12.2.4. Перспективные топлива для газотурбинных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей

Изменение состава и дальнейшее улучшение качества углеводородных топлив, вырабатываемых на нефтяной основе, направлено на обеспечение их стабильности при еще более высоких температурах, уменьшение сажеобразования и его вредных последствий, повышение хладоресурса с целью охлаждения систем летательного аппарата, а также улучшение энергетических характеристик.

Одним из направлений по созданию новых топлив является разработка топлив для увеличения скорости полета вплоть до М = 6-8. Для этих целей серьезно рассматриваются жидкий метан и жидкий водород. Важными качествами этих топлив являются термостабильность (очень высокая для метана – до 700^оС и абсолютная для водорода), низкое излучение пламени, практически безвредные продукты сгорания, высокая теплота сгорания. Однако малая плотность и низкая температура сжиженных газов требуют применения тепловой изоляции, увеличения массы и объема топливной системы. Неизбежна потеря части топлива, находящегося и хранящегося при температуре кипения.

Ресурсы метана и водорода практически неисчерпаемы. Жидкий метан, почти не содержащий примесей, получается при сжижении природного газа, он дешевле нефтяного реактивного топлива. Водород в настоящее время относительно дорог, но стоимость его снижается по мере увеличения производства. Наиболее дешевым и доступным источником крупномасштабного производства водорода является метан, а при наличии дешевой электроэнергии может быть рентабельным электролиз воды.

Жидкий метан при температуре кипения 111К (-162^оС) имеет плотность 424кг/м³. Теплота его испарения 515кДж/кг, температура замерзания 91К (-182^оС). По сравнению с реактивным топливом типа керосина, теплота сгорания метана на 14-15% выше. Энергоемкость на 35-40% меньше из-за малой плотности.

Жидкий водород при температуре кипения 20К (-253^оС) имеет плотность 71,0кг/м³, что в 10-12 раз меньше, чем у керосина. Кинематическая вязкость (0,0025мм²/с) в тысячу раз меньше, чем у керосина при температуре применения. Водород обладает чрезвычайно большой проникающей способностью и требует особых мер обеспечения герметичности сварных швов и соединений. Уменьшение утечки и взрывоопасности может быть достигнуто применением водородной тучи – двухфазного твердожидкого водорода, около половины массы которого составляют твердые частицы размером 1-5мм. Такая туча получается путем охлаждения жидкого водорода до температуры кристаллизации 19К, за счет отвода теплоты испарения (450кДж/кг) при откачке вакуум-насосом газа над жидкостью. Плотность жидкой фазы в туче на 10% выше, чем при температуре кипения, а плотность твердого водорода 86,8кг/м³, т.е. на 22% выше. По сравнению с реактивным топливом типа керосина теплота сгорания водорода в 2,8 раза выше, теплопроизводительность на 18% больше, а энергоемкость тучи примерно в 4 раза меньше. Водород отличается высокой скоростью и устойчивостью горения, в том числе при низких давлениях на большей высоте полета.

За счет высокой теплоты сгорания и мероприятий по усовершенствованию рабочего процесса двигателей, обеспечиваемых хладоресурсом криогенных топлив, считается возможным снижение удельного расхода топлива по сравнению с керосином при использовании жидкого метана примерно на 65-75%. Еще сильнее снижается потребная масса топлива для перевозки заданного груза на заданное расстояние. Поэтому необходимое увеличение криогенного топлива не столь значительно, как это следует из соотношения энергоемкости этих топлив и керосина.

Неоднократно изучался вопрос о применении в составе реактивных топлив некоторых металлов, например, магния и алюминия, которые вводятся в жидкое топливо в виде порошка. Суспензии магния или алюминия в керосине рассматривают как разгонное топливо, обеспечивающее быстрый разгон ЛА, но менее эффективное в маршевом полете, чем чистый керосин.

Уменьшение удельного расхода топлива может быть достигнуто введением в состав топлива бора или бериллия, теплота сгорания которых выше, чем керосина, соответственно, на 36 и 40%.

Среди альтернативных видов топлив наиболее приемлемыми для авиационной техники являются сжиженные газы нефтяного происхождения, т.е. такие виды топлив, которые при наибольших избыточных давлениях находятся в традиционно привычном жидком состоянии. К подобным топливам наиболее просто приспособить существующую авиационную технику. Источниками получения этих топлив являются: природный газ, газовые конденсаты и полученные нефтяные газы. Наиболее реальной для промышленного производства альтернативных видов топлив является технология получения их из попутных нефтяных газов, содержащих 40-84% метана и других более тяжелых углеводородов. Из таких газов можно получать бензин или широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ). Последняя является сырьем для получения пропанбутановой фракции (40%) и конденсированного топлива (60%), названного впоследствии АСКТ (авиационное сконденсированное топливо).

Ресурсы сконденсированных топлив, состоящих из пропана, бутана и гексана, имеются в местах добычи, а именно в районах Крайнего Севера и Западной Сибири. В этих районах эксплуатируется значительное число вертолетов, которые могут использовать конденсаты в качестве моторного топлива. В настоящее же время основная часть авиатоплива в эти районы завозится по железной дороге и водным путем.

Успешные испытания экспериментального вертолета Ми-8ТГ, проводимые в конце 1987г., показали, что осуществить модификацию вертолета и его двигателей для работы на АСКТ относительно просто, поскольку в камеру сгорания такое топливо подается в жидком виде через тот же коллектор и форсунки, что и авиакеросин.