Реактивные топлива, представляющие собой специализированные авиационные керосины, являются ключевым энергоносителем для воздушно-реактивных двигателей (ВРД) самолетов, вертолетов и некоторых типов ракет. Их доля в мировом объеме переработки нефти составляет около 5%, при этом распределение неравномерно: в Европе и развивающихся странах — примерно 2%, а в Северной Америке — до 7%. В мирное время на военные нужды приходится порядка 10% от общего потребления. Значимость этих топлив подчеркивается тем, что их масса может достигать 30-60% от взлетного веса самолета, что напрямую влияет на дальность и экономичность полета. Это однокомпонентные составы, смешивание которых недопустимо, а технология их производства строго регламентирована и контролируется. К топливам предъявляются исключительно высокие требования: они должны гарантировать абсолютную безопасность, надежный запуск двигателя в любых климатических условиях, стабильное горение в высокоскоростном воздушном потоке даже при большом избытке воздуха, полное сгорание без образования дыма и нагара, а также обеспечивать высокие летно-технические характеристики аппарата.
Производство и маркировка
Сырьем для производства служат нефтяные фракции в диапазоне температур кипения. Для дозвуковой авиации это фракции, выкипающие в пределах 120-280°C или 60-280°C, а для сверхзвуковых военных самолетов используются так называемые утяжеленные авиакеросины с температурным интервалом 195-315°C. Российская промышленность выпускает несколько марок реактивных топлив: Т-1, ТС-1 и Т-2 — для дозвуковой авиации; РТ — переходное топливо для скоростей, соответствующих числу Маха до 1.5; а также Т-6 и Т-8В — для сверхзвуковой авиации с М до 3.5.
Ключевые требования к качеству
Жесткие условия эксплуатации топливных систем самолетов и вертолетов, где отказ двигателя чреват катастрофическими последствиями, диктуют специфические требования к качеству топлива. Оно должно обладать высокой теплотой сгорания (не менее 43 МДж/кг), минимальным содержанием сернистых соединений (меркаптановая сера в пределах 0.001–0.003%), низкой температурой вспышки, отличной термической стабильностью и быть практически абсолютно чистым — без воды, смол и механических примесей. Достижение таких показателей требует применения передовых гидрогенизационных процессов: гидроочистки, гидродеароматизации и гидрокрекинга, а также использования специальных присадок (противоизносных, антиокислительных).
Важным параметром является склонность к нагарообразованию, которая контролируется ограничением содержания ароматических углеводородов (не более 10-22%) и высотой некоптящего пламени (не более 20-25 мм). Для сверхзвуковой авиации критична яркость пламени, оцениваемая люминометрическим числом (ЛЧ). Чем выше ЛЧ, тем меньше яркость и, соответственно, тепловое излучение, перегревающее камеру сгорания. У лучших марок топлива ЛЧ составляет 60-75 единиц. Также стандарты предъявляют высокие требования к плотности (не менее 755-840 кг/м³), так как от нее напрямую зависит запас хода при фиксированном объеме топливных баков.
Экстремальные условия эксплуатации и стабильность
Топливо в полете подвергается экстремальным температурным нагрузкам: в баках на высоте оно охлаждается до -40...-50°C, а в топливной системе, наоборот, нагревается до 150-250°C. Чтобы предотвратить разложение непредельных углеводородов и смол с образованием осадков, забивающих фильтры и форсунки, к топливам, особенно для сверхзвуковой авиации, предъявляются жесткие нормы по термической стабильности, достигаемые глубокой очисткой и введением присадок.
В реактивных топливах недопустимы сероводород, водорастворимые кислоты и щелочи, механические примеси и вода. Нормируются такие показатели, как зольность (не более 0.003%), удельная электропроводность (для защиты от статического электричества), содержание нафталинов и присадок. В России более 70% баланса реактивных топлив составляет марка ТС-1, в то время как в развитых странах растет спрос на более термостабильные топлива глубокого гидрокрекинга, подобные Т-6 и Т-8В.
Перспективы и альтернативы
В обозримом будущем альтернативы нефтяным реактивным топливам для авиации не предвидится, а рост отрасли требует увеличения их производства. Существует два основных пути: первый — дорогостоящее вовлечение тяжелых фракций (вакуумных газойлей) через процессы гидрокрекинга; второй — более экономичное расширение фракционного состава за счет повышения конца кипения с параллельной оптимизацией двигателей.
За рубежом наиболее распространены марки Jet A-1 (стандарт ASTM D1655), JP-4 (США), TR-4 и TRO (Франция). В состав любых реактивных топлив вводятся присадки: антиоксиданты, деактиваторы металлов, антистатические и противообледенительные добавки.
Интересной альтернативой, особенно для вертолетов, являются сжиженные нефтяные газы. В конце 1980-х годов в СССР для вертолета Ми-8ТГ было испытано авиационное сконденсированное топливо (АСКТ), состоящее из пропан-бутановой фракции и конденсатного моторного топлива. АСКТ отличается экологической чистотой, отсутствием серы и смол, обладает отличными пусковыми свойствами при низких температурах и полностью смешивается с традиционным топливом ТС-1.
Объемы производства: Россия — около 7 млн т/год, США — 77 млн т/год, семерка ведущих стран (США, Япония, Германия, Италия, Великобритания, Канада, Франция) — около 110 млн т/год.
Ракетные топлива
Отдельную категорию составляют ракетные топлива для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Они делятся на однокомпонентные (содержат и горючее, и окислитель в одной молекуле, например, нитрометан) и двухкомпонентные. Последние представляют собой раздельную подачу горючего (например, жидкий водород, углеводороды, гидразин) и окислителя (чаще всего жидкий кислород). В качестве углеводородного горючего могут использоваться некоторые марки реактивных топлив (Т-2, Т-6) или специально синтезированные нафтеновые углеводороды.