТ 17751—79), за исключением конструкции нагревателя,
состоящего из двух трубок, вставленных одна в другую. Этот
нагреватель размещен внутри оценочной трубки. Температуру
топлива измеряют с помощью 6 термопар, расположенных че-
через 105 мм по длине нагревателя на расстоянии 1,5 мм от по-
17—518
257
верхности оценочной трубки. Схема измерительного блока пока-
показана на рис. 11.3. Оценочная трубка устанавливается в фокусе
считывающей каретки 4, на которой размещены две лампочки 3,
освещающие участок поверхности трубки, и фотосопротивле-
фотосопротивление 5, формирующее на входе автоматического потенциометра 6
электрический сигнал, пропорциональный яркости отраженного
света и записываемый на диаграммную ленту потенциометра.
Настраивается прибор с помощью зеркальной поверхности.
В топливный бак установки закачивают 10 л топлива. За на-
начало испытания считают время выхода на рабочий режим, ко-
который характеризуется следующими параметрами:
Расход топлива, л/ч 1,1 ±0,05
Давление топлива перед подогревателем, МПа 0,44±0,05
Температура топлива, °С
в топливном баке 25±10
на термопарах От 33±3 до 180±3
По истечении 5 ч испытания оценочную трубку вынимают из
установки, выдерживают в изооктане и высушивают при ком-
комнатной температуре. Измеряют отражательную способность по-
поверхности оценочной трубки в измерительном блоке. Графиче-
Графическую запись отраженной способности проводят на диаграмме с
оценкой состояния поверхности трубки до испытания. Масса
отложений графически выражается площадью, ограниченной
кривыми, полученными при оценке отражательной способности
поверхности трубки до и после испытаний. Индекс термоста-
термостабильности вычисляют как частное от деления массы отложе-
отложений, образовавшихся при испытании исследуемого топлива, на
массу отложений, полученных при испытании эталонной жидко-
жидкости (91% об. гексадекана и 9% об. а-метилнафталина).
Температуру начала образования отложений tH.o находят по
полученной диаграмме путем линейной интерполяции темпера-
температуры термопар, расположенных слева и справа от точки, кото-
которая обозначает появление первых отложений. Доверительный
интервал определения при 95%-й надежности составляет
±15% для индекса термостабильности и ±7,0% для температу-
температуры начала образования отложений.
Термоокислительную стабильность на установке ДТС-2М оп-
определяют по методу [222], предназначенному для оценки термо-
термоокислительной стабильности реактивных топлив в условиях,
имитирующих режимы полета сверхзвуковых самолетов. Сущ-
Сущность метода заключается в оценке склонности реактивных топ-
топлив к окислению с образованием продуктов, способных отла-
отлагаться на металлической поверхности и забивать поры фильт-
фильтрующих элементов при одноразовом прокачивании топлива,
предварительно нагретого в баке установки и узлах контрольных
элементов.
Термоокислительную стабильность топлива оценивают по
средней скорости возрастания перепада давления на контроль-
258
I J
/VWVWVVVVVVAA
Рис. 11.4. Схема установки ДТС-2М для определения термоокислительной
стабильности реактивных топлив:
/ — топливный бак; 2 — электроподогреватели; 3 — заправочная трубка; 4 — термопары;
5 — заборная трубка; 6 — барботажная трубка; 7 — система предварительного фильтро-
фильтрования и заправки топлива; S —краны; 9 — топливные фильтры; 10— насос; //—ворон-
//—воронка; 12 — оценочная трубка; 13, 14 — контрольные вставки; 15 — корпус контрольных эле-
элементов; 16 — контрольный фильтр; 17 — узел контрольного фильтра; 18 — кран перепуска
топлива; 19 — датчик перепада давления; 20 — холодильник; 21 — ротаметр; 22 — мано-
вакуумметры; 23 — штрихпробер; 24 — емкость для слива топлива; 25 — система вытес-
вытеснения топлива; 26 — баллон; 27 — редуктор; 29 — регулятор давления; 29 — кран тонкой
регулировки; 30 — предохранительный клапан
ном фильтре, индексу термостабильности и температуре начала
образования отложений. Таким образом, отличием этого метода
от метода определения термической стабильности на установке
ДТС-2 является предварительный нагрев топлива в баке, что,
как считают, имитирует условия пребывания топлива в системе
самолетов при продолжительном сверхзвуковом полете.
Установка ДТС-2М (рис. 11.4) сочетает в себе функции двух
установок: ДТС-1М и ДТС-2. В этой установке вместо насосной
системы подачи топлива на контрольные элементы использова-
использована вытеснительная — с помощью сжатого газа: воздуха, азота,
гелия и т. п. Введен нагрев топлива в баке, что позволяет про-
проводить испытание на предварительно нагретом (до 150 °С) топ-
топливе при давлении в баке до 1,0 МПа. Отсутствуют участки ох-
охлаждения на пути топлива от бака к нагревательной оценочной
трубке и далее к контрольному фильтру за счет непосредствен-
непосредственной состыковки этих узлов без соединительных необогреваемых
17*
259
трубопроводов. Подготовка топливного бака, оценочной трубки,
контрольных фильтров к работе установки в принципе не отли-
отличается от аналогичных операций с установками ДТС-1 и ДТС-2.
Топливо A0 л) фильтруют через фильтры (размер пор 12—
16 мкм и ~1 мкм). Испытания на установке можно вести с на-
нагревом топлива и без нагрева его в баке (во втором варианте
это равнозначно испытанию на установке ДТС-2). Выводят ус-
установку на следующий рабочий режим:
Расход топлива, л/ч
Давление в баке, МПа
Газ наддува бака
Температура топлива, °С:
в баке
на термопаре
в контрольном фильтре
С нагревом
2,0+0,1
0,5
Азот
130+3
190+3
220+3
Без нагрева
1,1+0,1
0,5
Воздух
20+5
190+3
220+3
Испытание проводят до достижения указанных температур
в течение 3 ч с нагревом и в течение 5 ч без нагрева топлива
в баке либо до достижения предельного перепада давления топ-
топлива на контрольном фильтре, равного 83 кПа. Средняя ско-
скорость роста перепада давления топлива на контрольном фильт-
фильтре со, Па/мин — это отношение перепада давления топлива
(АР, Па) ко времени подачи топлива через контрольный фильтр
(т, мин):
со=АР/т. A1.2)
Индекс термостабильности и температуру начала образования
отложений определяют так же, как и при испытаниях на уста-
установке ДТС-2.
При испытаниях без нагрева топлива в баке на установке
ДТС-2М максимальная относительная погрешность измерения
не зависит от абсолютного значения полученной величины и для
/н.о, ИТ и со равны 3,0, 12,5 и 15,3% соответственно. При испы-
испытаниях с нагревом топлива в баке относительная погрешность
измерения со составляет до 37%, если со находится в диапазоне
13—46 Па/мин, и 8%, если со составляет 750—920 Па/мин. От-
Относительная погрешность измерения индекса стабильности со-
составляет 6,0—12,0% в диапазоне ее величин 0,17—0,36.
Коррозионные потери меди и бронзы длительное время опре-
определяли по ГОСТ 18598—73. Недостатком метода является дли-
длительность испытания (пять периодов по 5 ч) и значительный
объем топлива — 8 л. В связи с этим ВНИИ НП разработан экс-
экспресс-метод определения коррозионной активности реактивных
топлив по отношению к меди. Пластинку E0x150 мм) из медной
фольги дважды выдерживают в свежей порции A25 мл) испы-
испытуемого топлива при 150 °С в течение 2 ч. С этой целью ис-
лользуют термостат ТСРТ-2. После двух этапов нагрева в кон-
контакте с топливом пластинку очищают и взвешивают. Расхожде-
260
ния между параллельными определениями не превышают
0,02 г/м2. Применение медной фольги в этом методе значительно
увеличивает площадь контактирующей с топливом поверхности
металла, что позволяет в несколько раз сократить время испы-
испытаний (в сравнении с ГОСТ 18598—73) и уменьшить погреш-
погрешность определения.
Содержание металлов V, Mo, Co, W и Ni определяют атом-
атомно-абсорбционным методом [215], основанным на измерении ве-
величины резонансного поглощения аналитических линий указан-
указанных элементов в атомных спектрах анализируемого топлива. Из-
Измерение проводят атомно-абсорбционным спектрофотометром вы-
высокого класса, типа IL-453 или Perkin-Elmer-ЗОЗ, при пламенной
атомизации металлов в пламенах воздух — ацетилен и оксид
азота (N2O)—ацетилен.
Перед испытанием готовят эталонные растворы органических
соединений V, Mo, Co, Ni (в топливе) и W (в воде) в интервале
концентраций этих металлов Ы0~4—Ы0-5%. Пробу топлива
G—8 мл) сжигают. Для определения W сжигают водный рас-
раствор сухого остатка испытуемого топлива.
По данным анализа эталонов строят градуировочные графи-
графики, по которым находят концентрацию металлов в испытуемом
топливе. Чувствительность определения составляет 1-10~5% по
ванадию, молибдену и никелю, 6-10~6% по кобальту и 2,5-10~6%
по вольфраму. Погрешность определения не превышает 50% для
нижнего значения концентраций.
Предел прочности и относительное удлинение резины при
растяжении. Сущность метода [223] заключается в двухстадий-
ной обработке образцов резины при повышенной температуре.
На первой стадии при температуре 150 °С в течение 4 ч из рези-
резины цетаном, из которого предварительно удален растворенный
кислород, экстрагируют антиокислители. На второй стадии ре-
резина подвергается воздействию испытуемого топлива в присут-
присутствии кислорода воздуха при 140 °С в течение 4 ч. Степень воз-
воздействия топлива на резину оценивают по указанным показате-
показателям образцов резины (в соответствии с ГОСТ 270—75).
Период старения нитрильной резины. Метод [224] заключа-
заключается в том, что образцы резины ИРП-1078 выдерживают в на-
нагретом циркулирующем топливе, через которое барботирует
воздух. Испытание ведут этапами по 3 ч со сменой топлива пос-
после каждого этапа. Период старения резины определяют по чис-
числу этапов испытаний, после которых предел прочности и относи-
относительное удлинение резины изменяются не более чем на 50%.
С этой целью используют стеклянный прибор ЦИТО-С
(рис. 11.5) с термосифонным принципом циркуляции топлива.
Во внутреннем кольцевом зазоре прибора между электронагре-
электронагревателем 5 и стеклянной трубкой 6 топливо нагревается. Подни-
Поднимаясь вверх, через верхние циркуляционные отверстия в трубке
оно поступает в резервуар в верхней части прибора, где устанав-
устанавливают образцы резины. На смену ему через нижние циркуля-
261
12
Рис. 11.6. Схема прибора УПС-01:
/—электрическая спираль; 2 — топливная каме-
камера; 3 — ограничитель: 4 — спиральная пружина;
5 — подвижной блок; 6 — сепаратор; 7 — шары-об-
шары-образцы; 8 — шайба прижимная; 9 — диск-образец;
/# —держатель диска-образца; // — топливный
бак; 12 — дроссельный кран; 13 — крышка топлив-
топливной камеры; /4 ¦—концевой выключатель; 15 —
баллон с азотом; 16 — шкив привода плоского ди-
диска; /7 — стрелочный индикатор; 18 — вал приво-
привода; 19 — переходник; 20 — уплотнительная манже-
манжета; 21 — сферический подшипник; 22 — централь-
центральная ось; 23 — термопара; 24 — электродвигатель;
25 —- терморегулятор; 26 — блок автоматики; 27 —
усилитель; 28 — тензобалка; 29 — подшипник
Воздух
Рис. 11.5. Прибор ЦИТО-С:
/ — краны; 2— распылитель; 3 — рубашки; 4—-корпус; 5 — электронагреватель; '• —
стеклянная трубка; 7 — приспособление для крепления лопаток; 8 — резиновые лопатки;
9 — крюк; /# —крышка; // — втулка; 12 — термометр; /3 — участок конденсации во;;;-;-
ных паров
ционные отверстия поступает новая порция топлива из внеш-
внешнего кольцевого зазора между корпусом 4 прибора и стеклян-
стеклянной трубкой 6. В прибор заливают 300 мл испытуемого топли-
топлива; в процессе испытания поддерживают температуру топлива
у лопаток на уровне 135±2°С.
По окончании испытания определяют предел прочности а и
относительное удлинение г лопаток на разрывной машине
(ГОСТ 271—67). Максимальное расхождение параллельных оп-
определений не должно превышать одного этапа испытаний.
Изменение твердости тиоколового герметика оценивают пу-
путем сравнения твердости образцов герметика (в виде лопаток
по ГОСТ 270—75) до и после выдержки их в испытуемом топ-
топливе при 130±1,5°С в течение 4 ч [215]. Твердость образцов
262
измеряют твердомером (ГОСТ 270—75), допускаемые расхож-
расхождения не превышают 15%.
Диаметр пятна износа, критическая нагрузка и критерий
противоизносных свойств — эти показатели определяют на уста-
установке УПС-01 [225]. Сущность метода заключается в оценке
степени влияния топлива на износ и критическую разгрузку
схватывания контрольной пары, работающей при трении сколь-
скольжения. Обобщенным показателем противоизносных свойств топ-
лив, учитывающим как износ, так и критическую нагрузку, яв-
является критерий износа. Он характеризует уровень этих свойств
относительно эталонной жидкости — пентадекана. Парой трения
в установке (рис. 11.6) являются плоский диск-образец 9 и три
шара-образца 7, выполняемые из стали ШХ15. Плоский диск
вращается с помощью электродвигателя 24. Шары монтируют
и фиксируют от проворачивания в специальном сепараторе 6.
Пара трения помещена в герметичную топливную камеру 2. На-
Нагрузку на пару трения создают с помощью электропривода че-
через пружинный динамометр и контролируют по стрелочному ин-
индикатору 17. Избыточное давление топлива в камере создают и
регулируют с помощью поршневого насоса и контролируют по
показаниям манометра. Топливо нагревается электрической спи-
спиралью 7, помещенной в корпусе камеры.
На каждое испытание используют новые шары или шары с
нетронутыми предыдущими экспериментами поверхностями и но-
новый либо перешлифованный на специальном устройстве плоский
диск. Для анализа в расходный бак установки заливают 3,5 л
испытуемого топлива и проводят испытания при скорости сколь-
скольжения 1,18 м/с и температуре топлива 60 °С. При определении
величины износа длительность испытания достигает 30 мин,
а осевая нагрузка равна 98,1 Н.
Закончив испытания, измеряют под микроскопом диаметр
пятна износа шаров.
Для нахождения критической нагрузки нагружение пары тре-
трения продолжают до момента перехода износа в схватывание.
При этом в зоне контакта материалов под воздействием резко
возрастающих сил трения, преодолевающих усилие пружины,
камера с узлом трения поворачивается и срабатывает механизм
автоматического выключения установки.
Обобщенный показатель К (%), характеризующий противо-
износные свойства топлива, рассчитывают по формуле:
/С = РКр • 1,31 • 100/B40,350, A1.3)
где ркр — критическая нагрузка перехода к схватыванию при испытании
топлива, Н; 240,35 — критическая нагрузка перехода к схватыванию при
испытании пейтадекана, Н; i — износ при испытании топлива, мм; 1,31 —
износ при испытании пентадекана, мм.
Испытание пентадекана проводится заводом-изготовителем
установки, результаты прилагаются в паспорте на нее. Относи-
Относительная погрешность метода составляет ±6%.
263
Массу износа и критическую нагрузку определяют на уста-
установке СИССТ-1. Эта установка по принципу определения про-
тивоизносных свойств топлив аналогична установке УПС-01 и
отличается только материалами контрольной пары трения и не-
некоторыми параметрами проведения испытания.
Парой трения установки СИССТ-1 (рис. 11.7) является плос-
плоский диск-образец 3 и три шара-образца 2 диаметром 25,4 мм.
Для оценки износа применяют шары из стали ХВГ и шайбу из
стали ШХ15, а для оценки критической нагрузки — шары из
стали Х12М и шайбу из стали ЭИ347, т. е. для пар трения ис-
используют такие же сочетания материалов, как и в реальных на-
насосах-регуляторах. Аналогично прибору УПС-01 пара трения
размещается в герметичной топливной камере 1, в которой соз-
создается такое же избыточное давление. Нагрузку на пару трения
создают с помощью гидравлического узла нагружения 15.
Топливо в камеру подается из основной емкости 12 под дав-
давлением азота от баллона 13. Необходимое избыточное давление
топлива в камере регулируют с помощью газового редуктора 11
и контролируют по манометру 10.
До заданной температуры топливо нагревают электрической
спиралью 5, вмонтированной в корпус камеры, и контролируют
при помощи термопары 6 и потенциометра 7. Приводом плоского
диска является электродвигатель 8. Силу трения в зоне контак-
контакта контрольной пары измеряют при помощи тензобалки 19 и
тензометрической аппаратуры 20.
Испытания топлив на установке СИССТ-1 проводят при ско-
скорости скольжения 0,36 м/с и температуре топлива 20—25 °С. Оп-
Определение на износ длится .30 мин. Осевую нагрузку первые
3 мин поддерживают рав-
равной 49,05 Н, в последую-
последующие 2 мин равномерно
увеличивают ее до
490,50 Н и последние
25 мин не изменяют. На
каждое испытание берут
~"| J2 новые шары или шары,
11 20 13 18 17
I Рис. 11.7. Схема установки
I СИССТ-1:
/— топливная камера; 2 — шар-об-
разец; 3 — диск-образец; 4 — шпин-
шпиндель; 5 — электроподогреватель; 6 —
термопара; 7 — потенциометр; 8 —
электродвигатель; 9 — коробка ско-
скоростей; 10 — манометры; //—-газо-
//—-газовый редуктор; 12 — топливный бак;
13 — баллон с азотом; 14 — топлив-
топливная система; 15 — узел нагружения;
16 — маховик: 17 — рабочий ци-
линдр; 18 — стальной попшень; 19 —
"'О тензобалка; 20 — тензометрическая
аппаратура; 21 — микроампермилли-
вольтметр; 22 — узел измерения си-
силы трения
264
500H
77777777/77777*
Рис. 11.8. Схема установки
ПСТ-2:
1 — электродвигатель; 2 — редуктор;
3 — топливный бачок; 4 — коническая
шайба; 5 — плунжер; 6 — цанговый дер-
держатель; 7 —винт-упор; 8, 9 — шарико-
шарикоподшипники; 10 — кольцо торможения;
И — сектор-торможения; 12 — прерыва-
прерыватель; 13 — источник света; 14 — фото-
фотосопротивление; 15 — преобразователь
частоты; 16 — потенциометр
поверхности которых не тро-
тронуты предыдущими экспери-
экспериментами, и новый плоский
диск. Массу износа шаров
находят с помощью таблицы
по измеряемым под микроскопом размером пятен износа. Отно-
Относительная погрешность определения износа составляет ±7% и
критической нагрузки ±10%.
Показатель износа определяют на установке ПСТ-2
(рис. 11.8) [226]. Сущность метода заключается в регистрации
износа плунжера из стали ХВГ при комбинированном трении —
трении качения и трении скольжения — в зоне контакта его с
конической шайбой из стали ШХ15. Износ оценивают косвенно
по уменьшению частоты вращения плунжера за контрольный
промежуток времени испытания. Показатель износа вычисляют
как отношение изменения частоты вращения плунжера в испы-
испытуемом и эталонном топливах; эталонное топливо — смесь 96%
изооктана и 4% цетана.
Плунжер 5 является серийной деталью топливного насоса-
регулятора. Пара трения помещена в топливный бачок 5, а в
его корпус вмонтирован электроподогреватель. Система нагру-
жения пары трения рычажная. В установке предусмотрено цик-
циклическое притормаживание вращения плунжера, обеспечиваю-
обеспечивающее изменение соотношения между скольжением и качением в
зоне контакта пары трения аналогично тому, как это имеет ме-
место в зоне контакта плунжерной пары насоса-регулятора при
смене режимов его работы. Частота вращения плунжера изме-
измеряется и регистрируется с помощью источника света 13, диско-
дискового прерывателя 12, закрепленного на «хвостовике» цангового
держателя, фотосопротивления 14, преобразователя частоты
электрического тока в постоянное напряжение 15 и самопишуще-
самопишущего потенциометра 16.
Испытания на установке ПСТ-2 проводят при осевой нагруз-
нагрузке 500 Н, соотношении между скоростями скольжения и качения
в зоне контакта, равном 0,16—0,40, и температуре топлива 30 °С.
Длительность анализа 60 мин циклами в 3 мин, при которых
пара трения работает без притормаживания вращения плунжера
в течение 1 мин с притормаживанием — 2 мин. Исключение со-
составляют циклы в начале и конце контрольного периода, когда
пара трения работает без притормаживания 2 мин.
265
Показатель износа (Ик.т, усл. ед.) вычисляют по формуле:
Ик#т = Алт-ЮО/12,5, A1.4)
где Дт]т — среднее арифметическое значение величины уменьшения частоты
вращения плунжера за контрольный период испытания топлива, с-1; 12,5 -—
величина уменьшения частоты вращения плунжера за контрольный период
испытания эталонного топлива, с.
Показатель износа эталонного топлива принят равным
100 усл. ед.; относительная погрешность метода ±6%.
Диаметр пятна износа определяют также на стенде с моди-
модифицированным насосом-регулятором НР-21Ф2 [227, 228]. Сущ-
Сущность метода заключается в однократном прокачивании 50 л ис-
испытуемого топлива, нагретого до 120 °С, в течение 5 ч, через
полость контрольного узла трения модифицированного насоса-
регулятора НР-21Ф2 с последующим измерением диаметра пят-
пятна износа контрольных шаров, установленных в трех плунже-
плунжерах.
Контрольной парой трения являются три шара 9 из стали
ШХ15, диаметром 12,7 мм, закрепленные в плунжере, и наклон-
наклонная шайба из стали ЭИ347 (рис. 11.9). Плунжеры с шарами и
наклонную шайбу монтируют в корпусе насоса регулятора
НР-21Ф2, в котором заглушены дренажные отверстия и тем са-
самым разобщены полости контрольного узла трения и перекачи-
перекачивания топлива. Лабораторный стенд имеет две независимые
топливные магистрали. По одной прокачивается испытуемое
топливо через полость контрольного узла трения на проток, а по
2 \ 5 6 7
Схема установки с модифицированным насосом-регулятором
Рис. 11.9.
НР-21Ф2:
1 — топливный бак; 2 — подкачивающий насос; 3 — краны; 4—-фильтр; 5 —манометры;
6 — электроподогреватель; 7 — термопары; 8 — насос-регулятор НР-21Ф2; 9 — шар-обра-
шар-образец; 10 — электропривод системы Леонарда; // — механизм изменения угла наклона шай-
шайбы; 12 — штихпробер; 13 — ротаметр; 14 — сливная емкость; 15 — дроссель
266
^Теплоноситель
Рис. 11.10. Схема установки для
окисления топлива:
/ — реактор; 2 — реометр; 3 — хлор-
кальциевая трубка; 4 — кран тонкой ре- Вода
гулировки- 5 — магистраль подачи воз- —^-=S!
духа ^
второй циркулирует рабочее
топливо, которое проходит ^
через основную полость на-
насоса-регулятора. Для каж-
каждого испытания используют
новые (или с нетронутыми
предыдущими эксперимен-
экспериментами поверхностями) шары
и новый упорный подшип-
подшипник с наклонной шайбой.
Время окисления. Метод основан на измерении скорости об-
образования свободных радикалов (г,-) при окислении кислородом
воздуха топлив, не содержащих антиокислительной присадки,
и определении по г/ допустимого срока хранения топлив с анти-
антиокислительной присадкой при контакте их с воздухом [218].
Испытуемое топливо (без антиокислителя) окисляют в стек-
стеклянном реакторе, обеспечивающем барботирование воздуха
(рис. 11.10), с добавлением ингибитора NN-ди-р-нафтилпарафе-
нилендиамина (диафен-НН). Каждые 5 °С отбирают пробу топ-
топлива и с помощью фотоколориметра измеряют оптическую плот-
плотность. Изменение оптической плотности топлива в процессе ис-
испытания характеризует скорость расходования диафена — НН,
так как образующийся в результате его окисления хинондиимин
окрашивает топливо в розово-красный цвет.
По результатам измерения оптической плотности проб окис-
окисленного топлива вычисляют концентрацию хинондиимина в них,
а затем скорость расходования диафена-НН. Скорость образо-
образования свободных радикалов г, рассчитывают по формуле
[моль/(л-с)]:
п = 2rIn— 2k [in] [О2],
A1.5)
где k — константа скорости окисления диафена-НН кислородом, л/(моль-с);
[In] — исходная концентрация диафена-НН в топливе, равная Ы0~4 моль/л;
[О2] — концентрация растворенного в топливе кислорода в интервале тем-
температур 100—170 °С, равная 1,8-10—3 моль/л.
Константу скорости окисления диафена-НН находят из фор-
формулы: lg& = 9,146—23 000/D,575 7), где Т — температура окис-
окисления топлива, °С.
Строят графическую зависимость в координатах \gn = f(l/T)
и экстраполяцией находят rt при любых температурах хранения
топлив.
По этим данным можно рассчитать допустимый срок хране-
хранения топлива при заданной температуре, исходя из необходимого
267
остаточного содержания ингибитора. Так, если взять топливо с
ионолом и считать, что при хранении его концентрация не долж-
должна снижаться ниже 0,002% @,8-10~4 моль/л), то допустимый
срок хранения (тхр, годы) будет составлять:
0,8.10-*)/гь (П.6)
где 2 — стехиомстрический коэффициент ингибирования; [In] — концентра-
концентрация ионола в топливе в начале хранения, моль/л; п — скорость образования
свободных радикалов при окислении испытуемого топлива, определенная
экстраполяцией к заданной температуре, моль/(л-с).
Период индукции определяют методом непрерывного окисле-
окисления испытуемого образца топлив в герметичных стеклянных со-
сосудах при 100 °С. Устанавливают длительность окисления топли-
топлива в указанных условиях до изменения сверх допустимого пре-
предела его термической стабильности в динамических условиях с
последующим пересчетом полученных результатов на прогнози-
прогнозируемое время хранения топлива в натурных резервуарах на
складе горючего. Термическую стабильность после окисления
топлива при 100 °С определяют с помощью прибора ЦИТО-М
(рис. 11.11). По принципу движения топлива и конструкции этот
прибор является аналогом описанного выше прибора ЦИТО-С;
основные отличия — выполнение из легированной стали и разме-
размещение на пути максимально нагретого топлива фильтра из ме-
металлической сетки саржевого плетения (размер пор 12—16мкм).
Нагретое топливо циркулирует по системе 180 мин (или ме-
менее), если фильтры забиты, и температура за фильтром пони-
понижается на 30 °С. Термоокислительную стабильность топлива ха-
характеризуют отношением разности температур в нижней части
корпуса контура циркуляции в начале и в конце испытания ко
времени испытания. По результатам испытания строят график
в координатах А—т, интерпо-
интерполяцией находят время т, при
котором Д=10°С/ч. Результа-
Результаты двух параллельных опреде-
определений не должны отличаться
от среднего арифметического
более чем на 20, 15 и 10% для
т, равного соответственно
<5,5—10 и более 10 сут.
Схема установки
18
Рис. 11.11.
ЦИТО-М:
1 — термопары; 2— насос; 3— рубашка;
4 — бачок с рабочей жидкостью; 5 — опуск-
опускная труба; 6—штихпробер; 7 — краны;
8 — холодильник; 9 — камера контрольного
фильтра; 10 — фланцы; // — компенсацион-
компенсационный бачок; 12 — манометр; 13 — редуктор;
14 — баллон сжатого воздуха; 15 — подъ-
подъемная труба; 16 — воронка; 17 — электро-
электроподогреватель; 18 — корпус
268
11.3. НОРМЫ И ФАКТИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ТОП ЛИВ
ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ МЕТОДОВ КВАЛИФИКАЦИОННЫХ
ИСПЫТАНИЙ
Нормы качества реактивных топлив, оцениваемые по комплексу
методов квалификационных испытаний, приведены в табл. 11.1.
Как было отмечено, еще не по всем оцениваемым показателям
установлены нормы, например, не нормируются давление насы-
насыщенных паров (за исключением топлива Т-2), термоокислитель-
термоокислительная стабильность по индексу термостабильности и температуре
начала образования отложений, противоизносные свойства на
установке ПСТ-2, индукционный период изменения термоокис-
термоокислительной стабильности топлива. Фактическое качество выраба-
вырабатываемых топлив основных марок по всем показателям комп-
комплекса методов квалификационных испытаний также представле-
представлено в табл. 11.1. Наличие данных по фактическому качеству то-
товарных топлив, которые находятся в эксплуатации и не вызыва-
вызывают нарушений в работе авиационной техники, служит хорошим
ориентиром для сравнительной оценки качества новых образцов
топлив и позволяет более надежно судить о возможности их ис-
использования без проведения длительных стендовых и летных ис-
испытаний.
Таким образом, при проведении квалификационных испыта-
испытаний оценка по некоторым эксплуатационным свойствам реак-
реактивных топлив дублируется. Казалось, с целью упрощения и ус-
ускорения испытаний необходимо как можно скорее ликвидиро-
ликвидировать дублирование, учитывая, что комплекс квалификационных
методов испытаний реактивных топлив используется уже около
20 лет. Ежегодно по нему оценивается более десятка образцов
топлив, и практически не было случаев, чтобы допущенный к
применению на технике образец вызывал какие-либо отрица-
отрицательные последствия в эксплуатации. Тем не менее конструкто-
конструкторы и изготовители техники еще не всегда в полной мере пола-
полагаются на результаты испытаний по комплексу квалификацион-
квалификационных методов. Подобное положение во многом объясняется недо-
недостаточной пропагандой достоинств квалификационных испыта-
испытаний и их надежности, а также сложившейся традицией не вно-
вносить никаких изменений в отработанную систему «двигатель —
топливо» без проведения широких натурных испытаний. В та-
такой ситуации очень сложно исключить из междуведомственной
документации какой-либо показатель качества топлив, уже по-
потерявший техническое значение, как, например, содержание
фактических смол или высота некоптящего пламени.
Кроме того, ряд показателей, предусмотренных комплексом,
определяют квалификационными методами, мало пригодными
для оперативного контроля качества топлива на нефтеперераба-
нефтеперерабатывающих предприятиях и на местах применения. К ним отно-
относятся в основном методы испытаний с помощью модельных ус-
установок. В этих случаях рационально в стандартах на топливо
269
Таблица 11.1. Квалификационные нормы качества и фактическое качество реактивных топлив
Показатель
Нормы качества
Т-1
ТС-1
РТ
Т-6
Диапазон изменения качества
Т-1
ТС-1
РТ
Т-6
Давление насыщенных паров при
150 °С, кПа
Удельная электрическая проводи-
проводимость, пСм/м
для топлив без антистатиче-
антистатических присадок,
то же, с указанными присад-
присадками
Характеристики сгорания на уста-
установке ВНИИ НП:
коэффициент полноты сгорания
при а=4
масса нагара за 1 ч, г
содержание нафталиновых уг-
углеводородов, %
люминометрическое число
Термоокислительная стабильность
в статических условиях (по ГОСТ
11802—66), масса осадка, мг/100
мл
Термоокислительная стабиль-
стабильность в динамических условиях
(установка ДТС-1)
АР на фильтре за 5 ч, кПа
время забивки фильтра до
АРдред, Ч,
цвет отложений на оценочной
трубке, баллы
Индекс термостабильности, отн.
— 50-600 50-600 —
Не нормируется
4,5 4,5
^50
^55
5*60
6
7,0
>45
1-10
137—140
1 — 10
50—600
170—140
1-10
50—600
20
1 — 10
0,94—0,95 0,95—0,96 0,95—0,96 0,94—0,95
3,0—7,0
1,4-2,5
50-55
17—34
2,0—4,5
0,1 — 1,0
55-60
1-18
2,5-4,5
0,2—0,6
55—70
1—3
4,2-7,0
0,1-^0,5
45—50
1-3
0—85
2,5-5,0
0—83 0—25
0^5
^20000
— 3,5—5,1 0,6—3,8 0,3—0,8 0,1—0,3
образования —
Температура начала
отложений, °С
Коррозионные потери, г/м2,
(по ГОСТ 18598—73) меди
то же, бронзы ВБ-23НЦ
по ГОСТ 18597—73 стали СтЗ
то же, бронзы ВБ-23НЦ
Содержание Ni, Mo, Со, 1О~5О/о, не
более
Предел прочности нитрильной
резины, МПа
Относительное удлинение нит-
нитрильной резины, %
Период старения нитрильной ре-
резины, этапы
Противоизносные свойства:
на установке УПС-01:
диаметр пятна износа, мм
критическая нагрузка, кН
критерий износа, %
на установке СИСС-1:
масса износа шаров, мкг
критическая нагрузка, кН
на установке ПСТ-2:
показатель износа, усл. ед.
на насосе НР-21Ф2:
диаметр пятна износа шаров,
мм
Время окисления топлива A00°С,
до забивки фильтра прибора
ЦИТО-М), сут
<3,0
1,0
>100
1,0
>8,5
<3,0
<2,5
1,0
<3,0
<3,0
<5
^6
1,0
^8,5
^100
— >95
— >1,96
<3,5 <3,0
<з,о
86-100
1,7-2,9
0,6—1,1
1,3-1,4
1,0—2,6
1,0
8,5—10,6
100—130
5—9
1,17—1,46
0,26—0,28
97-244
10—44
2,9—4,2
10—33
2,59—3,37
83-102
0,2—7,9
0,3—2,5
0,4—2,7
0,0—3,6
1,0
8,5—8,6
100—110
5—9
1,19—1,67
0,17—0,34
61 — 190
15-94
1,8-4,5
12—65
2,72—3,47
135—181
0,2—0,6
0,2—2,2
0,0-5,3
0,3—2,1
1,0
8,5—9,1
100—120
7-9
(и более)
1,00—1,30
0,24—0,32
103-163
7—28
2,4—4,6
7-25
2,56—3,13
20
178—180
0,2—1,2
0,1—2,0
0,6—3,0
0,0—4,5
1,0
8,5-9,0
100—140
2—7
0,63—1,30
0,26—0,38
124—303
6-26
3,2—51
5-47
2,40—3,42
30
иметь показатели, нормирование которых позволило бы обеспе-
обеспечить для вырабатываемых реактивных топлив требуемый уро-
уровень эксплуатационных свойств, определяемых с помощью мо-
модельных методов. В частности, для характеристики уровня
склонности топлив к нагарообразованию, который определяют
на модельной камере сгорания, достаточно нормировать плот-
плотность топлива, его фракционный состав и содержание аромати-
ароматических и нафталиновых углеводородов. Все эти показатели
сравнительно несложно определить в обычных лабораториях
НПЗ и аэропортов. Таким образом, дублирование при оценке
эксплуатационных свойств по комплексу квалификационных ме-
методов и по методам, предусмотренным в стандартах на реактив-
реактивные топлива, вполне оправданно.
Многие входящие в комплексы методы предусматривают ис-
использование модельных установок, большинство из которых се-
серийно не выпускается промышленностью. Как правило, они раз-
разработаны какой-либо исследовательской организацией, изготов-
изготовлены малой одноразовой серией — от 3 до 10 экземпляров —
и в последующем производство их не возобновляется. В таком
положении оказывается рациональная разработка других мо-
модельных установок, позволяющих расширить эксперименталь-
экспериментальную базу квалификационных испытаний. Примером тому может
быть определение нагарообразующей способности топлив на мо-
модельных установках ВНИИ НП и ЦИАМ, а также определение
противоизносных свойств на описанных выше установках
УПС-01, СИССТ-1 и ПСТ-2.
Одним из основных путей постоянного совершенствования
комплексов квалификационных методов является оптимизация
определяемых показателей и используемых для этого методов с
целью исключения ненужных и устаревших, не дающих требуе-
требуемой информации, и включения новых, более информативных ли-
либо взаимозаменяемых методов. Работа эта должна проводиться
на базе изучения корреляции результатов квалификационных
испытаний топлив с практикой их использования при эксплуа-
эксплуатации техники.
В то же время наряду с дублированием комплексом ряда
квалификационных методов в нем пока не предусматривается
определение некоторых эксплуатационных свойств реактивных
топлив, например токсичности, охлаждающих свойств и др.
В связи с разработкой и внедрением в перспективе синтетиче-
синтетических реактивных топлив, получаемых из угля и других замени-
заменителей нефти, а также высокоэнергетических реактивных топлив,
получаемых из различного, в том числе и ненефтяного, сырья,
потребуется разработка и включение новых квалифицировашых
методов.
По мере дальнейшего развития авиационных газотурбишых
двигателей и техники, на которой они устанавливаются, а тжже
неизбежного изменения состава топлив должен наступить мо-
момент, когда комплексом квалификационных методов б/дет
272
предусмотрена оценка всех без исключения эксплуатационных
свойств. И это будет вызвано не только академическим стрем-
стремление^ создания совершенной системы всесторонней оценки
эксплуатационных свойств реактивных топлив, но и требования-
требованиями надежной эксплуатации авиационной техники, а главное —
позволит сократить время испытания в стендовых и эксплуа-
эксплуатационных условиях.
Глава 12
ХРАНЕНИЕ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ, КОНТРОЛЬ
КАЧЕСТВА И ПУТИ ЭКОНОМИИ
РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
Порядок хранения и транспортирования реактивных топлив оп-
определяется ГОСТ 1510—84, а также ведомственными документа-
документами. Средства хранения реактивных топлив различны: 1) в под-
подземных хранилищах, сооружаемых в отложениях каменной соли,
гипса, ангидрида; доломита, известняка, мергеля, глины, магма-
магматической и вечномерзлых породах; 2) в металлических горизон-
горизонтальных резервуарах низкого давления (давление в газовом
пространстве до 266 гПа); 3) в металлических вертикальных
резервуарах без понтонов, плавающих крыш и газовой обвязки;
4) в резинотканевых резервуарах и 5) в стальных бочках и кон-
контейнерах. Транспортирование реактивного топлива возможно
всеми видами транспорта, по стационарным и сборно-разборным
трубопроводам, наливными и сухогрузными судами, железнодо-
железнодорожными цистернами с универсальными сливными устройствами
и верхним сливом, крытыми железно-дорожными вагонами, ав-
автоцистернами, в резервуарах и таре на автомобильном транс-
транспорте.
12.1. ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ ТОПЛИВ
Требования к средствам хранения. В металлических резервуа-
резервуарах требованиями ГОСТ 1510—84 предусматривается внутрен-
внутреннее маслобензостойкое и паростойкое защитное покрытие, соот-
соответствующее требованиям электростатической безопасности.
С целью снижения потерь от испарения и загрязнения атмосфе-
атмосферы углеводородами металлические резервуары вместимостью
>25 м3 оборудуют дыхательными клапанами. Резервуары долж-
должны иметь исправные сливно-наливные запорные устройства (си-
сгемы) и люки с прокладками, стойкими к нефтепродуктам и
обеспечивающими герметичность.
Металлические резервуары, за исключением резервуаров
предприятий длительного хранения, зачищают не менее 2 раз в
1€—51€ 273
год для удаления продуктов коррозии, отложений и воды. При
наличии на линии заполнения средств очистки с тонкостью
фильтрования не более 40 мкм допускается зачищать резервуа-
резервуары 1 раз в году. При длительном хранении топлив резервуары
зачищают после опорожнения. Хранение реактивного топлива
при наличии на дне резервуара воды («водяной подушки») не
допускается. В отдельных случаях допускается наличие воды не
выше минимального уровня, обеспечиваемого конструкцией уст-
устройства для дренирования воды.
В отечественной практике широкое распространение при хра-
хранении реактивного топлива получили подвижные металлические
резервуары с цинковым покрытием внутренней поверхности. Та-
Такое же покрытие делают в автоцистернах, топливозаправщиках,
стационарных и разборных складских трубопроводах.
В зарубежной практике контакт реактивных топлив с цин-
цинковым покрытием считается нежелательным. Например, во
французском руководстве по сбережению и контролю качества
авиационных топлив указывается на недопустимость загрязне-
загрязнения топлива цинком [229], так как при наличии в топливе кон-
конденсированной воды образуется гидроксид цинка, накапливаю-
накапливающийся в топливе. Отрицательное влияние цинка на надежность
авиационной техники, по-видимому, в определенной степени за-
зависит от ее конструкции и конкретных условий применения топ-
топлив.
В работе [230] систематизированы данные по длительному
хранению топлив в подземных хранилищах, сооруженных в от-
отложениях каменной соли, в устойчивых горных породах (грани-
(граните, гнейсе, известняке, ангидриде) и в вечномерзлом грунте. Эти
хранилища различны по температурному режиму: в ледогрунто-
вых от —5 до —10 °С, в хранилищах другого типа в зависимо-
зависимости от глубины заложения — от 18 до 40 °С. Под воздействием
высокой температуры при контакте с каталитически активной
породой наиболее быстро изменяются кислотность и содержание
фактических смол в топливе. Скорость увеличения кислотности
реактивных топлив в интервале 20—50 °С при контакте с камен-
Таблица 12.1. Влияние температуры и
кислотность реактивных топлив
Срок хранения,
мес.
Кислотность, мг
КОН/100 мл
20 °С
30 °С
50 °С
продолжительности хранения на
Срок хранения,
мес.
Кислотность, мг
КОН/100 мл
20 °С
30 °С
50 °С
Исходное
8
22
50
Топлив
0,
0,
0,
о
40
42
49
Т-1
0,40
0,46
0,58
0,64
0
0
0
1
,40
,52
,73
,22
Исходное
25
35
Топлив
0,
0,
0,
о
09
18
23
ТС-1
0,
0.
0
,09
,20
,30
0
0
1
,09
,47
,09
274
Таблица 12.2. Качество топлива Т-1 после 5 лет хранения
в соляном хранилище
Показатель
Квалификаци-
Квалификационная норма
Люминометрическое число >50
Термическая стабильность в
статических условиях A50 °С,
5 ч), концентрация, мг/100 мл:
осадка <35
растворимых смол Не нормируется
Термическая стабильность в
динамических условиях
(ДСТ-1):
время испытания, ч >4
перепад давления на фильт- <113
ре, гПа
отложения на трубке подо- ^2
гревателя, баллы
Коррозионные потери металлов
при 120 °С, г/м2:
медь ^3
бронза ^ 1,5
Масса нагара за 1 ч работы, г ^7,5
Процесс откачки
начало
середина
52 51
35 28
16 20
3,7 2J
113 113
0 0
1,12 0,86
0,54 0,67
5,2 -
конец
52
35
19
2,5
113
0
0,62
0,53
6,5
ной солью в лабораторных условиях характеризуют данные
табл. 12.1 [231]. С увеличением температуры на 10 °С скорость
накопления кислот повышается на ^30%.
Результаты испытаний квалификационными методами топли-
топлива Т-1 после 5 лет хранения при 29 °С в подземном хранилище,
сооруженном в отложениях каменной соли, показали принципи-
принципиальную возможность длительного хранения реактивного топли-
топлива в этих условиях (табл. 12.2).
Пробы топлива содержали много механических примесей:
0,006—0,100% в начале перекачки и ^0,003% в середине пере-
перекачки, т. е. в 3 раза выше, чем обычно содержится в топливе в
наземных стальных резервуарах [232]. В составе этих примесей
было в 10 раз меньше железа, но натрия и кальция больше в
2,5 и 4 раза соответственно. Незначительно изменились свойства
топлива ТС-1 при 6-летнем хранении в подземной емкости шахт-
шахтного типа, сооруженной в гипсе. Это же отмечено и при хране-
хранении топлива ТС-1 в опытном ледогрунтовом хранилище [233].
Следует отметить, что стандартами на топливо после хране-
хранения в течение 3 и более лет допускается отклонение от установ-
установленных норм по следующим показателям: кислотность — на
0,1 мг КОН, концентрация фактических смол — на 2 мг/100 мл,
концентрация осадка при определении термоокислительной ста-
стабильности в статических условиях — на 2 мг/100 мл. Эти значе-
значения не превышают гарантируемой точности определений уста-
установленными методами испытаний.
18*
275
Сроки хранения. Изготовитель гарантирует срок хранения
реактивных топлив в условиях, предусмотренных (ГОСТ 1510—
84), не менее 5 лет.
Допускаемые сроки хранения топлив без противообледени-
тельных присадок на складах (базах) горючего, в баках лета-
летательных аппаратов и цистернах кораблей указаны ниже [234,
235]:
Срок хране-
Условия хранения ния> год
В резервуарах и таре:
ТС-1, Т-1, 1-2 5D)*
РТ, Т-б 5
В топливных баках (цистернах):
самолетов 0,5
прочей техники 2
* В скобках — для южной климатической зоны.
После введения противообледенительной присадки топливо
длительному хранению не подлежит, однако исследования пока-
показали, что в течение 6 мес хранения существенных изменений по-
показателей качества не наблюдается.
Реактивные топлива, кроме Т-2, имеют относительно низкую
испаряемость, и при хранении потери от испарения незначи-
незначительны, поэтому изменений показателей качества по этой причи-
причине практически не отмечается.
Требования к средствам транспортирования. В наливных су-
судах, железнодорожных цистернах, автоцистернах, как и в ме-
металлических резервуарах и бочках, должно быть маслобензо-
стойкое и паростойкое защитное покрытие, обеспечивающее
электростатическую безопасность. Допускается применять ука-
указанные средства транспортирования, находящиеся в эксплуата-
эксплуатации, и без защитного покрытия. Средства транспортирования
должны иметь исправные сливно-наливные запорные устройства
(системы), крышки колпаков и люков с прокладками, стойкими
к нефтепродуктам.
Налив в резервуары и суда реактивного топлива разрешает-
разрешается на несливаемые остатки ранее находившихся в них следую-
следующих нефтепродуктов: нефтяных ароматических углеводородов,
реактивного топлива, растворителей, авиационных и автомобиль-
автомобильных неэтилированных бензинов. Если в емкостях ранее находил-
находился этилированный бензин, дизельное, газотурбинное или печное
бытовое топливо, моторные, индустриальные приборные, турбин-
турбинные и другие масла, то перед их заполнением остатки нефте-
нефтепродукта удаляют, промывают горячей водой (с моющим ве-
веществом) или растворителем либо емкость пропаривают. Затем
вновь промывают горячей водой и просушивают (или протира-
протирают безворсовым материалом) днище.
Реактивные топлива следует перекачивать по изолирован-
изолированным нефтепродуктопроводам, предназначенным только для топ-
276
Таблица 12.3. Содержание воды в реактивных топливах
Время года
Весна
Лето
Осень
Зима
Весна
Лето
Осень
Зима
Весна
Лето
Осень
Зима
Содержание
в резервуарах
Южная зона
1,0—8,5
1,1—8,7
2,0-6,8
Средняя зона
1,0-8,7
2,1-8,3
2J—7,2
1,0—6,4
Северная зона
1,2-7,1
2,0—10,0
1,0—6,0
1,0—7,1
воды, 103%
в топливозаправщиках
2,0-7,5
1,0—7,0
1,2—7,9
1,0—8,8
2,9—8,0
2,5-9,7
1,2-6,7
1,0-5,8
2,0-9,8
1,0-9,6
1,0—7,6
лива данной марки. Вместе с тем можно перекачивать топливо
ТС-1 по магистральным нефтепродуктопроводам диаметром не
более 500 мм последовательно с другими светлыми нефтепродук-
нефтепродуктами при прямом контактировании с дизельным топливом.
Изменение качества топлив при транспортировании. Качест-
Качество реактивных топлив при транспортировании может изменяться
только за счет обводнения, загрязнения и смешения с топливом
другой марки (группы). Уровень обводненности реактивных топ-
топлив в аэропортах гражданской авиации по разным климатиче-
климатическим зонам характеризуют данные табл. 12.3 [151].
Таким образом, содержание воды в топливе изменяется в ши-
широких пределах, но мало зависит от климатической зоны и вре-
времени года.
Отказы авиационной техники в связи с наличием в топливе
воды обычно наблюдаются весной и осенью в период резких ко-
колебаний температуры. В это время года растворенная вода,
Таблица 12.4. Изменение загрязненности реактивных топлив (г/т)
Технические средства
Загрязнения,
поступающие
с топливом
Продукты корро-
коррозии, атмосферная
пыль
Удаляется при
отстаивании, филь-
фильтровании и сливе
отстоя
Железно-дорожная
цистерна
Склад горючего
Топливная система са-
самолета
1
0
,0—2
,5-1
От
,8
,0
1 до 3
0,3-0,
1,8-2,
5
5
0
0
0
,1—0
,8-2
,6-0
,3
,5
,9
277
Переходя в конденсированное состояние, не успевает оседать на
дно резервуара и не удаляется при сливе отстоя. Динамику из-
изменения содержания загрязнений реактивных топлив в различ-
различных технических средствах характеризуют данные табл. 12.4.
До 20% загрязнений, поступающих в топливную систему са-
самолета, отлагаются на внутренних поверхностях агрегатов, 60—
65% удаляется с продуктами сгорания. Загрязнения включают
минеральные (зольные) вещества, органические соединения и
структурную влагу (состав загрязнений приведен в гл. 9, см.
табл. 9.3).
Качество загрязненного и обводненного топлива восстанавли-
. вается при его отстое, фильтровании и сепарировании. Значи-
Значительно сложнее, а иногда и невозможно, восстановить качество
реактивного топлива, смешанного с топливом других марок, что
имеет место, например, при последовательном перекачивании
разных топлив по трубопроводу. В топливе ТС-1 допускается
примесь дизельного топлива не более 1% летнего и до 5% зим-
зимнего. При этом лимитирующим показателем является темпера-
температура начала кристаллизации [236]. При перекачиваниях по ма-
магистральному нефтепродуктопроводу диаметром 500 мм на рас-
расстояние 700 км со скоростью 1,3—1,5 м/с топлива ТС-1 в прямом
контакте с летним и зимним дизельным топливом »10% реак-
реактивного топлива содержало недопустимое количество примесей.
Объем образующейся смеси зависит от вместимости трубопро-
трубопровода и разности плотностей контактирующих топлив: чем боль-
больше эта разность, тем больше объем смеси [237]. После перека-
перекачивания образцы топлива соответствовали нормам квалифика-
квалификационных методов. Отмечено некоторое ухудшение термоокисли-
термоокислительной стабильности в динамических условиях (ГОСТ 17751 —
79) и коррозионной активности при 120 °С по отношению к брон-
бронзе ВБ-23НЦ. Отобранные сразу после перекачивания пробы
ТС-1 были загрязнены и обводнены. Это вызывало повышение
температуры начала кристаллизации на 10 °С. Через 1,5 сут
после отстаивания температура начала кристаллизации понизи-
понизилась до нормы.
Обеспечение чистоты топлив. Мероприятия по обеспечению
чистоты реактивного топлива включают:
слив топлива в резервуары складов из железнодорожных
цистерн и других транспортных средств с обязательным фильт-
фильтрованием топлива через фильтры типа ФГН или ФГТ и уста-
установкой перед насосами предохранительных сетчатых фильтров
или водогрязеотделителей;
обязательный отстой в заполненных резервуарах;
перекачивание отстоявшегося топлива через фильтры ФГН
и ФГТ в группы расходных резервуаров с защитными покры-
покрытиями, оборудованных дыхательными клапанами, кранами для
нижнего слива, воздушными фильтрами, плавающими топливо-
заборными устройствами (расходные резервуары зачищаются
не реже 2 раз в год);
278
очистку топлив с помощью фильтров-сепараторов и двойное
фильтрование через фильтры 5—7 мкм при заполнении топливо-
топливозаправщиков и заправке самолетов;
слив отстоя из топливных баков самолета перед заправкой
и по окончании заправки.
Применение современных средств очистки фильтров и фильт-
фильтров-сепараторов, особенно во время заправки летательных ап-
аппаратов, качественное и своевременное выполнение других ме-
мероприятий обеспечивают надежную и безопасную эксплуатацию
авиационной техники.
12.2. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТОПЛИВ И ТЕХНИКА
БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБРАЩЕНИИ С НИМИ
Объем испытаний. Перечень показателей качества, определяе-
определяемых при разработке и организации производства, производстве и
аттестации качества реактивных топлив (по ГОСТ 4.25—83),
а также при транспортировании, хранении, перекачивании на
складах горючего и при заправке авиационной техники, приве-
приведен в табл. 12.5.
Периодичность контроля качества. Гарантируемые показа-
показатели, отмеченные в табл. 12.5 буквой «Г», определяются при ис-
испытании новых образцов топлив, и в дальнейшем их значения
гарантируются изготовителем за счет используемого сырья,
применяемой технологии и присадок. Отдельные показатели из
числа гарантируемых периодически (обычно 1 раз в квартал или
в случае изменения сырья, технологического режима) контро-
контролируются изготовителем. Остальные показатели изготовитель
контролирует для каждой партии топлива и их значения указы-
указывает в паспорте на продукт.
Контроль качества реактивного топлива в полном и конт-
контрольном объеме проводят получатели и потребители топлива
после его транспортирования, при хранении и перед применени-
применением на технике. При хранении контрольные испытания проводят
через 6 мес, а полные—1 раз в год. Топливо, не находящееся
на длительном хранении, подвергают контрольным испытаниям
один раз в 3 мес. Полученные результаты являются основанием
для принятия решения по заправке ими авиационной техники.
Перед приемом и выдачей топлив на складе горючего определя-
определяют его плотность, температуру, наличие воды и механических
примесей (визуально), наличие и концентрацию противообледе-
нительных присадок (при необходимости).
Требования техники безопасности. Характеристика пожарной
безопасности реактивных топлив приведена в гл. 9, см. разд. 9.3.
Так как эти топлива относятся к легковоспламеняющимся и го-
горючим жидкостям, при работе с ними необходимо соблюдать
определенные правила. Не допускается использование инстру-
инструментов, вызывающих при ударе образование искр. Емкости,
средства перекачивания и транспортирования топлив должны
279
быть надежно защищены от статического электричества. В по-
помещениях для хранения и применения топлива запрещается об-
обращение с открытым огнем, а искусственное освещение должно
быть выполнено во взрывобезопасном исполнении. В случае
возгорания топлива для тушения пожара можно применять
распыленную воду, механическую и химическую пену, а при
объемном тушении — диоксид углерода, состав «СЖБ», состав
«3,5» или нагретый пар [238].
Предупреждение токсического воздействия на человека. Фак-
Факторы, влияющие на степень токсического воздействия реактив-
реактивных топлив на человека, изложены в гл. 9, (см. раздел 9.9). Для
защиты людей от воздействия топлива и его паров применяют
общедоступные индивидуальные средства защиты: резиновые
перчатки, фартуки, халаты. В случае аварийного разлива ис-
используют противогазы.
Разлитое в помещении топливо собирают в отдельную тару,
место разлива протирают сухой тряпкой. При разливе на откры-
открытой площадке место разлива засыпают песком, который в по-
последующем удаляют. Лаборатории и другие помещения, в кото-
которых проводятся работы с топливом, должны быть снабжены вен-
вентиляцией, а оборудование и аппараты слива и налива гермети-
герметизированы во избежание попадания топлива в воздушную среду
рабочего помещения.
12.3. ПУТИ ЭКОНОМИИ РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
Экономия реактивного топлива — это часть очень важной и
многогранной проблемы рационального использования топлив-
топливно-энергетических ресурсов. Она имеет свои специфические
особенности, связанные с конструкцией и условиями применения
авиационной техники. Обобщение результатов исследований и
организационно-технических мероприятий, проведенных в раз-
разных странах за последние 10—15 лет в этой области, показы-
показывает, что работы по экономии топлива в авиации развиваются
в следующих направлениях: обоснование наиболее рациональ-
рационального состава реактивного топлива, совершенствование конструк-
конструкции двигателей и летательных аппаратов; улучшение их техни-
технического обслуживания и ремонта, организации полетов, выпол-
выполнение организационно-технических мероприятий по уменьшению
расхода топлива при работе авиационных двигателей на земле.
Каждое из этих направлений более подробно рассмотрено
ниже.
Оптимальный состав топлив обычно определяют, исходя из
стоимостных показателей и сырьевых ресурсов, необходимых для
обеспечения возрастающих потребностей авиации. На ближай-
ближайшую перспективу самым массовым двигателем в авиации оста-
останется газотурбинный. В связи с особенностями применения
авиационной техники — широкий температурный диапазон, по-
280
Таблица 12.5. Перечень контролируемых показателей качества
реактивных топлив*
Показатель
Метод испытания
Контроль
СО О
СП X
со
а си
о. о
изгото-
витслем
к
со
м со
К Ю
СО О.
и С
го
о
1
с
CJ
СО
U
0>
Н
СО
S
S
Я"
Контроль на
складах и в
аэропортах
Ь,
О О)
\о
м о
§!»
Л CU
S >=3 $
сою
с о-о
Содержание воды и ме-
механических примесей (ка-
(качественно)
Содержание механиче-
механических примесей
Цвет
Кинематическая
кость:
при 20 °С
при — 40 °С
Температура
кристаллизации
Взаимодействие с водой
Содержание мыл нафте-
нафтеновых кислот
Фракционный состав
Давление насыщенных
паров
Температура:
вспышки в закрытом
тигле
самовоспламенения
Температурные и кон-
концентрационные пределы
воспламенения
Удельная электрическая
проводимость
Плотность
Удельная теплота сгора-
сгорания
Пределы * устойчивого
горения
Люминометрическое чис-
число
Высота некоптящего
пламени
Содержание:
ароматических угле-
углеводородов
нафталиновых угле-
углеводородов
Концентрация фактиче-
фактических смол
Йодное число
Индекс термостабильно-
термостабильности
Концентрация осадка,
растворимых и нераство-
нерастворимых смол
ГОСТ 10227—62;
ГОСТ 16564—71;
ГОСТ 12308—80
ГОСТ 10577—78
вяз- ГОСТ 33—82
начала ГОСТ 5066—56
(КМ СТ СЭВ 5022) +
ГОСТ 21103—75 +
ГОСТ
ГОСТ
ГОСТ
ВМ**
ВМ
гост
гост
гост
гост
км
гост
гост
гост
км
гост
гост
гост
гост
км
гост
гост
2177—82
1756—52 +
6356—75 +
Г
25950—83 +
3900—85 +
26261—75, +
11065—75
17750—72 +
4338—74 +
6994—74, +
17749—72 +
1567—83, +
8489—85
2070—82 +
11802—66, +
9144—79
± — — —
I
± —
±
+
281
Продолжение табл. 12.5
Показатель
Метод испытания
Контроль изгото-
изготовителем
^° я-
С О) СП —
при
ботк
га ни
пр-в
эоиз-
зе
при
воде
гтеста-
сз
К К
^ К
с пг
Контроль на
складах и в
аэропортах
L
в по
объе
X 2 53
В КО
роль
объе
Перепад давления на ГОСТ 17751—79
фильтре установки
ДТС-1 (ДТС-2М) и
масса отложений на
трубке подогревателя
Температура начала об- КМ
разования отложений
Зольность ГОСТ 1461—75
Коррозионные потери:
меди и бронзы ГОСТ 18598—73
стали и бронзы ГОСТ 18597—73
Масса отложений про- ГОСТ 18598—73
дуктов коррозии
Испытание на медной ГОСТ 6321—69
пластинке
Содержание:
серы общей ГОСТ 19121—73
меркаптанов ГОСТ 19323—71
сероводорода ГОСТ 19323—71
Содержание водораство- ГОСТ 6307—75
римых кислот и щелочей
Содержание металлов КМ
Предел прочности, отно- КМ
сительное удлинение и
период старения резины
Изменение твердости гер- КМ
метика
Кислотность ГОСТ 5985—79
Показатели противоиз- КМ
носных свойств
Удельная теплоемкость ВМ
Теплопроводность ВМ
Класс токсичности ГОСТ 12.1.007—76
Предельно допустимые ГОСТ 12.1.007—76
концентрации
Содержание сажи в про- КМ
дуктах сгорания
Группа пожароопасности ГОСТ 12.1.017—80
Время окисления и пе- КМ
риод индукции
Гарантийный срок хра- —
нения4*
± —
+ -
+
Г
Г
Г
Г
Г — —
i
р
* КМ— квалификационный метод.
4* Устанавливается по результатам опытного хранения в натурных условиях.
** ВМ— ведомственный метод.
*** Г — гарантируемый показатель.
вышенные требования к безопасности полетов, дополнительное
использование топлива в качестве охлаждающей рабочей жид-
жидкости и ряд других — можно полагать, что в этот период массо-
массовое авиационное топливо будут получать из нефти. Замена неф-
нефтепродуктов на альтернативные источники энергии (из угля,
сланцев и др.) в первую очередь будет проводиться в наземной
и морской технике. В отдаленной перспективе для использова-
использования в авиационной технике рассматривают ядерную энергию,
жидкие водород, метан и некоторые другие соединения [239,
240].
В связи с этим весьма актуальной в настоящее время явля-
является оптимизация требований к качеству традиционных реак-
реактивных топлив с целью увеличения их выхода из нефти (без
повышения стоимости) и расширения состава нефтей, вовле-
вовлекаемых в переработку.
С точки зрения увеличения доли реактивного топлива, полу-
получаемого из нефти без существенного увеличения его стоимости,
т. е. без применения дорогих и энергоемких вторичных процес-
процессов, наиболее приемлемо расширение температурных пределов
выкипания отбираемой фракции. Вовлечение в состав топлива
низкокипящих фракций связано с повышением его пожароопас-
ности, что иногда считают малоприемлемым для гражданской
авиации. В то же время в период обострения энергетического
кризиса в США нашли возможным применение и в пассажир-
пассажирских самолетах содержащего бензиновые фракции топлива
JP-4, предназначенного в основном для военной авиации. Кроме
того, разрабатываются меры конструктивного характера, такие,
как заполнение топливных баков пористым наполнителем, азо-
азотирование и др.; они значительно снижают пожароопасность та-
такого топлива [241].
Расширение фракционного состава за счет вовлечения более
высококипящих фракций повышает температуру начала кри-
кристаллизации топлива. Повышение температуры начала кристал-
кристаллизации реактивного топлива на 1 °С позволяет увеличить вы-
выход его из нефти примерно на 3% [239]. Это обусловливает це-
целесообразность модернизации топливных систем самолетов для
обеспечения надежной работы на таких топливах; одновременно
разрабатываются рекомендации пилотам по изменению эшелона
полета в зависимости от температурных условий. В нашей стране
в последние годы снижены требования по предельной темпера-
температуре начала кристаллизации с —60 до—50 °С. За рубежом
в ряде случаев эти требования еще ниже (до —40 °С), и пред-
предполагают, что в перспективе можно ожидать их дальнейшего
снижения (до— 30 °С) [242,243].
Вовлечение в переработку новых нефтей вызывает измене-
изменение углеводородного состава отбираемых фракций реактивного
топлива, и, как следствие, или повышение температуры начала
кристаллизации при увеличении доли алканов, или ухудшение
характеристик сгорания при возрастании доли ароматических
283
углеводородов, особенно полициклических. Поэтому наряду с
указанными выше мерами проводятся работы по доводке авиа-
авиационных двигателей с целью обеспечения надежной их работы
на топливах с ухудшенными характеристиками сгорания.
В нашей стране в начале 80-х годов стандартом на топливо
РТ предусмотрено увеличение допустимого содержания арома-
ароматических углеводородов с 18,5 до 22%. За рубежом этот пока-
показатель достигает 27,5% и полагают, что целесообразно ориенти-
ориентировать машиностроителей на повышение содержания аромати-
ароматических углеводородов до 35% [239, 242]. Увеличение предельно
допустимого содержания ароматических углеводородов будет
также способствовать вовлечению в производство реактивных
топлив синтетических компонентов, получаемых из угля, слан-
сланцев и других органических материалов.
Один из резервов экономии реактивных топлив — оптимиза-
оптимизация требований к их термоокислительной стабильности и изыс-
изыскание наиболее дешевых путей ее обеспечения. Повышенный
уровень термоокислительцой стабильности реактивных топлив
ведет к неоправданным расходам в нефтепереработке. Самый
распространенный способ повышения термоокислительной ста-
стабильности топлива (гидрогенизационная обработка) связан с
дополнительным расходом энергии и водорода, а также неко-
некоторыми потерями целевой фракции, что ухудшает экономические
показатели. Поэтому, стремясь экономить энергоресурсы, оче-
очевидно, следует уменьшить до минимума гидрогенизацию топ-
топлива в процессе производства, заменяя по возможности ее ме-
менее энергоемкими процессами, например демеркаптанизацией,
и использованием присадок.
Совершенствование конструкции двигателей и летательных
аппаратов может дать очень большой эффект экономии реактив-
реактивных топлив. По совершенствованию конструкции авиационных
двигателей следует выделить два направления: 1) создание и
внедрение новых, наиболее экономичных типов двигателей и
2) совершенствование двигателей тех типов, которые уже полу-
получили широкое распространение в эксплуатации.
В 1950-х годах в транспортной авиации доминировали реак-
реактивные двигатели с воздушным винтом (ТВД), которые в даль-
дальнейшем были вытеснены турбореактивными (ТРД), позволяю-
позволяющими развивать более высокие скорости полета, хотя и менее
экономичными. В 1960—1970 гг. появились двухконтурные тур-
турбореактивные двигатели 1РДД, более экономичные по сравне-
сравнению с ТРД, что несколько приблизило их по этому показателю
к ТВД. Однако ограниченные запасы нефтяных ресурсов застав-
заставляют искать пути дальнейшего существенного повышения эко-
экономичности авиационных двигателей. В связи с этим модифици-
модифицируют ТРДД и создают т&к называемые турбовинтовентилятор-
ные реактивные двигателе (ТВВД). В отличие от ТВД они
снабжены воздушным винтом с большим числом укороченных
лопастей тонкого профиле, и за счет этого имеют к. п. д., рав-
284
ный к. п. д. ТВД, при больших скоростях полета. В результате
ТВВД могут эксплуатироваться на скоростях до 0,8 М с той же
экономичностью, что и обычные ТВД на меньших скоростях по-
полета [244].
Сравнение двух вариантов транспортных самолетов с турбо-
турбореактивными и турбовинтовентиляторными двигателями, выпол-
выполненными на одинаковом техническом уровне, показало, что са-
самолет с ТВВД имеет большую массу в незаправленном состоя-
состоянии из-за наличия дополнительных винтов и редукторов, но
меньшую взлетную массу из-за снижения потребного запаса топ-
топлива. В результате экономится до 30% топлива и снижаются
требования к длине взлетно-посадочной полосы [245]. Преиму-
Преимущества ТВВД в наибольшей степени проявляются при более
низких числах М полета, а экономия топлива сильно зависит
от к. п. д. винтовентилятора. Несмотря на отсутствие надежных
данных по ряду технических вопросов, за рубежом считают, что
ТВВД могут успешно конкурировать с турбореактивными дви-
двигателями по топливной экономичности при скоростях полета до
0,7 М и что самолеты с ТВВД могут найти применение в начале
1990-х годов для широкофюзеляжных самолетов, которые бу-
будут способны взлетать с неподготовленных полос [245].
Наряду с созданием новых высокоэкономичных двигателей
большую экономию топлива может дать также совершенствова-
совершенствование авиационных двигателей тех типов, которые уже широко
эксплуатируются. Эти работы направлены на повышение к. п. д.
двигателей, в основном за счет увеличения степени двухконтур-
ности, повышения температуры газа перед турбиной и степени
сжатия компрессора, разработки систем активного управления
клиренсом ротора компрессора и турбины, улучшения системы
охлаждения, внедрения комплексных централизованных элек-
электронно-гидравлических систем автоматического контроля и ре-
регулирования режимов работы двигателя. По данным [246],
фирма «Pratt and Whitney» рассчитывает за счет улучшения аэ-
аэродинамических характеристик и профилирования рабочих и
направляющих лопаток вентилятора, компрессора и турбины,
внедрения более надежных графитовых и сотовых уплотнений,
повышения жесткости корпуса вентилятора и улучшения систем
охлаждения лопаток и корпуса турбины получить экономию 2—
6% в зависимости от конструкции модернизируемых двигателей.
Для двигателей фирмы «Rolls-Royce» ожидают снижения
удельного расхода топлива в 1990-х годах на 15% по сравнению
с началом 1980-х годов за счет улучшения основных узлов и
применения полностью электронной системы регулирования
[246].
Совершенствованием двигателей с точки зрения экономии
топлива занимаются практически все их разработчики и изгото-
изготовители. По приведенным выше публикациям можно сделать вы-
вывод, что следует ожидать снижения удельных расходов топлива
к середине 1990-х годов на 10—15%.
285
В совершенствовании конструкции летательных аппаратов с
целью снижения расхода горючего в полете следует выделить
три основных направления. Первое из них — улучшение аэро-
аэродинамических характеристик летательных аппаратов — может
быть осуществлено за счет использования сверхкритических про-
профилей и удлиненных крыльев, применения автоматических си-
систем стабилизации и устройств для повышения подъемной силы,
замены клепаных соединений на клеевые и других усовершенст-
усовершенствований. Так, проведенное фирмой «Lockheed» улучшение аэро-
аэродинамических характеристик самолета «L-1011» только за счет
улучшения прилегания спойлеров, предкрылков, створок и зали-
зализов шасси, дверей, лючков и съемных панелей дало экономию
топлива, эквивалентную увеличению дальности крейсерского по-
полета на 3% [247].
Второе направление — снижение массогабаритных характе-
характеристик летательных аппаратов, в частности, за счет использова-
использования более легких алюминиевых сплавов и композитных мате-
материалов в несиловых элементах конструкции, упрощения и сни-
снижения массы оборудования салонов и ряда других мероприятий.
Считают, что уменьшение массы самолета на 1% сокращает
расход топлива в среднем на 0,5% [248].
Третье направление совершенствования конструкции лета-
летательных аппаратов — оснащение их приборами для индикации
оптимальных параметров полета, увеличение точности показа-
показаний приборов для определения скорости полета, наличия топ-
топлива на борту и других приборов, по которым контролируется
работа двигателей и самолета в целом. Это обеспечит экономию
на каждом крупном самолете в сотни тонн топлива в год. На-
Например, ошибка в показаниях скоростемера на величину 0,01 М
вызывает перерасход топлива на одном самолете «Боинг-747»
более 1000 т в год [249].
Если описанные мероприятия по улучшению конструкции
двигателей и летательных аппаратов дадут экономию горючего
только через некоторое время, обусловленное проектированием
новых разработок и их внедрением, то улучшение технического
обслуживания и ремонта, совершенствование использования
авиационной техники позволяют экономить горючее сразу же
по осуществлению этих мероприятий.
Улучшение технического обслуживания и ремонта летатель-
летательных аппаратов предполагает постоянный контроль за состояни-
состоянием наружной поверхности их обшивки с тем, чтобы не возрастало
аэродинамическое сопротивление. При техническом обслужива-
обслуживании и ремонте исключают утечки воздуха через уплотнители
дверей и в закрылках, проводят регулировку руля направления,
тарировку тахометра и приборов работы двигателей.
При протекании воздуха с нижней поверхности крыла на
верхнюю через неправильно отрегулированный зазор пред-
предкрылка расход топлива возрастает на 3%. Увеличение зазора
между дверью и окантовкой, эквивалентное по утечке воздуха
286
площади 32 см2, вызывает перерасход топлива на 38 кг/ч, а на-
наличие неровности (вмятины) на дверях и люках размером 5 мм
приводит к перерасходу топлива на 1,9 кг/ч. Загрязнения, на-
накапливающиеся во входном тракте двигателя за 1000 ч эксплуа-
эксплуатации, увеличивают расход топлива на 132 кг/ч, а утечка возду-
воздуха в газовоздушном тракте двигателя, эквивалентная по расхо-
расходу отверстию площадью 190 см2, приводит к перерасходу топли-
топлива на 30 кг/ч для одного двигателя [247].
Правильная организация полетов с учетом получения макси-
максимальной экономии горючего осуществляется по различным на-
направлениям. Так, если проследить работу летательного аппара-
аппарата по времени от начала подготовки к полету до посадки и раз-
разгрузки, можно выделить следующие резервы экономии. Прежде
всего — это выбор летательного аппарата: тип самолета и вер-
вертолета, назначаемых на рейс, должен соответствовать дальности
маршрута с учетом максимального запаса топлива. В США из
достигнутого за последние годы снижения расхода топлива в
коммерческой транспортной авиации 37% приходится на повы-
повышение коэффициента загрузки и 20%—на более оптимальный
подбор типов самолетов для обслуживания конкретных воздуш-
воздушных линий [250].
Реализация всех мер по поддержанию чистоты аэродинами-
аэродинамических поверхностей самолетов, ликвидации утечек воздуха че-
через уплотнения дверей и в закрылках, правильной регулировки
двигателей и выбор высоты и скорости полета на маршруты, по
данным [251], дает 2—3% экономии топлива.
Груз на борту летательного аппарата следует размещать с
учетом правильной центровки, соответствующей минимальному
аэродинамическому сопротивлению. В настоящее время серьез-
серьезное внимание уделяется увеличению пассажировместимости са-
самолетов, снижению массы резервного запаса воды и бортовых
комплектов пищевых продуктов. По данным [252], расход
топлива самолетами ДС-8 возрастает почти на 5% в час на каж-
каждые 4,5 т излишнего запаса топлива; при продолжительности
полета 6 ч 30% указанного излишка топлива расходуется на его
перевозку.
Экономия горючего возможна при отказе от использования
бортовой силовой установки в случаях, когда ее можно заменить
наземным источником энергии, например, для запуска двигате-
двигателей и наземного кондиционирования, а также при уменьшении
времени работы двигателей при прогреве и рулении, использо-
использовании тягачей для буксировки самолетов. По данным междуна-
международной статистики, 6—8% топлива расходуется на земле. За счет
исключения расхода топлива на работу двигателей при ожида-
ожидании разрешения на взлет самолета ТУ-154 можно экономить
150—200 кг топлива на каждом вылете и 150—180 кг — за счет
использования буксировки самолета [253].
Режим полета по маршруту должен быть оптимальным,
в том числе скороподъемность, высота, скорость в зависимости
287
от полетной массы самолета. Наибольший эффект дает расчет
маршрута полета, выполняемый ЭВМ, с учетом ветра, темпера-
температуры воздуха за бортом, погоды на запасных аэродромах и дру-
других данных. При этом стремятся также обеспечить минималь-
минимальный аэронавигационный запас топлива. Большое значение име-
имеет правильность метеосводок. Зарубежные исследования воз-
возможности экономии топлива тяжелыми самолетами гражданской
авиации при выполнении полетов на большую дальность пока-
показали, что за счет улучшения службы глобального прогнозиро-
прогнозирования погоды можно получать ежегодную экономию на сумму
~1 млрд. дол. [254]. В качестве примера экономии топлива с
учетом направления ветра приведен расчет расхода топлива са-
самолетом В-747 с обычной скоростью на дистанцию 1600 км: при
встречном ветре расходуется 38,8 м3 топлива, а при попутном —•
только 21,8 м3.
При прибытии к месту назначения следует стремиться к ми-
минимальному времени предпосадочного маневрирования. В этом
большую роль играют диспетчерские службы, организация ра-
рационального с точки зрения экономии топлива использования
воздушного пространства вблизи аэродрома. По данным [255],
потенциальные возможности экономии топлива путем совершен-
совершенствования методов летной и технической эксплуатации находят-
находятся в пределах 2—8%. Однако эта экономия может быть сведена
на нет неудовлетворительной организацией воздушного движе-
движения. Например, задержка самолета В-727 в воздухе в зоне аэро-
аэропорта на 7 мин ликвидирует всю экономию топлива, достигну-
достигнутую применением комплекса мер летным и наземным экипажа-
экипажами. Длительное ожидание разрешения на вылет или посадку для
самолетов местных воздушных линий может повысить общий
расход топлива более чем на 10% [256]. Посадку летательного
аппарата необходимо осуществлять, используя оптимальные ме-
методы выпуска шасси и закрылков. Руление самолета после по-
посадки как и перед взлетом может производиться с частью вы-
выключенных двигателей.
Снижение расхода на вспомогательные нужды может также
стать значительным вкладом в экономию реактивного топлива.
Прежде всего следует отметить расширение использования тре-
тренажеров для обучения летного состава и сокращения расхода го-
горючего на учебные полеты. К вспомогательным нуждам нужно
отнести и расходы горючего на работу авиационных двигателей,
приспособленных для различной работы на земле. Примером
могут служить тепловые машины с установленными на них
выработавшими свой ресурс в полете авиационными газотурбин-
газотурбинными двигателями, отработавшие горячие газы которых ис-
используют для очистки от льда, снега и осушки бетонных взлет-
взлетно-посадочных полос. Замена такого способа подготовки указан-
указанных полос на другой, например химический с применением спе-
специальных реагентов, позволит сэкономить многие сотни тонн го-
горючего в год в каждом аэропорту. Как правило, имеются резер-
288
вы экономии горючего и расходования его и на других назем-
наземных установках с авиационными двигателями, а также на пред-
предприятиях технического обслуживания авиационной техники и на
ремонтных заводах.
Заключение
В данной книге показано современное состояние химмотологии
ракетных и реактивных топлив. Авторами прежде всего была
сделана попытка показать связь между конструкцией двига-
двигателей (ЖРД и ВРД) и требованиями, предъявляемыми к экс-
эксплуатационным свойствам ракетных и реактивных топлив,
выделить и объяснить химмотологические проблемы, возни-
возникающие при эксплуатации ракетно-космической и авиационной
техники, описать важнейшие физико-химические и эксплуата-
эксплуатационные свойства этих топлив, правила обращения с ними.
В сравнительно небольшом объеме книги, естественно, трудно
достаточно подробно осветить все аспекты химмотологии ука-
указанных топлив, в частности не получили должного рассмотре-
рассмотрения химмотологические требования к конструкции перспектив-
перспективных ЖРД и ВРД, экологические и некоторые другие вопросы.
Одной из важнейших задач, стоящих перед химмотологами
в ближайшем будущем, является научное обоснование химмо-
тологических требований к двигателям и летательным аппара-
аппаратам в целом, выбору конструкционных материалов для них,
улучшению правил эксплуатации техники. Эти требования
должны учитывать, с одной стороны, необходимость макси-
максимального повышения эффективности техники, улучшения ее
эксплуатационных характеристик, а с другой — ограниченность
сырьевых ресурсов топлив, особенно реактивных, их высокую
стоимость и экологические факторы. Сейчас трудно прогнози-
прогнозировать, какое из указанных обстоятельств в ближайшие годы
может оказаться определяющим дальнейший прогресс и на-
направление развития ракетной и авиационной техники. Известно
[130, 257], что темпы добычи нефти в мире снижаются, запасы
ее ограничены, стоимость разведки и освоения новых месторож-
месторождений нефти непрерывно возрастают, а потребности в нефтяных
углеводородных топливах, особенно реактивных, быстро уве-
увеличиваются. Это побуждает исследователей интенсивно искать
пути более рационального и экономного использования сущест-
существующих сортов топлив и пытаться решить задачу расширения
их ресурсов за счет оптимизации качества (например, расши-
расширения фракционного состава реактивных топлив, увеличения
содержания в них ароматических и парафиновых углеводородов
и др.)» а также использования различных альтернативных топ-
топлив, полученных из угля, сланцев, природного газа и других
видов сырья. То и другое потребует изменения конструкции
19—518 289
двигателей, с тем чтобы сделать их более экономичными и в то
же время работающими на топливе измененного состава, воз-
возможно даже несколько худшего качества, но обеспеченном ре-
ресурсами. Проблема сырьевых ресурсов особенно остро стоит
для реактивных топлив, расходы которых в мире ежегодно
составляют сотни миллионов тонн. Не случайно в последние
годы наметилась тенденция развития авиации с турбовентиля-
турбовентиляторными двигателями и обеспечивающими большую экономич-
экономичность, чем газотурбинные и турбовинтовые двигатели. Ограни-
Ограниченность сырьевых и производственных ресурсов создает опре-
определенные трудности и при получении некоторых видов ракет-
ракетных топлив, например синтетических углеводородных горючих.
Одна из важных задач химмотологии и в то же время важ-
важнейшая социально-экономическая задача — правильное реше-
решение проблем экологии, связанных с применением ракетных и
реактивных топлив. Как было показано в I разделе книги,
многие компоненты жидких ракетных топлив являются высоко-
высокотоксичными и агрессивными веществами, отрицательно воз-
воздействующими на окружающую среду, опасными для живых
•организмов и растительности. Например, чреваты негативными
последствиями большие проливы гидразинных и аминных го-
горючих, попадание их в водоемы и грунтовые воды, так как эти
горючие, особенно яесшш-диметилгидразин, очень медленно
гидролизуются и даже в относительно малых концентрациях
опасны для человека и животных. Оксиды азота и пары азот-
азотной кислоты губительно действуют на растительность. Опасны
для окружающей среды фторные окислители и продукты сгора-
сгорания топлив на их основе. Наряду с этим существуют экологиче-
экологические проблемы глобального характера, связанные с примене-
применением ракетных и реактивных топлив. Сотни миллионов тонн
реактивных топлив, ежегодно сжигаемых в авиационных двига-
двигателях, на больших высотах загрязняют атмосферу оксидами
углерода, азота и серы.
Ученые многих стран в последние годы высказывают боль-
большую озабоченность в связи с изменением состава атмосферы,
вызванного деятельностью человека и, в частности, выбросом в
атмосферу больших количеств продуктов сгорания моторных
топлив, угля, природного газа и других веществ [258]. В страто-
стратосфере, на высоте от 15 до 50 км, постепенно повышается кон-
концентрация газов (диоксида углерода, метана, оксида азота),
обычно присутствующих там в небольших количествах и вы-
выполняющих роль «термостата», регулирующего температуры
в более низких слоях атмосферы, и «фильтра», который пропу-
пропускает коротковолновое излучение, приходящее от Солнца,
и задерживает отражаемые Землей тепловые лучи большей
длины волны. Существенное повышение концентрации диоксида
углерода и других газов может привести вследствие так назы-
называемого «парникового эффекта» к заметному повышению тем-
температуры воздуха у поверхности Земли, а также температуры
поверхности океанов и морей, что в свою очередь приведет к
290
значительным и необратимым изменениям климата Земли.
Известно [258], что средняя температура на Земле, состав-
составляющая сейчас 15 °С, на протяжении многих тысячелетий была
исключительно стабильной. В последние же десятилетия ука-
указанная температура стала заметно повышаться. Специалисты
объясняют это не только увеличением содержания в атмосфере
диоксида углерода, но и других химических веществ, в том чис-
числе углеводородов, хлор- и фторуглеводородов, оксидов азота.
Особую озабоченность вызывает наблюдаемое в последнее
время снижение концентрации озона в стратосфере, особенно
У полюсов Земли. Озоновый слой вокруг Земли защищает ее
от опасного солнечного ультрафиолетового излучения, губи-
губительного для животного и растительного мира. По мнению не-
некоторых ученых, причиной этого разрушения может быть попа-
попадание в стратосферу галогенов — фтора, хлора и брома, а так-
также их производных. Даже малые количества этих соединений
могут приводить к заметному истощению озонового слоя.
Сказанное выше ставит перед конструкторами авиационной
и ракетно-космической техники, нефтехимиками, химиками и
химмотологами новые задачи по созданию техники, работаю-
работающей на экологически менее опасных топливах. В этом отноше-
отношении перспективным следует считать использование в качестве
ракетного горючего и реактивного топлива сжиженного при-
природного газа (метана), в котором самое благоприятное (мак-
(максимальное) соотношение водорода и углерода (чем в любом
другом углеводороде), практически нет азота и серы. Кроме
того, ресурсы природного газа больше, чем нефти. Применение
жидкого метана в ракетно-космической и авиационной технике
вместо керосина связано с необходимостью дополнительных
затрат и преодолением некоторых эксплуатационных трудно-
трудностей, обусловленных прежде всего особенностями применения
криогенной техники. Однако ожидаемые энергетический, ре-
ресурсный и экологический эффекты окупят затраты на создание
и освоение новой техники, использующей в качестве горючего
сжиженный природный газ. Это подтверждается и примером
успешного применения в ряде стран, в том числе и в СССР,
в качестве моторного топлива для автомобильной техники сжа-
сжатого природного газа.
Наиболее экологически «чистым» и поэтому перспективным
ракетным горючим и реактивным топливом (для авиации) сле-
следует считать жидкий водород. Продуктом его сгорания в ЖРД
и ВРД является вода, а вредных для окружающей среды при-
примесей почти не образуется. Учитывая высокие энергетические
свойства и практически неограниченные сырьевые ресурсы
жидкого водорода (его можно получать из воды), это горючее
следует рассматривать как самое перспективное для ракетно-
космической и авиационной техники. Жидкий водород пред-
представляет интерес и как топливо будущего для всех видов
транспорта. Массовое применение такого топлива станет эко-
19* 291
номически оправданным лишь после освоения технологии по-
получения дешевой электроэнергии на атомных (термоядерных)
электростанциях, что позволит получать водород в больших
количествах электролизом воды.
В настоящее время жидкий водород получил весьма широ-
широкое применение в качестве ракетного горючего для ЖРД ракет-
носитслеп типа «Сатурн-5», космических кораблей многоразо-
многоразового действия типа «Шаттл». Недавно американская фирма
«Pacific American» разработала проект одноступенчатой много-
многоразовой ракеты-носителя «Феникс» с жидкостными ракетными
двигателями, работающими на жидких водороде и кислороде
[259]. Компоненты топлива в указанной ракете охлаждаются
до шугообразного состояния с целью повышения их плотности.
Стартовая масса ракеты — 206 т, а масса полезной нагрузки,
выводимой на околоземную орбиту, — около 9 т. Срок службы
ракеты «Феникс» планируется на 1000 полетов при минималь-
минимальном межполетном техническом обслуживании. Стоимость за-
запуска ракеты, по расчетам фирмы, ожидается в 10 раз меньше,
чем для челночных кораблей типа «Шаттл».
Создание ракет-носителей и космических кораблей много-
многоразового использования потребовало решения ряда химмото-
логических проблем, связанных с повышением безопасности и
надежности полетов, а также с экологией. В США ведутся
работы по созданию космических кораблей многоразового дей-
действия, которые бы стартовали с аэродромов как обычные само-
самолеты. Идея создания самолета-ракеты давно волновала умы
ученых и конструкторов. Еще до второй мировой войны Зенгер
и Вальтер в Германии, а позже фирма «Douglas» в США
пытались создать самолеты с жидкостными ракетными двига-
двигателями [260]. Эти и последующие работы завершились разра-'
боткой и применением ряда самолетных ускорителей с ракет-
ракетными двигателями.
Развитие авиации в ближайшие десятилетия будет, по-ви-
по-видимому, идти по двум направлениям: создания транспортных
и пассажирских самолетов с максимально экономичными дви-
двигателями, работающими на экологически более «чистых», чем
керосин, топливах (например, на жидком водороде и метане),
и разработки гиперзвуковых летательных аппаратов, способ-
способных совершать полеты в стратосфере и околоземном космиче-
космическом пространстве. Это потребует решения ряда сложных хим-
мотологических задач в области ракетных и реактивных топ-
лив, в том числе таких, как повышение химмотологической на-
надежности ЖРД и ВРД и в целом летательных аппаратов.
Следует отметить, что химмотология как наука пока еще
недостаточно уделяла внимание вопросам химмотологической
надежности двигателей и механизмов, т. е. надежности, зави-
зависящей от уровня качества и эксплуатационных свойств топлив,
смазочных материалов и специальных жидкостей, хотя зача-
зачастую надежность и сроки эксплуатации техники в значительной
292
мере лимитируются качеством горюче-смазочных материалов.
Необходимо как можно быстрее разработать критерии и мето-
методы оценки и прогнозирования химмотологической надежности
с максимальным использованием современных возможностей
математики, электронно-вычислительной техники и теории мо-
моделирования.
В монографии В. А. Пискунова и В. М. Зрелова [261] впер-
впервые была сделана попытка рассмотреть вопросы химмотологи-
химмотологической надежности авиационной техники. Основные показатели
надежности этой техники, такие, как безотказность, долговеч-
долговечность, ремонтопригодность и сохранность при прочих равных
условиях сильно зависят от качества реактивных топлив. На-
Надежность эксплуатации авиационной техники определяется
правильным ее конструктивным исполнением, применением со-
соответствующих конструкционных материалов, соблюдением
всех технологических требований при изготовлении, строгим
выполнением правил эксплуатации и, наконец, рациональным
выбором и применением горюче-смазочных материалов с необ-
необходимым уровнем и запасом их качества.
Показано [261] влияние качества и эксплуатационных
свойств реактивных топлив на надежность эксплуатации воз-
воздушно-реактивных двигателей и самолетов в целом, в частно-
частности, на работоспособность и безотказность топливных систем
самолетов, топливно-масляных радиаторов и фильтров, авто-
автоматической топливоподающей аппаратуры, форсунок, топлив-
топливных коллекторов и пусковых устройств ВРД, узлов и агрегатов
газового тракта двигателей и др. Отмечено, как влияют на
надежность указанных систем и агрегатов испаряемость и вяз-
вязкость топлив, растворимость в них газов, низкотемпературные
свойства, термостабильность топлив, склонность к образованию
в них твердой фазы при повышенных и отрицательных темпе-
температурах, пожароопасность, воздействие на резиновые техниче-
технические изделия, склонность к нагарообразованию, коррозионные
и другие свойства. Достаточно подробно описаны [5] наиболее
характерные неисправности и отказы в работе, возникающие
в двигателях и топливных системах самолетов в процессе экс-
эксплуатации и в той или иной степени связанные с качеством и
эксплуатационными свойствами реактивных топлив. Однако в
целом очень полезная для химмотологов, авиаконструкторов
и эксплуатационников книга содержит лишь качественное опи-
описание химмотологической надежности авиационной техники и
не дает каких-либо представлений о количественных зависи-
зависимостях и критериях такой надежности. Это, по-видимому,
должно стать предметом химмотологических исследований и
разработок в ближайшем будущем.
Не менее остро, чем в авиации, стоит проблема химмотоло-
химмотологической надежности и для ракетно-космической техники, что
связано с агрессивным воздействием многих компонентов жид-
жидких ракетных топлив на конструкционные материалы топлив-
293
ных систем и двигателей, пожаро- и взрывоопасностью КРТ,
их склонностью к осадкообразованию, влиянием различных
факторов, в том числе растворенных примесей, на охлаждаю-
охлаждающие свойства топлив и др. Особенно чувствительны к качеству
компонентов жидких ракетных топлив двигатели малой тяги
(двигатели коррекции) космических аппаратов. Вопросы повы-
повышения химмотологической надежности ракетно-космической
техники также нуждаются в дальнейших глубоких исследова-
исследованиях.
В области химмотологии ракетных и реактивных топлив сто-
стоит еще много нерешенных задач конструкторского, технологи-
технологического, эксплуатационного, экономического и экологического
характера. Важной задачей является также дальнейшее совер-
совершенствование методов испытаний указанных топлив, особенно
оценки их эксплуатационных свойств, что позволит не только
быстрее решать практические вопросы создания и рациональ-
рационального применения ракетных и реактивных топлив, но и развить
научно-теоретические основы химмотологии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Циолковский К. Э. Труды по ракетной технике. М.: Машиностроение^
1967. 623 с; Глушко В. П. Развитие ракетостроения и космонавтика
в СССР. М.: изд-во АПН, 1973. 97 с.
2. Синярев Г. Б., Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. М.:
Оборонгиз, 1957. 580 с.
3. Чернышев Н. Г Химия ракетных топлив. М. — Л.: Госэнергоиздат, 1948.
352 с.
4. Зрелое В. Н., Серегин Е. П. Жидкие ракетные топлива. М.: Химия, 1975*
320 с.
5. Chao G. T.//ASR Journal. 1959. V. 29. N 3. P. 199—203.
6. Моторные, реактивные и ракетные топлива/Под ред. К. К. Папок и
Е. Г. Семенидо. М..: Гостоптехиздат, 1962. 741 с.
7. Бар pep М., Жомотт А., Вебек Б. Ф., Ванденкеркхове Ж. Ракетные дви-
двигатели. Пер. с англ. М.: Оборонгиз, 1962. 799 с.
8. Жидкие и твердые ракетные топлива: Сб. переводов/Под ред. проф»
Ю. X. Шаулова. М.: Издатинлит, 1959. 435 с.
9. Большаков Г. Ф. Химия и технология компонентов жидкого ракетного топ-
топлива. Л.: Химия, 1983. 317 с.
10. Сарнер С. Химия ракетных топлив: Пер. с англ. М.: Мир, 1969. 488 с.
И. Sutton D. F. Rocket Propulsion Elements. New York — London: Wiley-
Charman a Hall, 1963. 483 p.
12. Мошкин E. К. Развитие отечественного ракетного двигателестроения. М.:
Машиностроение, 1973. 255 с.
13. Biegley С. М., Fusch W. R., Anderson R. ?.//Propellanta Manufact: Ha-
Hazards and Test Simpos. 153 rd. Meet. Am. Chem. Soc, Miami Beach Fla.
1967. Washington, Am. Chem. Soc. 1969. P. 316—343.
14. Паушкин Я. M. Химия реактивных топлив. М.: изд-во АН СССР, 1962.
436 с.
15. Шевелюк М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракет-
ракетных двигателей. М.: Оборонгиз, 1960. 684 с.
16. Резников М. Е. Авиационные и ракетные топлива и смазочные материалы.
М.: Воениздат, 1960. 208 с.
17. Алешков М. Н., Жуков И. И. Физические основы ракетного оружия. М.:
Воениздат, 1965. 464 с.
18. Микулин Е. И. Криогенная техника. М.: Машиностроение, 1969. 270 с.
294
19. Фастовский В. Г., Петровский Ю. В., Ровинский А. Е. Криогенная техни-
техника. М.: Энергия, 1967. 415 с.
20. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. М.: Машинострое-
Машиностроение, 1964. Т. 1, 472 с; Т. 2, 586 с.
21. Справочник по физико-химическим основам глубокого охлаждения/Под
ред. Малкова М. П. М.: Госэнергоиздат, 1963. 416 с.
22. Gerald Т., Thodos В., Thodos G.//Chem. Eng. Data. 1968. V. 13. N 2.
P. 262.
23. Глизманенко Д. Л. Получение кислорода. М.: Химия, 1972. 752 с.
24. Бродянский В. М., Меерзон Ф. И. Производство кислорода. М.: Метал-
Металлургия. 1970. 384 с.
25. Ильинский А. А. Транспорт и хранение промышленных сжиженных газов.
М.: Химия, 1976. 160 с.
26. Денисенко Г. Ф., Файнштейн В. И. Техника безопасности при производст-
производстве кислорода. М.: Металлургия, 1968. 220 с.
27. Химическая промышленность за рубежом. М.: НИИТЭхим. 1980. Вып. 6
B10). С. 56—64.
28. Шамб У., Сеттерфилд Ч., Вентворе Р. Перекись водорода: пер. с англ./
/Под ред. А. И. Горбанева. М.: Издатинлит, 1958. 578 с.
29. Атрощенко В. И., Каргин С. Н. Технология азотной кислоты, изд. 3-е.
М.: Химия, 1970. 496 с.
30. Антипенко Л. Г., Белецкая Е. С, Крылова А. Г.//ЖПХ. 1958. Т. 31. № 6.
С. 859—863.
31. Справочник азотчика. Т. 2. М.: Химия, 1969. 445 с.
32. Addison С. C.//Dinitngen Tetroxide, Nitric Acid and Their Mixtures as
Modia for Introqaic Reactions. Chem. Rev. 1980. V. 80. P. 21—39.
33. Коррозия конструкционных материалов в агрессивных средах: Справоч-
Справочник/Под ред. Г. В. Акимова/. М.: Оборонгиз, 1952. 431 с.
34. Серегин А. В. Жидкие ракетные топлива. М.: Воениздат, 1961. 91 с.
35. Вопросы ракетной техники. 1969. № 12. С. 27.
36. Физико-химические и теплофизические свойства химически реагирующей
системы N2O4=efc2NO2=Ffc2NO+O2/noA ред. В. Б. Нестеренко. Минск: Изд-во
«Наука и техника», 1976. 344 с.
37. White D.//J. Chem. Phys. 1954. V. 75. P. 1149.
38. Oil a. Gas J.//1965. V. 63. N 10. P. 125—129.
39. Галкин Н. П., Крутиков А. Б. Технология фтора. М.: Атомиздат. 1968.
188 с.
40. Ни I. U., White D., Johnston Н. L.//J. Am. Chem. Soc. 1953. V. 75. P. 564.
41. Elwerum G. W.t Doescher R. N. Am. Phys. 1952. V. 20. P. 1834.
42. English W. D., Spicer D. R. Chem. Abstr. 1966. V. 64. N 7. P. 3497.
43. Chem. Eng. Prog.//1967. V. 63. N 6. P. 88.
44. Вредные вещества в промышленности: Справочник. Т. 3. Л.: Химия, 1977.
605 с.
45. Фтор и его соединения/Под ред. Саймонса: Пер. с англ./Под ред.
И. Л. Кнунянца. М.: Издатинлит. Т. 1, 1953. 509 с.
46. Гальперин И. И., Ильинский А. А., Алмазов О. А., Адугин И. А. Жидкий
водород. М.: Химия, 1980. 228 с.
47. Рожков И. В., Алмазов О. Л., Ильинский А. А. Получение жидкого водо-
водорода. М.: Химия, 1967. 199 с.
48. Справочник по физико-химическим основам в криогенике. М.: Энергия,
1973. 392 с.
49. Кошелев П. Ф. Механические свойства сплавов для криогенной техники.
М.: Машиностроение, 1971. 367 с.
50. Panneties G., Contour /.//Auszuge Pat. 1972. Bd. 18. N 9. S. 2699—30-04.
51. Poth /., Van Hook /.//AIAA Paper. 1971. N 71—646. P. 23.
52. Sindt C.//Cryogenics. 1970. V. 10. N 5. P. 372—381.
53. Chem. Eng. News/1970. V. 48. N 44. P. 102—108.
54. Holzman R. T. Chemical Rockets and Flame and Explosives Technology:
New York —London. Publ. Dekker. 1970. 449 p.
55. Дейни Д. Е., Людтке П. Р., Синдт К. Ф.//Вопросы ракетной техники.
1971. Т. 21. № 1. С. 34—41.
295
56. Adamson L Z.//Star. 1972. V. 10. N 10. P. 1395—1404.
57. Contreras W., Lee M.//Government Reports Announcements. 1972. V. 72.
N 21. P. 65—69.
58. Космонавтика. Маленькая энциклопедия. Изд. 2-е/Под ред. В. П. Глушко.
М.: Советская энциклопедия, 1970. 425 с.
59. Sale В., Bull 4.//Assoc. Franc. Technicians Petrol. 1962. N 155. P. 735—
739.
60. Bartoc A., Lander D., Mackou C.//AIAI. 1978. N 16/18. P. 1—6.
61. Зрелое В. Н., Кичкин Г. И. Хроматография в нефтяной и нефтехимической
промышленности. М.: Гостоптехиздат, 1963. 288 с.
62. Зрелое В. Н., Пискунов В. А. Реактивные двигатели и топливо. М.: Ма-
Машиностроение, 1968. 200 с.
63. Зрелое В. #.//Итоги науки. Технология органических веществ. М.:
ВИНИТИ. 1968. С. 5—66.
64. Чертков Я. ?., Рыбаков /С В., Зрелое В. Н. Загрязнения и очистка топлив.
М.: Химия, 1970. 240 с.
65. Химмотология в гражданской авиации. Справочник/iVl.: Транспорт, 1983.
248 с.
66. Энглин Б. А. Применение моторных топлив при низких температурах. М.:
Химия, 1980. 208 с.
67. Большаков Г. Ф., Гулин Е. И., Торичнев Н. Н. Физико-химические основы
применения моторных, реактивных и ракетных топлиз. М.: Химия, 1965,
271 с.
68. Паушкин Я. М. Жидкие и твердые химические ракетные топлиея. М.:
Наука, 1978. 192 с.
69. Большаков Г. Ф., Глебовская Е. #.//Тезисы докладов на XVII совеща-
совещании по спектроскопии. М.: изд-во АН СССР, 1965. С. 51—54.
70. Warner С. F., Dyer H. Z., Mayse W. C.//Star. 1972. V. 10. N 20. P. 2746—
2749.
71. Space Propulsion. 1970. V. 7. N 19. P. 230—232.
72. Faith Z. E., Acker man G. H., Heck С. К. e. a.//STAR. 1970. V. 10. N 14.
P. 1931—1935.
73. Interavia Air Letter. 1970. N. 1. P. 22—23.
74. Space Aeronautics. 1970. V. 54. N 1. P. 22—23.
75. Грегори Дж. ^.//Вопросы ракетной техники. 1970. № 3. С. 27—31.
76. Sindt С. F., Ludtne P. ^.//International Aerospace Abstracts. 1972. V. 12.
N 4. P. 564—569.
77. Пересада С. А. Зенитные ракетные комплексы. М.: Воениздат. 1973.
272 с.
78. Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Тишин А. П. Теория ракетных двигате-
двигателей. М.: Машиностроение. 1969. 547 с.
79. Кребс X. Дж.//Вопросы ракетной техники. 1973. № 7. С. 3—10.
80.. Energetics of Propellant Chemistry. New York — London.: Pergamon Press,.
1964. 392 p.
81. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Спра-
Справочник в 8-ми т./Под ред. В. П. Глушко. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1972—
1974.
82. Saad M. A., Detweiler M. В., Sweeney M. Л.//А1АА Journal. 1972. V. 10.
N 8. Р. 1073—1078.
83. Benson S. W., Spoker G. N.//Chem. Eng. News. 1970 V 48 N 49.
P. 31—32.
84. Loftus Я.//А1АА Paper. 1971. N 71—736. P. 23.
85. Bertnan K., Albanese Т., Blessing A. e. a.//AIAA Paper. 1972 N 72—1132.
P. 31.
86. Фриденсон Е. С. Основы ракетной техники. М.: Воениздат, 1973. 204 с.
87. Brocket C.//Astronautica Acta. 1970. V. 15. N 6. P. 419—425.
88. Современная химия ракетного топлива/Пер, с англ./Под ред. И. И. Мои-
Моисеева. М.: Атомиздат, 1972. 296 с.
89. Interavia Air Letter. 1971. N 7202. P. 4—5.
90. Rice P. R., Williams P.//AIAA Paper. 1971. N 71—704. 29 p.; J. Catalysis.
1979. V. 19. N 2. P. 140—143.
91. Green H. L.//J. Spacecraft a. Rockets. 1971. V. 8. N 2. P. 105—111.
296
92. Martignoni P., Nappier #., Phillips /.//Government Reports Announce-
Announcements. 1972. V. 72. N 22. P. 60—66.
93. Sutton D. F.//J. British Interplanetary Soc. 1972. V. 25. N 9. P. 537—
551.
94. Berry W., Gibbon 1. M., Saw D. /?.//Star. 1972 V 10 N 14 P 1931 —
1936.
95. Lyon W. C.//AIAA Paper. 1970. N 70—1143. 41 p.
96. Pannertier G., Margineanu F.//Bu\\ Soc. Chem. France. 1972. N 10.
P. 3725—3728.
97. Seamans Th. F.t Kahrs /.//J. Spacecraft a. Rockets. 1971. V. 8. N 10.
P. 1080^-1083.
98. Axworthy A. E., Wagner R. /.//Government Reports Announcements. 1972.
V. 72. N 24. P. 203—208.
99. Каганер М. Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.: Ма-
Машиностроение, 1966. 274 с.
100. Жидкий водород: Сборник/Пер, с англ. яз./Под ред. М. П. Малкова/М.:
Мир. 1964. 430 с.
101. Klarney Т. /.//Ргос. Amer. Soc. Test and Mater., 1963 A964). V. 63.
P. 1316—1323.
102. Скотт Р. Б. Техника низких температур. М.: Издатинлит, 1962. 413 с.
103. Гофман-Захаров П. М. Низкотемпературное хранение сжиженных тех-
технических газов. Киев: Техника, 1966. 222 с.
104. Вассерман А. А. и др. Теплофизические свойства воздуха. М.: Наука,
1966. 775 с.
105. Каганер М. Г. и др.//Хим. и нефт. маш. 1967. № 12. С. 15.
106. Cham. Eng. 1959. V. 66. N 19. P. 78—80.
107. Zenner G. #.//Progress in Cryogenics. 1960. V. 2. P. 1—40.
108. Fuller R. D., McLagon J. ^.//Applied Cryoganic Engineering. New York —
London: John Wiley a. Sons. 1962. P. 215—254.
109. Бережковский М. И. Хранение и транспортирование химических продук-
продуктов. М.: Химия, 1973. 272 с.
НО. Коваленко В. П., Ильинский А. А. Основы техники очистки жидкостей от
механических загрязнений. М.: Химия, 1982. 272 с.
111. Позин М. Е. Перекись водорода и перекисные соединения. М.: Госхимиз-
дат, 1951. 475 с.
112. Герасимов В. В. Коррозия алюминия и его сплавов. М.: Металлургия,
1967. 115 с.
113. Резников М. Е. Топлива и смазочные материалы для летательных аппа-
аппаратов. М.: Воениздат, 1973. 232 с.
114. Ивочкин В. Д., Брошко Ю. М., Макаров Н. А. Емкости для хранения и
транспортирования криогенных жидкостей. М.: ЦИНТИхимнефтемаш,
1972. 42 с.
115. Croxford В.//Brit. Chem. Eng. (Process Technology). 1976. V. 17. N 3.
p. 245—249.
116. Миролюбская Ю. А., Каганер М. Г., Великанова М. Г. Вакуумно-много-
слойная изоляция в криогенной технике. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978.
42 с.
117. Design News. 1972. V. 27. N 9. P. 17—18.
118. Новицкий Л. А., Кожевников И. Г. Теплофизические свойства материалов
при низких температурах. М.: Машиностроение, 1975. 216 с.
119. Кошелев П. Ф. Механические свойства сплавов для криогенной техники.
М.: Машиностроение, 1971, 367 с.
120. Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической
промышленности/Под ред. И. В. Рябова. М.: Химия, 1970. 336 с.
121. Tannenbaum 5., Beardell A. /.//Sympos. 153-rd Meet. Amer. Chem. Soc,
Miami Beach, Fla, Apr. 10—11. 1967. P. 344—368.
122. Демидов П. Г. Горение и свойства горючих веществ. М.: Химия, 1973.
248 с.
123. Маликов В. Г., Комиссарик С. Ф., Короткое А. М. Наземное оборудование
ракет. М.: Воениздат, 1971. 304 с.
297
124. Стенли Дж. /(.//Вопросы ракетной техники. 1971. №2. С. 25—34.
125. Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция
и расчет деталей. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1981.
550 с.
126. Максимов Н. А., Секистов В. А. Двигатели самолетов и вертолетов. Осно-
Основы устройства и летной эксплуатации. М.: Воениздат, 1977. 343 с.
127. Лещинер Л. Б., Ульянов И. Е. Проектирование топливных систем самоле-
самолетов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
128. Маслов В. Г. Теория выбора оптимальных параметров при проектирова-
проектировании авиационных ГТД. М.: Машиностроение, 1984. 123 с.
129. Bert R. Ph.//NASA Conference Publication N 2307 — NASA Lewis Re-
Research Center, Cleveland, Ohio, November 2—3, 1983. P. 111—120.
130. Теоретические основы химмотологии/Под ред. А. А. Браткова. М.: Хи-
Химия, 1985. 320 с.
131. Бергштейн Н. В., Хуторянский Ф. М., Левченко Д. Н. Химия и технология
топлив и масел. 1983. № 1. С. 8—14.
132. Логинов В. И. Обезвоживание и обессоливание нефтей. М.: Химия. 1979.
216 с.
133. Левченко Д. Н., Бергштейн Н. В., Хуторянский Ф. М. и др. Обессоливание
нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Тематический обзор. М.:
ЦНИИТЭнефтехим, 1973. 50 с.
134. Исаев Б. Н., Сыч Ю. И., Пинковский Я. И. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1977. № 2. С. 6—7.
135. Умутбаев В. Н. Ингибитор коррозии металлов ИКБ-4: Информационный
листок № 347—74. Уфа: изд-во БашЦНТИ. 1974. 8 с.
136. Энглин Б. А., Алексеева М. П., Качурина Г. В. и др. М.: Нефтепереработка
и нефтехимия. 1973. № 3. С. 9—11.
137. Горенков А. Ф., Клюйко И. Г., Лифанова Т. А. Химия и технология топ-
топлив и масел. 1983. № 4. С. 9—11.
138. Petrolieri D'ltalia. 1973. V. 20. N 7. P. 51—52.
139. Brown К. Al//Hydroc. Proc. 1973. N 2. V. 52. P. 69—74.
140. Strauss К. Н. Future US Jet Fuel — A Refiner's Viewpoint, Atlantic City.
1981. 7 p.
141. Хавкин В. А., Гольдштейн Д. Л., Рысаков М. В.//VII Мировой нефтяной
конгресс. Мехико. Каталитические процессы переработки нефти. М.: Хи-
Химия, 1971. С. 98.
142. Радченко Е. Д., Лихтерова Я. М., Хавкин В. А. и д/?.//Гидрогенизацион-
ные процессы получения моторных топлив. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1978.
С. 14—17.
143. Алиев Р. Р., Туровская Л. В., Вьюнова Г. М. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1980. № 9. С. 57—59.
144. Тумар Н. В., Лыков О. П., Кислицина А. И. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1977, № 5. С. 51—53.
145. Чертков Я. Б., Игнатов В. М.//Химия и технология топлив и масел. 1966.
№ 6. С. 53—55.
146. Саблина 3. А., Тишина Е. А.. Качурина Г. В. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1981. № 7. С. 26—28.
147. Гулин Е. И., Горенков А. Ф.//Химия и технология топлив и масел. 1976.
№ 1.С. 23—25.
148. Горенков А. Ф., Сковородин Г. Б., Клюйко И. Г.//Химия и технология
топлив и масел. 1984. № 9. С. 29—30.
149. Горенков А. Ф.//Химия и технология топлив и масел. 1980. № 12. С. 21 —
25.
150. Смирнов М. С, Сахно Г. Я.//Эксплуатационные свойства авиационных
топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей. Вопросы хим-
химмотологии. Киев: КНИГА, 1977. С. 14.
151. Ронжина Н. Ф., Спиркин В. Г., Чернова К. С. и др. Эксплуатационные
свойства авиационных топлив. Труды конференции. Киев: КНИГА, 1969.
С. 136—143.
152. Энглин Б. А., Рожков И. В., Туголуков В. М. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1983. № 12. С. 50—55.
298
153. J. Inst. Petroleum. 1962. V. 48. N 467. P. 388—390.
154. Санин /7. #.//Нефтехимия. 1963. № 5. С. 625—631.
155. Горенков Л. Ф„ Лифанова Т. А., Клюйко И. Г.//Химия и технология топ-
топлив и масел. 1983. № 6. С. 19—20.
156. Лихтерова Н. М., Горенков А. Ф., Перепелкина О. А.//Химия и техноло-
технология топлив и масел. 1983. № 12. С. 25—27.
157. Solash /.//Fuel. 1978. V. 57. P. 521—528.
158. Горенков А. Ф., Степаненко В. С, Салеев В. А.//Химия и технология
топлив и масел. 1982. № 2. С. 36—39.
159. Лозовский В. Н. Диагностика авиационных топливных и гидравлических
агрегатов. М.: Транспорт, 1979. 296 с.
160. Пискунов В. А., Зрелое В. Н. Влияние топлив на надежность реактивных
двигателей и самолетов. М.: Машиностроение, 1978. 270 с.
161. Чертков Я. Б., Спиркин В. Г. Применение реактивных топлив в авиации.
М.: Транспорт, 1974. 160 с.
162. Горенков А. Ф., Лифанова Т. А., Клюйко И. Г. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1934. № 2. С. 29—30.
163. Горенков А. Ф., Серегин Е. П., Клюйко И. Г. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1980. № 11. С. 38—40.
164. Горенков А. Ф., Белоус А Р.//Химия и технология топлив и масел. 1977.
№ 8. С. 55—57.
165. Словарь по топливам, маслам, смазкам, присадкам и специальным жид-
жидкостям (химмотологический словарь)/Изд. 4-е. М.: Химия, 1975. 392 с.
166. Reed A.//Air Transport World. 1984. 21. N 8. P. 70.
167. Большаков Г. Ф. Физико-химические основы образования осадков в реак-
реактивных топливах. Л.: Химия, 1972. 232 с.
168. Чертков Я. Б. Современные и перспективные углеводородные реактивные
и дизельные топлива. М.: Химия, 1968. 356 с.
169. Пискунов В. А., Зрелое В. Я. Испытания топлив для авиационных реак-
реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1974. 200 с.
170. Чертков Я. Б.у Большаков Г. Ф., Гулин Е. И. Топлива для реактивных
двигателей. Л.: Недра, 1964. 226 с.
171. Резников М. ^.//Эксплуатационные свойства авиационных топлив. Тру-
Труды конференции. Киев: КИИ ГА. 1972. Вып. 3. Ч. П. 62 с.
172. Winter E. F.//Fuel. 1955. V. 34. Р. 55—62.
173. Rudey R. A., Grobman I. 5.//NASA, ТМ-78866. 1976. 37 р.
174. Энглин Б. А., Резников М. ?.//Химия и технология топлив и масел, 1970.
№ П. С. 52—56.
175. Bernard D., Eltinger L.//Ind. Eng. Chem. 1954. V. 46. P. 1962.
176. Филатов Л. Ф., Дубовкин Н. Ф., Искуссных Ю. В.//Химия и технология
топлив и масел. 1983. № 9. С. 34—35.
177. Основы проектирования и характеристика газотурбинных двигателей/Под
ред. У. Р. Хауторна, У. Т. Олсана. М.: Машиностроение, 1964. 325 с.
178. Чертков Н. Я., Гуреев А. А.//Химия и технология топлив и масел, 1978.
№ 8. С. 48—52.
179. Саблина 3. А. Состав и химическая стабильность моторных топлив. М.:
Химия, 1972. 280 с.
180. Серегин Е. П., Энглин Б. А., Алексеева М. П. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1975. № 5. С. 22—31.
181. Шимонаев Г. С, Степанова Л. С.//Химия и технология топлив и масел.
1975. № 12. С. 45—48.
182. Большаков Г. Ф., Глебовская Е. А., Каплан 3. Т. и др.//Химия сераорга-
нических соединений, содержащихся в нефтях и нефтепродуктах. М.: Выс-
Высшая школа, 1972. Т. IX. С. 464—552.
183. Чертков Я. Б., Спиркин В. Г. Сернистые и кислородные соединения неф-
нефтяных дистиллятов. М.: Химия, 1971. 312 с.
184. Энглин Б. А., Сковородин Г. Б., Алексеева М. П.//Нефтепереработка и
нефтехимия. 1973. № 3. С. 9—11.
185. Денисов Е. Т., Ковалев Г. И. Окисление и стабилизация реактивных топ-
топлив. М.: Химия, 1983. 272 с.
186. Ковалев Г. И. //Нефтехимия. 1978. Т. 18. № 4. С. 584—589.
299
187. Саблина 3. Л., Гуреев А. А. Присадки к моторным топливам. Изд. 2-е.
М.: Химия, 1977. 256 с.
188. Лосиков Б. В., Пучков Н. Г., Энглин Б. А. Основы применения нефтепро-
нефтепродуктов. М.: Гостоптехиздат, 1959. 567 с.
189. Серегин Е. П., Городецкий В. Г., Голенев Н. П., Прокудин В. Н.//Химия
и технология топлив и масел. 1978. № 8. С. 17—20.
190. Серегин Е. П., Городецкий В. Г., Голенев Н. Я.//Химия и технология
топлив и масел. 1980. № 5. С. 18—21.
191. Чертков Я. Б., Серегин Е. П., Кирсанова Т. И. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1976. № 2. С. 53—56.
192. Чертков Я. Б., Зрелое В. Н., Щагин В. М„ Маринченко Н. //.//Химия и
технология топлив и масел. 1953. № 7. С. 62.
193. Химия сераорганических соединений, содержащихся в нефтях и нефте-
нефтепродуктах. АН СССР. 1959. Т. 1. С. 276.
194. Химия сераорганических соединений, содержащихся в нефтях и нефте-
нефтепродуктах. Гостоптехиздат. 1963. Т. 5. С. 149.
195. Химия сера- и азоторганических соединений, содержащихся в нефтях и
нефтепродуктах. БашФАН СССР, 1960. Т. 3. С. 461.
197. Серегин Е. П., Петров В. П., Самойлов И. Б. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1983. № 4. С. 25—27.
198. Майко Л. П., Серегин Е. П., Микулин Ю. В. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1976. № 7. С. 47—49.
199. Чертков Я. Б., Гладких В. А, Серегин Е. П.//Химия и технология топлив
и масел. 1976. №7. С. 50—52.
200. Ковалев Г. П., Никонова А. Г.//Химия и технология топлив и масел. 1978.
№ 2. С. 40—43.
201. Ковалев Г. И., Макаренков В. В., Никонова А. Т., Панченков Г. М.//Хи-
М.//Химия и технология топлив и масел. 1974. № 6. С. 40—42.
202. Верншайн Р. Р., Чайская Л. П., Кокман Ф. ///.//Эксплуатационные свой-
свойства авиационных топлив. Труды конференции. — Киев: КИИ ГА. 1972.
Вып. 3. Ч. 1. С. 74—78; Подлесняк А. #., Клитеняк Г. С, Нестерова Л. Ф.
//Там же. С. 78—82.
203. Ковалев Г. И., Никонова А. Г., Гогитидзе Л. Д. и др.//Химия и техноло-
технология топлив и масел. 1977. № 1. С. 53—54.
204. Ковалев Г. П., Никонова А. Г., Герасимова А. В.//Химия и технология
топлив и масел. 1980. № 8. С. 33—36.
205. Лосиков Б. В., Фатьянов А. Д., Микулин Ю. В., Александрова Л. А. Топ-
Топлива для стационарных и судовых газовых турбин. М.: Химия, 1970.
312 с.
206. Бесполов И. Е., Коробов Б. Ф., Хайкин М. Д. и др.//Химия и технология
топлив и масел. 1971. № 10. С. 56—58.
207. Рожков И. В., Энглин Б. А., Чуршуков Е. С.//Химия и технология топлив
и масел. 1971. № 5. С. 55—60.
208. Горенков А. Ф., Домкин Е. И.//Химия и технология топлив и масел. 1984.
№ 7. С. 23—26.
209. Энглин Б. А., Сашевский В. В., Хайкин М. Д.//Химия и технология топ-
топлив и масел. 1974. № 9. С. 48—51.
210. Горенков А. Ф., Домкин Е. И.//Химия и технология топлив и масел. 1982.
№ 11. С. 28—30.
211. Энглин Б. Л., Сашевский В. В., Радченко Е. Д. и др.ЦХимия и технология
топлив и масел. 1973. № 9. С. 27—29.
212. Shelton E. M. Aviation Turbine Fuels, 1980, Bartlesville, Department of
Energy, DOE/BETC/PPS — 1981, 13 p.
213. Trends in Aviation Fuels and Lubricants. SP —492. Washington, SAE,
1981, 64 p.
214. Перечень зарубежных горюче-смазочных материалов, допущенных к при-
применению на советской авиатехнике. М.: ЦИАМ, 1979. 23 с.
215. Папок К. К. и др.//Химия и технология топлив и масел. 1976. № 3.
С. 2—6.
216. Горенков А. Д., Серегин Е. П., Наметкин О. П.//Стандарты и качество.
1981. № 12. С. 25—27.
300
217. Гуреев А. А.//Химия и технология топлив и масел. 1982. № 5. С. 18—22,
218. Гуреев А. А., Серегин Е. П., Азев В. С. Квалификационные методы испы-
испытаний нефтяных топлив. М: Химия, 1984. 198 с.
219. А. С. 682795 СССР, МКИ G01 N 7/14. Устройство для измерения давле-
давления насыщенных паров жидкостей/А. Н. Соловьев, Б. А. Малой. Опубл.
БИ № 32. — 1979.
220. Бушуева Е. М. и др. М.: Труды ВНИИ НП. 1977. Вып. 20. С. 61—63.
221. Терещенко Е. Р., Залога Б. Д., Максимов С. AL//Методы оценки экс-
эксплуатационных свойств реактивных топлив и смазочных материалов/Под
ред. Б. Ф. Залога/М.: Машиностроение, 1966. С. 5—17.
222. А. с. 947763 СССР, МКИ G01 N 33/28. Установка для определения тер-
термоокислительной стабильности реактивных топлив/Е. П, Серегинг
В. А. Гладких, В. А. Астафьев и др. Опуб. БИ № 28. — 1982.
223. Ковалев Г. И., Никонова А. Г.//Химия и технология топлив и масел.
1978. № 2. С. 40—43.
224. А. с. 506807 СССР, МКИ G01 N 33/44. Способ определения физико-
механических свойств резины/К. К. Папок, Я. Б. Чертков, В. А. Гладких
и др. Опубл. БИ № 10. — 1976.
225. Аксенов А. Ф. Трение и изнашивание металлов в углеводородных жидко-
жидкостях. М.: Машиностроение, 1972. 149 с.
226. Саблина 3. А., Широкова Г. Б., Ермакова Т. И. Лабораторные методы
оценки свойств моторных и реактивных топлив. М.: Химия, 1978. 238 с.
227. Медведев С. П., Комаров Б. И., Сашевский В. В. и др.//Эксплуатацион-
ные свойства авиационных топлив, смазочных материалов и технических
жидкостей. Киев: КИИ ГА, 1973. 8 с.
228. А. с. 731374 СССР. МКИ G 01 N 33/2. Способ оценки противоизносных
свойств топлив/С. П. Медведев, В. В. Сашевский. Н. М. Малько. Опубл.
БИ № 16. —1980.
229. AIR TOTAL. Manuel de Protection et de Controle de la Qualite. Section 3.
P. 16—19.
230. Азев В. С, Серегин Е. Я., Стрюк Я. В. и др. Подземное хранение углево-
углеводородных топлив. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1978. 62 с.
231. Азев В. С, Кузнецова Л. Н. Сохранение качества моторных топлив при
подземном хранении. М.: Химия, 1984. 192 с.
232. Азев В. С, Коваленко В. Я.//Транспорт и хранение нефтепродутов и уг-
углеводородного сырья. 1975. № 8. С. 20—22.
233. Стрюк Н. В.//Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного
сырья. 1970. № 12. С. 5.
234. Большаков Г. Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов.
Л.: Недра, 1974. 320 с.
235. Кушниренко К. Ф. Краткий справочник по горючему. Изд. 3-е, перераб.
и доп. М.: Воениздат, 1979. 381 с.
236. Горенков А. Ф., Коваленко В. П., Сковородин Г. Б.//Сохранение качества
нефтепродуктов при транспортировании и хранении. М.: ЦНИИТЭнефте-
ЦНИИТЭнефтехим, 1980. 41 с.
237. Лурье М. В., Марон В. И. Оптимизация последовательной перекачки неф-
нефтепродуктов. М.: Недра, 1979. с.
238. Демидов Я. Г., Шандыба В. А., Щеглов Я. Я. Горение и свойства горю-
горючих веществ. М.: Химия, 1981. 272 с.
239. Goodger E. M.//Energy Worid, 1981. N 80. P. 2—11.
240. Brewer G. Z).//Mech. Eng., 1983. V. 105. N 1. P. 50—55.
241. Эксплуатационные свойства топлив, масел, смазочных материалов и тех-
технических жидкостей, применяемых в гражданской авиации. Киев: КИИ
ГА, 1975. С. 64—67.
242. Beck В. M.//ISAC Ргос, 1980. 12-th Congr. Int. Counc. Aeron. Sci. Mu-
Munich. 1980. P. 123—143.
243. Aviation Fuel Properties, 1983. V. 114. P. 49—52.
244. Авиастроение. 1982. № 39. 163. С. 1 — 11.
245. Авиастроение. 1982. № 27. 125. С. 17—21.
246. Воздушный транспорт, 06В, 1981, № 9, 9В34; 06В, 1982, № 5, 5В7;
Fohle R. /C.//JT 8D Performance Improvement to Offset Rising Fuel Costs.
SAE Techn. Pap. Ser. 1980. N 801117. P. 6.
301
247. Воздушный транспорт: Экспресс-информация. 1983. № 1. С. 1—3; Trans-
Transportation Planning and Technology. 1982. V. 7. N 3. P. 185—200.
248. Воздушный транспорт, 06В, 1981, № 12. 12 В 140; Goldsmith D. /.//AIAA
Pap. 1981. N 787. P. 7.
249. Воздушный транспорт, 06В. 1981. № 2, 2B 51; Heckmann ?.//Treibstoff-
kosten zwingen zum Sparen «VDI — Nachr.», 1980. Bd. 34. N 45. S. 2.
250. Воздушный транспорт, 06В, 1982. № 7, 7 В 30; Aviat. Week and Space
Technol. 1982. V. 116. N 10. P. 176—177.
251. Воздушный транспорт, 06В, 1981, № 6, 8 В 23; Whitby R. ^//Transport
(Gr. Brit.). 1981. V. 2. N 2. P. 9—10.
252. Воздушный транспорт: Экспресс-информация. Сер. Летная эксплуатация.
1981. № 4, с. 9—10; Airline Pilot. 1981. N 4. P. 10.
253. Воздушный транспорт, 06В, 1982, № 7. 7 В 31; Solowjew В. Л.//Techn.
kon. Inf. Ziv. Zuftfahrt. 1981. Bd. 17, N 5—6. S. 270—275.
254. Воздушный транспорт, 06В, 1982, № 1, 1 В 51; Interavia Air Lett. 1981.
N 9825. P. 5.
255. Воздушный транспорт, 06В, 1981, № 1, 1 В 66; Collins В. P.//SAE Techn.
Pap. Ser. 1980. N 800746. P. 6.
256. Воздушный транспорт, 06В, 1981, № 1, 1 В 68; Winer D. Е., Hoch С. /.//
//SAE Techn. Pap. Ser. 1980. N 800745. P. 8.
257. Антонов П. Я. Топливно-энергетический потенциал Земли. М.: ВИНИТИ,
1976. 294 с.
258. «За рубежом». 1986. № 43 A372). С. 20—21.
259. «За рубежом». 1986. № 44 A373). С. 21.
260. Лей В. Ракеты и полеты в космос: Пер. с англ./Под ред. В. М. Бузинова.
М: Воениздат, 1961. 424 с.
261. Пискунов В. Л., Зрелое В. Н. Влияние топлив на надежность реактивных
двигателей и самолетов. М.: Машиностроение, 1978. 270 с.
Производственное издание
Анатолий Андреевич Братков
Евгений Петрович Серегин
Анатолий Федорович Горенков
Александр Михайлович Чирков
Александр Александрович Ильинский
Всеволод Николаевич Зрелое
Химмотология ракетных
и реактивных топлив
Редактор И. А. Захарьянц
Художественный редактор В. И. Киселева
Технические редакторы
Ю. А. Пантелеева, О. В. Тюрина
Корректор Т. С. Васина
И Б № 1448
Сдано в наб. 16.07.86. Подп. в печ. 12.12.86. Т. 23854. Формат бума-
бумаги 60X90Vi6. Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать
высокая. Усл. печ. -л. 19,0. Усл. кр.-отт. 19,0. Уч.-изд. л. 22,08. Ти-
Тираж 3500 экз. Заказ № 518. Цена 1 р. 40 к. Изд. № 2579.
Ордена «Знак Поч-ета» издательство «Химия», 107076, Москва,
Стромынка, 21, корп. 2.
Московская типография № 11 Союзполиграфпрома при Государст-
Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книж-
книжной торговли. 113105,. Москва, Нагатинская ул., д. 1.