12.3.2. Свойства топлива при высотных и сверхзвуковых полетах

Поведение топлива при высотных и сверхзвуковых полетах определяется его плотностью, испаряемостью, термической стабильностью, склонностью к растворению воздуха. Изменение этих свойств под воздействием внешних условий (температуры, влажности и давления воздуха), а также условий работы (подогрев топлива внутри двигателя), может привести к следующим отрицательным явлениям в работе двигателя и топливной системы самолета: большой потере топлива из баков, снижению высотности топливной системы, возникновению в топливной системе кавитационных явлений вследствие образования паровых и воздушных пробок, засорению фильтров вследствие образования в топливе осадков.

Свойства топлива существенно влияют на максимальную дальность, продолжительность полета и на грузоподъемность через бортовой запас топлива, его удельный расход, полетную массу ЛА, а также в связи с потерями топлива при испарении. Свойства топлива оказывают также влияние на начальную взлетную массу, тягу ГТД на взлете. Иногда потолок (предел высоты полета) резко уменьшается из-за паровых пробок и кавитации в топливной системе. Большей частью воздействие свойств топлива на летно-технические характеристики ЛА имеет характер ограничений.

Плотность реактивных топлив (кг/м³) в стандартах и паспортах указывают при 20^оС. Практическое значение имеет плотность топлива при той температуре, которую оно имеет при заправке ЛА, а в некоторых случаях - при температуре, достигаемой в сверхзвуковом полете. С изменением температуры на величину t изменение плотности топлива определяется по формуле t, где температурная поправка плотности на 1^оС для топлив  = 0,7-0,9.

При понижении температуры на каждые 10^оС плотность топлив увеличивается приблизительно на 1%. При выполнении расчетов и для постройки топливной аппаратуры рекомендуется использовать следующие наиболее вероятные значения плотности при 20^оС: для топлива ТС-1 – 780кг/м³; РТ – 778кг/м³; Т-8В – 804кг/м³; Т-6 – 841кг/м³; Т-2 – 766кг/м³. Теплота сгорания Н_U имеет для этих топлив следующие значения: ТС-1 и Т-8В – 43290кДж/кг; РТ – 43370кДж/кг; Т-2 – 43230кДж/кг.

Располагаемый запас энергии на борту ЛА, т.е. максимальное количество тепла, которое может быть получено в течение полета за счет сгорания топлива, равно произведению расходуемого объема баков на плотность топлива и на его теплоту сгорания V_TH_U. В этом выражении произведение H_U представляет собой энергоемкость топлива – количество энергии, выделяемое при сгорании 1м³ топлива. Оно существенно для определения емкости баков при конструировании ЛА. Низкую энергоемкость имеют широкофракционные топлива (Т-2 при стандартной температуре – 32640МДж/м³), более высокую – авиационные керосины ТС-1 и РТ – 33750МДж/м³, наиболее высокую Т-8В – 34800МДж/м³ и Т-6 – 36250МДж/м³. Это объясняется тем, что с утяжелением фракционного состава плотность, как правило, возрастает более резко, чем уменьшается удельная теплота сгорания.

Аналогичное влияние оказывает увеличение содержания ароматических углеводородов: они обладают на 10-15% большей плотностью, чем углеводороды других групп, и на 4-6% меньшей теплотой сгорания.

Так как плотность топлив изменяется с температурой, энергоемкость также зависит от температуры. В диапазоне от +40^оС до –40^оС она возрастает на 7-8%. Для повышения дальности или продолжительности полета желательно, чтобы топливо перед полетом имело возможно более низкую температуру.

В связи с этим летом целесообразно хранить топливо в заглубленных емкостях и не допускать его нагрева на солнце в цистернах топливозаправщиков и баках летательных аппаратов. Зимой же лучше хранить топливо в наземных емкостях и возможно дольше перед заправкой выдерживать в цистернах заправщиков. Зависимость между температурой топлива, давлением его насыщенных паров и высотой, на которой в топливных баках с дренажем закипают реактивные топлива, представлена на рис. 12.12.

С увеличением высоты полета (с открытой топливной системой) в надтопливном пространстве баков происходит испарение топлива, приводящее к его потере. Потери эти тем больше, чем больше высота полета и начальная температура топлива .

Масса растворенного воздуха в топливе уменьшается пропорционально понижению давления в топливных баках. Избыток воздуха выделяется в виде пузырьков, насыщенных парами топлива. Объем выделяемого воздуха достаточно велик, он может достигать нескольких сотен литров на каждые 1000 л топлива, если учитывать расширение воздуха вследствие уменьшения давления с высотой.

Ограничение максимальной высоты полета на топливе с высоким давлением насыщенного пара может быть связано с опасностью кавитации в топливной системе самолета: разрывов и парогазовых пробок в потоке жидкого топлива, колебаний давления, перебоев в подаче.

На отдельных участках топливной системы самолета давление может быть ниже внешнего давления, например, на входе в подкачивающие и перекачивающие насосы. Кавитация в этих участках трубопровода начинается на меньшей высоте, чем кипение топлива в баках. При кавитации по трубопроводам движется сжимаемая смесь жидкости с газами и парами топлива. В ней легко возникают резкие пульсации давления, которые вызывают износ насоса, колебания и перебои в расходе топлива, вплоть до прекращения подачи.

Важнейшие меры против кавитации – применение топлив с низким давлением насыщенных паров, защита топлива от нагрева солнечными лучами, устройство закрытых топливных систем с повышенным давлением, увеличение рабочего давления (кавитационного запаса) подкачивающих и перекачивающих насосов. Они особенно необходимы для самолетов с большими сверхзвуковыми скоростями полета, когда нагрев топлива может вызвать резкое повышение давления насыщенного пара в ходе полета. Однако избыточное давление в топливной системе не устраняет кавитацию, а отодвигает ее до больших высот и более высоких температур топлива. Высокое давление насыщенного пара при повышении температуры топлива в баках до 80-100^оС требует увеличения прочности и жесткости баков.

Заполнение топливных баков инертным газом, например, азотом, может задержать начало кавитации до большей высоты по сравнению с воздухом, который содержит значительную долю кислорода, лучше растворяющегося в топливе.

Основной проблемой, возникающей в результате нагрева топлива в полете, является интенсивное осадкообразование при температуре 120-200^оС. Стойкость топлива к осадкообразованию при высоких температурах называется термической стабильностью.

Она зависит от наличия в топливе непредельных углеводородов и гетероорганических примесей: твердые нерастворимые в топливе осадки являются конечными продуктами их окисления, полимеризации и химической конденсации.

При использовании недостаточно термостабильных топлив (ТС-1, Т-1) на горячих поверхностях (особенно бронзовых), соприкасающихся с жидким топливом, образуются твердые нагароподобные отложения, а в массе топлива – взвесь мельчайших твердых частиц, которые забивают фильтры, попадают в каналы и зазоры топливной аппаратуры.

В дренажных отверстиях осадки иногда откладываются в виде рыхлой массы.

Для предотвращения осадкообразования при выработке термостабильных сортов РТ, Т-8В производится гидроочистка топлива (каталитическая обработка водородом). Использование недостаточного термостабильного топлива может допускаться только с ограничением режимов полета на сверхзвуковой скорости или с сокращением ресурса, т.е. досрочной замены двигателя.