***
СПРАВОЧНИК
по авиационным и ракетным керосинам
***
В процессе работы над статьей, посвященной вопросам проточного охлаждения ЖРД F-1 (см. главу №13), было обработано большое количество данных о физико-химических свойствах авиационных и ракетных керосинов, применяемых в т.ч. как топливо в ЖРД.
Поскольку эти данные обычно фрагментированы и часто не совпадают друг с другом у разных авторов, то для удобства их использования мною были систематизированы доступные сведения из открытых советских и зарубежных источников.
***
Советские авиационные керосины
В справочнике[7] «Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив» под редакцией Дубовкина Н. Ф., Маланичевой В. Г., Массур Ю. П., Федорова Е. П. (Москва, изд. Химия, 1985г.) широко представлены свойства советских авиационных керосинов.
Справка: авиационные керосины вырабатывают для самолётов дозвуковой авиации по ГОСТ 10227-86 и для сверхзвуковой авиации по ГОСТ 12308-89. Для дозвуковой авиации предусмотрено пять марок топлива (ТС-1, Т-1, Т-1С, Т-2 и РТ), для сверхзвуковой — две (Т-6 и Т-8В). Массовыми топливами в настоящее время являются топлива ТС-1 (высшего и первого сортов) и топливо РТ (высшего сорта).
Для ЖРД ракет космического назначения долгие годы основным горючим являлся авиационный керосин Т-1.
В частности, керосин Т-1 был выбран академиком В.П. Глушко в качестве горючего МБР Р-7, на базе которой были созданы ракеты космического назначения: РН «Спутник» (первые три советских ИСЗ), РН «Восток» (первый пилотируемый полет), РН «Молния» (первый спутник связи), РН «Союз» (пилотируемые полеты и спутники различного назначения).
Применяется главным образом для ЖРД РД-107 (первая ступень, «боковушка») и РД-108 (вторая ступень, центральный блок), которые с учетом неоднократных модернизаций и модификаций находятся в серийном производстве почти 60 лет.
Ниже приведены некоторые теплофизические данные для основных сортов авиационных керосинов на основе данных Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ) и в/о «Нефтехим»[7][8]
|
Керосин авиационный Т-1 (ГОСТ 10227-86) производят путем прямой перегонки малосернистых нефтей нафтенового основания с пределами выкипания 130÷280 °C. Содержит большое количество нафтеновых кислот, из-за чего имеет высокую кислотность, поэтому после выделения фракции из нефти её подвергают защелачиванию с последующей водной промывкой. Длительные испытания показали, что при использовании этого топлива в авиадвигателях имеют место повышенные смолистые отложения, из-за чего срок службы двигателей сокращается в два раза. В настоящее время топливо выпускают только первого сорта и очень ограниченно. Сырьем для производства керосина Т-1 в СССР служили нефтепромыслы Баку и Сахалина[7] |
Плотность различных сортов авиационных керосинов приведена в справочнике[7]:
Вязкость различных сортов авиационных керосинов аппроксимируется по уравнениям вида[7]:
Примерные значения динамической вязкости различных сортов авиационных керосинов[7]:
* в таблице была исправлена опечатка в названии керосина Т-2 ‒ прим.
Теплопроводность различных сортов авиационных керосинов (линейная аппроксимация) [7]:
Энергетические свойства и содержание водорода в различных сортах авиационных керосинов[7]:
Q* ‒ удельная теплота сгорания без учета массы кислорода (воздуха)
Теплоемкость различных сортов авиационных керосинов при различных температурах (в градусах °К) [7]:
* в таблице была исправлена опечатка, шкала дана в градусах °К согласно[8] ‒ прим.
Керосин Т-1 по данным Александренкова
Широкой популярностью в учебной среде пользуется методические пособие МГТУ им. Н.Э. Баумана под редакцией Александренкова В.П. «Расчет наружного проточного охлаждения камеры ЖРД»[1], 2012г.
Данное пособие содержит неплохую подборку сведений о свойствах ракетных топлив, в т.ч. данные по основному ракетному топливу линейки советских ракет серии Р-7 («Восток», «Молния», «Союз» и т.д.) ‒ авиационному керосину Т-1.
Здесь приняты следующие обозначения:
Графически свойства керосина Т-1 выглядят так:
Следует заметить, что Александренков приводит не собственные данные, а компилирует их на основании более ранних источников, в частности, ‒ на основе данных Справочника по теплофизическим свойствам газов и жидкостей Н.Б. Варгафтика[2] издания 1972г.
Сопоставление данных Варгафтика и Александренкова показывает их некоторое незначительное расхождение.
Керосин Т-1 по данным Варгафтика
При этом Варгафтик в основном ссылается на Труды Московского авиационного института, №132, 1961г.
Его данные, в свою очередь, несколько расходятся с данными В.Б. Зенкевича[3], полученные им лично в 1961 году.
Керосин Т-1 по данным Зенкевича
Для сравнения, приведу дополнительно данные по свойствам керосина ТС-1 по данным Зенкевича:
Сравнительные таблицы свойств керосина Т-1
Обобщая вышеприведенные данные, а также производя корректную интерполяцию и экстраполяцию* данных (в т.ч. для Зенкевича в диапазоне температур свыше Т ≥ 100°C ), мною были построены следующие таблицы выборочных данных:
Свойства T-1 (Дубовкин, ЦИАМ[7]) |
||||||
Т, К |
Т, С |
ρ, кг/м3 |
C, Дж/(кг∙К) |
μ, 10-4, Н∙с/м2 |
λ, Вт/(м∙К) |
К, кг0,2 ∙м1,8/(с2,2∙К) |
293 | 20 | 821,0 | 1897 | 13,60 | 0,1168 | 79,1 |
303 | 30 | 813,9 | 1931 | 11,41 | 0,1154 | 84,9 |
313 | 40 | 806,7 | 1966 | 9,80 | 0,1140 | 90,2 |
323 | 50 | 799,6 | 2001 | 8,45 | 0,1123 | 95,5 |
373 | 100 | 763,9 | 2180 | 4,77 | 0,1056 | 119,7 |
423 | 150 | 731,7 | 2367 | 3,14 | 0,0986 | 140,3 |
473 | 200 | 687,2 | 2560 | 2,26 | 0,0916 | 158,0 |
523 | 250 | 622,2 | 2752 | 1,63 | 0,0846 | 176,8 |
Свойства T-1 (Александренков[1]) |
||||||
Т, К |
Т, С |
ρ, кг/м3 |
C, Дж/(кг∙К) |
μ, 10-4, Н∙с/м2 |
λ, Вт/(м∙К) |
К, кг0,2 ∙м1,8/(с2,2∙К) |
293 | 20 | 819 | 2050 | 15,00 | 0,117 | 80,0 |
303 | 30 | 814 | 2075 | 12,50 | 0,116 | 85,0 |
313 | 40 | 808 | 2100 | 10,00 | 0,114 | 90,0 |
323 | 50 | 801 | 2150 | 8,89 | 0,112 | 95,0 |
373 | 100 | 766 | 2360 | 5,00 | 0,104 | 120,0 |
423 | 150 | 728 | 2605 | 3,69 | 0,098 | 145,0 |
473 | 200 | 685 | 2900 | 2,60 | 0,090 | 160,0 |
523 | 250 | 638 | 3060 | 2,00 | 0,084 | 178,0 |
Свойства T-1 (Варгафтик[2]) |
||||||
Т, К |
Т, С |
ρ, кг/м3 |
C, Дж/(кг∙К) |
μ, 10-4, Н∙с/м2 |
λ, Вт/(м∙К) |
К, кг0,2 ∙м1,8/(с2,2∙К) |
293 | 20 | 819 | 2000 | 14,90 | 0,1161 | 77,6 |
303 | 30 | 814 | 2040 | 12,85 | 0,1145 | 82,3 |
313 | 40 | 808 | 2090 | 10,80 | 0,1130 | 88,4 |
323 | 50 | 801 | 2140 | 9,40 | 0,1114 | 93,5 |
373 | 100 | 766 | 2380 | 5,45 | 0,1042 | 116,6 |
423 | 150 | 728 | 2630 | 3,62 | 0,0965 | 136,5 |
473 | 200 | 685 | 2890 | 2,62 | 0,0891 | 153,8 |
523 | 250 | 638 | 3160 | 2,01 | 0,0816 | 168,3 |
Свойства T-1 (Зенкевич[3]) | ||||||
Т, К |
Т, С |
ρ, кг/м3 |
C, Дж/(кг∙К) |
μ, 10-4, Н∙с/м2 |
λ, Вт/(м∙К) |
К, кг0,2 ∙м1,8/(с2,2∙К) |
293 | 20 | 812,8 | 1888 | 14,71 | 0,1163 | 76,3 |
303 | 30 | 805,5 | 1932 | 12,19 | 0,1145 | 82,0 |
313 | 40 | 798,2 | 1976 | 10,38 | 0,1128 | 87,7 |
323 | 50 | 790,8 | 2020 | 8,91 | 0,1110 | 93,0 |
373 | 100 | 758,5 | 2235 | 5,01 | 0,1023 | 116,4 |
423 | 150 | 726,2 | 2450 | 3,31 | 0,0936 | 135,0 |
473 | 200 | 693,9 | 2665 | 2,42 | 0,0849 | 149,4 |
523 | 250 | 661,6 | 2880 | 1,86 | 0,0762 | 160,2 |
* ‒ прим.: теплоемкость C, плотность ρ и теплопроводность λ керосина в широком диапазоне экстраполируются линейно по температуре.
Кинематическая вязкость ν экстраполируется по эмпирической формуле, проверенной на данных Варгафтика, вида:
1 | ≈ | 1 | + | ( | 1 | ‒ | 1 | ) | ∙ | t ‒ 100°C |
∙ 1,05 |
|
ν(t) | ν(100°C) | ν(100°C) | ν(70°C) | 30 |
При этом, отклонение аппроксимации от табличных данных (для Варгафтика) в диапазоне температур t ≥ 100°C менее ±1%.
Далее, кинематическая вязкость ν переводится в динамическую μ по известной формуле: μ = ν ∙ ρ
Важная оговорка: поскольку величины вязкости керосина очень сильно расходятся у разных авторов, то уравнения для расчета вязкости для керосина Т-1 согласно Дубовкину[7] не подходят для экстраполяции данных в диапазоне температур t ≥ 100°C других авторов.
Сравнение данных показывает некоторое расхождение у различных авторов относительно теплоемкости и теплопроводности керосина Т-1 при высоких температурах, что дает в итоге разброс охлаждающих свойств керосина.
При этом свойства керосина Т-1 как охладителя показаны выше у Александренкова, чуть ниже у Варгафтика и слабее всего у Зенкевича.
Данные Дубовкина (ЦИАМ)[7] по теплоемкости и вязкости ближе к Зенкевичу, но по теплопроводности значительно выше и ближе к Варгафтику, что в итоге дает охлаждающие свойства керосина Т-1 в комплексе близкими к данным Александринкова.
Особенности применения керосина Т-1 для ЖРД
Выбор авиационного керосина Т-1 в качестве основного горючего для ЖРД МБР Р-7 и всех последующих ракет космического назначения определялся дешевизной и доступностью Т-1, а также низкой токсичностью и простотой наземной инфраструктуры.
Однако, как топливо для ЖРД авиационный керосин далеко не лучший и не самый оптимальный выбор по совокупности показателей.
В частности, как охладитель камеры ЖРД керосин Т-1 занимает последнее место среди прочих горючих и окислителей[9]:
Слишком «минусовая» энтальпия образования ( ΔHобр = ‒1958 кДж/кг) для керосина Т-1 говорит о большой потере энергии химической реакции горения топливной смеси на фазовые превращения и на расщепление молекулы керосина на части при воспламенении.
Поэтому гидразины (монометилгидразин, диметилгидрази и др.) безусловно превосходят керосин по энергетике (см. табл.)[11]:
В силу этих причин при разработке синтетических углеводородных горючих (синтин, боктан) предпочтение отдается веществам с «плюсовой» энтальпия образования ( ΔHобр > 0 ).
Кроме того, в процессе эксплуатации выяснилось, что авиационный керосин Т-1 склонен к сильным смолистым отложениям на проточных каналах охлаждения камеры ЖРД, что является серьезным препятствием для создания ЖРД с большим ресурсом службы (в т.ч. многоразовых ЖРД), а также двигателей с высоким давлением в камере и тепловыми нагрузками.
На практике применение керосина Т-1 ограничено ЖРД по открытой схеме с невысоким давлением в камере рк ≤ 70 кгс/см2
В дальнейшем, начиная с МБР Р-9 для двигателей РД-111 (8Д716) - первая ступень, РД-461 (11Д55) - вторая ступень, было решено перейти на специально разработанный для применения в космической сфере ракетное горючее керосин РГ-1 (нафтил).
Соответственно, для двигателя третьей ступени РН «Союз-У» РД-0110 (11Д55) как потомка РД-461 применяется керосин РГ-1.
В отношении ЖРД РД-107 и РД-108 (модификации 11Д511, 11Д512) в 1970г. велись работы по переводу двигателей этого типа с горючего Т-1 на горючее РГ-1. Возможность перехода на РГ-1 рассматривалась как в плане унификации горючих на различных двигателях, так и в плане увеличения удельного импульса тяги двигателей. Испытания показали, что при переводе двигателей с горючего Т-1 на РГ-1 не наблюдается увеличения удельных импульсов тяг камер сгорания. Дальнейшие работы по переходу на горючее РГ-1 были прекращены[10].
В связи с вероятным прекращением выработки горючего Т-1 Миннефтехимпром в 1988 г. предложил аналог этого горючего, получаемый путем смешения горючих Т-6 и РТ, именуемый в дальнейшем смесевым горючим Т-1с[10].
Американские авиационные керосины
В книге Стенли Сарнера «Химия ракетных топлив»[4] (изданной в переводе в Москве в 1969г.) дана развернутая картина фракционного состава наиболее популярных сортов авиационного керосина в США:
Переводя данные в систему СИ и корректно интерполируя и экстраполируя данные в диапазоне температур свыше Т ≥ 100°C (аналогично данным Зенкевича), получим следующую таблицу выборочных данных физико-химических свойств керосина JP-5:
Т, К |
Т, С |
ρ, кг/м3 |
C, Дж/(кг∙К) |
μ, 10-4, Н∙с/м2 |
λ, Вт/(м∙К) |
К, кг0,2 ∙м1,8/(с2,2∙К) |
293 | 20 | 824 | 1988 | 18,95 | 0,1377 | 77,9 |
303 | 30 | 816 | 2026 | 15,10 | 0,1369 | 85,7 |
313 | 40 | 809 | 2064 | 12,86 | 0,1360 | 91,7 |
323 | 50 | 802 | 2101 | 10,99 | 0,1356 | 98,2 |
373 | 100 | 766 | 2290 | 6,05 | 0,1314 | 126,6 |
423 | 150 | 730 | 2479 | 3,96 | 0,1273 | 151,9 |
473 | 200 | 694 | 2668 | 2,86 | 0,1231 | 174,5 |
523 | 250 | 658 | 2857 | 2,19 | 0,1189 | 195,5 |
Таким образом, авиационный керосин JP-5 применяемый морской авиацией США очень похож по фракционному составу и свойствам основному сорту ракетного керосина, применяемому в США - керосину RP-1.
Свойства ракетного керосина RP-1
К сожалению, в силу не вполне понятных причин, в открытой американской литературе не слишком подробно описаны физико-химические свойства керосина RP-1. Существуют лишь отрывочные данные из рассекреченных источников[5]:
Примечание: качество исходного изображения было улучшено путем очистки от помарок и прочих дефектов |
|
В источнике даны дополнительные свойства керосина RP-1 в сравнении с керосином RJ-5[5]:
прим.: в источнике[5] не указана температура, для которой взяты свойства керосинов
На основании данных вышеприведенной таблицы следует, что для керосина RP-1[5] pкрит. ≈ 2,36 МПа, Tкрит. ≈ 686К
Сравнительный анализ данных по охлаждающим свойствам различных керосинов для некоторых температур даны ниже:
Наименование керосина |
Т, С |
ρ, кг/м3 |
C, Дж/(кг∙К) |
μ, 10-4, Н∙с/м2 |
λ, Вт/(м∙К) |
К, кг0,2 ∙м1,8/(с2,2∙К) |
RP-1 |
20...28 | 798 | 2219 | 15,66 | 0,1390 | 88,4 |
JP-5 |
30 | 816 | 2026 | 15,10 | 0,1369 | 85,7 |
T-1 (Александринков) |
30 | 814 | 2075 | 12,50 | 0,1160 | 85,0 |
T-1 (Дубовкин) |
30 | 814 | 1931 | 11,41 | 0,1154 | 84,9 |
T-1 (Варгафтик) |
30 | 814 | 2040 | 12,85 | 0,1145 | 82,3 |
T-1 (Зенкевич) |
30 | 806 | 1932 | 12,54 | 0,1145 | 82,0 |
Как видно из вышеприведенных таблиц, керосин JP-5 в целом близок по охлаждающим способностям к керосину Т-1 при низких температурах, но с тенденцией к превышению по охлаждающим свойствам (комплекс К) на 10...20% при температурах Т ≥ 200°C.
Что касается керосина RP-1, то он уже при низких температурах показывает лучшие свойства, чем JP-5.
Учитывая монотонность функций плотности, теплоемкости, теплопроводности и вязкости, надо полагать, что эта тенденция сохраняется и при высоких температурах Т ≥ 200°C.
Для регенеративного охлаждения ЖРД установлены следующие ограничения: согласно пп.3.1.1.5.4 рекомендаций NASA SP-8087[13] температура стенки не должна превышать для RP-1: Tст.ж ≤ 728К (850°F).
Сравнение американских авиационных керосинов
В справочнике[6] даны некоторые физико-химических свойства различных сортов американских керосинов:
Зависимость плотности керосинов от температуры
Зависимость удельной теплоемкости керосинов от температуры
Данные о кинематической вязкости керосинов при различных температурах
Американские высокоплотные керосины
В справочнике[6] даны также некоторые физико-химических свойства американских синтетических высокоплотных керосинов, которые нашли широкое применение в американских крылатых ракетах:
Зависимость плотности синтетических высокоплотных керосинов от температуры
Зависимость удельной теплоемкости высокоплотных керосинов от температуры
Данные о кинематической вязкости высокоплотных керосинов при различных температурах
Аркадий Велюров
[1] «Расчет наружного проточного охлаждения камеры ЖРД» Александренков В.П., 2012г.
[2] «Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей» Варгафтик Н.Б., 1972г.
[3] «Теплопроводность жидкостей и газов» Цедерберг Н.В., 1963г.
[4] «Химия ракетных топлив» Сарнер С., перевод, Москва, 1969г.
[5] General Dynamics / Convair, Report 8926-065, RP-1 Fuel physical properties, 1958
[6] «Handbook of aviation fuel properties», CRC Report No. 530, Coordinating research council, 1983
[7] «Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив» Дубовкин Н. Ф., Маланичева В. Г., и др., 1985г.
[8] «Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей», под ред. проф. Яновского Л.С., 2009г.
[9] «Теория ракетных двигателей», В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин (под редакцией В.П. Глушко), 1980г.
[10] ЖРД РД-107 и РД-108 и их модификации
[11] «Основы теории тепловых ракетных двигателей», Дорофеев А.А., МГТУ им. Баумана, 2010г.
[12] «Advanced regenerative cooling techniques for future space transportation systems», AIAA/SAE, 1975г.
[13] «Liquid rocket engine fluid-cooled combustion chambers», NASA SP-8087, 1972г.