韓 偉，楊 超，蘭海平，于 君，杜宗罡，朱成財(cái)，符全軍

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和重型運(yùn)載火箭是未來航天技術(shù)的發(fā)展方向，作為其主推進(jìn)劑的航天煤油需求量日益增加，且呈逐年增加趨勢(shì)[1-5]。作為現(xiàn)役石油基航天煤油的備份和替代者，煤基航天煤油應(yīng)用于型號(hào)研制與發(fā)射活動(dòng)時(shí)，必然會(huì)遇到與石油基航天煤油摻混、相互代用的問題。因此，開展不同比例摻混煤油的理化特性測(cè)試，研究兩種煤油的摻混特性，對(duì)于降低用戶油品替換成本和難度，具有十分重要的意義。

從理論上分析，石油基航天煤油和煤基航天煤油均以環(huán)烷烴為主、鏈烷烴為輔，并含有極少量芳烴，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定[6-10]。在無外界激勵(lì)源的情況下，自身難于發(fā)生反應(yīng)。從物理性質(zhì)方面來說，兩種煤油中環(huán)烷烴、鏈烷烴、芳烴均為烴類，屬于弱極性物質(zhì)，根據(jù)相似相溶原理，相互溶解性好，石油基航天煤油和煤基航天煤油長時(shí)間放置也不會(huì)存在分層等現(xiàn)象。

本文研究了煤基航天煤油以不同比例與石油基航天煤油摻混時(shí)的理化性能，按照GJB 8087—2013《液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用煤油安全應(yīng)用準(zhǔn)則》要求測(cè)試，分析了摻混后煤油指標(biāo)合理性[11]。

1試驗(yàn)條件

1.1 樣品及測(cè)試設(shè)備

煤基航天煤油為西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所研制的201801批煤基航天煤油；石油基航天煤油為新疆克拉瑪依石化研究院生產(chǎn)的航天煤油。試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備如表1所示。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

將煤基航天煤油按照不同比例與石油基航天煤油摻混，其中煤基航天煤油所占質(zhì)量比分別為0，5%，10%，30%，50%，70%，90%，95%，100%。9個(gè)樣品分別以CB0，CB5，CB10，CB30，CB50，CB70，CB90，CB95，CB100表示。分別測(cè)定其密度、餾程、運(yùn)動(dòng)粘度、結(jié)晶點(diǎn)、閃點(diǎn)、碘值、實(shí)際膠質(zhì)、芳烴含量、總硫含量、銅片腐蝕、酸度、水分、機(jī)械雜質(zhì)。測(cè)試方法如表2所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

表2 油品理化性能測(cè)試方法

2 結(jié)果分析

2.1 互溶性

將CB0，CB5，CB10，CB30，CB50，CB70，CB90，CB95，CB100不同摻混比的摻混煤油密封于量筒中，在它們的結(jié)晶點(diǎn)之上觀察煤基航天煤油與石油基航天煤油在不同溫度下的互溶性。把以上油樣在溫度為-60℃，-40℃，-20℃，0℃，20℃，40℃下各放置24 h，觀察油品是否發(fā)生分層。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著煤基航天煤油摻混比的增大，各油樣無分層現(xiàn)象發(fā)生，不必添加助溶劑，兩者就能以任意比例互溶。這主要是由于煤基航天煤油與石油基航天煤油主要組成均為鏈烷烴、環(huán)烷烴，根據(jù)“相似相溶”原理，二者在試驗(yàn)條件下具有良好的互溶性。

2.2 密度

密度是燃料最重要的參數(shù)之一，燃料的大部分物理化學(xué)性質(zhì)與密度之間都存在某種內(nèi)在關(guān)系。相同碳原子數(shù)的烴類，烷烴密度最小，芳烴密度最大，環(huán)烷烴密度居中[12]。因而GJB 8087—2013中對(duì)密度要求也確定了航天煤油構(gòu)成中環(huán)烷烴、芳烴、烷烴含量都在一定范圍內(nèi)。采用SY-02型石油密度計(jì)，測(cè)定了煤基航天煤油摻混量不同時(shí)的密度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 摻混煤油的密度與煤基煤油含量關(guān)系Fig.1 The relationship between density of blended kerosene and content of coal-based kerosene

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出煤基航天煤油與石油基航天煤油摻混煤油密度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

ρ=832.53+0.005 2x+6.534 0×10-5x2-

5.995 3×10-7x3

(1)

式中：ρ為摻混后煤油的密度，kg/m3；x為煤基航天煤油的摻混比，%。

從圖1可看出，隨著煤基航天煤油含量增加，密度也在逐步增加，從832.5 kg/m3直到833.1 kg/m3，但均在GJB 8087—2013要求范圍內(nèi)(GJB 8087—2013要求20℃時(shí)，航天煤油密度為830.0～836.0 kg/m3)。

2.3 餾程

餾程反映了燃料的蒸發(fā)能力。蒸發(fā)性能影響燃燒的穩(wěn)定性和完全程度。蒸發(fā)性能好的燃料，在燃燒室中被噴射后，與氧化劑迅速形成均勻的混合氣，進(jìn)行平穩(wěn)和完全的燃燒。如果燃料過重，蒸發(fā)性能差，燃燒不正常，未蒸發(fā)的燃料受熱分解，形成積碳。不同的烴類燃燒完全程度不同，依次為芳香烴<環(huán)烷烴<烷烴。環(huán)數(shù)越多，越不易燃燒完全。由這一點(diǎn)也應(yīng)限制芳香烴特別是雙環(huán)芳香烴的含量。通常用餾程的10%餾出溫度表示蒸發(fā)的難易程度，用90%點(diǎn)控制重組分不能太多。表3為煤基航天煤油與石油基航天煤油不同量摻混后混合燃料餾程結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果看，煤基航天煤油以任意比例摻混后的煤油均符合GJB 8087—2013要求的餾程范圍(初餾點(diǎn)≥188℃，10%餾出點(diǎn)≤215℃，50%餾出點(diǎn)≤235℃，90%餾出點(diǎn)≤260℃，干點(diǎn)≤270℃)，也符合我國最初研制航天煤油時(shí)規(guī)定的不同回收率時(shí)溫度要求。

表3 摻混煤油的餾程

2.4 運(yùn)動(dòng)粘度

不同摻混比的煤油在20℃和-40℃的運(yùn)動(dòng)粘度如圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別得出煤基航天煤油與現(xiàn)役航天煤油摻混后煤油在20℃和-40℃的運(yùn)動(dòng)粘度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

v1=2.790 7-0.010 1x+1.615×10-4x2-

9.589 2×10-7x3

(2)

v2=20.220 1-0.093 3x+6.010×10-4x2-

3.176×10-6x3

(3)

式中：v1為摻混煤油在20℃的運(yùn)動(dòng)粘度，mm2/s；v2為摻混煤油在-40℃的運(yùn)動(dòng)粘度，mm2/s。

圖2 摻混煤油的粘度與煤基煤油含量關(guān)系Fig.2 The relationship between viscosity of blended kerosene and content of coal-based kerosene

從燃料本身來看，粘度對(duì)傳熱的影響最大。粘度小流動(dòng)快，換熱相對(duì)劇烈，粘度大流動(dòng)慢，換熱相對(duì)較弱，從而引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)即產(chǎn)生結(jié)焦積碳。同時(shí)，燃料被噴注燃燒時(shí)，粘度過大的燃料噴射角小而射程遠(yuǎn)，液滴大，霧化不良，以致燃燒不均勻，不完全；另外，粘度過大的燃料在低溫下流動(dòng)性差，供油量減少。而粘度過小的燃料，噴射角大而射程近，火焰燃燒區(qū)寬而短，易引起局部過熱[13]。因而航天煤油既規(guī)定20℃時(shí)的粘度不能小于一定值(2.4 mm2/s)，又規(guī)定低溫-40℃時(shí)的粘度不能大于一定值(25 mm2/s)。從圖3可得到，現(xiàn)役航天煤油的粘度為2.83 mm2/s(20℃)，20.18 mm2/s(-40℃)，隨著煤基航天煤油加入量的不斷增大，摻混煤油的粘度在減小，CB100的粘度為2.44 mm2/s(20℃)，13.51 mm2/s(-40℃)，均滿足GJB 8087—2013使用要求。

2.5 結(jié)晶點(diǎn)

煤基航天煤油摻混量不同時(shí)的結(jié)晶點(diǎn)如表4所示。結(jié)晶點(diǎn)反映了煤油的低溫性能。大分子正構(gòu)烷烴和芳香烴的結(jié)晶點(diǎn)較高，環(huán)烷烴和烯烴的結(jié)晶點(diǎn)較低。在同一烴族中，結(jié)晶點(diǎn)隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大而升高。異構(gòu)烷烴通常具有較低的結(jié)晶點(diǎn)。當(dāng)燃料的尾餾分愈寬，燃料的密度增大，其結(jié)晶點(diǎn)也相應(yīng)地升高。從表4中可看出，隨著煤基航天煤油的逐步加入，其結(jié)晶點(diǎn)相應(yīng)有所升高，這主要是煤基煤油中正構(gòu)烷烴、尾餾分及密度相對(duì)石油基航天煤油相對(duì)較高的緣故，但均在GJB 8087—2013要求范圍內(nèi)，滿足指標(biāo)要求。

表4 摻混煤油的結(jié)晶點(diǎn)

2.6 閃點(diǎn)

煤基航天煤油摻混量不同時(shí)的閃點(diǎn)如圖3所示。

圖3 摻混煤油的閃點(diǎn)與煤基煤油含量關(guān)系Fig.3 The relationship between flash point of blended kerosene and content of coal-based kerosene

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出煤基航天煤油與石油基航天煤油摻混后煤油的閃點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

t=78.301 5-0.139 4x+2.251 1×10-4x2

(4)

式中t為摻混后煤油的閃點(diǎn)，℃。

燃料的閃點(diǎn)是引起火災(zāi)的最低溫度，其定義為燃料蒸汽與空氣混合物遇明火或是開始閃火的最低溫度。燃料的沸點(diǎn)愈低，其閃點(diǎn)也愈低，火災(zāi)危險(xiǎn)性也愈大。從圖3中可看出，摻混不同比例的煤基航天煤油后，摻混煤油的閃點(diǎn)滿足GJB 8087-2013閃點(diǎn)必須大于60℃的指標(biāo)要求。

2.7 芳烴含量

煤油中芳烴含量影響主要存在以下幾個(gè)方面：當(dāng)芳烴含量愈高時(shí)，特別是雙環(huán)芳烴含量愈高，直接對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中橡膠等密封材料造成浸蝕，使其密封性能下降；芳烴含量高時(shí)，煤油流經(jīng)高溫部件時(shí)產(chǎn)生積碳的可能性進(jìn)一步增大；芳烴含量高時(shí)，在長期儲(chǔ)存過程中，生成膠質(zhì)的傾向更加明顯。因此，航天煤油的芳烴含量有嚴(yán)格要求，控制在5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下。表5為煤基航天煤油摻混量不同時(shí)的芳烴含量測(cè)定結(jié)果，從表5可看出，摻混不同比例的煤基航天煤油后，摻混煤油的芳烴含量遠(yuǎn)小于GJB 8087—2013規(guī)定的芳烴含量小于5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的指標(biāo)，基本上小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表5 摻混煤油的芳烴含量

2.8 酸度

油品中酸度一般表示煤油中有機(jī)酸和無機(jī)酸的總含量，其單位為mgKOH/100 mL，表示中和100 mL油品所需的氫氧化鉀(KOH)毫克數(shù)。煤油中的無機(jī)酸含量極小，有機(jī)酸為環(huán)烷酸、脂肪酸和烷基苯酚等含氧有機(jī)化合物。其中主要是環(huán)烷酸，可近似認(rèn)為煤油中的環(huán)烷酸含量與實(shí)際酸度成正比。一般說來，煤油中環(huán)烷酸濃度在0.003%(酸度約為0.6 mgKOH/100 mL時(shí))就不會(huì)對(duì)金屬材料產(chǎn)生明顯的腐蝕。表6為煤基航天煤油摻混量不同時(shí)的酸度測(cè)定結(jié)果。

表6 摻混煤油的酸度

從表6可看出，摻混不同比例的煤基航天煤油后，摻混煤油的酸度符合GJB 8087—2013中必須小于0.5 mgKOH/100 mL的指標(biāo)要求。

2.9 其他指標(biāo)

針對(duì)其他指標(biāo)如碘值、實(shí)際膠質(zhì)、總硫含量、銅片腐蝕、水分、機(jī)械雜質(zhì)均進(jìn)行了相應(yīng)的分析，結(jié)果如表7所示。

表7 摻混煤油的其他性能指標(biāo)

從表7可以看出，煤基航天煤油的加入，并未影響產(chǎn)品指標(biāo)。其中，摻混煤油的硫含量，水分含量等指標(biāo)相較于GJB 8087—2013要求要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，摻混煤油可正常使用。

3 結(jié)論

本文研究了煤基航天煤油以不同比例與石油基航天進(jìn)行摻混時(shí)，按照GJB 8087—2013《液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用煤油安全應(yīng)用準(zhǔn)則》中要求，分析了摻混后的指標(biāo)變化。得到以下結(jié)論：

1)煤基航天煤油與石油基航天煤油以任意比例摻混后，其各項(xiàng)指標(biāo)仍然滿足GJB 8087—2013要求。

2)兩種煤油以任意比例摻混，在無外界激勵(lì)源的情況下，不會(huì)發(fā)生任何的化學(xué)反應(yīng)及化學(xué)變化。

3)兩種煤油中鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳烴均屬于弱極性物質(zhì)，根據(jù)相似相溶原理，相互溶解性好，以任意比例摻混后，長時(shí)間放置也不會(huì)存在分層等現(xiàn)象。