Комплексный анализ эффективности топлив для воздушно-космического самолета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем

Рассмотрены горючие, используемые в качестве рабочего тела в прямоточных воздушно-реактивных двигателях. Целью исследования является проведение многокомпонентного анализа, который включает в себя сравнение физико-химических, энергетических характеристик горючего, а также результатов термодинамического и баллистического анализов для обеспечения наилучших компоновки и дальности полета модельного воздушно-космического самолета. На основании анализа литературных источников сформированы основные требования к горючим прямоточных воздушно-реактивных двигателей воздушно-космического самолета. Приведена методология оценки эффективности топлив. Для криогенных углеводородов, соответствующих разработанным требованиям, применительно к модельному летательному аппарату проведены расчеты и определены полнота сгорания, зависимости коэффициента тяги, удельного импульса и дальности от коэффициента избытка окислителя и скорости полета. Показано, что рассматриваемые углеводородные горючие при прочих равных условиях реализуют близкие показатели тягово-импульсных и траекторных характеристик. Лучшие показатели по полноте сгорания, дальности полета и запасу топлива на борту самолета получены при рассмотрении криогенного метана. С учетом сложности эксплуатации метана из-за необходимости поддержания низких температур и повышенного давления в качестве основного типа горючего для прямоточных воздушно-реактивных двигателей воздушно-космического самолета рекомендуется использовать криогенный пропан

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-38-90189

Литература

[1] Москатов Г.К. Безопасный полет в XXI веке на гиперзвуковом межконтинентальном лайнере --- предвидимое будущее. Научный вестник ОПК России, 2016, № 3, с. 69--76.

[2] Harris R.V.Jr. On the threshold --- the outlook for supersonic and hypersonic aircraft. Aircraft Design and Operations Meeting, 1989, vol. 29, no. 1, pp. 10--19. DOI: https://doi.org/10.2514/6.1989-2071

[3] Братухин А.Г., Яновский Л.С., Луковников А.В. и др. Оценка эффективности перевода магистральных пассажирских самолетов на сжиженный природный газ. Вестник машиностроения, 2011, № 8, с. 19--23.

[4] Дулепов Н.П., Ланшин А.И., Луковников А.В. и др. Эффективность применения двухрежимного ГПВРД в составе комбинированной силовой установки авиационно-космической системы. Вестник машиностроения, 2011, № 8, с. 51--57.

[5] Луковников А.В. Концептуальное проектирование силовых установок летательных аппаратов в многодисциплинарной постановке. Вестник МАИ, 2008, № 3, с. 35--43.

[6] Разносчиков В.В., Чепанов А.И. Анализ использования криогенных и газовых топлив в силовых установках магистральных самолетов. Научный вестник МГТУ ГА, 2008, № 134, с. 10--15.

[7] Глушко В.П., ред. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. М., АН СССР, 1971.

[8] Денисов Е.Т., Ковалев Г.И. Окисление и стабилизация реактивных топлив. М., Химия, 1983.

[9] Дубовкин Н.Ф., Яновский Л.С., Харин А.А. и др. Топлива для воздушно-реактивных двигателей. М., Изд-во МАТИ--РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2001.

[10] Орлов Б.В., ред. Основы проектирования ракетно-прямоточных двигателей для беспилотных летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1967.

[11] Lewis M.J., Gupta A. Impact of fuel selection on hypersonic vehicle optimization. Proc. 13th ISABE, 1997, vol. 2, pp. 1456--1463.

[12] Саргсян Д.Р. Анализ опыта применения альтернативных топлив на воздушных судах. Научный вестник МГТУ ГА, 2011, № 174, с. 91--95.

[13] Chuck C., Donnelly J. The compatibility of potential bioderived fuels with Jet A-1 aviation kerosene. Appl. Energy, 2014, vol. 118, pp. 83--91. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.12.019

[14] Яновский Л.С., Харин А.А., Киришев Е.Л. Проблемы применения криогенных углеводородных топлив в высокоскоростных летательных аппаратах. Двигатель, 2008, № 5, с. 11.

[15] Зрелов В.Н., Серегин Е.П. Жидкие ракетные топлива. М., Химия, 1975.

[16] Кручков С.В., Савельев А.М. Термодинамическая оценка топливной эффективности высокоскоростного прямоточного воздушно-реактивного двигателя на углеводородном топливе с добавками бора и гидрида бериллия. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2017, № 5, с. 75--88. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2017-5-75-88

[17] Gany A. Effect of fuel properties on the specific thrust of a ramjet engine. Def. Sc. J., 2006, vol. 56, no. 3, pp. 321--328. DOI: https://doi.org/10.14429/dsj.56.1895

[18] Трусов Б.Г. Программная система TERRA для моделирования фазовых и химических равновесий. Тр. XIV Междунар. конф. по хим. термодинамике. СПб., 2002.

[19] Сорокин В.А., Яновский Л.С., Козлов В.А. и др. Ракетно-прямоточные двигатели на твердых и пастообразных топливах. М., ФИЗМАТЛИТ, 2010.

[20] Аверьков Н.С., Разносчиков В.В., Яновский Л.С. Влияние свойств топлив на характеристики летательного аппарата с прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Авиационные двигатели, 2018, № 1, с. 73--81.

[21] Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1973.

[22] Железнякова А.Л. Численное моделирование внешнего гиперзвукового обтекания модели летательного аппарата X-51. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2014, т. 15, № 2. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-2/articles/218/#ru_overview

[23] Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Численное моделирование гиперзвукового обтекания модели летательного аппарата X-43. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2010, № 1, с. 3--19.

[24] Святушенко В.В. Аналитический и численный расчет тягово-импульсных характеристик маневрирующего летательного аппарата с прямоточным воздушно-реактивным двигателем (М = 6). Ракетно-космические двигательные установки. Сб. мат. Всерос. науч.-техн. конф. М., ИИУ МГОУ, 2018, с. 75--76.

[25] Козубова М., Крутиль Я., Неврян В. Экспериментальное исследование и численное моделирование горения метана в областях со сложной геометрией. Физика горения и взрыва, 2014, т. 50, № 4, с. 8--14.

[26] Machi M., Boudouris C., Gaab S., et al. Kinetic modeling of gas phase ethane and propane oxidative degydrogenation. Catal. Today, 2006, vol. 112, no. 1-4, pp. 53--59. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2005.11.027

[27] Frazellia B., Riber E., Sanjos M., et al. A two-step chemical scheme for kerosene-air premixed flames. Combust. Flame, 2010, vol. 157, no. 8, pp. 1364--1373. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2010.03.014

[28] Александров В.Ю., Арефьев К.Ю., Прохоров А.Н. и др. Методика экспериментальных исследований эффективности рабочего процесса в высокоскоростных ПВРД газогенераторной схемы на твердых топливах. Известия Высших учебных заведений. Машиностроение, 2016, № 2, с. 65--75. DOI: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2016-2-65-75

[29] Арефьев К.Ю., Кукшинов Н.В., Серпинский О.С. Методика экспериментального определения полноты сгорания потоков топливной смеси в каналах переменного сечения. Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2017, № 5, с. 90--102. DOI: https://doi.org/10.7868/S0568528117050103

[30] Александров В.Ю., Кукшинов Н.В. Модифицированная кривая выгорания для модельных высокоскоростных камер сгорания, интегрированных с воздухозаборным устройством. Физика горения и взрыва, 2016, № 3, с. 32--36. DOI: https://doi.org/10.15372/FGV20160304