[科普中國]-航空燃料

發(fā)展歷程萌芽階段

像鳥兒那樣在空中自由飛翔，是人類長期以來一直夢牽魂縈的向往,并為實現(xiàn)這一美好的愿望進行了長期的前仆后繼的探索。最先，是模仿鳥兒,全身貼上羽毛、綁上翅膀、靠雙臂撲動進行“人力撲翼飛行”。從公元前開始,世界上許多人多次試驗，非死即傷，均告失敗。但是對于撲翼機的研究持續(xù)進行。1769年，英國工人瓦特發(fā)明了蒸汽機。蒸汽機在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用爆發(fā)了第一次技術(shù)革命。那時,人們嘗試把蒸汽機用在“雪茄煙”或“鯨魚”狀的氣球上，稱之為飛艇。1842年起，英國的斯特林費洛和亨森開始研制以蒸汽為動力的飛機模型。1871年，法國的阿方斯·佩諾設(shè)計出一種具有穩(wěn)定尾翼、以蒸汽為動力的單翼飛機模型，飛行了60米。1891年，德國航空先驅(qū)利林塔爾完成了首次短程滑翔飛行，后來又進行了多次滑翔飛行，最遠可飛300多米。

在這個漫長的時期內(nèi)，機械水平和開采冶煉能力都處在很原始的狀態(tài)，不能實現(xiàn)發(fā)動機動力系統(tǒng)的研制和開發(fā)，雖然開啟了航天之夢，但是所有這一切的動力來源都來自于人力自身或是蒸汽動力，可以說是用人力(智力和體力)將人類自己送上了天空。

初始階段最先發(fā)明的內(nèi)燃機以煤氣為燃料，但是煤氣內(nèi)燃機燃燒熱值較低，且產(chǎn)生CO等有毒氣體，使用不方便。19世紀70年代以后隨著石油開采、提煉技術(shù)的成熟，汽油、柴油取代煤氣成為內(nèi)燃機燃料。因此內(nèi)燃機經(jīng)歷了煤氣內(nèi)燃機到汽油、柴油內(nèi)燃機的發(fā)展過程。借助于內(nèi)燃機帶來的巨大動力持久支持，美國萊特兄弟制造出了第一架依靠動力系統(tǒng)進行載人飛行的飛機“飛行者”1號，實現(xiàn)了人類首次持續(xù)的、有動力的、可操縱的飛行。而這次飛行的動力供給就是柴油，柴油使持續(xù)的動力飛行成為了現(xiàn)實，實現(xiàn)了航空器動力升空自主飛行。

完善階段航空柴油的缺點較明顯，然料的燃燒熱值較低，含硫量較高，會造成嚴重的尾氣污染，而且它的閃點較低，在運輸、儲存、使用方面存在安全隱患。第二次世界大戰(zhàn)又一次因戰(zhàn)爭需要促進了空軍的發(fā)展，這一時期是活塞式內(nèi)燃發(fā)動機的完善發(fā)展期。在提高發(fā)動機功率方面，采取了加大氣缸容積，增加氣缸數(shù)量，加大發(fā)動機轉(zhuǎn)速和預(yù)壓縮工作介質(zhì)等措施。由于航空汽油具有足夠低的結(jié)晶點(-60℃以下)和較高的發(fā)熱量，良好的蒸發(fā)性和
足夠的抗爆性，在這個特殊階段，航空汽油逐漸取代柴油，成為了主要的航空燃料。

突破階段在第二次世界大戰(zhàn)的推動下，燃氣輪機技術(shù)開始走向?qū)嵱没?，開始制造大批渦輪噴氣發(fā)動機。由于這些飛機需要在1萬米之上高空飛行，發(fā)動機必須適應(yīng)高空缺氧，氣溫、氣壓較低的惡劣環(huán)境，所以要求噴氣燃料清澈透明、不含懸浮和沉降的機械雜質(zhì)和水分，還要有較好的低溫性、安定性、蒸發(fā)性、潤滑性以及無腐蝕性，不易起靜電和著火危險性小等特點。所以噴氣燃料成為主要燃料，性能不斷得以改進。1

制備方法主要由石油加工制得。對所有航空燃料組成的共同要求，就是他們應(yīng)當是只含有專用添加劑的、純粹的烴類混合物。但由于不同類烴的性能不同，對某些烴類如芳香烴和烯烴的含量有一定的限制。殘留在燃料中的非烴如：含氧、含硫、含氮等雜有機化合物及其燃燒產(chǎn)物，不僅引起系統(tǒng)金屬零部件腐蝕，而且還會污染大氣，且在燃料中容易被氧化縮合成膠質(zhì)和沉淀物，引起燃料系統(tǒng)堵塞等，通常認為是不理想組分，在燃料的標準中以不同的方式加以嚴格限制。

主要特點飛機發(fā)動機對燃料的依賴性極大，要求自然也很嚴格。在表示燃料質(zhì)量的各種性能綜合中，最重要的是在飛機發(fā)動機使用過程中系統(tǒng)和零部件同燃料及其燃燒產(chǎn)物接觸過程中所出現(xiàn)的那些性能，即所謂的使用性能。這些性能同飛機發(fā)動機的可靠性和壽命直接相關(guān)，且它們只是在使用過程中才出現(xiàn)。

基本性能對所有航空燃料基本使用性能的共同要求，就是它們應(yīng)具有適當?shù)膿]發(fā)性和良好的流動性、燃燒性、安定性、潔凈性、不腐蝕所接觸的金屬并與所接觸的非金屬材料相容等。揮發(fā)性用餾程和蒸汽壓控制。揮發(fā)性過大，燃料蒸發(fā)損失嚴重，且高空產(chǎn)生氣塞的危險性也大；揮發(fā)性過小，發(fā)動機的啟動性變差，燃燒不完全。流動性用冰點和低溫黏度控制，要求冰點低，低溫黏度小，以保證燃料具有良好的低溫泵送性和過濾性。燃燒性用熱值、密度和煙點等控制，要求熱值高、密度大、煙點高、以保證發(fā)動機和飛機有足夠的推力和航程。安定性用抗氧化劑和貯存后各性能的變化來控制，要求抗氧化性好，貯存后性能變化小。潔凈性對噴氣燃料尤為重要，這是由于燃氣渦輪發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)復(fù)雜精密度高所要求的。除要求不含膠質(zhì)、水、機械雜質(zhì)（固體顆粒）、水溶性酸和堿外，對影響燃料水分離特征的表面活性物質(zhì)的含量也要通過水分離指數(shù)和水反應(yīng)加以控制。水、機械雜質(zhì)、細菌等，雖不是燃料的固有成分，但它們的危害性卻很大，且隨氣溫和儲運條件的變化，在很大的范圍內(nèi)波動。2

抗爆性抗爆性是航空汽油最重要的使用性能，通常由辛烷值/品度值表征并以其值命名它們的牌號。我國航空汽油分為RH-75、RH-95/130和RH-100/130三個品級。其中RH-75航空汽油主要用于輕負荷低速飛機，RH-95/130航空汽油主要用于中負荷高速飛機，RH-100/130航空汽油適用于重負荷高速飛機。汽油的辛烷值/品度值越高，汽油的抗爆性能越好。辛烷值表示汽油在貧油時的抗爆性，品度值表示汽油在富油時的抗爆性。不同壓縮比的發(fā)動機應(yīng)選用辛烷值/品度值合適的汽油，高壓縮比發(fā)動機使用低辛烷值/品度值汽油時,發(fā)動機會產(chǎn)生爆震，導(dǎo)致發(fā)動機損壞。汽油的抗爆性與其組成中的烴類的化學結(jié)構(gòu)有關(guān)，芳香烴最好，烷烴和環(huán)烷烴次之，由于碳鏈易斷裂，所以正構(gòu)烷烴的抗爆性最差。四乙基鉛抗爆劑可有效地提高汽油的抗爆性。目前高標號的航空汽油均添加四乙基鉛抗爆劑。低鉛和無鉛化是航空汽油的發(fā)展方向，重點是開發(fā)新型的無公害抗爆添加劑。

要求嚴格為了保證飛行安全和使用壽命，飛機發(fā)動機對燃料質(zhì)量的要求很嚴格。由于我國的航空燃料未達到其總統(tǒng)專機的燃料標準，1996年俄羅斯葉利欽總統(tǒng)、1997年美國克林頓總統(tǒng)、2001年布什總統(tǒng)、2003年普京總統(tǒng)的訪華專機均拒絕添加中國生產(chǎn)的航空燃料；美國的“挑戰(zhàn)者號”和“哥倫比亞號”航天飛機的失事也與燃料密切相關(guān)；新式戰(zhàn)機的研制很大程度上也在于材料及內(nèi)部燃料，由此可見研究航空航天燃料，獲得更高標準的燃料乃是大勢所趨。在美蘇兩國，航空航天燃料的研究已經(jīng)有相當長的時間，并已取得了相當好的成果。我國在該領(lǐng)域的研究雖然起步較晚，但是通過廣大科研人員的努力攻關(guān)，也取得了不錯的成就。

主要種類現(xiàn)代飛機發(fā)動機對噴氣燃料提出了一系列要求，而這些要求在一定程度上又是相互排斥和矛盾的。每一種燃料都是飛機發(fā)動機所提出的各種要求之間以及這些要求同原料資源、生產(chǎn)工藝的價格等之間的折中和妥協(xié)。由于在一種燃料中不可能融合現(xiàn)代飛機發(fā)動機對燃料提出的全部要求，因此生產(chǎn)了多種燃料，其中的每一種，在考慮到價格和資源的同時，在使用性能上都有其一定的特點，應(yīng)按其特點優(yōu)先用于一定用途的飛機發(fā)動機上。

我國噴氣燃料現(xiàn)有四個品種：煤油型的RP-3的噴氣燃料、寬餾分型的RP-4的噴氣燃料、高閃點型的RP-5噴氣燃料和大比重型的RP-6噴氣燃料，它們共同構(gòu)成了我國較為完整的噴氣燃料體系。噴氣燃料的基本組成為不同的石油烴類和殘留的少量非烴及添加劑。其烴族組成和非烴含量主要取決于原油性質(zhì)(或類屬)和噴氣燃料的加工工藝。在這些組分中，烴類主要是烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和少量的烯烴。其中芳香烴因影響噴氣燃料的燃燒性，標準規(guī)定其體積分數(shù)不超過20%~25%；烯烴將影響噴氣燃料的安定性，標準規(guī)定其體積分數(shù)不超過5%。殘留在噴氣燃料中的非烴主要為含氧化合物，含硫化合物，含氮化合物和有機金屬化合物。他們同屬噴氣燃料中的非理想成分（雜質(zhì)），會產(chǎn)生很壞的作用，特別是含硫的化合物影響燃燒性、安定性、腐蝕性和環(huán)境保護，所以噴氣燃料的標準對總硫含量和硫醇型硫含量等做出了比較嚴格的限制。噴氣燃料中非烴總質(zhì)量分數(shù)通常小于0.2%。為了改進噴氣燃料的某些性能，可按要求由生產(chǎn)廠加入或用戶自行選擇加入經(jīng)過試驗、鑒定和批準的添加劑，但是其加入量要嚴格控制。噴氣燃料在飛機發(fā)動機中除用作能源外，還用作潤滑系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)的冷卻劑和燃料系統(tǒng)摩擦機件的潤滑劑。因此，要求噴氣燃料具有良好的熱氧化性和潤滑性。特別是隨著飛機發(fā)動機熱強度的提高，對噴氣燃料熱氧化安定性的要求越來越高。熱氧化安定性是指燃料在高溫和氧的作用下氧化分解和縮合生成膠質(zhì)和沉淀物的傾向，膠質(zhì)和沉淀物會嚴重影響發(fā)動機的正常工作。所以，提高熱氧化安定性仍是噴氣燃料的發(fā)展目標之一，其主攻方向是研究新的燃料加工工藝和添加劑，國外已研究出能將現(xiàn)行的煤油型噴氣燃料的耐熱性提高55℃的添加劑。用添加劑來提高現(xiàn)行噴氣燃料的熱氧化安定性是一種經(jīng)濟有效的途徑。

除此以外，我們還學習了有關(guān)航天燃料的知識，如火箭的固體、液體燃料及特殊飛行器的燃料等。其相關(guān)構(gòu)成及性能與航空燃料有很大的相似之處。

航空航天燃料除了在安定性，揮發(fā)性，抗氧化性，抗爆性，潔凈性等方面不斷得到改善，性能得到提高之外。還應(yīng)該在航空航天燃料的生產(chǎn)流程上有所改進，一來航空航天燃料多為有機物，而有機反應(yīng)的副產(chǎn)物較多，產(chǎn)率較低，流程也很復(fù)雜，反應(yīng)中所涉及到的化合物毒性大，二來航空航天燃料復(fù)雜的制備及精制過程耗資較多，使成本較高?？梢越Y(jié)合生物技術(shù)，膜技術(shù)，尤其是發(fā)展生物催化劑,以利用其催化性能的單一性，高效性，低能耗性便捷的獲得大量高質(zhì)的航空航天燃料，為了得到目的催化生物,如目的細菌、真菌等，可以采用基因重組、基因誘導(dǎo)變異等方法使一些微生物得到相關(guān)的機能。另外，還可以嘗試將微波、激光、紅外、X光等現(xiàn)代技術(shù)用于燃料的精制與提純中，通過這些技術(shù)的一些特性去影響燃料，使其理化性質(zhì)向著我們所希望的方向發(fā)展。最后如果我們的技術(shù)水平足夠的話，可以考慮采用非化學能源，如高壓風能，核能等來實現(xiàn)發(fā)動機的高速運轉(zhuǎn)。3