М.Е. РЕЗНИКОВ
.Авиационные
и какыймые
ТОПЛИВА
СМАЗОЧНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
счэ
ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СОЮЗА ССР
МОСКВА-19ьО
М. Е. РЕЗНИКОВ
АВИАЦИОННЫЕ
И РАКЕТНЫЕ
ТОПЛИВА
И СМАЗОЧНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СОЮЗА ССР
Москва —19 60
Доцент кандидат технических наук
М. Е. РЕЗНИКОВ
АВИАЦИОННЫЕ И РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА
И СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В книге приводятся основные сведения об энергетических, физико-
химических и эксплуатационных свойствах топлива для газотурбинных,
ракетных и других современных авиационных двигателей, а также авиа-
ционных смазочных маслах, консистентных смазках и специальных жид-
костях. Рассматриваются вопросы обращения с топливами и смазоч-
ными материалами, контроля качества их. Кратко излагаются важней-
шие способы производства топлив и масел; приводятся некоторые дан-
ные о перспективных топливах и маслах.
Содержание книги основано на материалах, опубликованных в по-
следние годы в советской и иностранной открытой печати. Примеры и
таблицы по ракетным топливам приведены для таких сочетаний компо-
нентов, которые используются на иностранных ракетах.
Книга рассчитана на инженерный и технический состав авиации.
Она может быть полезной для летного состава, а также для лиц, же-
лающих ознакомиться с современными авиационными и ракетными
топливами и смазочными материалами.
Рецензент В. Г. Столяров.
ВВЕДЕНИЕ
Мощность, развиваемая при полете современных сверх-
звуковых самолетов, выражается огромными цифрами — де-
сятками и сотнями тысяч лошадиных сил, а при полете бал-
листических ракет дальнего действия — миллионами и десят-
ками миллионов лошадиных сил, что превышает мощность
крупнейших в мире действующих и строящихся советских
электростанций. Такая мощность достигается за счет энер-
гии топлива. От количества энергии, которая может быть
выделена топливом, находящимся на борту летательного ап-
парата, зависит максимальная скорость и дальность полета.
Имеются два пути увеличения количества энергии топ-
лива на летательном аппарате: один — увеличение веса за-
правки, другой — повышение энергетической эффективности
топлива. До последнего времени развитие шло главным об-
разом по первому пути. В авиации использовались почти
исключительно нефтяные топлива (керосины и бензины), ко-
торые по энергетическим возможностям мало отличаются
друг от друга. Необходимость увеличения веса заправки этих
топлив привела к тому, что некоторые из современных само-
летов превратились в своего рода «летающие цистерны»:
большую часть их начального полетного веса составляет топ-
ливо [11]. Это вредно отражается на высотности самолетов,
их маневренности и взлетно-посадочных свойствах, сокра-
щает долю полезного груза.
В последние годы, судя по опубликованным монографиям
[7, 16] и множеству статей в иностранной технической печати
(например, [95—105]), уделяется большое внимание второму
пути увеличения количества энергии топлива на борту лета-
тельного аппарата — созданию и применению высококало-
рийных нефтяных топлив и совершенно новых по своей при-
роде высокоэффективных топлив, в состав которых входят
1»	3
бор, алюминий, магний, а также некоторые соединений
азота.
Создание высококалорийных нефтяных топлив дается це-
ной больших затрат на химическую переработку нефти и,
как правило, сопряжено с сокращением их количественных
ресурсов. Чтобы эти затраты не пропали даром, при практи-
ческом применении указанных топлив нужно правильно учи-
тывать и использовать все возможности улучшения летно-
технических характеристик, которые обеспечиваются этими
топливами. Однако значительного эффекта улучшением ка-
чества нефтяных топлив все же получить нельзя. Примене-
ние же высокоэффективных топлив, содержащих бороводо-
роды, азотводородные соединения и их производные,
металлоорганические соединения и суспензии металлов, при
соответствующем устройстве двигателя и летательного аппа-
рата, может обеспечить, судя по сообщению иностранных
журналов [96, 103, 104 и др.], резкое увеличение дальности,
скорости полета и улучшение других летно-технических ха-
рактеристик.
Новые высокоэффективные горючие, а также окислители
для ракетных двигателей по своим свойствам сильно отлича-
ются от привычных нефтяных топлив. Многие из них ядо-
виты, агрессивны и взрывоопасны. При работе с этими про-
дуктами надо отлично знать их свойства, уметь обращаться
с ними, строго соблюдая правила безопасности.
Кроме топлив, выделяющих энергию при сгорании, нау-
кой открыты более мощные источники энергии — реакции со-
единения свободных атомов и радикалов (осколков моле-
кул), распада и соединения атомных ядер. Если удастся ис-
пользовать эти источники на летательных аппаратах, то за-
пасы энергии на них станут практически неограниченными
[106—116].
Большое значение для обеспечения надежной и длитель-
ной работы двигателей, безотказного действия различных
агрегатов летательных аппаратов имеют смазочные масла,
консистентные смазки, жидкости для гидравлических и про-
тивообледенительных устройств. Условия работы авиацион-
ной техники очень сложны и разнообразны, поэтому к каче-
ственным показателям смазочных материалов и специальных
жидкостей предъявляются весьма серьезные требования.
До последнего времени в авиации применяются главным об-
разом нефтяные масла, смазки и жидкости, в которых не
удается достигнуть необходимого сочетания хороших низко-
температурных и противоизносных свойств с физической и
4
химической стабильностью при высоких температурах. В со-
ветской и иностранной печати приводятся данные о разра-
ботке и внедрении синтетических масел и жидкостей на ос-
нове сложных эфиров, полигликолей, кремнийорганических
соединений, которые обладают значительно лучшими эксплу-
атационными свойствами, чем нефтяные масла и жидкости
[7, 9, 121, 125, 134].
Проявляя неустанную заботу об обороноспособности на-
шей Родины, Коммунистическая партия и Советское прави-
тельство обеспечили наряду с развитием авиационной и ра-
кетной техники создание необходимой для нее топливной
базы. Благодаря повседневному вниманию партии и прави-
тельства отрасли советской науки и промышленности, рабо-
тающие над получением и применением топлив и смазочных
материалов, идут в ногу с бурно развивающейся авиацион-
ной и ракетной техникой. Этому способствует передовая
роль в мировой науке, занимаемая советскими учеными как
в области реактивного двигателестроения, так и в важней-
ших отраслях современной химии. Основоположник теории
реактивного движения выдающийся русский ученый
К. Э. Циолковский наряду с общими проблемами реактив-
ной техники и космических полетов выдвинул руководящие
идеи в области подбора горючих и окислителей для ракет-
ных двигателей и даже предполагал возможным использо-
вание в них свободных радикалов и атомной энергии [3].
Грандиозные планы развития химической промышленно-
сти, добычи и переработки нефти и газа, намеченные
XXI съездом КПСС, обеспечивают возможность получения
всех видов и сортов топлив, смазочных материалов и спе-
циальных жидкостей, необходимых для авиационной и ракет-
ной техники.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ТОПЛИВА
/
ГЛАВА I
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВИАЦИОННЫХ
И РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ
НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ
Двигатели внутреннего сгорания, установленные на са-
молетах, вертолетах и ракетах, создают силу тяги за счет
тепловой энергии. Вещества, сжигаемые в них для получения
тепловой энергии, называются топливами.
На рис. 1 приведена примерная схема классификации
авиационных и ракетных топлив, составленная на основе си-
стематизации опубликованных в иностранной печати сведе-
ний о составе современных и перспективных топлив [6, 58,
60—64, 66, 69, 73, 90, 92].
Большая часть современных авиационных топлив (бен-
зин, керосин) — это жидкие смеси углеводородов,
получаемые путем переработки нефти и частично каменного и
бурого угля. Их обычно различают по температурам выкипа-
ния: бензин выкипает в пределах примерно 40—200°, керо-
син— в пределах примерно 150—300°. Используются также
широкофракционные топлива, т. е. смеси бен-
зина и керосина [58]. В иностранной печати указывается, что
ведутся работы по применению в качестве топлив для авиа-
ционных двигателей некоторых гидридов — соединений
водорода с другими элементами (боранов, гидразина,
аммиака [60, 66]) и металлов (алюминия, магния
и др. [70, 102]). По сравнению с нефтяными топливами
одни из этих соединений дают больше тепла в расчете на
единицу веса или объема топлива, другие — на единицу ко-
личества прокачиваемого через двигатель воздуха.
6
Рис. 1. Схема классификации топлив для авиационных и ракетных двигателей внутреннего сгорания
Для сгорания требуется не только горючее вещество, но и
окислитель. В воздушно-реактивных и поршневых дви-
гателях окислителехМ служит воздух. Топливо для этих дви-
гателей окислителей не содержит; оно состоит из одного
лишь горючего вещества. В жидкостно-реактивных
(ракетных) двигателях окислителем являются жидкий кисло-
род или азотная кислота и др., которые берутся на борт ле-
тательного аппарата наряду с горючим веществом. В этом
случае понятия «топливо» и «горючее» неравнозначны [35],
топливо состоит из двух компонентов — горючего и
окислителя.
В качестве горючего компонента в ракетных двигателях
используются углеводороды (керосин, бензин и др.) и дру-
гие органические вещества — спирты, амины и т. д. [66, 69].
Для ракет применяются также однокомпонентные
(унитарные) топлива, главным образом твердые, в состав
которых входит необходимый для горения кислород [90, 69].
Иногда в качестве однокомпонентного ракетного топлива ис-
пользуются вещества, которые не горят, но разлагаются с вы-
делением тепла, в частности перекись водорода [8, 73].
Кроме основного назначения топлива — выделения энер-
гии, — оно является источником рабочего тела —
газовой смеси, при помощи которой осуществляется рабочий
процесс двигателя (преобразование тепловой энергии в меха-
ническую). В воздушно-реактивных и поршневых двигателях
рабочее тело образуется из воздуха, топлива и продуктов
его сгорания, а в ракетных двигателях — целиком из топ-
лива.
В некоторых двигателях топливо попутно используется
для охлаждения горячих узлов и деталей, охлаждения
масла, разжижения масла, гидравлического управления агре-
гатами.
В последнее время разрабатываются новые источники
энергии, в основе которых лежит не сгорание, а другие про-
цессы: соединение свободных атомов и радикалов (осколков
молекул) [106—109], ядерные реакции [112—116]. В связи с
этим понятие «топливо» становится более широким; топли-
вом следует считать любые вещества, расходуемые в двига-
теле с целью получения энергии. Схема классификации та-
ких топлив приведена на рис. 2. Из схемы видно, что обыч-
ные топлива, сжигаемые в двигателях внутреннего сгора-
ния, оказываются лишь одним из видов химического топ-
лива.
8
Рис. 2. Схема классификации топлив различных источников энергии
СГОРАНИЕ ТОПЛИВ
Физико-химическая сущность горения [4]. Горение —
это быстрая реакция окисления топлива, в ходе
которой его химическая энергия превращается в основном в
тепловую, а само топливо — в газообразные продукты.
Горючими элементами в составе современных топлив яв-
ляются углерод и водород, а в составе перспективных
топлив — бор и некоторые металлы — алюминий, маг-
ний (менее вероятно — бериллий, литий) [60, 70, 99, 102].
Окислительным элементом служит кислород (кислород
воздуха или кислород, содержащийся в легко отдающих его
соединениях). Судя по сообщениям американской печати, в
последнее время наряду с ним начал использоваться также
фтор [62, 64].
Сущность окисления заключается в переходе валентных
(внешних) электронов от атомов горючего элемента к ато-
мам элемента-окислителя. Атомы окислителя становятся от-
рицательными ионами, атомы горючего—положительными
ионами. Притягиваясь, они образуют молекулы продуктов
окисления — углекислого газа СОг, паров воды НгО, фтори-
стого водорода HF (если окислителем служит фтор) и др.
Реакции окисления — цепные. Они состоят из ряда по-
вторяющихся звеньев, в ходе которых образуются активные
частицы — свободные радикалы (осколки молекул). Чтобы
окисление происходило в форме горения; должны существо-
вать условия для быстрого перемещения активных частиц
и разветвления цепей реакций. Такие условия имеются
только в газовой среде, их нет в жидких и твердых
телах. Жидкое топливо сначала превращается в пар, а твер-
дое разлагается, образуя пары и газы, и лишь после этого
они горят. Например, жидкий керосин до температуры
плюс 284-30° почти не испаряется и вследствие этого не за-
горается от поднесенного пламени. Чтобы топливо могло го-
реть, нужно создать условия для его испарения.
Воспламенение горючей смеси обеспечивается химически
активными частицами, которые обладают достаточной энер-
гией для разрушения химических связей атомов в молекулах
горючего и окислителя. Такие частицы возникают при силь-
ном подогреве смеси электрической искрой или путем рез-
кого сжатия, или иным способом. После воспламенения
нормальное распространение пламени в спокой-
ной (незарихренной) смеси происходит со скоростью
10—30 см/сек. Соприкасающийся с пламенем слой свежей
10
смеси нагревается до температуры 1500—3000° и выше, хи-
мически активируется потоком активных частиц и заго-
рается. Толщина зоны пламени порядка 0,1 мм.
Движение газа в камерах сгорания двигателя сущест-
венно увеличивает скорость распространения пламени.
Фронт пламени энергично «проталкивается» в свежую смесь
резко расширяющимися горячими продуктами сгорания,
разрыхляется вихрями (турбулизируется), скорость его до-
стигает 20—40 м/сек. Скорость и полнота сгорания уменьша-
ются при понижении давления и температуры горючей
смеси.
При некоторых условиях горение может приобрести ха-
рактер детонации (взрыва): в горящей смеси возникают
ударные волны давления и резко повышается скорость пла-
мени (до нескольких сотен и даже тысяч метров в секунду).
При детонации появляются опасные для двигателей тепло-
вые и механические нагрузки.
Для оценки эффективности топлива большое значение
имеют теплота сгорания, потребное количество окислителя,
объем и температура продуктов сгорания.
Теплота сгорания. Теплотой сгорания (теплотворностью)
называется количество тепла, выделяемое при полном сгора-
нии 1 кг топлива. Ее определяют опытным путем, сжигая в
калориметре (рис. 3) в среде сжатого кислорода 0,5—0,6 г
топлива. Выделенную теплоту рассчитывают по нагреву воды
в ведерке калориметра.
Водяной пар, образуемый при сгорании топлива (окисле-
нии водорода), в калориметре конденсируется, выделяя при
переходе в жидкое состояние дополнительное количество
тепла из расчета ~600 ккал/кг воды. Калориметрическая
теплота сгорания включает теплоту конденсации воды. Теп-
лоту сгорания, включающую теплоту конденсации паров, на-
зывают высшей теплотой сгорания (QB).
Однако в двигателе теплота конденсации воды не исполь-
зуется, так как вода выходит из него в виде пара. Поэтому
в технике пользуются не высшей, а низшей теплотой
сгорания, которая не включает теплоту конденсаций воды:
QH = QB-600№,	(1)
где W — вес воды в кг, образующейся при сгорании 1 кг
топлива. Для обычных углеводородных топлив W = 1,15—
1,35 кг воды/кг томлива.-Следовательно, QH меньше QB при-
мерно на 700—800 ккал/кг. Величину W находят по содер-
жанию водорода Н в топливе (W = 9Н кг/кг топлива) или
11
непосредственным измерением количества образующейся в
калориметре воды.
Теплота сгорания зависит от химического состава топ-
лива: содержания углерода, водорода и других горючих эле-
ментов (например, металлов), при окислении каждого из ко-
Подбод
тако
В
Q, В
С; сэ
Крышка
, Водяная
рубашка
Калориметри-
ческая бомба
Ведерко
с Водой
ашечха с топливом
Рис. 3. Устройство калориметра
торых выделяется определенное количество тепла, а
также от прочности связей в молекулах топлива, на разру-
шение которых затрачивается тепло (оно отнимается
от выделяемого тепла).
12
При полном окислении 1 кг чистого углерода (гра-
фита) газообразным молекулярным кислородом Ог выде-
ляется 7860 ккал, при окислении 1 кг молекулярного водо-
рода Нг в водяной пар — 28 900 ккал (почти в 3,7 раза
больше).
Выделение тепла при сгорании металлов зависит от со-
стояния продуктов их окисления (твердого, жидкого или га-
зообразного). Соответственно для них различают высшую и
низшую теплотворность; последняя не включает теплоту кон-
денсации продукта окисления металла.
Теплотворность важнейших горючих элементов при окис-
лении кислородом и фтором приведена в табл. 1.
Таблица 1
Теплотворность важнейших горючих элементов в ккал/кг горючего
(по данным справочников [22, 23, 28], учебников и монографий
[7, 8, 9, 12. 19], а также статей в иностранных журналах [104, 99])
Наименование горючего элемента и состояние простого вещества	Окисление газообразным кислородом О2		Окисление газообразным фтором F2	
	продукт сгорания и его состояние	тепло- творность	продукт сгорания и его состояние	теплотвор- ность
Углерод С (графит) твердый	СО2 газ СО газ	7860 2470	CF4 газ	13 400
Водород газ Н2	Н2О пар	низшая 28 900	HF газ	63 400
Бор В твердый	В2О3 твердый (ниже 600°)	1-я высшая 13 950	BF3 газ	23 700
	В2О3 жидкий (600-7-1860°)	2-я высшая 13 670		
	В2О3 газ (выше 1860°)	низшая 10 700		
Магний Mg твердый	MgO твердый (ниже 2800°)	высшая 6000	MgF2 твердый	высшая 10 700
	MgO газ (выше 3600°)	низшая меньше нуля	MgF2 газ (выше 1100°)	низшая 6800
13
Продолжение
Наименование горючего элемента и состояние простого вещества	Окисление газообразным кислородом О2		Окисление газообразным фтором Fa	
	продукт сгорания и его состояние	тепло- творность	продукт сгорания и его состояние	теплотвор- ность
Алюминий А] твердый	А12О3 твердый (ниже 2050°)	высшая 7290	А1Р3твердый (ниже 1040°)	высшая 11500
	А12О3 газ (выше 2980°)	низшая 5030	A1F3 газ (выше 1260°)	низшая 10 400
Бериллий Be твердый	ВеО твердый (ниже 2520°) ВеО газ (выше 3900°)	высшая 15 000 низшая меньше нуля	BeF2 твер- дый (ниже 800°) BeF2 газ (выше 850°)	высшая 25 200 низшая 21000
Литий Li твер- дый	Li2O твердый	высшая 10 250	LiF твердый (ниже 840°)	высшая 21 100
	Li2O газ (выше 1300°)	низшая 8100	LiF газ (выше 1680°)	низшая 12 100
Из таблицы 1 видно, что при сгорании горючих элемен-
тов во фторе выделяется больше тепла, чем при сгорании в
кислороде (в расчете на 1 кг горючего); из таблицы также
видно, что с энергетической точки зрения сжигание металлов
(особенно в кислороде) может представлять интерес при
условии образования главным образом твердых, но не газо-
образных продуктов сгорания. Образование газообразных
окислов Mg и Be требует даже большей затраты тепла, чем
выделяется при их сгорании.
Теплота сгорания керосинов, бензинов, спиртов и других
органических веществ, горючими элементами которых яв-
ляются углерод и водород, при сжигании в кислороде (или
воздухе) может быть выражена так:
Он = Ст • 7860 + Нг • 28 900 - 0разлож, (2)
где Сг и Нг — выраженные в кг количества углерода и во-
дорода, содержащиеся в 1 кг горючего веще-
ства, а числа 7860 и 28 900 — их теплотвор-
ности в ккал[кг\
14
Оразлож — теплота, затрачиваемая ria разложение Мд-
лекул органических веществ с превращением
их в простые вещества: углерод — графит, га-
зообразный молекулярный водород На и т. д.
Пример. Керосин содержит 86°/о углерода и 14°/о водорода (т. е.
в 1 кг керосина содержится углерода 0,86 кг и водорода 0,14 кг). Теп-
лота, затрачиваемая на разложение молекул углеводородов, входя-
щих в состав керосина около 450 ккал/кг. Определить теплотворность
керосина
Решение. Подставляя в формулу (2) цифровые значения ве-
личин Сг, Нг, Оразлсж, находим
Он = 0,86 • 7860 + 0,14 • 28 900 — 450 = 10 350 ккал/кг.
Чем больше в топливе содержится водорода, тем выше
теплота сгорания топлива. Например, из углеводородов, вхо-
дящих в состав керосинов и бензинов, более высокую теп-
лоту сгорания имеют парафиновые углеводороды СлН2л+2,
которые содержат больше водорода по сравнению с олефи-
нами и нафтенами СлН2л примерно в 1,1 раза и по сравне-
нию с ароматическими углеводородами СлН2л-б —в 1,5—2
раза.
Если топливо содержит бор и металлы, то к формуле (2)
соответственно добавляются Вг • 13 950; А1г • 7290 и т. д. (ве-
совая доля каждого элемента умножается на его теплотвор-
ность). Если окислителем является фтор, то в выражение,
аналогичное формуле (2), подставляются значения тепло-
творности горючих элементов при взаимодействии со фто-
ром, приведенные в табл. 1.
Для большинства практически применяемых сложных
веществ теплота разложения (Ораалож), равная теплоте их
образования из простых веществ, приведена в химических
справочниках [22, 23, 27, 28 и др.]. Теплота разложения мо-
жет иметь знак минус; в этом случае на разрыв атомов
сложного вещества затрачивается меньше тепла, чем выде-
ляется при соединении этих атомов в молекулы простых
веществ.
Теплота сгорания смесей, состоящих из химически не свя-
занных между собой компонентов, может быть подсчитана
по формуле
Qcm = aQa "Ь bQb + cQc +. . .,	(3)
где а, Ь, с—весовые доли компонентов в смеси (кг! кг топлива),
Оа, Од» Qc — их теплотворности.
Теплота сгорания некоторых сложных веществ и смесей,
применяемых в качестве топлив и горючих компонентов
ракетного топлива, приведена в табл. 2.
15
о
Таблица 2
Зак. 694
Теплота сгорания некоторых топлив и горючих компонентов в ккал/кг горючего
(по данным справочников [22, 23, 27, 28], учебников и монографий [7, 8, 9, 12, 34, 36, 84], а также статей
в иностранных журналах [57, 58, 68, 95, 99, 104])
Топлива и горючие компоненты	Содержание горючих эле- ментов в кг/кг топлива		Затрата теплоты на разложе- ние	Теплота сгорания (расчетная)	
	углерод	водород		окисление кислородом О2	окисление фтором F2
Углеводороды					
Парафиновые СлН2л+2 (п = 5—18) ....	—0,845	—0,155	—1-500	10 500—10 700	20 300—20 700
Нафтены, олефины СлН2я (п = 5—18) . . .	0,857	0,143	—1-400	10 350—10 600	19 000—19 200
Бензол С6Н6 		0,923	0,077	—150	9630	17 400
Ароматические СлН2л__б (л = 7—10) . . .	—0,90	—0,10	—+150	9650—9900	18 700—18 900
Бензины 		—0,86	—0,14	—+400	10 350—10 450	19 100
Керосины			—0,86	—0,14	—+450	10 250—10 400	19 000
Спирты					
Метиловый СН3ОН		0,375	0,125	+ 1440	4650	10 700
Этиловый С2Н5ОН		0,522	0,130	+ 1780	6400	13 400
Продолжение
Зак. 695
Топлива и горючие компоненты	Содержание горючих эле- ментов в кг/кг топлива		Затрата теплоты на разложе- ние	Теплота сгорания (расчетная)	
	углерод С	водород н		окисление кислородом О2	окисление фтором F2
Азотсодержащие горючие					
Аммиак NH3		—	0,176	+975	4100	10 170
Гидразин N2H4 		—	0,125	—38	3650	7950
Ди метил гидраз ин N2H2(CH3)2		0,40	0,133	—18	7000	13 800
Триэтиламин N(C2H5)3		0,713	0,148	+416	9460	18 500
Ксилидин C6H3NH2(CH3)2		0,793	0,116	+400	9190	17 580
Борсодержащие горючие	Бор В 0,859				
Пентаборан В5Н9 			0,141	—150	15 3401	29 240
Декаборан В10Н14		0,886	0,114	+ 170	153101	28 130
Компоненты порохов					
Нитроглицерин C3H5(ONO2)3		0,158	0,022	+390	14902	—
Пироксилин [C12H30O11(ONO2)10]x .....	0,259	0,027	+790	1025 2	—
Тротил С^Н^МО^С^			0,370	0,022	+2580	9702	—
1 При образовании борного ангидрида в жидком виде.
2 Без потребления кислорода извне.
Определенная теплотворность (положительная иЛй от-
рицательная) свойственна не только горючим, но и окисли-
тельным компонентам ракетного топлива (табл. 3) [1, 8, 13,
14, 22].
Окислители в виде газообразных простых веществ (кис-
лород Ог, воздух, фтор F2) имеют нулевую теплотворность.
Именно поэтому при сгорании в воздухе учитывается только
теплотворность горючего. Но в жидком виде кислород
(t = —183°) и фтор (t = —188°) имеют теплотворность не
равную нулю, а отрицательную, так как на их испарение и
нагрев затрачивается тепло.
Теплотворность сложных окислителей так же, как тепло-
творность горючих компонентов, зависит от содержания в
них горючих элементов и от теплоты, затрачиваемой на их
разложение, и может быть подсчитана по формулам (2)
и (3). Например, для азотной кислоты HNO3 расчет дает
тепловой эффект, равный минус 200 ккал/кг, т. е. каждый
килограмм HNO3 при реакции с горючим отнимает 200 ккал.
Некоторые окислители дают дополнительное количество
тепла к тому, которое выделяется горючим, например: четы-
рехокись азота N2O4, жидкий озон Оз, перекись водорода
Н2О2-
Вода, содержащаяся в некоторых горючих и окислителях,
отнимает на свое испарение 600 ккал/кг. Следовательно, ее
расчетная «теплотворность» выражается числом минус
600 ккал/кг.
Таблица 3
Расчетная теплотворность окислителей (безводных) и воды
в ккал/кг окислителя
(по данным [22, 28, 8, 13, 14])
Наименование веществ	Содержание горючих элементов в кг 1кг топлива		Затрата теплоты		Расчетная теплотвор- ность
	углерод С	водород Н	на разло- жение	на испаре- ние и на- грев до 20—250	
Газообразный кисло- род О2 и воздух			0	0 1	0
Жидкий кислород О2 (—183°)						0	96	—96
Жидкий озон О. (-Ш°)		—	—	—730	80	+650
18
Продолжение
Наименование веществ	Содержание горючих элементов в кг/кг топлива		Затрата теплоты		Расчетная теплотвор- ность
	углерод С	водород	на разло- жение	на испаре- ние и на- грев до 20—250	
Перекись водорода Н,О2	 Азотная кислота HNO3		—	0,0588 0,0159	+ 1320 +660	0 0	+380 —200
Четырехокись азота NA						—130	0	+ 130
Тетранитрометан- С (^О2)4		0,0612		—45	0	+525
Газообразный фтор F2	—	—	0	0	0
Жидкий фтор F2 (—188°)						0	80	—80
Двухфтористый кис- лород (окись фто- ра) OF2 (—145°)			—100	75	+25
Вода (жидкая) Н2О	—	(0,711)	0	600	—600
Потребное количество окислителя. Количество кисло-
рода, потребное для полного окисления горючих элементов,
можно определить по уравнениям реакций окисления. Так,
для углерода и водорода:
уравнения реакций С+ О2-*СО2 Н2 + 7г Os -^HgO
молекулярные веса 12,01 32	2,016	г/2 • 32.
Следовательно, на 1 кг углерода идет 32 : 12, 01 = 2,66 кг
кислорода, а на 1 кг водорода — 16 : 2,016 = 7,94 — 8 кг кис-
лорода, т. е. в 3 раза больше. Из аналогичных расчетов сле-
дует, что для сгорания 1- кг металлов требуется значительно
меньше кислорода.
Количественные соотношения, в которых вещества реаги-
руют друг с другом без остатка, называются стехиомет-
рическими. Стехиометрическое отношение
кг окислителя
х =------------
кг горючего
называют стехиометрическим коэффициентом
горючей смеои. Его значения для смесей горючих элементов
с кислородом (*о) ис воздухом (*во8д) приведены в табл. 4.
2*	19
Таблица 4
Потребное количество кислорода и воздуха (содержащего 23,1°/0
по весу кислорода) для полного окисления горючих элементов в
кг окис лите ля/кг горючего
(по данным справочников [22, 28])
Горючий элемент	Атомный вес	Продукт полного окисления	Потребное количе- ство кис- лорода х0	Потребное количество воздуха *0 Хв =-Щ23Т
Водород Н 		1,008	н2о	7,94	34,4
Углерод С		12,01	СОо	2,66	ч 11,5
Литий Li		6,94	Li2O	1,15	5,0
Бериллий Be 		9,01	ВеО	1,78	7,8
Бор В		10,82	В2О3	2,22	9,6
Магний Mg		24,32	MgO	0,66	2,85
Алюминий А1		26,98	А12О3	0,89	3,85
Чтобы определить, сколько кислорода требуется для пол-
ного сгорания 1 кг топлива сложного состава, нужно знать
его элементарный состав: весовое содержание в
нем горючих элементов (Сг> Нг и т. д.), а также кисло-
рода Ог, если он содержится в горючем веществе. Очевидно,
что для полного сгорания 1 кг топлива требуется кислорода
(в кг)
х0 = Сг • 2,66 + Нг • 7,94 — Ог.	(4)
Пример. Для сгорания 1 кг керосина, состоящего из 0,86 кг угле-
рода и 0,14 кг водорода, необходимо кислорода *0 = 0,86 • 2,66 +
+ 0,14 • 7,94 = 3,40 кг.
Чем больше водорода в топливе, тем больше кислорода
нужно для его полного сгорания (табл. 5).
При сгорании спирта или другого содержащего кислород
горючего часть потребного количества кислорода поступаег
из самого горючего; соответственно меньшее его количество
потребляется извне. Невелико потребное количество кисло-
рода и для горючих, содержащих азот, так как он при сго-
рании топлива не окисляется, а переходит в свободное состоя-
ние— образует молекулы №.
Если топливо содержит бор и металлы, то к формуле (4)
соответственно добавляются члены Вг • 2,22; А1г • 0,89 и т. д.
(согласно табл. 4).
20
Таблица 5
Потребное количество кислорода и воздуха (содержащего 23,1о/о по
весу кислорода) для полного окисления некоторых горючих
в кг окис лителя/кг горючего, рассчитанное по формуле (4)
на основании данных таблицы 4
Горючее (безводное)	Элементный состав в кг/кг			Потребное количе- ство кис- лорода хо	Потребное количе-г ство воз- духа хвозд
	углерод С	водород	другие элементы		
Углеводороды Парафиновые СлН2л_|_2 (л — &—18)	—0,845	—0,155		—3,49	—15,05
Нафтены, олефины С„Н2„		0,857	0,143			3,43	14,78
Бензол С6Нб ...»	0,923	0,077	—	3,08	13,26
Ароматические —б(Л “ 7—Ю)	—0,90	—0,10	___	—3,20	—13,8
Бензины, керосины	—0,86	—0,14	—	—3,40	—14,7
Спирты Метиловый СН3ОН	0,375	0,125	Кисло- род О 0,500	1,50	6,47
Этиловый С2Н5ОН	0,522	0,130	0,348	2,09	9,00
Азотсодержащие горюше Аммиак NH3 ....		0,176	Азот N 0,824	1,41	6,07
Гидразин N2H4 . . .	—	0,125	0,875	1,00	4,31
Диметилгидразин N2H2 (СН3)2 ....	0,400	0,133	0,467	2,10	9,07
Триэтиламин N(CaH5)3		0,713	0,148	0,139	3,09	13,33
Ксилидин C6H3NH2(CH3)2 . .	0,793	0,116	0,091	3,04	13,06
Бо рсодержащие горючие Пентаборан В5Н9 . .		0,141	Бор В 0,859	3,03	13,10
Декаборан В10Н14. .	—	0,114	0,886	2,88	12,45
21
В воздушно-реактивных и поршневых двигателях для
сжигания топлива используется воздух. Он содержит 23,1%
кислорода (по весу), т. е. в 1 кг воздуха содержится 0,231 кг
кислорода. Следовательно, потребное количество воздуха 1
*возд =	, т. е, в 4,33 раза больше потребного коли-
чества кислорода. Для приведенного выше примера сгора-
ния 1 кг керосина оно равно хвозд =	= 14,7 кг.
В качестве окислителей ракетного топлива часто исполь-
зуются кислородсодержащие соединения — азотная кис-
лота HNO3, перекись водорода Н2О2 и др. Они, как и воздух,
представляют собой «разбавленный» кислород. Следова-
тельно, их требуется больше, чем кислорода:
где Оок— вес кислорода, который отдает горючему 1 кг окис-
лителя. Его можно подсчитать по уравнениям соответствую-
щих реакций.
Пример. Азотная кислота отдает кислород на окисление горючего
по уравнению:
2HNO3-> Н2О + N2 + 50
2 • 63 = 126 кг 5-16 = 80 кг.
Отсюда следует, что О о* = 80 : 126 = 0,635 кг кислорода/кг кислоты.
Следовательно, для сгорания керосина, на каждый килограмм которого
идет 3,40 кг кислорода (см. табл. 5), необходимо азотной кислоты
- ХО 3,40
хнмп = —— = —:--------=	5,36	кг,
Н№.	06з5	о,635
что в 1,58 раза больше потребного количества чистого кислорода.
Если окислитель содержит воду (например, 98% азотная
кислота содержит 2% воды), нужно ввести поправку на кон-
центрацию окислителя (обозначим ее К%):
(5Э
w К °/о Оок
В случае использования в качестве окислителя фтора F2
в расчетах нужно исходить из того, что атомный вес
1 В курсах двигателей его обычно обозначают Lq.
22
фтора (19,00) в 1,19 раза больше, чем кислорода, и что он
одновалентен, т. е. для окисления горючего нужно в 2 раза
больше атомов F, чем двухвалентных атомов О. Следова-
тельно, фтора требуется в 1,19-2 = 2,38 раза больше, чем
кислорода. Из аналогичных рассуждений следует, что
одновалентного хлора с атомным весом 35,5, который
также обладает окислительными свойствами, требуется в
4,4 раза больше, чем кислорода.
Соотношения между потребным количеством некоторых
окислителей и потребным количеством кислорода приведены
в табл. 6.
Таблица 6
Окислительная эффективность и потребное количество окислителей
по сравнению с кислородом, рассчитанные по формулам (5) и (5')
Окислитель	Отдача окислительных элементов в кг на 1 кг окислителя		Окисли- тельная эффектив- ность хо /хок	Потребное количе- ство по отношению к кисло- роду хок^*о
	О	F		
Кислород О2		1			1	1
Воздух 23,1о/о О2		0,231	—	0,231	4,33
Азотная кислота ЮОо/0 HNO3	0,635	—	0,635	1,58
Азотная кислота 98о/о HNO3	0,623	—	0,623	1,61
Четырехокись азота N9O4 . .	0,696	—	0,696	1,44
Тетранитрометан C(NO2)4 . .	0,49	—	0,49	2,04
Перекись водорода 1ОО«/о Н2О2	0,47	. —	0,47	2,13
Перекись водорода 9Оо/о Н2О2	0,423	—	0,423	2,36
Перекись водорода 85о/о Н2О2	0,399	—	0,399	2,51
Перекись водорода 80<*/0 Н2О2	0,376	—	0,376	2,66
Фтор жидкий F2		—	1	0,42	2,38
Двухфтористый кислород (окись фтора) OF2		0,457	0,543	0,685	1,46
Реальный состав горючей смеси в двигателях обычно от-
личается от стехиометрического. Его принято выражать
коэффициентом избытка окислителя (или
воздуха, если он служит окислителем) а — отношением дей-
ствительного количества окислителя (или воздуха) в смеси
к стехиометрическому. При а = 1 (стехиометрическая
смесь) обеспечивается полное сгорание топлива без остатка
23
избыточного окислителя. При а > 1 (бедная смесь) после
полного окисления горючего остается избыток окислителя.
При а< 1 (богатая смесь) из-за недостатка окислителя про-
исходит неполное сгорание, продукты сгорания содержат
окись углерода СО (угарный газ), иногда свободный угле-
род (сажу), водород Нг, простейшие углеводороды и другие
способные гореть вещества.
Продукты сгорания. Газообразные продукты сгорания
служат рабочим телом, при помощи которого в двигателе
тепловая энергия превращается в механическую. От количе-
ства и температуры образующихся газов зависят тяга, эко-
номичность и надежность двигателя. Образование большего
объема газов обеспечивает более высокую скорость их исте-
чения из сопла двигателя и, следовательно, большую тягу.
При одной и той же скорости истечения выгоднее те про-
дукты, температура которых оказывается более низ-
кой. Это снижает частичный распад продуктов сгорания
(диссоциацию), поглощающий тепло и ухудшающий эконо-
мичность двигателя, а также уменьшает опасность разруше-
ния материалов горячей части двигателя.
Объем и температура газов зависят от состава сжигае-
мого топлива. Приведенный к нормальным условиям
(760 мм рт. ст., 0°С) объем газов, образуемый при сгора-
нии 1 кг топлива, называется газообразованием (Угаз )• Его
можно подсчитать, зная, что 1 кг-молх любого газа при нор-
мальных условиях имеет объем 22,4 м3 (точнее, 22 415 л),
так как состоит из одинакового числа молекул (закон Аво-
гадро). В 1 кг вещества содержится —кг-мол, где р — моле-
Iх
кулярный вес.
Следовательно, его объем в нормальных литрах (ял),
приведенных к условиям 760 мм рт. ст., 0° С:
V — 22 415
У газ—	•	(Ь)
Р-
В табл. 7 дан подсчитанный по формуле (6) нормаль-
ный объем 1 кг важнейших газов, которые могут содер-
жаться в продуктах сгорания. В той же таблице приведен
объем газа, получаемый при сгорании 1 кг горючего эле-
мента, образующего соответствующий продукт сгорания.
1 Кг-мсл—количество килограммов вещества, численно равное
его молекулярному весу.
24
Таблица 7
Газообразование при сгорании важнейших горючих элементов,
нормальный объем некоторых газов и количество тепла, выделяемое
на 1 нл газов (без учета диссоциации), рассчитанные
по формуле (6)
Химический элемент	Продукт сгорания или газ, содержа- щийся в продуктах сгорания	Молеку- лярный вес	Объем в нормальных литрах (760мм рт. ст., 0°С)		Количе- ство тепла, выделяе- мого на 1 на газа в ккал
			1 кг продуктов сгорания	газа, обра- зуемого после сгорания из 1 кг элемента	
Углерод С	Углекислый газ СО2		44,01	509	1865	4,22
	Окись углерода1 СО		28,01	800	1865	1,32
	Четырехфтори- стый углерод cf4		88,01	255	1865	7,2
Водород Н	Водяной пар Н2О	18,02	1243	11 120	2,6
	Фтористый водо- род HF . . . .	20,01	1119	22 230	2,85
	Водород1 Н2 . . .	2,02	—	И 120	—
Азот N	Азот N2		28,02	—	800	
Кислород О	Кислород2 О2 . .	32	—	701	—
Бор В	Борный ангидрид В2О3 (свыше I8600)	....	69,64	322 .	1035	10,3
	Фторид бора BF3	67,82	330	2070	11,5
Из таблицы видно, что водород при сгорании образует
значительно больший объем газов, чем углерод. Высококипя-
щие продукты сгорания металлов на выходе из двигателя,
по-видимому, будут твердыми или жидкими (газообразова-
ние— нуль). Тепло, выделенное при их образовании, пойдет
на нагрев газообразных продуктов сгорания других эле-
ментов.
Газообразование различных топлив сложного состава
(табл. 8) вычисляется по газообразованию составляющих
их элементов.
1 При неполном сгорании топлива (например, при а<1).
2 При избытке окислителя (а > 1).
25
Таблица 8
Газообразование при сгорании различных топлив и количество тепла
выделяемое на 1 нл газа (без учета диссоциации),
рассчитанные по формуле (6) и данным таблицы 7*
	С кислородом			Со фтором		
	газообразова- UU0 п ин		О) •я	газообразова- UUA П W Л		о
Горючее вещество	ПИС D ПЛ (760 мм pm, cm., 0°С)		гепла, bi нл газа	ПИС D пл (760 мм pm. cm.. 0°С)		гепла, bi нл газа
	кг горю-			।		
		i £ S X £ ® 0 § н s 2	1чество * лое на 1 ал	2 2	j 1 кг сте- юметриче- сой смеси > фтором	5я о « В* О Q
	о	*со X О	ч	о		-ч 5
	X ЙГ	X X о X	X ч Я	х аг	SXUU	X ч я
Углеводороды						
Парафиновые СлН2л , 2	3400	760	—3,12	5015	540	—4,08
Нафтены, олефины СлН2я . .	3190	720	—3,28	4780	520	—4,00
Бензол С6Н6		2580	630	—3,74	3430	412	—5,08
Ароматические СлН2л__6	2790	665	—3,51	3900	450	—4,82
Бензины . . . ,		3160	720	—3,19	4720	520	—4,06
Керосины 		3160	720	—3,16	4720	520	—4,03
Спирты						
Метиловый СН3ОН ....	2440	980	1.91	2785	610	3,84
Этиловый С2Н5ОН	 Азотсодержащие горючие	2660	860	2,41	3370	565	3,98
Аммиак NHq	 Гидразин N2H< 	 Диметилгидразин N2H2(CH3)2		2620	1010	1,56	4580	1050	2,22
	2090	1045	1,74	3480	1030	2,28
	2610	840	2,68	4090	680	3,38
Триэтиламин N(C2H5)3 . . . Ксилидин C6H3NH2 (сН3)2	3090	755	3,07	4740	570	3,91
	2740	680	3,35	4230	515	4,16
Борсодержащие горючие Пентаборан В5Н9 		2460	830	5,48	4920	865	6,00
Декаборан В1ОНИ		2190	795	5,88	4350	840	6,48
	(при	/> 1860°)				
Компоненты порохов	Из					
	1 кг ком- понен-					
	та					
Нитроглицерин С3Н5 (ONO2)3 Пироксилин	715	—	2,09	—	—	—
fC24N30°ll	Ь • • • • Тротил С6Н2 (NO2)3CH3 . . .	880	—	1,16	—	—	—
	1020	— •	0,95	—	—	—
* Gm. литературные источники, указанные в табл. 2 (стр. 16).
26
Газообразование имеет особенно важное значение для
ракет н^ы х двигателей, так как их рабочее тело со-
стоит целиком из продуктов сгорания топлива (в воздушно-
реактивных двигателях оно более чем на 7О°/о обычно со-
стоит из азота воздуха). Из табл. 8 видно, что наибольшее
газообразование (в расчете на 1 кг смеси) дают аммиак и
гидразин, затем диметилгидраэин и спирты при сжигании с
кислородом, бораны при сжигании с кислородом и особенно
со фтором, а также твердые топлива — пироксилин и
тротил.
Температура продуктов сгорания зависит
от количества сообщенного им тепла и от количества обра-
зующихся газов и их теплоемкости. Теплота, теоретически
равная теплотворности топлива QH, идет на нагрев газов,
образуемых при сгорании 1 кг топлива, объем которых выра-
жается газообразованием УГаз в нормальных литрах. Следо-
вательно, каждому нормальному литру газа сообщается теп-
Он
лота ——, и нагрев газа при сгорании будет
Vraa
Д/ог=-^.	(7)
VraaSp
где с'р — теплоемкость 1 нл газа при постоянном давлении.
Теплоемкости 1 нормального литра различных газов мало
отличаются друг от друга, а для газов с одинаковой струк-
турой молекул почти одинаковы (в то время как теплоемко-
сти 1 кг различных газов отличаются друг от друга в не-
сколько раз). Разница в газообразовании при сгорании топ-
лив различного состава обычно более резкая, чем разница
теплотворности топлива и объемной теплоемкости газов. По-
этому влияние газообразования на температуру продуктов
сгорания оказывается решающим. Чем больше газообра-
зование, тем меньше тепла получит каждый нормальный
литр газа, тем ниже температура газа. Так, топлива, содер-
жащие больше водорода, благодаря большому газообразо-
ванию дают более низкую температуру сгорания, что благо-
приятно сказывается на работе двигателя. Поэтому, напри-
мер, парафиновые углеводороды СлН2л+2 имеют более
низкую температуру горения (на 50—100° и более), чем
ароматические углеводороды СлН2п-б.
При высоких температурах (выше 1800—2000° С) газооб-
разные продукты сгорания частично распадаются
27
(диссоциируют) на простые вещества, радикалы (осколки
молекул) и атомы:
СО2 СО + -^ О3 — 1540 ккал/кг-,
СО ->• С 4- у Оа — 1060 ккал)кг-,
Н2О -► Н2 + у Оа — 3220 ккал)кг-,
НаО -> ОН + у На — 570 ккал[кг-,
Оа -► О + О — 3640 ккал/кг-,
Na -> N + N — 6050 ккал/кг-,
На->Н + Н — 51300 ккал[кг.
Кроме того, возникают обменные химические процессы,
требующие затраты тепла, например:
Na + О2 -> 2NO — 360 ккал/кг-,
СО + НаО -> СОа + Н2 — 220 ккал]кг.
Реакции термической диссоциации отнимают часть
тепла, выделенного при сгорании топлива. Чем выше темпе-
ратура продуктов сгорания, тем больше потери тепла на дис-
социацию. Снижение теплового эффекта сгорания топлива
из-за диссоциации может быть очень значительным, особенно
при низких давлениях (рис. 4).
Большее газообразование, обеспечивающее более низ-
кую температуру газов, способствует уменьшению
диссоциации и позволяет лучше использовать тепловую
энергию топлива. При соответственно одинаковой темпера-
туре меньше поддаются диссоциации двухатомные молекулы
(СО, HF, № и др ), больше — трехатомные (СО2, НгО) и
особенно многоатомные (например, CF«, ВзОз). Из всех топ-
лив наименьшие потери на диссоциацию получаются при
сгорании аммиака и гидразина со фтором, в результате ко-
торого образуются только двухатомные продукты HF и №.
Несмотря на низкую теплотворность, эти топлива вследствие
большого газообразования и малой диссоциации позволяют
получить наибольшую тягу двигателя [8, 57, 66].
28
Рис. 4. Тепловой эффект сгорания керосина с учетам диссоциа-
ции продуктов сгорания [16]
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОПЛИВ
Качество топлива определяется не только его энергетиче-
скими характеристиками, но и такими физико-химическими
свойствами, как плотность, вязкость, испаряемость, химиче-
ская стабильность и др. Для керосинов и бензинов, энерге-
тические характеристики которых почти одинаковы, физико-
химические свойства играют решающую роль при
определении возможности и условий применения. Так, от
плотности топлива зависит максимальный его запас в баках
летательного аппарата и, следовательно, дальность полета,
29
от вязкости — подача топлива в камеры сгорания и т. д.
Нормы на физико-химические свойства каждого топлива
установлены ГОСТ или техническими условиями.
Плотность. Плотностью называется масса вещества, за-
ключенная в единице его объема. Поскольку масса 1 л воды
при 4° точно равна 1 кг, численное значение плотности, вы-
раженное в кг!л (г/мл), равно отношению массы (или веса)
какого-либо объема вещества к массе (или весу) такого же
объема воды, имеющей температуру 4°. В практике плот-
ностью нефтепродуктов обычно называют безразмерную ве-
личину этого отношения. Ее обозначают , где t — темпе-
ратура продукта, при которой определена его плотность,
а 4 — температура воды в 0 С, по отношению к которой вы-
ражена плотность.
При повышении температуры плотность, как правило,
уменьшается, а при понижении — увеличивается. Изменение
плотности Др при изменении температуры на Д/° можно под-
считать, взяв из справочных таблиц величину температурной
поправки плотности данного вещества наЛ°, которая обозна-
чается буквой у,
Поправка Др вычитается из значения плотности в том
случае, если температура вещества повысилась, и прибав-
ляется, если температура понизилась. Величина 7 для нефте-
продуктов находится в пределах 0,0005—0,0009 (табл. 9) [31].
Таблица 9
Средние температурные поправки плотности нефтепродуктов
Др = уД/.
(8)
Плотность	Температурная поправка на 1°	Плотность	Температурная поправка на 1°
0,6900—0,6999	0,000910	0,8500—0,8599	0,000699
0,7000—0,7099	0,000897	0,8600—0,8699	0,000686
0,7100—0,7199	0,000884	0,8700—0,8799	0,000673
0,7100—0,7299	0,000870	0,8800—0,8899	0,000660
0,7300—0,7399	0,000857	0,8900—0,8999	0,000647
0,7400—0,7499	0,000844	0,9000—0,9099	0,000633
0,7500—0,7599	0,000831	0,9100—0,9199	0,000620
0,7600—0,7699	0,000818	0,9200—0,9299	0,000607
0,7700—0,7799	0,000805	0,9300—0,9399	0,000594
0,7800—0,7899	0,000792	0,9400—0,9499	0,000581
0,7900—0,7999	0,000778	0,9500—0,9599	0,000567
0,8000—0,8099	0,000765	0,9600—0,9699	0,000554
0,8100—0,8199	0,000752	0,9700—0,9799	0,000541
0,8200—0,8299	0,000738	0,9800—0,9899	0,000528
0,8300—0,8399	0,000725	0,9900—1,0000	0,000515
0,8400—0,8499	0,000712		
30
Плотность различных жидкостей обычно указывают при
температуре +20°. Если известна плотность при другой тем-
пературе р4,то по ее значению можно вычислить плотность
при 20° по формуле
pf = Pi +т(/- 20).
(9)
Плотность жидкостей измеряют
при помощи ареометра — стеклян-
ного прибора, погружаемого в ци-
линдр с жидкостью (рис. 5), при
этом чем меньше плотность жидко-
сти, тем глубже в нее погружается
ареометр. Отсчитывают плотность
по делению, находящемуся у верх-
него края мениска жидкости. В ниж-
ней части ареометра обычно распо-
ложен термометр.
Плотность численно почти совпа-
дает с удельным весом — весом еди-
ницы объема вещества (с точностью
±0,2%). Это позволяет по объему
Vt и плотности pz4 (замеренных
при одной и той же темпера-
туре /) находить вес продукта
G = V^.
Вязкость. Вязкостью называется
свойство жидкости оказывать сопро-
тивление при перемещении одной ее
части относительно другой. Иначе
говоря, вязкость — это внутреннее
трение между частицами жидкости;
при ее количественном выражении
пользуются понятиями динамической
и кинематической вязкости.
Динамической вязко-
стью (т)) называется сила со-
противления, возникающая при вза-
имном перемещении параллельных
слоев жидкости площадью 1 см2 со
скоростью 1 см/сек, находящихся на
расстоянии 1 см друг от друга
(рис. 6). Единица динамической вяз-
Рис. 5. Ареометр, погру-
женный в цилиндр с
жидкостью
31
кости пуаз соответствует силе сопротивления при указанных
условиях, равной 1 дине \ Динамическая вязкость характе-
ризует силы сопротивления, возникающие при тече-
нии жидкости.
Вязкостные свойства жидкости с точки зрения скорости
течения характеризуются кинематической вязко-
стью (у) — отношением динамической
вязкости жидкости к ее плотности при
той же температуре
(ю)
Р4
Чем выше плотность • жидкости, тем
истечение ее под действием силы тяжести
происходит быстрее.
Так, ртуть, динамическая вязкость ко-
торой несколько больше, чем воды, но
Рис. 7. Капил-
лярный виско-
зиметр
*—
Сила, равная Ц Скорост слоев
--- S'-	-----жидкости
zzSS /7лоща&ь
7СМ2
1см/сек
Неподвижный
слойжидхостпи
Рис. 6. Схема к определению понятия
динамической вязкости и метрических
единиц вязкости
плотность в 13,6 раза выше плотности воды, вытекает из пу-
зырька вискозиметра (рис. 7) приблизительно в 11 раз бы-
стрее воды. Ее кинематическая вязкость в 11 раз меньше чем
у воды.
Единица кинематической вязкости стокс соответствует ди-
намической вязкости в 1 пуаз при плотности 1 г!см\ В прак-
тике же пользуются обычно единицей в 100 раз меньше
стокса — сантистоксом (сст). Вязкостью в 1 сст обладает
вода при 20,2°. Измерение кинематической вязкости произ-
1 Диной называется сила, придающая массе в 1 г ускорение
I см/сек?.
32
водится по времени т истечения жидкости из пузырька вис-
козиметра (между метками а и б). Расчет производится по
формуле v = Ст, где С — постоянная вискозиметра, извест-
ная из тарировки вискозиметра дистиллированной водой при
20,2°:
Тводы
Вязкость возрастает с понижением темпе-
ратуры, причем растет тем резче, чем ниже тем-
пература.
Испаряемость. Испаряемостью жидкости называется спо-
собность ее переходить в газообразное или парообразное со-
стояние. Она характеризуется давлением насыщенных паров,
температурой кипения (для химически однородных жидко-
стей) и фракционным составом (для жидкостей сложного
состава).
При испарении жидкости в замкнутом сосуде одновре-
менно идет противоположный испарению процесс конденса-
ции: часть молекул из паров, ударяясь о поверхность жидко-
сти, снова попадает в нее. Чем выше давление паров над
жидкостью, тем интенсивнее идет процесс конденсации. При
достижении некоторого давления паровое пространство над
жидкостью насыщается и наступает динамическое рав-;
новесие: число молекул, покидающих пределы жидкости,
оказывается равным числу возвращающихся в нее молекул.
Видимый процесс испарения прекращается.
Наибольшее давление пара, находящегося*,
над жидкостью, которое устанавливается при и с п а р e-j
нии в замкнутом сосуде, называется давлением
насыщенного пара. Оно измеряется манометром обычно при
температуре 38°.
Чем выше температура жидкости, тем
выше давление насыщенного пара. Когда по-
следнее достигает внешнего (например, атмосферного) дав-
ления, происходит кипение — испарение внутри
объема жидкости, точнее — образование и выделение
из объема жидкости пузырьков пара. Пар уносит с собой
тепловую энергию, которая подводится к кипящей жидкости.
Химически однородная жидкость при постоянном давлении
кипит при постоянной, характерной для нее темпера-
туре. С понижением внешнего давления температура кипе-
ния падает, а с повышением — возрастает.
3 Зак. 694
33
Кипение топлива, представляющего собой смесь (ра-
створ) различных веществ (например, различных углеводо-
родов), идет не при постоянной температуре. Температура
начала кипения такого топлива выше температуры кипения
самого низкокипящего из входящих в него веществ. После
начала кипения из раствора испаряются в первую очередь
низкокипящие вещества, поэтому температура кипения по-
степенно повышается. При испарении низкокипя-
щие вещества увлекают за собой высококипящие, поэтому
температура конца кипения оказывается ниже, чем темпе-
ратура кипения самого высококипящего вещества.
^Термометр
Рис. 8. Прибор для фракционной разгонки топлив
Испаряемость такого топлива характеризуют фракцион-
ным составом, т. е. пределами температуры вы-
кипания различных объемных долей (фракций)
топлива. Характерными точками фракционного
состава обычно считаются температура начала кипения, тем-
пература выкипания ЮТ/о, 5О°/о, 9О°/о объема топлива и тем-
пература конца кипения (или выкипания 97,5—98°/о топ-
лива).
Фракционный состав определяют путем перегонки топ-
лива (прибор для перегонки изображен на рис. 8). Пары
выкипевшей жидкости проходят через холодильник, а образу-
ющийся конденсат стекает в мерный цилиндр. График раз-
гонки изображают в виде зависимости между процентной
34
долей выкипевшей жидкости и температурой (рис. 9). Чем
круче кривая разгонки, тем однороднее жидкость.
Замерзание. В охлаждаемой жидкости при некоторой
температуре начинается кристаллизация. Если жид-
кость химически однородна, то ее кристаллизация идет при
постоянной, характерной для нее температуре — тем-
пературе замерзания, несмотря на охлаждение
(отвод тепла). Это объясняется выделением тепловой энер-
гии при образовании кристаллов.
Рис. 9. Кривые разгонки (фракционного состава) некоторых топлив
Обычно температура замерзания совпадает с температу-
рой плавления кристаллов. Однако часто имеет место пере-
охлаждение жидкости — кристаллизация начинается при
температуре ниже температуры плавления кристаллов (ино-
гда на несколько десятков градусов). Зародышами первых
кристаллов обычно бывают мельчайшие твердые частицы
механических примесей, и если их нет в жидкости, то процесс
кристаллизации задерживается.
Топливо, представляющее собой смесь таких веществ,
которые неограниченно растворимы друг в
друге как в жидком, таки в твердом состоянии
(например, смесь углеводородов), кристаллизуется не при
постоянной температуре, а постепенно по мере пони-
жения температуры. Вначале кристаллизуются вещества с
высокой температурой замерзания, затем — с более низкой.
При этом температура начала кристаллизации топлива (по-
явления первых кристаллов) ниже температуры замерза-
ния самого легкозамерзающего из содержащихся в топ-
ливе веществ; она тем ниже, чем меньше легкозамерзающего
з*
35
вещества в топливе. В низкозамерзающем топливе не
опасно наличие небольшого количества углеводородов
с высокой, даже положительной температурой замерзания
(бензола, циклогексана). Температура, при которой все топ-
ливо окончательно кристаллизуется, оказывается выше
температуры замерзания самого низкозамерзающего ком-
понента.
Появление даже единичных кристаллов в топливе может
привести к опасным последствиям. Поэтому для характери-
стики топлив принято определять температуру начала кри-
сталлизации, при которой в охлаждаемом топливе нево-
оруженным глазом обнаруживаются пер-
вые кристаллы. Для этого топливо охлаждают в про-
бирке с двойными стенками, со вставленным в нее термоме-
тром и мешалкой. Пробирку погружают в теплоизолирован-
ный сосуд с охлаждающей смесью (например, в спирт, ох-
лажденный твердой углекислотой) и, периодически вынимая,
просматривают на свет.
При температуре на несколько градусов выше темпера-
туры начала кристаллизации топливо обычно мутнеет,
так как из него выделяются микрокристаллы углеводородов
или льда. Эта температура называется температурой
помутнения.
Составные части некоторых веществ в жидком состоянии
полностью растворяются друг в друге, но при переходе в
твердое состояние оказываются взаимно нераствори-
мыми или ограниченно растворимыми один в
другом. Такими свойствами, в частности, обладают некото-
рые окислители ракетного топлива: раствор четырехокиси
азота в азотной кислоте, растворы: азотная кислота — вода,
перекись водорода — вода [7, 8, 13, 73]. При некотором
процентном составе температура замерзания такого раствора
оказывается наиболее низкой (значительно
ниже, чем температура замерзания каждого индивидуаль-
ного вещества, входящего в раствор, см. рис. 28). Состав
этот называется эвтектическим (от греческого слова «эвтек-
тос» — легкоплавящийся). Он замерзает в виде чередую-
щихся пластинчатых кристаллов входящих в раствор ве-
ществ. С увеличением содержания каждого вещества (по
сравнению с эвтектическим составом) температура начала
кристаллизации постепенно повышается, приближаясь при
100% его концентрации к температуре замерзания соответ-
ствующего вещества.
Используя это свойство растворов, получают низкозамер-
36
эающие топлива и топливные компоненты из веществ, имею-
щих более высокую температуру замерзания.
Физическая однородность. Физически однородными счи-
таются такие жидкие топлива, которые нельзя разделить на
составные части механическим путем (отстаиванием, филь-
трацией, центрофугированием). Неоднородность топлива мо-
жет выражаться наличием в нем взвешенных твердых ча-
стиц— механических примесей или капелек воды.
Механическими примесями в топливе счита-
ются все вещества, образующие осадок или находящиеся во
взвешенном состоянии, которые задерживаются на фильтре
при пропускании через него топлива (например, пыль, про-
дукты коррозии и т. д.).
При контроле топлива на механические примеси обычно
пользуются бумажным фильтром, причем топливо для уско-
рения фильтрации разбавляют чистым горячим бензином.
Количество механических примесей устанавливают путем
взвешивания просушенного фильтра до и после фильтрации
на аналитических весах.
Часто пользуются и таким простым способом обнаруже-
ния механических примесей в топливе: в стеклянный цилиндр
наливают топливо и просматривают его на свет.
Топливо, содержащее нерастворенную воду,
также выглядит мутным; в дальнейшем в нем появляется
водный отстой. Кристаллики замерзшей воды при просмотре
цилиндра с топливом на свет хорошо заметны. Раство-
ренная вода в топливе не видна; она определяется
путем реакции с гидридом кальция СаНг, при которой вы-
деляется водород (количество водорода пропорционально
содержанию воды в топливе).
Химическая стабильность. Под химической стабильностью
понимается способность топлива химически не изме-
няться вплоть до поступления в камеру сгорания.
Совершенно стабильных топлив не существует. Однако
входящие в состав керосинов и бензинов углеводороды всех
групп, за исключением непредельных, практически
стабильны. Непредельные же углеводороды
легко присоединяют кислород, полимеризуются (их моле-
кулы соединяются друг с другом) и превращаются в
смолы. При высоких температурах (порядка 150—200°)
образуются еще более опасные твердые осадки —
шламы.
Содержание малостабильных непредельных углеводоро-
дов в топливах определяется по йодному числу. При обра-
37
Рис. 10. Де-
лительная
воронка
ботке топлива йодом он присоединяется к непредельным
углеводородам. Йодным числом называется вес йода
(в граммах), присоединившегося к 100 г топ-
лива. Процент непредельных углеводородов в керосинах
приблизительно равен 0,7 йодного числа, а в бензинах —
0,4 йодного числа.
Непосредственным показателем склонности топлива к
смолообразованию^ служит содержание в нем фак-
тических смол — количества миллиграммов твердых
или полутвердых нелетучих веществ, остающихся после вы-
паривания 100 мл топлива под струей воздуха
при нагреве до 150°.
Невысокой стабильностью отличается тет-
раэтилсвинец — присадка, вводимая в
бензины для обеспечения бездетонационного
сгорания. Под действием кислорода воздуха,
света, тепла и контакта с металлами он разла-
гается и окисляется, образуя белый оса-
док или взвешенную в топливе муть.
Другой характер нестабильности — разло-
жение с выделением газов — свойствен
концентрированным окислителям ракетного то-
плива — азотной кислоте и перекиси водорода
[7, 19, 80].
Коррозионные свойства. Углеводороды, вхо-
дящие в состав керосинов и бензинов, не обла-
дают коррозионной активностью. Носителями
коррозионной активности являются содержа-
щиеся в них примеси. Наиболее опасно на-
личие в топливе неорганических во-
дорастворимых кислот, щелочей
(которые могут остаться в топливе в резуль-
тате плохой его промывки в процессе произ-
водства) и свободной серы.
Водорастворимые кислоты и щелочи обна-
руживаются при взбалтывании топлива вместе
с водой в делительной воронке (рис. 10). Вод-
ную вытяжку (нижний слой в воронке) спускают и прове-
ряют при помощи индикаторов: метилового оранже-
вого (в присутствии кислоты метилоранж меняет желтый
цвет на розовый) и фенолфталеина (в присутствии щелочи
фенолфталеин из бесцветного делается малиновым).
Свободную серу в топливе можно обнаружить испыта-
нием на медной пластин, к е. Очищенная медная
38
пластинка погружается в топливо, нагретое до 50°, на
3 часа. При наличии серы пластинка покрывается черными,
темно-коричневыми или серыми пятнами.
Меньшее коррозионное действие на металлы оказывают
органические кислоты, не полностью удаленные из
топлива при его производстве и образующиеся в нем при
длительном хранении. Их содержание в топливе (кислот-
ность) выражается количеством миллиграммов щелочи
(едкого кали КОН), которое нейтрализует (превращает в
мыла и другие соли) кислоты, содержащиеся в 100 мл топ-
лива. При проверке топлива на содержание в нем органиче-
ских кислот их предварительно переводят в кипящий ней-
трализованный этиловый спирт (в воде они не растворяют-
ся), а затем добавляют в раствор едкое кали до окончания
реакции с кислотами (до появления бледно-малиновой
окраски введенного в спирт фенолфталеина).
Из соединений серы наиболее опасны в коррозионном
отношении меркаптаны C„HmSH — тяжелые жидкости
с резким неприятным запахом. С цветными металлами они
образуют слизистые осадки — меркаптиды. Содержание
меркаптановой серы в топливе проверяют путем обработки
его аммиачным раствором сернокислой меди (аммиак уси-
ливает синюю окраску раствора). Медь присоединяется к
меркаптанам, и раствор обесцвечивается. Содержание мер-
каптановой серы подсчитывают по количеству сернокислой
меди, добавляемой до тех пор, пока раствор не перестанет
обесцвечиваться.
Другие соединения серы, содержащиеся в топливах, н е-
посредственно не вызывают к о р р о з и и метал-
лов. Но при сгорании любых соединений серы обра-
зуется сернистый газ SO2, который с кислородом воздуха и
влагой может превратиться в коррозионноактивную серную
кислоту (SO2 + Ог + Н2О H2SO4). Общее содержа-
ние серы, способной вызвать коррозию металлов при их кон-
такте с продуктами сгорания, находят путем сжигания топ-
лива и определения количества сернистого газа в продуктах
сгорания.
Разрушению жаростойких сплавов, соприкасающихся с
горячими продуктами сгорания топлива, может способство-
вать наличие в топливе ничтожно малых количеств (тысяч-
ных долей процента) ванадия и некоторых других ме-
таллов. По-видимому, их окислы служат переносчиками кис-
лорода, разрушающего жаропрочные стали [44].
39
Весьма коррозионноактивны почти все окислители
ракетных топлив [73, 80].
Нагарообразование. Наибольшую склонность к образо-
ванию углистого нагара проявляют ароматические
углеводороды, содержащие компактную, трудно разру-
шаемую группировку из 6 или 10 атомов углерода. Содержа-
ние ароматических углеводородов в топливе определяется по
уменьшению его веса после обработки концентрированной
серной кислотой, с которой они соединяются и выпадают.
Углистые нагары образуют также содержащиеся в топливе
смолы и высококипящие углеводороды.
Находящиеся в топливе микропримеси металлов при сго-
рании образуют, как правило, твердую золу. Весовой про-
цент неорганических веществ, которые образуют остаток по-
сле выпаривания и прокаливания топлива, называется
зольностью.
В бензинах, содержащих добавку тетраэтилсвинца, зна-
чительное нагарообразование (белый нагар) дают окислы
свинца.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТОПЛИВАМ
От качества топлива в той или иной степени зависят лег-
кость запуска двигателя, быстрота его прогрева и
перехода на рабочий режим (приемистость), разви-
ваемая двигателем тяга (или мощность), экономич-
ность двигателя, устойчивость его работы, на-
дежность в течение установленного для него ресурса
(срока службы). В связи с этим топливо должно обеспечи-
вать при любых эксплуатационных условиях возможно луч-
шее протекание процессов подачи, смесеобразования, сгора-
ния, удаления продуктов сгорания из двигателя, не вызывая
при этом перегрева деталей, коррозии, загрязнения двига-
теля.
С точки зрения обеспечения большей дальности и про-
должительности полета желательно, чтобы в ограниченном
объеме топливных баков помещалось возможно большее ко-
личество топлива.
При транспортировке, хранении и заправке к топливу
предъявляются требования стабильности (сохранения со-
става и свойств), удобства и безопасности обращения.
Исходя из этих общих требований, желательно, чтобы
все топлива имели:
—	высокую теплоту сгорания;
—	большое газообразование;
40
—	ограниченную температуру сгорания;
—	высокую плотность;
—	небольшую вязкость, обеспечивающую прокачку через
топливную систему и распыл топлива, но достаточную для
смазки топливных агрегатов;
—	оптимальную температуру кипения (или фракционный
состав), обеспечивающую хорошее испарение перед сгора-
нием в двигателе, но не вызывающую потерь от испарения и.
паровых пробок в топливной системе;
—	низкую температуру замерзания (или начала кристал-
лизации) ;
—	физическую однородность (отсутствие механических
примесей и нерастворенной воду).
Кроме того, желательно, чтобы они:
—	были возможно менее гигроскопичны;
—	не были коррозионноактивными;
—	не содержали химически нестойких составных частей,
склонных к превращениям в условиях хранения или в топ-
ливной системе;
—	не давали твердых или жидких остатков, не удаляю-
щихся из двигателя после сгорания;
—	не оказывали вредного влияния на организм (как
само топливо, так и продукты его сгорания).
Для применения на отдельных типах двигателей важны и
другие свойства топлив, например, способность самовоспла-
меняться в жидкостных ракетных двигателях, высокая дето-
национная стойкость в пЪршневых двигателях с искровым
зажиганием.
Реальные топлива, как правило, не обладают всем
комплексом желательных свойств. К каждому виду топлива
предъявляются высокие требования только по тем свой-
ствам, которые являются решающими для его использо-
вания на двигателях данного типа. По остальным, менее
существенным свойствам обычно предъявляются лишь м и -
нимальные требования, которые необходимы для
обеспечения работы соответствующих двигателей, либо во-
обще их не предъявляют.
Все необходимые свойства придаются топливу главным
образом при его производстве путем соответствующего под-
бора сырья, установления той или иной технологии производ-
ства, смешения компонентов и введения в топливо антиокис-
лительных, антикоррозионных, антидетонационных и других
добавок. При этом топливо должно быть возможно более де-
шевым и недефицитным.
ГЛАВА 11
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ
АВИАЦИОННЫХ И РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ
ПРОИЗВОДСТВО ТОПЛИВ ИЗ НЕФТИ1
Основная масса топлива для авиационных воздушно-
реактивных и поршневых двигателей и некоторые горючие
компоненты ракетных топлив вырабатываются из нефти.
Нефть состоит из углеводородов с различной тем-
пературой кипения и небольшого количества более сложных
органических соединений, содержащих кислород, серу, азот.
Первичным процессом переработки нефти является пря-
мая перегонка. Она позволяет получить из нефти фракции с
различными пределами температуры выкипания — обычно
бензиновую, керосиновую, дизельную и мазут. Нефть, нагре-
тая в трубчатой печи до температуры 300—330°, поступает
в ректификационную колонну — стальную башню высотой
15—30 м, диаметром 1—5 м, с поперечными перегород-
ками— тарелками, где ее легкая часть испаряется; неиспа-
рившийся остаток (мазут) стекает вниз. Нефтяные пары,
поднимаясь вверх по колонне, охлаждаются и постепенно
конденсируются на тарелках. На тарелках средней части ко-
лонны собираются фракции дизельного топлива со
сравнительно высокой температурой кипения; на верхних,
более холодных тарелках — фракции керосина или
реактивного топлива с более низкой температурой
кипения. С соответствующих тарелок каждой зоны отбирают
дистиллаты 2. Самые низкокипящие фракции нефти выходят
1 См. литературные источники [9, 34—38].
2 Дистиллятом называется жидкость, получаемая при пере-
гонке в результате конденсации паров (в отличие от остатка).
42
из колонны вверх по трубам и поступают в холодильные
устройства; из них конденсируется бензиновый дистил-
лат и отделяются углеводородные газы.
Таким образом, при перегонке нефти происходит физи-
ческое отделение одних ее составных частей от других без
их химического преобразования.
Очистка дистиллатов от вредных примесей, имеющих
большей частью кислые свойства, производится щелочью —
раствором каустической соды. Если дистиллат содер-
жит значительное количество смол, сернистых и азотистых
веществ, его подвергают обработке 92—93% серной кис-
лотой, с которой они реагируют и выпадают в отстой. По-
сле очистки топливо промывается водой.
Наиболее надежным способом удаления сернистых сое-
динений (их много в важнейших урало-волжских нефтях)
является каталитическая гидроочистка дистиллатов
(очистка водородом). При давлении до 30 кг/см2 и темпера-
туре 400° водород, смешанный с парами дистиллата, присое-
диняет к себе практически всю содержащуюся в них серу,
образуя сероводород. Он удаляется из дистиллата при ще-
лочной очистке.
Для понижения температуры застывания авиационных
топлив их иногда подвергают особому виду очистки — обра-
ботке карбамидом (мочевиной) СО (МНг)2. При этом
к нему присоединяются высокоплавкие парафиновые углево-
дороды. В топливе образуется взвесь, которая затем отфильт-
ровывается [40].
При прямой перегонке получается в среднем 10—15%
бензина, 15—20% керосина, 15—20% дизельного топлива и
около 50% мазута.
Очищенные продукты прямой перегонки нефти, если они
удовлетворяют соответствующим техническим требованиям,
являются готовыми топливами для двигателей. Если же они
по своим свойствам непригодны в качестве топлив, то их
можно улучшить путем соответствующей химической пере-
работки или добавления к ним таких компонентов и приса-
док, которые обеспечивают получение топлив с требуемыми
показателями.
Наиболее простым и распространенным способом хими-
ческой переработки тяжелых нефтяных фракций
(в первую очередь мазута) в легкие нефтепродукты является
термический крекинг (расщепление крупных молекул на мел-
кие) при температуре около 500° и давлении в несколько де-
сятков атмосфер. Выход топлив при термическом крекинге
43
велик, но они содержат много непредельных углеводородов
и поэтому нестабильны.
Лучшее качество топлива получается при более сложном
и дорогом процессе — каталитическом крекинге. В качестве
катализатора применяется алюмосиликатный сплав. Крекинг
в присутствии этого катализатора сопровождается реак-
циями образования стабильных изопарафиновых и
ароматических углеводородов.
Высококачественные компоненты, необхо-
димые для улучшения детонационной стойкости и испаряемо-
сти авиабензинов, повышения плотности и теплотворности
реактивных топлив, вырабатываются при помощи каталити-
ческих процессов гидрирования, алкилирования, полимери-
зации и других [36—38]. При гидрировании присоеди-
нение водорода к ароматическим углеводородам превращает
их в нафтены, а к непредельным углеводородам — в пара-
фины. При алкилировании к молекулам углеводоро-
дов присоединяются боковые (алкильные) радикалы. Их
«поставщиками» являются химически активные непредель-
ные крекинг-газы. В результате получаются молекулы с оп-
ределенной структурой, обеспечивающей продукту требуе-
мые свойства. Полимеризацией непредельных газов
(соединением мелких молекул в крупные) при определен-
ных условиях температуры, давления и т. д. также можно
получить нужную структуру молекул.
Путем каталитического окисления крекинг-га-
з о в при высоких температурах и давлениях вырабаты-
ваются также спирты — горючие компоненты ракетного
топлива.
ПОЛУЧЕНИЕ ЖИДКОГО ТОПЛИВА ИЗ ТВЕРДОГО ГОРЮЧЕГО1
Выработка искусственного жидкого топлива из угля,
сланцев, нефтяного кокса и других твердых горючих обхо-
дится значительно дороже, чем обычная выработка неф-
тяного топлива. Однако запасы их во много раз пре-
вышают запасы нефти. Поэтому в передовых про-
мышленных странах разработаны и освоены методы произ-
водства искусственного жидкого топлива из твердых го-
рючих.
Основные способы получения искусственного жидкого
топлива из твердого следующие:
1 См. литературные источники [36, 137].
44
—	полукоксование (нагрев без доступа воздуха
до 500—600° с последующей перегонкой образующейся пер-
вичной смолы);
—	деструктивная гидрогенизация (обра-
ботка растворенной в масле угольной массы водородом при
давлении до 700 кг/см2 и температуре до 500° под воздей-
ствием катализаторов с последующей перегонкой образую-
щейся смеси углеводородов);
—	газификация (С + Н2О СО + Н2) с последу-
ющим каталитическим процессом синтеза (соединения)
окиси углерода и водорода в смесь углеводородов, напри-
мер п (СО + 2Н2)->СлН2л + иН2О, или в метиловый спирт
СО + 2Н2->СН3ОН;
—	коксование каменного угля, дающее в качестве
попутного продукта ароматические углеводороды (бензол,
толуол, ксилол).
При полукоксовании выход пригодного для двигателей
жидкого топлива составляет от 3 до 1О°/о по отношению к
взятому для переработки твердому топливу, а при гидроге-
низации достигает 65—75°/о. Однако для гидрогенизации
нужны более сложное оборудование и дорогой водород. При
синтезе углеводородов из окиси углерода и водорода полу-
чаются продукты сравнительно невысокого качества.
ПОЛУЧЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА1
В составе ракетных топлив важное место занимают сое-
динения азота: окислители — азотная кислота, четырехокись
азота, соли азотной кислоты; горючие — амины, гидразин и
его органические производные [66, 77, 90].
Основой производства всех этих соединений является
синтез аммиака из азота и водорода N2 + ЗН2 2NH3. Азот
для синтеза получают из сжиженного воздуха путем раз-
гонки в ректификационных колоннах (азот кипит при более
низкой температуре, чем кислород, и испаряется из жидкого
воздуха в первую очередь). Водород выделяют из водяного
газа (С + Н2О СО + Н2), из коксового газа или же вы-
рабатывают в результате электролиза воды, а также разло-
жения природных газов. Азотно-водородная смесь сжимается
до 500—1000 кг/см2, нагревается до 500° или выше и посту-
пает в контактный аппарат — башню, заполненную раздроб-
ленным катализатором (окислами железа). Образовавшийся
1 См. литературные источники [19, 20, 138].
45
там аммиак отделяется от непрореагировавшей газовой смеси
при пропускании через холодильник.
Окислы азота и азотную кислоту получают окислением
аммиака воздухом в контактном аппарате с платиновым ка-
тализатором. Аммиак вначале превращается в окись
азота NO, затем — в двуокись NO2 и, наконец, при охлажде-
нии ниже 21° — в жидкую четырехокись N2O4. Азотную кис-
лоту получают из двуокиси и четырехокиси азота, растворяя
их в воде: 3NO2 4- НЮ-* 2HNO3 + NO.
В результате взаимодействия концентрированной азот-
ной кислоты с глицерином, клетчаткой, раствором аммиака
и т. д. получают составные части твердых ракетных топлив:
нитроглицерин, пироксилин, азотнокислый аммоний (амми-
ачную селитру и др. [18, 84].
Способы получения аминов различны. Триэтилам.ин
N (С2Н5)3 образуется при взаимодействии аммиака с этило-
вым спиртом. Ксилидин C6H3NH2(CH3)2 получают из
ксилола СбН4 (СН3)2 — одного из побочных продуктов кок-
сования угля обработкой азотной кислотой, а затем водо-
родом.
ПОЛУЧЕНИЕ ДРУГИХ ВАЖНЕЙШИХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ
ОКИСЛИТЕЛЕЙ И ГОРЮЧИХ
Жидкий кислород О2 получают из жидкого воздуха. Пу-
тем чередующегося сжатия, охлаждения и расширения тем-
пература воздуха последовательно снижается вплоть до пе-
рехода его в жидкое состояние. Затем при температуре
около 190° из воздуха испаряется практически весь азот
(Сип = —196°) и остается жидкий кислород (Сип = —183°)
[139].
Жидкий озон Оз получают из кислорода. Для пре-
вращения газообразного кислорода в озон ЗО2 2О3 приме-
няют тихий электрический разряд (при разности потенциа-
лов в несколько десятков тысяч вольт) или нагрев до
3000—5000°, а также радиоактивное облучение. При глубо-
ком охлаждении озон конденсируется в первую очередь (его
Сип = —111°) и отделяется от непрореагировавшего кисло-
рода [7].
Перекись водорода до последнего времени вырабатыва-
лась электролизом серной кислоты H2SO4 и разложением
образующейся надсерной кислоты H2S2O8 4- НгО-* H2SOs 4-
4- H2SO4; H2SO5 4- Н2О -> Н2О2 4- H2SO4. В последнее
время применяются новые способы получения перекиси водо-
46
рода, осйойанйые йа непосредственном окислении некоторых
органических соединений, металлов или атомарного водо-
рода [140].
Фтор может быть получен путем электролиза фтористого
водорода HF или солей плавиковой кислоты (KF и др.).
Сжижение его достигается охлаждением ниже /КИп = —188°.
Двухфтористый кислород (окись фтора) образуется при про-
пускании газообразного фтора через раствор щелочи:
2F2 4- 2NaOH-> OF2 + 2NaF 4- H2O, она сжижается при
охлаждении ниже /КИп = —145° [7].
Бороводороды — жидкий пентаборан В5Н9 и
твердый декаборан ВюНн, пригодные для использо-
вания в составе топлив, получаются из газообразного дибо-
рана В2Нб при температуре около 200° и низком давлении
около 100 мм рт. ст. Исходным сырьем для их производства
являются природные соединения бора—различные борнокис-
лые соли. Из них получают хлористый бор ВС1з или другие
галогенопроизводные соединения бора, которые при реакции
с водородом или с гидридами металлов образуют диборан
(например, 2ВС13 4- 6LiH В2Н6 4- 6ЫС1) [7, 96].
ГЛАВА HI
ТОПЛИВА ДЛЯ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
СОРТА, УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ
К КАЧЕСТВУ ТОПЛИВ
Топлива для газотурбинных двигателей [1, 2, 7, 9, 10,
29—36, 39—41]. Реактивные самолеты с газотурбинными
двигателями (ТРД и ТВД) —основной, наиболее массовый
вид авиационной техники. В связи с этим они должны быть
рассчитаны на применение топлив, хорошо обеспеченных
сырьевыми ресурсами и производственной базой.
Часовой расход топлива на современном самолете с ТРД
или ТВД достигает нескольких тонн и даже нескольких де-
сятков тонн. Из этого вытекает необходимость иметь на реак-
тивных самолетах большой запас топлива; обычно он состав-
ляет от 30 до 70% объема и веса самолета.
Чтобы получить от каждой заправки топлива, ограничен-
ной емкостью баков и начальным полетным весом самолета,
возможно больше энергии, к топливам предъявляются тре-
бования высокой плотности и теплотворно-
сти. Этим требованиям лучше всего удовлетворяет дешевый
и массовый вид нефтяных топлив — керосины, выкипа-
ющие в пределах примерно 150—280°.
В настоящее время для ВРД применяются два основных
сорта авиационных топлив типа керосина — Т-1 (ГОСТ
4138—49) и ТС-1 (ГОСТ 7149—54). Оба сорта получают из
нефти путем ее прямой перегонки: топливо Т-1 — из мало-
сернистых бакинских и некоторых других нефтей, топ-
ливо ТС-1 — из сернистых урало-волжских нефтей (бук-
ва С в его марке указывает, что топливо сернистое). Топ-
48
ливо Т-1 имеет более высокую плотность (при 20° йе йюйе
0,800), чем топливо ТС-1; у последнего при 20° она должна
быть не ниже 0,775 (урало-волжские нефти состоят преимуще-
ственно из относительно легких парафиновых углеводородов).
Для газотурбинных двигателей применяется также ш и-
рокофракционное топливо Т-2 (ГОСТ 8410—57) с
пределами выкипания 60—280°, включающее бензиновую
фракцию. Оно вырабатывается как из малосернистых, так
и из сернистых нефтей путем прямой перегонки. От керо-
синов это топливо отличается меньшей плотностью (при
20° не ниже 0,755).
Ряд требований к физико-химическим свойствам топлив
связан с устройством и условиями работы топливной си-
стемы самолета и топливной аппаратуры двигателя.
Чтобы избежать образования паровоздушных пробок в
топливной системе самолета и, следовательно, перебоев в
работе подкачивающих и перекачивающих насосов, для
широкофракционного топлива устанавливается предельная
норма по давлению насыщенных паров (для Т-2 не более
100 мм рт. ст. при 38°).
В топливную систему перед топливным насосом двига-
теля включен фильтр низкого давления, служащий для за-
щиты насоса и регуляторов подачи топлива от проникнове-
ния в них твердых частиц, случайно появившихся в топлив-
ной системе. Применение грязного топлива или топлива, со-
держащего воду, кристаллы льда и углеводородов, приводит
к забиванию или намоканию фильтра, снижению его пропу-
скной способности и даже закупорке фильтра, что может
вызвать отказ в работе двигателя. Поэтому в топливе для
газотурбинных двигателей не должно быть ни ме-
ханических примесей, ни кристаллов льда,
ни воды. Температура начала кристаллизации самого
топлива должна быть не выше —60° (эта температура топ-
лива считается минимальной при эксплуатации). В топливе
ограничивается также содержание ароматических углеводо-
родов (не более 22—25°/о), так как их гигроскопичность спо-
собствует появлению в нем воды.
Фильтр защищает топливный насос двигателя и регуля-
торы подачи топлива от попадания в них механических при-
месей и от кристаллов льда, но смолы и коррозионноактив-
ные примеси вместе с топливом проникают в агрегаты.
Детали агрегатов топливной аппаратуры выполнены по вы-
сокому классу точности, с зазорами порядка 7—10 микрон,
с каналами сечением в десятые доли миллиметра; даже не-
4 Зак. 694	49
большие загрязнения и кбррозйя могут Нарушить их нор-
мальную работу. В связи с этим в топливе ограничено содер-
жание фактических смол (до 10—11 мг в 100 мл
топлива на месте применения) и склонных к смолообразова-
нию непредельных углеводородов (йодное
число не более 2—3,5 г на 100 г топлива, что соответствует
1,4—2,5% непредельных углеводородов), не допускаются
коррозионноактивные водорастворимые кислоты
и щелочи, свободная сера, а содержание мер-
каптановой серы ограничено практически безопас-
ным пределом 0,01%- Исходя из технологических возмож-
ностей очистки, общее содержание серы в топливе Т-1 до-
пускается не более 0,1%, а в топливах ТС-1 и Т-2 — до
0,25%.
Работа агрегатов топливной аппаратуры зависит также от
вязкости топлива. Повышенная вязкость приводит к боль-
шим нагрузкам и износу насоса, ухудшает распыл топлива
форсункой. С укрупнением капель резко уменьшается
их общая поверхность (рис. 11), замедляется прогрев и
испарение топлива, впрыснутого в камеру сгорания, сни-
жается полнота сгорания. При очень большой вязкости пе-
лена топлива вообще не распадается на капли. Однако низ-
кая вязкость топлива также нежелательна; она может вы-
звать износ насоса, так как топливо служит смазочным
материалом для его узлов трения. Вязкость топлив при
отрицательных температурах (когда она высо-
кая) ограничивается по верхнему пределу, а при
положительной температуре + 20° (когда она
гораздо ниже) — по нижнему пределу (рис. 12).При
положительных температурах износ насосов при работе на
Т-1 (вязкость при 20° не ниже 1,5 сст) меньше, чем на
ТС-1 (1,25 сст) и особенно на Т-2 (1,05 сст).
Условия для сгорания топлива при режимной работе га«
зотурбинных двигателей достаточно благоприятны,
чтобы не предъявлять особых требований к испаряемости
топлива. Большая часть топлива, впрыскиваемого в камеру
сгорания, попадает в поток горячего воздуха и быстро испа-
ряется (температура воздуха после сжатия в компрессоре
200—400°). Воздух отбрасывается завихрителем к стенкам
камеры сгорания; в центре передней ее части возникает раз-
режение. В зону разрежения от выходной части камеры под-
сасывается часть продуктов сгорания, при этом создается
обратный поток горячих газов в сторону фор-
сунки (рис. 13). На границе обратного потока раскаленные
50 .
газы энергично перемешиваются с топливо-воздушнои
смесью и поджигают ее. Образуется стаканообразный фронт
пламейи, в котором при нормальной работе успе-
вает сгореть практически все топливо.
Менее благоприятны условия для испарения при запу-
ске двигателя, так как в камеру сгорания поступает холод-
ный воздух. Чтобы обеспечить легкий запуск, принимаются
Рис. 11. Число капель, образуемых из 1 мл топлива, и общая пло-
щадь их поверхности в зависимости от среднего диаметра капель
специальные меры: особо тонкий распыл пусковой порции
топлива при помощи пусковой форсунки или же использова-
ние при запуске легко испаряющегося бензина.
Нормы по всем точкам фракционного состава (10, 50, 90
4*	51
и 98°/о выкипания), характеризующие испаряемость топ-
лива, установлены такими, которые обеспечиваются при про-
изводстве топлив.
Определенные требования к физико-химическим свой-
ствам топлив предъявляются с целью предотвращения н а-
гарообразования на деталях газового тракта двига-
теля. Содержание в топливе таких нагарообразующих ве-
Рис. 12. Зависимость вязкости топлив от температуры
ществ, как ароматические углеводороды и
смолы, ограничено исходя из особенностей работы топ-,
ливной аппаратуры (см. выше). Эти ограничения вполне
обеспечивают безопасность в отношении нагарообразования.
Во избежание появления зольного (неорганического) на-
гара, состоящего из солей и окислов металлов, зольность
топлива также ограничивается (не более 0,005%).
52
С точки зрения пожарной безопасности для
керосинов устанавливается ограничение температуры
вспышки от пламени (вспышка в закрытом тигле при тем-
пературе топлива не ниже 28—30°).
Таким образом, к топливам для газотурбинных двигате-
лей предъявляются в первую очередь такие требования, ко-
торые обеспечивают им необходимые эксплуатацион-
с=4> Воздух	Продукт сгорания
  » Жидкое топливо » Стаканообразний фронт пламени
____Пары топлива	~~)3она обратного потока газов
Рис. 13. Схема работы камеры сгорания газотурбинного двигателя
ные свойства (рис. 14). Кроме того, топливо должно
соответствовать по сырью и технологии
производства тем образцам, которые про-
ходили официальные испытания на двига-
телях. Соответствие товарной продукции нефтяной про-
мышленности испытанным образцам служит дополнительной
гарантией надежности работы техники.
Топлива для прямоточных двигателей [16, 47—49]. Пря-
моточные двигатели найдут применение главным образом
при скорости полета в 3—5 раз большей, чем скорость звука.
Предполагается, что на таких скоростях полета сильный на-
грев летательного аппарата из-за трения воздуха будет вы-
зывать быстрое повышение температуры топ-
лива.
Современные авиационные топлива, предназначенные для
газотурбинных двигателей, уже при температурах 100—200°
интенсивно испаряются и образуют твердые нерастворимые
53
— Топливный
бак ~
Дренаж
Фильтр
Подкачивав
ющий на-
сос
Трубопроводы
Камера сгорания Турбина
Форсунка |
Насос
двигателя z
Система
выпуска I
Плотность, Давление насыщен-
теплоталсгорания^ | них паров
Полетный Запас Потери! I
бес тепловой от | Паро-
.энергии испарения воздушные
I 4		 -v*’1 И пробки
Вязкость Содержание
при низких ирастдори-
темпера- мость воды,
турах --------------
Дальность полета
Полезная
нагрузка
Перебои в
работе дви-
гателя на
большой вьь
соте
температу-
ра начала
, кристапли-
Сопротид - зации, меха-
ление на нические
фильтре и примеси
в каналах |
Отложения
на фильтре
СмольГ, ла , й
механические
примеси сера>
л । меркапта-
1 новая сера,
т бодораство-
дтложения римые кис-
в каналах лоты и ще-
и зазорах лочи, бода,
кислотность
в ♦
t	КоррозияJ
Вязкость,
плотность
ФрОКЦион
ныв
состав
Прокачиваемость топлива
Отказ насоса
Падение оборотов или остановка двигателя
Тонкость
распыла
Испарение
Смолы Общее ‘
Содержание Дальность содержа-
ароматик!Г\\ i серы
Повышение Отложения\ *
температуры Коррозия
Запуск Полнота
сгорания
Дальность
полета
Перегрев деталей
Коробление, прогар, поломки
и другие повреждения вс -
талей
Рис. 14. Показатели качества топлив для газотурбинных двигателей, обусловливающие их эксплуатационные
свойства
осадки. По этой причине использовать такие топлива для
прямоточных двигателей едва ли представится возможным.
Основным видом топлив для прямоточных двигателей,
вероятно, будут утяжеленные керосины (типа ди-
зельных топлив) с температурой начала кипения 200° и
выше, с низким давлением насыщенных паров. Они должны
обладать высокой химической стабильностью,
для чего из них нужно будет тщательно удалить нестабиль-
ные непредельные углеводороды и коррозионноактивные
меркаптановые соединения серы. Это сравнительно просто
достигается путем гидроочистки.
ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ ТОПЛИВА НА ДАЛЬНОСТЬ ПОЛЕТА1
В приближенных расчетах дальность полета самолета
можно считать пропорциональной запасу химиче-
ской энергии топлива, находящегося в ба-
ках самолета. Максимальное количество тепла, которое
может быть выделено при сгорании топлива в течение по-
лета, равно произведению веса заправленного в баки топ-
лива GT на его низшую теплоту сгорания Qh (весовую).
Практический интерес представляет рассмотрение двух ти-
пичных случаев обеспечения дальности полета.
Первый случай: топливные баки самолета за-
правляются полностью, а вес груза берется из та-
кого расчета, чтобы начальный полетный вес самолета не
превышал допустимую норму. При этом запас тепловой
энергии равен произведению объема баков на плотность топ-
лива и на его весовую теплотворность: Убак-рт-Он. В этом
выражении произведение Qh ккал/кг X д^кг/л =	ккал!л
представляет собой объемную теплотворность.
Таким образом, в этом случае дальность полета прибли-
зительно пропорциональна объемной теплотворности топ-
лива, т. е. количеству тепла, выделяемому при сгорании 1 л
топлива. Поэтому из ряда нефтяных топлив, обычно облада-
ющих одинаковой или близкой весовой теплотой сгорания,
большую дальность полета обеспечивают топлива, имеющие
большую плотность (табл. 10).
Из обычных топлив для ВРД наибольшую объемную теп-
лоту сгорания имеет топливо Т-1. Это топливо и обеспечи-
вает наибольшую дальность пол ет а. У широко-
фракционных топлив (типа Т-2) при полной заправке баков
1 См. литературные источники [7, 32, 34, 39, 40, 46]
55
Таблица 10
Объемная теплота сгорания топлив для ВРД и бензина
(для типичных образцов)
Наименование топлива	Весовая теп- лота сгорания, ккал/кг	Плотность при 20°	Объемная теплота сгорания (ккал/л) при различной температуре топлив				
			+20° (стан- дартная)	+400	О©	—20°	—40°
Топливо Т-1 ....	10 250	0,820	8420	8260	8570	8720	8860
Топливо ТС-1 ....	10 300	0,780	8030	7850	8200	8350	8500
Топливо Т-2 ....	10 350	0,760	7860	7690	8000	8160	8330
Тяжелый керосин . .	10 350	0,840	8680	8540	8830	8980	9110
Бензин Б-70 ....	10 400	0,730	7590	7400	7760	7940	8100
дальность полета может получиться на 5—8°/о меньше (при
соответственно одинаковой полноте сгорания и отсутствии
потерь).
Некоторое влияние на дальность полета оказывает из-
менение плотности топлива с изменением
температуры: при понижении температуры на каждые
10° дальность возрастает примерно на 1%. При значитель-
ном изменении температуры топлива это обстоятельство сле-
дует учитывать. При расчете дальности нельзя брать стан-
дартную плотность топлива по паспорту (т. е. при 20°), не
считаясь с его фактической температурой. Для повышения
дальности полета желательно, чтобы топливо перед полетом
имело возможно более низкую температуру. Для
этого топливо летом целесообразно хранить в подземных
емкостях, следить, чтобы оно не нагревалось солнцем в ци-
стернах топливозаправщиков и в самолетных баках. Зимой
следует хранить топливо в наземных емкостях и возможно
дольше перед заправкой выдерживать в цистернах спецавто-
мобилей.
Второй случай: баки заправляются не пол-
ностью, так как на борт самолета берется
такой груз, который требует ограничения
веса топлива. При этом для получения заданного веса
топлива в баках топлива с меньшей плотностью заправляют
больше по объему, а топлива с большей плотностью —
меньше по объему.
56
Во втором случае дальность полета не зависит от
плотности топлива, она пропорциональна низшей
весовой теплоте сгорания топлива.
Широкофракционное топливо (типа Т-2) с несколько
большей весовой теплотворностью, чем Т-1, обеспечит в этом
случае н ес к ол ь к о большую дальность полета
(примерно на 1°/о).
При полете на заданную дальность выгоднее также топ-
ливо с большей весовой теплотворностью,
так как вес топлива может быть уменьшен обратно пропор-
ционально весовой теплотворности и соответственно уве-
личен полезный груз. Еще больше снижается рас-
ход топлива с повышенной весовой теплотворностью при
перевозке на заданное расстояние одного и того же полез-
ного груза, так как при этом может быть уменьшен
полетный вес самолета. Следовательно, при полете на
заданную (не максимальную) дальность или при ограничен-
ной по весу заправке топливных баков не нужно стремиться
применять более дорогие и дефицитные авиакеросины, а
лучше использовать более дешевые и доступные широко-
фракционные топлива.
Резкое увеличение дальности, по мнению иностранных
специалистов, может быть в будущем достигнуто за счет
применения высококалорийных топлив (типа
боранов и их производных) и топлив, содержащих металлы
(см. стр. 128, 131) [96, 103, 104].
Кроме теплотворности и плотности, на дальность полета
могут влиять и другие факторы, связанные с топливом. Так,
при повышенной температуре широкофракционного топлива
потери его от испарения через открытый дренаж
баков на высоте порядка 10 000—12 000 м могут достигать
нескольких процентов от веса топлива, что вызовет соответ-
ственное уменьшение дальности полета. С другой
стороны, понижение температуры топлива, благоприятное с
точки зрения увеличения веса заправки топлива и уменьше-
ния потерь от испарения, вызывает резкое повышение вяз-
кости, что ведет к ухудшению распыла и сниже-
нию полноты его сгорания. В конечном счете
дальность полета не увеличится, а уменьшится. Это
может, по-видимому, проявиться зимой в холодных районах
при применении топлива Т-1 и более тяжелых топлив, так
как их вязкостно-температурная характеристика круче, чем
у широкофракционных топлив (см. рис. 12).
57
ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ ТОПЛИВА НА СИЛУ ТЯГИ ДВИГАТЕЛЯ
Независимость силы тяги газотурбинного двигателя от
свойств топлива [1, 2, 7, 46]. Теплота сгорания и плотность
топлива, а также неполное сгорание топлива на величину
силы тяги (мощности) газотурбинного двигателя,
а следовательно, и на скорость полета практически
не влияют. Это связано с тем, что расход топлива на
максимальном режиме ограничен жаропрочностью лопаток
газовой турбины. Что же касается крейсерских режимов, то
на них расход топлива меньше, чем на максимальном ре-
жиме; он подбирается так, чтобы получить заданную ско-
рость и высоту полета.
Для получения одной и той же тяги расход топлива авто-
матически устанавливается таким, чтобы в единицу времени
выделялось одно и то же количество тепла. При меньшей
плотности или меньшей теплотворности топлива или худшей
полноте сгорания насос подает больший объем топлива (для
этого имеется достаточный запас подачи). Конечно, даль-
ность полета при этом уменьшается.
На некоторых типах двигателей — ВК-1, РД-45Ф — плот-
ность топлива оказывает влияние на максимальное
число оборотов в связи с конструктивными особенно-
стями применяемого на них ограничителя максимальных обо-
ротов.
Ограничитель максимальных оборотов этих двигателей
работает так. При работе насоса топливо, отбрасываемое
центробежными силами, давит на мембрану ограничителя;
это давление пропорционально плотности топлива. Когда
число оборотов возрастает выше допустимого предела, дав-
ление превысит натяжение пружины, откроется клапан и
перепустит топливо. В результате этого подача топлива
уменьшается и обороты снижаются. При уменьшении плот-
ности топлива на 0,01 максимальное число оборотов двига-
теля возрастает примерно на 40 об/мин (рис. 15). В связи с
этим ограничитель максимальных оборотов двигателя прихо-
дится регулировать всякий раз при переходе
с одного сорта топлива на другой, если они
имеют разную плотность. Это же следует делать и при зна-
чительном изменении температуры одного и того же топ-
лива, так как плотность топлива изменяется на 0,01 при
изменении температуры топлива на каждые
12—14°. В противном случае при повышении плотности топ-
лива двигатель может недодать обороты на взлете, что очень
58
опасно; при понижении плотности топлива пиело оборотов
может превысить допустимый предел и привести к превыше-
нию расчетных напряжений в деталях двигателя и, как след-
Изменение температуры топлива
Рис. 15. Изменение плотности топлива в зависимости от его темпе-
ратуры и влияние плотности топлива на изменение максимального
числа оборотов двигателя ВК-1. Отсчет изменения плотности, темпера-
туры и числа оборотов производится от нулевой точки в центре графика
Зависимость максимальной силы тяги прямоточного дви-
гателя от свойств топлива [1, 16, 7, 60—65, 70]. В газотурбин-
ном двигателе из-за ограниченной жаропрочности лопаток
турбины продукты сгорания топлива приходится «разбав-
лять» по крайней мере 3—4-кратным избытком воздуха
(а = 3—4 и более); предельно допустимой считается темпе-
ратура газов перед турбиной порядка 900—1000°. Прямоточ-
ный ВРД не связан с этим ограничением, так как он не
имеет турбины. Для него в перспективе может быть допу-
щена температура газов порядка 2500—3000°, которая полу-
чается при стехиометрическом соотношении топлива и воз-
духа (а = 1), без «разбавления» продуктов сгорания избы-
точным воздухом. В связи с этим оказывается, что тяга
59
Йрямоточного двигателя в отличие от газотурбинного Md>Ket
существенно зависеть от состава и свойств топлива [16].
Тяга любого двигателя тем больше, чем больше масса
отбрасываемых продуктов сгорания и скорость их исте-
чения. Масса продуктов сгорания складывается из масс воз-
духа и топлива. При а = 1 к каждому килограмму воздуха
добавляется — кг топлива и образуется 14—кг газов, где
%в	‘Х'В
хв — стехиометрический коэффициент топливо-воздушной
смеси (см. стр. 22).
Таблица 11
Факторы, влияющие на тягу прямоточного двигателя при а = 1 —
масса, нормальный объем газов и выделение тепла на 1 кг
воздуха без учета диссоциации, рассчитанные по данным,
взятым из таблиц 2, 5, 8
Топливо	Масса газа 1 Н	— кг хв	Объем газа ^газ “ в ^газ ] хв + 615 НА	Количе- ство тепла Qh 	 ккал хв
Углеводороды			
Парафиновые + 2	= 5—18)	 Нафтены, олефины			
	1,066	840	704
С„Н2я (л = 5-18)		1,068	830	707
Бензол С6Нб 		1,075	810	727
Ароматические СлН2л_6(п = 7—10)	1,072	820	708
Бензины		1,068	830	707
Керосины		1,068	830	702
Спирты			
Метиловый СН3ОН		1,155	990	718
Этиловый С2Н5ОН		1,111	910	711
Азотсодержащие горючие			
Аммиак NH3	 Гидразин N2H4 	 Гидразин-гидрат N2H4 • Н2О	1,165	1050	675
	1,232	1100	847
(64о/о гидразина)		1,362	1265	825
Диметилгидразин N2H2(CH3)2 . . .	1,110	890	772
60
Продолжение
Топливо	Масса газа 1 Ч—— кг хв	Объем газа у! — кгаз — _ ^газ хв + 615 нл	Количе- ство тепла Qh 	 ккал хв
Борсодержащие горючие Пентаборан В5Н9 выше I8600 		1,076	800	1030
ниже I8600 			735	1240
Декаборан В10Н14 выше I8600 		1,080	790	1020
ниже I8600 			720	1240
Бор В ниже I8600 		1,104	615	1450
выше I8600 			720	1110
Металлы Литий Li ниже 1300°		1,20	615	2050
выше 1300°			940	1620
Бериллий Be ниже 2520°		1,128	615	1920
Магний Mg ниже 2800°		1,35	615	2100
Алюминий А1 ниже 2050°			615	1890
выше 2980°		1,26	830	1310
Из табл. 11 видно, что керосин и бензин при полном
сгорании дают прирост массы газов по отношению к массе
воздуха на 6,8%. Значительно больший прирост массы мо-
гуть дать спирты (И —15%) и особенно азотводородные сое-
динения (16,5—36%) и металлы (13—35%). В газотурбин-
ных двигателях при а = 4 и выше прирост массы газов не-
значителен, и с ним обычно не считаются, а в прямоточных
двигателях при а = 1 этот прирост ощутим, и не учитывать
его нельзя.
Скорость истечения продуктов сгорания тем больше, чем
больше их нормальный объем 1 и выше температура по отно-
1 Имеется в виду объем газов, приведенный к нормальным усло-
виям (760 мм рт. ст., 0°С).
61
шению к воздуху. Объем продуктов окисления, которые
образуются из — кг топлива, впрыскиваемого в 1 кг воз-
хв
Vraa
духа, равен — (где Vraa — газообразование 1 кг топ-
лива при сгорании в кислороде, см. стр. 26). Кроме того, от
1 кг воздуха после окисления топлива остается 0,769 кг
неиспользованного азота, который смешивается с продуктами
окисления. Объем его 0,769 • 800 = 615 нормальных литров
(где 800 — нормальный объем 1 кг азота).
Таким образом, объем газов, образующихся из 1 кг воз-
духа, равен
VJa3=^i + 615 нл.	(11)
%в
Из табл. 11 также видно, что спирты дают на
10—20% больший объем газов, чем углеводородные топлива;
азотводородные соединения — на 25—50%. Металлы обра-
зуют газы только при очень высокой температуре, при этом
теплота их конденсации не используется, что приводит к
уменьшению теплового эффекта сгорания. При низких же
температурах газообразным получается лишь неиспользо-
ванный при сгорании азот воздуха (615 нл).
Увеличение объема газа при его нагреве за счет теплоты
сгорания пропорционально количеству тепла, вносимому на
1	Qh
1 кг воздуха —.
хв
Топлива, в которых горючими элементами являются угле-
род и водород (углеводороды и спирты), дают в расчете на
1 кг воздуха практически одинаковое количе-
ство тепла ^705 ккал (±1,5%) независимо от их хими-
ческого состава (см. табл. И). Это объясняется тем, что
топлива, содержащие больше водорода и выделяющие в
связи с этим больше тепла, требуют для своего сгорания
соответственно больше воздуха1 (см. стр. 20).
В связи с тем что масса и газообразование любых угле-
водородных топлив (в частности, керосинов и бензи-
нов) тоже практически одинаковы, можно считать, что при
работе на этих топливах тяга прямоточных двига-
телей (так же, как и газотурбинных) от теплотворности
и других свойств топлива практически не зависит. Оказы-
1 Из этого следует приближенная формула теплотворности угле-
водородных топлив и спиртов 705хв.
62
Зается, что прирост тяги в прямоточных двигателях могут
обеспечить (по сравнению с углеводородными топливами)
низкокалорийные топлива — спирты за счет боль-
шей массы и объема газов, а гидразин и его про-
изводные, кроме того, за счет большего количества
тепла, приходящегося на единицу веса
воздуха. Это обеспечивается резким увеличением расхода
топлива (таким, при котором углеводороды не способны го-
реть). Разумеется, при этом дальность на установившемся
режиме полета резко снижается. Но форсирование тяги мо-
жет обеспечить быстрый выход летательного аппарата в
сильно разреженные слои атмосферы и огромную дальность
баллистического или полубаллистического 1 полета за счет
приобретенного запаса механической энергии.
Возможность форсирования тяги, как указывается в ино-
странной печати, обеспечивается также высококало-
рийными борсодержащими топливами и металлами, ко-
торые вносят на 1 кг воздуха в 1,5—2 раза больше тепла,
чем керосины [95, 104]. Рост тяги при этом обеспечивается
повышением температуры газа и соответствую-
щим увеличением скорости его истечения из сопла двигателя;
он не сопровождается уменьшением дальности полета на
установившемся режиме. Но для осуществления этого необ-
ходимы материалы, обладающие очень высокой жароустой-
чивостью.
ВОПРОСЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ
И ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ САМОЛЕТА, СВЯЗАННЫЕ
С КАЧЕСТВОМ ТОПЛИВА
Неполадки и отказы в работе двигателя и топливной си-
стемы самолета, связанные с составом и свойствами топлива,
могут быть вызваны возникновением кавитации, срывом пла-
мени в двигателе и трудностями его повторного запуска в
полете, появлением в топливе кристаллов льда, загрязнением
и коррозией топливной аппаратуры, воздействием продуктов
сгорания топлива на соприкасающиеся с ними части двига-
теля. Кроме того, от свойств топлива зависит вероятность
возникновения пожара на самолете при аварии или разряде
статического электричества.
1 Полет с небольшой тягой, компенсирующей незначительное ло-
бовое сопротивление в верхних слоях атмосферы.
63
Кавитация в топливной системе [9, 33, 39, 40]. На высоте
порядка 10 000 м и более в топливной системе самолета мо-
жет возникнуть кавитация: разрывы и паро-газовые
пробки в потоке жидкого топлива, колебания давления, пере-
бои в подаче. Явление кавитации связано с растворимостью
воздуха и газов в топливе и с давлением насыщенных паров
топлива.
Объем растворенного воздуха в топливе независимо от
давления воздуха обычно составляет 12—16% объема
топлива (более тяжелые и вязкие топлива растворяют не-
сколько меньше воздуха, чем легкие и маловязкие). Вес
растворенного в топливе воздуха пропорционален
давлению последнего над топливом (закон Генри). Поэтому
при наборе высоты вес растворенного воздуха в топливе
уменьшается пропорционально падению давления в
топливных баках. Избыток воздуха выделяется в виде пу-
зырьков, которые постепенно выходят из топлива. Объем
выделяемого воздуха достаточно велик (рис. 16), он может
достигать нескольких сотен литров на каждые
1000 л топлива (если учитывать расширение воздуха вслед-
ствие уменьшения давления с высотой).
Выделение из топлива избыточного воздуха при наборе
высоты, как правило, запаздывает, особенно при большой
скороподъемности. На некоторой высоте (обычно не ниже
8000 м) это приводит к кратковременному вскипанию
топлива. Особенно бурно вскипает пересыщенное воздухом
топливо при перемешивании, например, при эволюциях само-
лета или при перекачке топлива из одного бака в другой.
Такое явление может быть при работе на любом топливе.
Происходящая при этом кратковременная кавитация в тру-
бопроводах, вызывающая колебание давления топлива, не
представляет практической опасности, если только она не
явится поводом к неправильным действиям экипажа.
Внутрь выделяющихся пузырьков воздуха испаряется
топливо. Испарение его тем интенсивнее, чем выше
давление насыщенных паров топлива. До
некоторой высоты, пока давление насыщенных паров
остается ниже внешнего давления, испарение топлива не
существенно влияет на размеры и интенсивность выделения
пузырьков газа. Когда же в ходе набора высоты внешнее
давление понижается настолько, что оказывается равным
или меньше давления насыщенных паров, испарение топ-
лива внутрь пузырьков становится очень интенсивным, пу-
64
Ул рммрт.ст.
Рис. 16. Объем воздуха, выделяемого из 1000 л
топлива при наборе высоты (если раствори-
мость воздуха в топлийе составляет 15°/о по
объему):
Kl — при непрерывном равномерном выделении
всего избыточного воздуха; Vt.— при одновременном вы-
делении всего избыточного воздуха после набора вы-
соты; УцрИвед — объем, приведенный к нормальному
давлению 760 мм рт. ст.
5 Зак. 694
зырьки резко расширяются и начинается обычное явление
кипения (рис. 17).
В отдельных участках топливной системы самолета дав-
ление может быть ниже внешнего давления (например, на
Рнп
Температура топлиба
Рис. 17. Высота, на которой в открытых баках начинают
кипеть топлива с различным’ давлением насыщенных паров
входе в подкачивающие и перекачивающие насосы). Из-за
этого кавитация топлива в этих участках трубопроводов на-
чинается на меньшей высоте, чем кипение топлива в баках.
При кавитации по трубопроводам движется сжимаемая
смесь жидкости с газами и парами топлива. В ней легко
66
возникают резкие пульсации давления, которые вызывают
износ насоса, колебания и перебои в расходе топлива, вплоть
до прекращения его *подачи.
Из топлив для ВРД опасное с точки зрения кавитации
давление насыщенных паров при открытой топливной си-
стеме может быть у топлив широкого фракционного состава
в летнее время (около 100 мм рт. ст. и выше), особенно в
тех случаях, когда не принимаются меры для защиты топ-
лива от нагрева солнечными лучами.
Важнейшими способами борьбы с кавитацией яв-
ляются применение топлив с низким давлением на-
сыщенных паров и устройство закрытых топ-
ливных систем с повышенным давлением.
Особенно необходимы закрытые системы для самолетов с
большими сверхзвуковыми скоростями полета, когда нагрев
топлива из-за аэродинамического нагрева самолета может
вызвать резкое повышение давления насыщенных паров.
Однако избыточное давление в топливной системе не устра-
няет кавитацию, а отодвигает ее до больших высот и более
высоких температур топлива.
В случае заполнения топливных баков инертным газом
картина кавитации в принципе не изменяется, но высота по-
лета, на которой возникает кавитация, может сместиться в
ту или иную сторону. Так, при использовании углекислого
газа, растворимость которого в топливе примерно втрое
больше по сравнению с воздухом, возрастает вероятность
кавитации на меньших высотах.
Самовыключение и запуск двигателя в полете [7, 15, 16,
39—41]. На земле и на небольшой высоте полета запуск и
горение в газотурбинных двигателях протекают вполне нор-
мально вплоть до практически минимальных для эксплуата-
ции температур минус 50—60°. Чем больше высота полета,
ниже давление и температура воздуха и больше скорость
потока воздуха в двигателе, тем более узкими оказываются
пределы устойчивого горения по составу смеси. Случайное
обогащение или обеднение смеси при изменении регулировки
двигателя или режима полета может вызвать срыв пламени
и самовыключение двигателя.
Для любых углеводородных топлив типа бензина и керо-
сина пределы устойчивого горения практически одинаковы;
в некоторой степени на них могут влиять лишь те физиче-
ские свойства топлив, от которых зависят процессы распыла
и испарения.
5*
67
По мнению иностранных специалистов, повышение
устойчивости пламени можно ожидать при ис-
пользовании некоторых перспективных топлив (бороводоро-
дов и азотводородных соединений), скорость горения кото-
рых выше, чем у углеводородов [95]. Возможно, что при
определенных условиях окажутся эффективными ускоряю-
щие горение добавки к топливам.
Для запуска остановившегося двигателя в полете необ-
ходимо, во-первых, чтобы электрический разряд обеспечил
воспламенение топлива в пусковом устройстве и, во-вторых,
чтобы поступление горячих газов от пускового устройства во
встречный поток воздуха, направленный к форсунке
(см. рис. 13), обеспечило разогрев, испарение и воспламене-
ние рабочего топлива. Выполнение первого требования
сравнительно легко достигается путем усовершенствования
конструкции пусковых устройств. Однако в условиях низ-
кого давления воздуха на больших высотах (порядка
10 000—15 000 м и более) не выполняется второе требование:
горение обычного пускового топлива протекает вяло и дает
так мало тепла, что оно не способно поджечь рабочее топ-
ливо. Поэтому перед запуском в полете обычно приходится
производить снижение до такой высоты, на которой он гаран-
тирован.
Одно из средств обеспечения высотного запуска — приме-
нение таких пусковых топлив, которые самовоспламе-
няются на воздухе и энергично горят при
низких давлениях. В США проводятся эксперименты
по применению для этой цели металлоорганических соеди-
нений: триметилалюминия А1 (СН3)з и триэтил-
алюминия А1 (СгН5)з [56]. Их смесь представляет собой
жидкость с температурой замерзания —39°, она энергично
самовоспламеняется на воздухе даже при очень низких дав-
лениях (порядка нескольких миллиметров ртутного столба)
и выделяет при сгорании почти столько же тепла, сколько
керосин (около 10 000 ккал/кг). Несколько миллилитров этой
жидкости могут обеспечить воспламенение рабочего топлива
на высотах 16 000 м и более (предположительно до 40 км).
При обращении с зажигательной жидкостью необходима
строгая герметизация ее от воздуха.
Кристаллообразование при низких температурах [9, 39,
40, 42]. В условиях эксплуатации авиационной техники зи-
мой, при температуре топлива ниже 0°, в нем могут появ-
ляться кристаллы льда. Они забивают топливный
фильтр двигателя перед насосом и резко снижают его про-
68
йускную способность. Попадание их в ЮпЛивйую аппаратуру
вызывает закупорку каналов й примерзание клапанов регу-
лировочных агрегатов, порчу плунжерных элементов и по-
ломку привода насоса. В конечном счете все это приводит
к отказу в работе двигателя. По данным ВВС США, опубли-
кованным в 1958 г. [59], из всех летных происшествий за
2^ года около 11% произошло вследствие попадания льда
в топливную систему самолета. Борьба с образованием кри-
сталлов льда в топливе — одна из важнейших забот при
обслуживании авиационной техники в зимнее время. Летом
образования кристаллов не наблюдается, потому что темпе-
ратура топлива в баках даже при длительных высотных по-
летах снижается незначительно.
Появление кристаллов льда в топливе может быть вы-
звано тремя основными причинами: попаданием в него инея,
конденсацией влаги из воздуха и выделением растворенной
в топливе воды.
При заполнении резервуара, цистерны или топливного
бака самолета в топливо может попасть осевший на их стен-
ках иней. Кроме того, иней, образовавшийся на стенках ем-
кости выше уровня топлива, сползает в топливо при
нагреве емкости солнечными лучами.
Из воздуха, проникающего в емкость через дыхательные
клапаны или дренаж, на поверхности холодного топлива
могут конденсироваться водяные пары; это
происходит при наступлении теплой погоды. Конденсация
продолжается в течение одних — двух суток, пока темпера-
тура топлива не повысится. Образующиеся при этом мелкие
кристаллики льда (типа снежинок) медленно оседают в топ-
ливо, оставаясь в нем длительное время во взвешенном со-
стоянии.
В топливе почти всегда растворено небольшое количе-
ство воды; растворимость воды в топливе уменьшается с по-
нижением его температуры. Так, в топливе Т-1 при темпера-
турах от +10 до 0° может быть растворено до 60—80 г воды
на тонну, а при температуре —20° в 2—3 раза меньше
(рис. 18). Избыток воды при охлаждении топлива ниже нуля
градусов выделяется из него в виде мельчайших кристаллов.
Образование кристаллов льда из растворенной в топливе
воды происходит при резком понижении темпера-
туры топлива, например, в холодную погоду при за-
правке емкостей спецавтомобилей и самолетных баков теп-
лым топливом из подземных резервуаров, при перекачке
топлива из подземного в наземный резервуар, а также при
69
быстром охлаждений топливу в наземных резервуарах в
случае резкого понижения температуры воздуха.
Из графика, приведенного на рис. 18, видно, что аромати-
ческие углеводороды (бензол, толуол и др.) растворяют в
несколько раз больше воды, чем углеводороды других групп;
они являются главными источниками выделения кристаллов
льда при понижении температуры. Это является одной из
70
причин, заставляющих ограничивать содержание
ароматических углеводородов в топливе.
Количество растворенной воды в топливе настолько мало,
что ее межмолекулярные расстояния примерно такие же,
как в водяном паре. Поэтому растворимость воды в топливе,
подобно растворимости газов, пропорциональна парциаль-
ному давлению водяного пара над топливом, т. е. влаж-
ности воздуха. Между влажностью воздуха и содержа-
нием воды со временем (за несколько часов) устанавли-
вается равновесие. Содержание воды в топливе соответст-
вует кривым, изображенным на рис. 18, только при 1ОО°/о
влажности воздуха (например, при 20° в 1 тонне топлива
Т-1 содержится около 100 г воды). При меньшей влажности
воздуха устанавливается новое равновесие системы: содер-
жание воды в топливе уменьшается пропорционально про-
центу влажности (например, в топливе Т-1 при влажности
воздуха 40% содержится всего лишь 40 г при 20°). Если
влажность воздуха близка к нулю, то вся влага из топлива
постепенно переходит в атмосферу и рассеивается. Если
же влажность воздуха превышает 100% (дождь, туман),
то топливо не только насыщается влагой, но и погло-
щает избыточное количество влаги (сверх
предела растворимости), которое выделяется в виде кри-
сталлов льда или в виде отстоя на дне емкости. Чем
больше высота налива топлива, меньше поверхность кон-
такта его с воздухом и выше вязкость топлива, тем мед-
ленней достигается равновесие.
Зимой при хранении топлива на складе перед заправкой
его в баки, а также при длительном нахождении в баках са-
молета необходимо тщательно проверять, не появились ли в
нем кристаллы льда. Наличие кристаллов льда в баках са-
молета обнаруживается при осмотре отстоя топлива и
топливного фильтра после опробования двигателя перед
вылетом. Полезно промывать и просушивать топливные
фильтры через каждые несколько часов полета.
Одним из способов борьбы с образованием кристаллов
льда в баках самолета является предварительное (до за-
правки топлива в баки) охлаждение топлива до темпера-
туры наружного воздуха — вымораживание. При этом
кристаллы льда выделяются из топлива и затем отфильтро-
вываются.
Эффективным средством против образования кристаллов
льда в топливе является добавка в него специальной жидко-
сти, которая образует с водой низкозамерзающий
71
раствор [34, 42]. Жидкость эту добавляют в топливо в
количестве 0,1—О,3°/о (1—3 кг на тонну топлива) в зависи-
мости от температуры воздуха. Специальная жидкость спо-
собна удерживать в растворенном состоянии до 4°/о воды по
отношению к своему весу, т. е. до 120 г в тонне топлива,
когда содержание ее в топливе равно О,3°/о. Практически
количество воды в топливе всегда меньше этой величины,
поэтому О,3°/о жидкости полностью предотвра-
щают образование кристаллов льда. Если
в топливе имелись кристаллы льда, то при добавлении
жидкости они растворяются.
Так как жидкость очень гигроскопична, бочки с ней дол-
жны быть герметически укупорены. Перед использованием
каждой бочки проверяется плотность жидкости и отсутствие
в ней избыточного количества воды. Отсутствие избыточного
количества воды проверяется взбалтыванием топлива с 1°/о
добавленной в него специальной жидкости. Если в жидкости
воды нет, то она полностью растворится в топливе. Обвод-
ненную жидкость применять нельзя, вместо
пользы она может принести вред — вызвать образование кри-
сталлов льда. Если в емкости появляется водный отстой, то
специальная жидкость переходит из топлива вводу, так как
растворимость ее в воде во много раз лучше, чем в топливе.
Жидкость, добавляемая в топливо, ядовита; попада-
ние ее в пищеварительный тракт вызывает сильное отравле-
ние. Поэтому ни в коем случае нельзя засасывать ее в
шланги или трубки ртом. Жидкость хорошо отмывается со-
довым раствором и водой.
Загрязнение и коррозия топливной аппаратуры. Контроль
качества топлива при производстве, хранении и заправке
практически исключает возможность применения на авиаци-
онной технике таких топлив, которые содержат наиболее
опасные для топливной аппаратуры примеси водораствори-
мых кислот и щелочей, свободной серы и сероводорода, а
также попавших извне механических примесей (грязи,
пыли). Механические примеси, которые могут появиться вну-
три топливной системы в результате разрушения шлангов,
прокладок или износа деталей топливной аппаратуры, задер-
живаются на фильтрах. Поэтому источниками загрязнения
и коррозии практически являются не полностью удаленные
при очистке топлива и образующиеся при хранении и приме-
нении топлива химически активные и неста-
бильные -органические соединения, содержа-
щие кислород, серу и азот. Они могут вызвать нарушение ре-
72
гулировки топливных агрегатов и падение оборотов двига-
теля, заедание плунжерных элементов, засорение форсунок и
другие ненормальности.
Топлива, вырабатываемые из сернистых нефтей, не всегда
удается полностью очистить от меркаптанов — соедине-
ний серы типа CrtHmSH. При содержании в топливе более
0,01% меркаптанов сера реагирует с кадмиевыми покрыти-
ями топливной аппаратуры и образует студенистые
осадки меркаптидов кадмия [45, 47]. Меркаптаны осо-
бенно активны в условиях высокой влажности. В отдельных
случаях разрушение кадмиевых покрытий наблюдается при
содержании меркаптановой серы меньше 0,01%, но образо-
вания опасного количества осадков при этом не происходит.
Другие соединения серы, входящие в состав топлива (суль-
фиды и т. д.), на детали топливной системы практически не
действуют.
При щелочной очистке топлива на нефтеперерабатываю-
щих заводах образуются нафтеновые мыла. Если
они будут недостаточно тщательно удалены из топлива при
его производстве, то в процессе хранения, нахождения в топ-
ливозаправщиках, в топливной системе мыла оседают в виде
слизи. Осадок можно своевременно обнаружить при регуляр-
ном осмотре фильтров на топливозаправщиках и самолетах.
При появлении на фильтрах осадка нафтеновых мыл необ-
ходимо сократить сроки осмотра и промывки фильтров.
Нафтеновые мыла легко распознать по их растворимости в
горячей воде (вода становится бело-мутной и дает щелочную
реакцию — розовеет при добавке нескольких капель ра-
створа фенолфталеина).
В небольшом практически безопасном количестве в топ-
ливе почти всегда присутствуют смолы и малоактивные орга-
нические кислоты (главным образом нафтеновые), нераство-
римые в воде. Однако превышение допустимых норм содер-
жания смол (10—11 мг на 100 мл топлива) и кислотности
(1 мг КОН на 100 мл топлива) может привести к выделе-
нию осадков смолистых веществ и нафтеновых мыл, обра-
зуемых при взаимодействии кислот с металлами (медью,
сталями и другими металлами, кроме алюминия).
Интенсивность процессов окисления и полимеризации не-
предельных углеводородов, приводящих к образованию
смол и органических кислот, увеличивается с по-
вышением температуры топлива, с увеличением поверхности
его соприкосновения с воздухом, с увеличением объема и
усиления циркуляции воздуха над топливом, при попадании
73
В топливо воды. Ввиду каталитического действия металла
процесс смолообразования усиливается с увеличением по-
верхности соприкосновения топлива со стенками резервуара
(отношения поверхности контакта к объему топлива). По-
этому топлива лучше хранить в крупных целиком заполнен-
ных емкостях, желательно заглубленных. С целью отраже-
ния солнечных лучей наземные емкости красят алюминие-
вой или белой краской. Из емкостей и отстойников самолет-
ных баков нужно систематически удалять водный отстой.
Вообще же реактивные топлива прямой перегонки доста-
точно стабильны. При хорошей организации хранения со-
держание смол в топливе не выходит из пределов нормы в
течение нескольких лет.
На поверхности некоторых бронз и сталей, из которых из-
готовлена топливная аппаратура, процесс образования смол
резко ускоряется. При обычном для реактивных топ-
лив небольшом содержании непредельных углеводородов эти
процессы не достигают опасной интенсивности, если темпе-
ратура топлива невысокая. Но при нагреве топлива до
120—200° современные реактивные топлива в контакте с
этими металлами (особенно бронзой) выделяют нераство-
римые осадки — плотные, иногда твердые вещества, состоя-
щие из продуктов химического превращения смол и продук-
тов коррозии меди серой и ее активными соединениями
[47—49].
Воздействие продуктов сгорания топлива на детали дви-
гателя. Углистый нагар на стенках жаровой трубы и на дру-
гих деталях двигателя, соприкасающихся с продуктами сго-
рания топлива, почти не образуется, так как в условиях вы-
сокой температуры он выгорает.
Однако при большом количестве смол в топливе нагар
может образоваться на форсунке и распыл топлива ухуд-
шается. В результате плохого распыла крупные капли топ-
лива попадают на стенки жаровой трубы и сгорают на них,
вызывая перегрев стенок и интенсивное образование нагара,
состоящего в основном из несгоревших остатков смол и аро-
матических углеводородов. Значительное содержание пос-
ледних при этом способствует перегреву, короблению и про-
гару стенок жаровой трубы и других деталей, соприкасаю-
щихся с газами, вследствие более высокой температуры горе-
ния (см. стр. 27). Частицы нагара, отрывающиеся от стенок
жаровой трубы, ударяются о лопатки турбины и вызывают
преждевременный износ их (эрозию).
Плотные, твердые нагары образуются после сгорания
74
микропримесей металлов, содержащихся в топ-
ливе в виде солей и, возможно, в составе сложных металло-
органических соединений. В расплавленном или размягчен-
ном состоянии окислы металлов и соли прилипают к деталям,
а затем, остывая, образуют твердую пленку зольного шлака.
Кроме физического воздействия на детали двигателя, на-
гары в некоторых случаях оказывают на них также и х и м и-
ческое воздействие [43, 44]. Содержание в золе,
топлива пятиокиси ванадия V2O5, а также (в соче-
тании с ней) окиси и солей натрия и, возможно, других ме-
таллов вызывает коррозию жаростойких сплавов на желез-
ной и никелевой основе.
Содержание микропримеси ванадия колеблется от стоты-
сячных — десятитысячных долей процента в кавказских неф-
тях до тысячных — сотых долей процента (т. е. в 10—100 раз
больше) в урало-волжских, европейских и некоторых амери-
канских нефтях. Он входит в состав главным образом высо-
комолекулярных азотсодержащих соединений, которые кон-
центрируются в высококипящих фракциях и в значительной
мере удаляются при очистке нефтепродуктов. Однако остаю-
щееся ничтожно малое содержание ванадия, по-видимому,
может быть непосредственной причиной коррозии и прогара
жаростойких материалов. Образующаяся после сгорания
пятиокись ванадия V2O5 (температура плавления 685°) в
жидком виде осаждается на металлических поверхностях
газового тракта. Ванадий обладает переменной валентностью
и в условиях высокой температуры легко отдает часть кисло-
рода железу, которое при этом разрушается, образуя окислы.
Пятиокись ванадия превращается в четырехокись
(V2O5 -+ V2O4 + О на окисление железа), но при контакте с
избытком кислорода в газовом тракте снова регенерируется'
в пятиокись. Таким образом, ванадий может играть роль п е-
реносчика кислорода — катализатора газо-
вой коррозии. Незначительное содержание в золе топ-
лива сульфата натрия ЫагБСи или окиси натрия ЫагО
(в 10—15 раз меньшее по сравнению с содержанием вана-
дия) усиливает ванадиевую коррозию железа в десятки раз.
Вопрос о ванадиевой и подобной ей коррозии и мерах
борьбы с ней еще мало разработан. Предотвращение этого ви-
да коррозии достигается отбраковкой топлив при испытаниях.
Коррозионного действия продуктов сгорания серы на
детали газотурбинного двигателя не наблюдается. Од-
нако с увеличением содержания серы в топливе усиливается
в несколько раз ванадиевая коррозия железа.
75
Огнеопасность топлив [39, 40, 50, 51, 83]. Причиной по-
жара может быть самовоспламенение топлива или вспышка
его паров от внешнего источника — пламени, электрической
искры. Топлива типа керосинов или бензинов могут само-
воспламениться при попадании их на раскаленную
металлическую поверхность с температурой выше 350—400°,
например, на реактивное сопло или части турбины, разру-
шенной при аварии. Указать какие-либо определенные тем-
пературы их самовоспламенения нельзя, они могут резко ме-
няться в зависимости от условий отвода тепла в окружаю-
щую среду.
Склонность топлив к самовоспламенению не следует пу-
тать с возможностью вспышки от внешнего пламени. В лю-
бых соответственно одинаковых условиях легче само-
воспламеняются более тяжелые топлива,
которые по своей химической природе легче окис-
ляются, образуя взрывчатые перекиси. Так, керосины са-
мовоспламеняются при температуре примерно на 100° ниже,
чем бензины. Еще легче самовоспламеняется гидромасло
(близкое по углеводородному составу к дизельному топливу)
и смазочное масло, попадающие на горячие детали двига-
теля. При авариях и повреждениях обычно они образуют
первые очаги пламени, а от них уже загорается топливо [40].
Внешним источником воспламенения
топлива могут быть разрушение отдельных участков электро-
проводки самолетов, а также разряды статического элек-
тричества, которое образуется из-за трения обшивки само-
лета о воздух во время полета (напряжение на поверхности
обшивки достигает нескольких тысяч вольт), а также во
время наполнения резервуаров и топливных баков (при
большой скорости налива) вследствие трения топлива о
шланги (в сухую погоду). Напряжение на поверхности топ-
лива в баках достигает в этом случае до 1100 в.
Жидкое топливо не горит. Топливо может загореться от
внешнего Источника только тогда, когда над ним образуется
подходящая для воспламенения смесь паров топлива с воз-
духом. Для керосинов, бензинов и аналогичных углеводород-
ных топлив при атмосферном давлении нижний предел вос-
пламенения (самая бедная топливом смесь, способная го-
реть) соответствует значению коэффициента избытка воздуха
а~ 1,4, а верхний предел (самая богатая смесь, способная
гореть) а 0,5, С понижением давления эти пределы сужа-
ются.
76
Чем выше температура топлива, тем больше концентра-
ция паров над его поверхностью.
В случае когда топливо не находится в закрытой емкости,
пары над ним непрерывно рассеиваются и слишком богатой
для воспламенения смеси образоваться не может. Чем выше
давление насыщенных паров топлива, тем ниже минималь-
ная температура топлива, при которой над его поверхно-
стью концентрация паров достигает нижнего предела воспла-
менения. Минимальная температура топлива, при которой
оно загорается от поднесенного к его поверхности пламени^
называется температурой вспышки. При более}
низкой температуре топлива оно от поднесенного пламени не»
загорается. Так, топлива типа керосина ТС-1 и Т-1 не заго-i
раются при температуре ниже 28—30°. Температура;
вспышки бензинов и топлива Т-2 не регламентируется; фак-i
тически она равна минус 10—20°.
В случае когда топливо находится в закрытой емкости,
существует не только минимальная, но и некоторая макси-
мальная температура вспышки топлива, при
которой количество паров в смеси с воздухом достигает
верхнего предела воспламенения; выше этой температуры
смесь становится негорючей. Следовательно, каждое топ-
ливо, находящееся в закрытой емкости, огнеопасно только в
определенном диапазоне температур (рис. 19). На земле для
топлива Т-1 взрывоопасные пределы температуры от +25
до +65°, для ТС-1 от +15 до +60°, для Т-2 от —10 до +40°,
а для бензина Б-70 от —25 до +20°. Чем больше высота по-
лета и меньше плотность воздуха в баках самолета, тем бо-
гаче смесь насыщенных паров топлива с воздухом и ниже
температуры как нижнего, так и верхнего предела огнеопас-
ности топлива. На некоторой высоте (для реактивных топлив
порядка 14 000—17 000 м) смесь из-за переобога-
щения вообще становится негорючей. Од-
нако переобогащенная смесь может оказаться взрывоопасной
в момент бурного выделения растворенного воздуха.
Если температура топлива при наливе резервуаров и за-
правке самолетов соответствует взрывоопасным пределам,
необходимо принимать меры против возникновения разрядов
статического электричества. Целесообразно уменьшать
скорость налива последних 20—25°/о топлива в случае малой
влажности воздуха (иначе статическое электричество не
будет успевать рассеиваться). Кроме обычного заземления
самолета и топливозаправщика, целесообразно соединять
проводником заправочный пистолет с горловиной бака.
77
Для предотвращения пожара в не заполненный топливом
объем баков иногда вводят негорючий углекис-
лый газ или азот. Даже при частичном разбавлении
ими воздушно-паровой смеси (примерно на одну треть) кис-
лорода уже не хватает для поддержания горения. На этом
же основано гашение возникшего пожара при помощи угле-
кислотных огнетушителей. Для гашения пламени мо-
гут быть использованы также химические средства, наруша-
Температура топлива
Рис. 19. Температурные пределы воспламеняемости топлив
в баках самолета на различной высоте (при открытом
дренаже) [50]
ющие нормальное протекание реакций горения и резко сни-
жающие их тепловой эффект, например бромпроизвод-
н ы е углеводородов [50]. Вода при гашении нефтяных топ-
лив малоэффективна. Она вызывает разбрызгивание горя-
щего топлива и способствует распространению пламени. В
стационарных условиях могут оказаться полезными пенные
огнетушители. Пена изолирует поверхность испарения топ-
лива от зоны пламени, испарение топлива прекращается и
пламя гаснет.
ГЛАВА IV
ТОПЛИВА ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ПОРШНЕВЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ АВИАЦИОННЫХ БЕНЗИНОВ,
ТРЕБОВАНИЯ К ИХ КАЧЕСТВУ, СОРТА БЕНЗИНОВ1
Все современные авиационные поршневые двигатели, ус-
танавливаемые на вертолетах, транспортных и учебных са-
молетах ит. д., — четырехтактные с искровым
зажиганием. Подача топлива в их цилиндры осуществ-
ляется при помощи карбюратора или системы непосредст-
венного впрыска. На испарение топлива поршневых двига-
телей отводятся такты всасывания и сжатия (около 0,02 сек).
Для обеспечения полного испарения топлива за такой корот-
кий промежуток времени авиационным поршневым двигате-
лям требуется легко испаряющееся топливо — бензин.
После зажигания топливо-воздушной смеси пламя за
0,002—0,003 сек распространяется по камере сгорания в виде
фронта. Раскаленные продукты сгорания, расширяясь, резко
сжимают и сильно разогревают еще не сгоревшую смесь впе-
реди фронта пламени. В результате этого в ней идет быстрое
окисление углеводородов и образуются легко взрыва-
ющиеся гидроперекиси. Если до конца сгорания
смеси перекиси не успеют образоваться и взорваться, то дви-
гатель будет работать нормально, но если взрыв перекисей
опережает фронт нормального сгорания, то в цилиндре воз-
никают ударные волны, происходит детонация.
Она вызывает перегрев и постепенное разрушение деталей
цилиндро-поршневой группы. Характерный признак детона-
1 См. литературные источники [80, 15, 29, 52—55].
79
Цйй — металлический стук, вызываемый ударными йоЛнамй,
из-за шума мощного авиационного двигателя обычно не
слышен. Детонацию образно сравнивают с раком, который
обнаруживается только тогда, когда вызванные им разруше-
ния уже носят катастрофический характер.
Возникновение детонации зависит от режима и ус-
ловий работы двигателя и от состава топ-
лива. В полете мощность авиационного поршневого двига-
теля, как известно, регулируется главным образом путем из-
менения наддува рк —давления воздуха, нагнетаемого в ци-
линдры. При работе двигателя на каждом сорте бензина су-
ществует некоторый предельно допустимый над-
дув Р*к, превышение которого вызывает детонацию; для раз-
ных бензинов р* различно. Существенное влияние на дето-
национную стойкость топлива оказывает состав смеси
(коэффициент избытка воздуха а) и температурные
условия работы двигателя, причем их влияние перепле-
тается. Наиболее полное представление об этом влиянии
дают детонационные характеристики — зависимости пре-
дельно допустимого наддува Р*к (соответствующего началь-
ной детонации) от состава смеси а при различной темпера-
туре воздуха (рис. 20).
Из графика характеристик, приведенного на рис. 20, ви-
дно, что при температуре воздуха выше 70—100° (это обычная
Рис. 20. Детонационные характеристики,
снятые при различной температуре воздуха
на входе в цилиндр двигателя АШ-82ФН
80
его температура после сжатия в нагнетателе) макси-
мум детонационной стойкости (максимальный над-
дув р*) получается при а = 0,6—0,7 (богатая смесь) и ми-
нимум при а= 1,0—1,1 (бедная смесь). Это позволяет
при работе двигателя на богатой смеси устанавливать более
высокий наддув и получать от двигателя большую мощность,
чем при работе на бедной смеси. Снижение температуры воз-
духа (до значений, соответствующих зимним условиям ра-
боты двигателя) вызывает понижение детонационной стойко-
сти на богатой смеси и повышение на бедной. Иначе говоря,
на максимальных режимах детонация ве-
роятнее при низкой температуре воздуха,
а на крейсерских — при высокой. При этом дето-
национная стойкость различных бензинов с изменением
состава смеси и температурных условий меняется по-раз-
ному. В связи со сказанным требования к детонационной
стойкости бензинов на богатой смеси и на бедной смеси дол-
жны быть разными.
Мерой детонационной стойкости топлив
на бедной смеси (а = 1,0—1,1) применительно к крейсерским
режимам двигателей служит октановое число, а на богатой
смеси (а^О.6) применительно к режимам полной мощно-
сти— сортность. Обе эти характеристики получаются пу-
тем сравнения бензинов с условно выбранными эталонами
(см. ниже, стр. 87).
Требуемая детонационная стойкость бензинов на богатой
и бедной смесях обеспечивается при их производстве путем
смешения бензиновых фракций прямой перегонки нефти
и каталитического крекинга с высокооктановыми изопара-
финовыми и ароматическими компонентами (алкилатом,
алкилбензолом. толуолом и др.), а также введением в
них антидетонатора — тетраэтилсвинца. Изопара-
фины более эффективно повышают детонационную стой-
кость на бедной смеси, ароматические углеводороды — на
богатой.
Какой же бензин требуется для того или иного поршне-
вого авиационного двигателя? Это можно определить путем
сравнения детонационных характеристик бензинов, снятых
при типичных для данного двигателя условиях (температур-
ных режимах, числах оборотов и т. д.), с величинами над-
дува и составами смеси, которые установлены техническими
условиями на двигатель (рис. 21). Если детонационная ха-
рактеристика бензина проходит при соответствующем со-
6 Зак. 694
81
ставе смеси выше потребного наддува по техническим усло-
виям (р* > р^т у ), то бензин по детонационной стойкости при-
годен для данного двигателя, а если ниже (р* < Р*т,у.)> —
то бензин непригоден.
Маркируются авиационные бензины, как правило, дроб-
ным числом (например, Б-95/130). Числитель дроби (95)
указывает нижний предел октанового числа,
Рис. 21. Детонационные характеристики
бензинов на одном из авиационных двига-
телей: Б-95/130 обеспечивает бездетона-
ционную работу двигателя, Б-95/115 не
обеспечивает бездетонационной работы
двигателя
а знаменатель (130)—нижний предел сортности
на богатой смеси, допустимые для данного бензина. Приме-
няются авиабензины 4 марок:
Б-100/130 — ярко-оранжевого цвета, содержащий тетра-
этилсвинец в количестве до 2,7 г/кг (для двигателей
АШ-73ТК);
82
Б-95/130 — желтого цвета, содержащий тетраэтилсвинец
в количестве до 3,3 г/кг (для различных модификаций дви-
гателя АШ-82 и для некоторых других двигателей);
Б-91/115 — зеленого цвета, содержащий тетраэтилсвинец
в количестве до 2,5 г!кг (для двигателей АШ-62ИР, АШ-21,
АИ-26В и др.);
Б-70 — бесцветный, не содержащий тетраэтилсвинца (для
двигателей АИ-14Р и типа М-11 различных модификаций).
Бензин Б-70 используется и как пусковое топ-
ливо для некоторых типов газотурбинных двигателей. Ис-
пользовать для этого бензины, содержащие тетраэтилсвинец,
нельзя из-за отложений свинца на лопатках газовых турбин.
Вводимый в бензины в качестве антидетонатора тетра-
этилсвинец РЩСгН.ф представляет собой бесцветную, очень
ядовитую жидкость. При 20° его плотность равна 1,652. При
200° он кипит и одновременно разлагается. Тетраэтилсвинец
замедляет процесс образования взрывча-
тых перекисей.
Добавление первых малых количеств тетраэтилсвинца
(до 2,5—3,3 г/кг) весьма эффективно (рис. 22). Дальнейшее
увеличение его содержания в бензине мало повышает дето-
национную стойкость, но зато отрицательно влияет на на-
дежность двигателя (в цилиндре увеличиваются отложения
окислов свинца). На двигателях с большими сроками
службы желательно применять бензины с меньшим содержа-
нием тетраэтилсвинца или еше лучше чистые бензины (если
они имеют достаточную детонационную стойкость).
Тетраэтилсвинец вводится в бензины в составе этиловой
жидкости — смеси с вы носителями (бром- и хлор-
производными углеводородов). Реагируя с ними, свинец
после сгорания превращается в летучие при высокой тем-
пературе соединения и в основном удаляется из камеры
сгорания вместе с выхлопными газами.
В состав бензинов вводятся этиловые жидкости трех
различных марок Р-9, 1-ТС и П-2; они различаются по содер-
жанию тетраэтилсвинца и по составу выносителя. В жид-
кость Р-9 входит летучий бромэтан СгНдВг, потери его
приводят к значительному отложению окислов свинца в ка-
мере сгорания, прогару клапанов, отказу свечей и другим
дефектам. В состав жидкости 1-ТС (а также иностран-
ных жидкостей 1-Т и других) входит дибромэтан С2Н4ВГ2,
в состав жид кости П-2 — дибромпропан СзНвВга. Они
практически не испаряются при хранении; по содержанию
и	83
тетраэтилсвинца одному миллилитру жидкости Р-9 равно-
цённы 0,8 мл жидкости ТС-1 и 0,94 мл жидкости П-2.
При длительном хранении бензина тетраэтилсвинец по-
степенно окисляется, разлагается и вступает в реакции с
продуктами окисления углеводородов. В результате обра-
Рис. 22 Влияние тетраэтилсвинца на повышение дето-
национной стойкости бензинов, внизу — в октановых
числах, вверху — в числах сортности на богатой смеси
зуется белый осадок (в сухом виде — тонкая, едкая
пыль, содержащая 50—6Ои/о свинца), который может нару-
шить нормальную работу топливной аппаратуры. Следует
иметь в виду, что осадок этот ядовит. О разложении тет-
84
раэтилсвинца свидетельствует помутнение бензина.
Разложение тетраэтилсвинца может также привести к воз-
никновению детонации на двигателях. Для повышения ста-
бильности растворенного в бензине тетраэтилсвинца в авиа-
бензины добавляется параоксидифениламин в ко-
личестве 40—50 г/т, он тормозит окисление и разложение
тетраэтилсвинца.
Тетраэтилсвинец — сильный яд, действующий на нервную
систему и кровь. Он способен накапливаться в организме, по-
этому отравление им может быть обнаружено спустя
длительное время. Попадание его в пищеварительный
тракт может привести к смерти. Этилированными бен-
зинами нельзя мыть руки и одежду: после испарения бензина
на них остается тетраэтилсвинец, Он способен проникать в
организм через кожу.
В авиационных бензинах, как и в топливах для газотур-
бинных двигателей, ограничивается содержание веществ, спо-
собствующих повышенному образованию отложений, пере-
греву деталей и коррозии (смол, непредельных углеводоро-
дов. ароматических углеводородов, органических кислот); не
допускается наличие водорастворимых кислот, шелочей,
воды, механических примесей. Специфичным для авиацион-
ных бензинов является жесткое ограничение об-
щего содержания серы — не более О,О5°/о. Это свя-
зано с тем, что образующаяся после сгорания серы серная
кислота (см. стр. 39) может попадать в масло и накапли-
ваться в картере двигателя, что представляет опасность для
нестойких против коррозии подшипников из свинцовистой
бронзы.
Как и реактивные топлива, авиационные бензины дол-
жны иметь низкую температуру начала кристаллизации — не
выше —60°. Чтобы предотвратить образование кристаллов
льда, в авиационные бензины может добавляться та же спе-
циальная жидкость, что и в реактивные топлива (в том же
количестве). Однако опасность кристаллообразования в бен-
зинах меньше, чем в реактивных топливах типа керосина
(несмотря на более высокий предел растворимости воды), так
как в них кристаллы льда быстро оседают и удаляются с от-
стоем.
Вязкость авиационных бензинов, зольность, температура
вспышки а для большинства бензинов также и теплота сго-
рания не регламентируются, так как возможные колебания
этих показателей незначительны и практически не влияют на
работу двигателей.
85
ИСПАРЯЕМОСТЬ АВИАЦИОННЫХ БЕНЗИНОВ1
Испаряемость бензина оказывает весьма существен-
ное влияние на работу авиационного поршневого дви-
гателя и топливной системы самолета.
Чтобы в складских резервуарах бензин не закипал в
жаркую погоду, температура начала его кипения должна
быть не ниже плюс 40°. Во избежание кавитации в полете
давление насыщенных паров бензина (при 38°) должно быть
не больше 360 мм рт. ст. (верхний предел). Для облегчения
запуска авиационных двигателей в зимнее время норми-
руется и нижний предел давления насыщенных паров —
220-?-240 мм рт. ст.
Ряд эксплуатационных характеристик поршневого дви-
гателя зависит от фракционного состава топлива — темпера-
туры выкипания 10, 50, 90 и 97,5% фракций топлива. За-
пуск двигателя при низкой температуре тем легче, чем
• ниже температура выкипания «пусковой» фракции — пер-
вых 1О°/о объема топлива. На холодном двигателе нижний
предел воспламеняемости достигается лишь при достаточно
низкой температуре выкипания «пусковой» фракции — не
выше 75—88°.
Время прогрева двигателя и его приемистость
(время перехода с малого газа на максимальный режим) со-
кращается с понижением температуры выкипания 50°/о
фракции бензина. Для обеспечения требуемого времени при-
емистости 1—2 сек она должна быть не выше 105°.
Полнота испарения бензина и равномер-
ность состава смеси по цилиндрам двигателя зави-
сят от температуры выкипания 90% фракции бензина. Если
она оказывается высокой (выше примерно 145°), то в неко-
торые цилиндры карбюраторных двигателей часть топлива
со стенок трубопроводов попадает в виде жидкой пленки.
В результате этого двигатель не развивает требуемой мощ-
ности, ухудшается его экономичность, а неравномерность со-
става смеси вызывает тряску.
Температура выкипания 97,5°/о фракции бензина также
сказывается на экономичности двигателя. Кроме
того, она влияет на нагарообразование и на раз-
жижение масла в картере несгоревшим остатком топ-
лива и в конечном счете сказывается на степени износа и
сроке службы двигателя. Опыт показал, что температура вы-
кипания 97,5°/о фракции не должна превышать 180°>
1 См. литературные источники [9, 33, 34].
86
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА И СОРТНОСТИ
БЕНЗИНОВ
Показатели детонационной стойкости каждого сорта
авиабензина должны быть не ниже тех норм, которые уста-
новлены путем испытаний бензина на авиационных двигате-
лях. Для проверки этого пробы, взятые от каждой партии
бензина, испытываются на специальных малоразмерных
одноцилиндровых установках ЙТ-9 стандартной конструкции
путем сравнения с эталонными топливами определенного
химического состава [31].
Основным эталоном при лабораторной оценке
топлив служит изооктан CgHie (2,2,4-триметилпентан)1 —
углеводород с высокой детонационной стойкостью, условно
принятой за 100. Для оценки бензинов с более низкой дето-
национной стойкостью применяются смеси изооктана с дру-
гим эталоном — нормальным гептаном2 C?Hie, углеводоро-
дом, детонационную стойкость которого условно принимают
за нуль. Смешивая в различных пропорциях изооктан и нор-
мальный гептан, можно получить эталонные топлива с любой
промежуточной между ними детонационной стойкостью от 0
до 100; содержание изооктана в смеси называют октано-
вым числом эталонного топлива. Таким обра-
зом получается шкала октановых чисел — топливных экви-
валентов, с которыми сравнивается детонационная стойкость
бензинов на бедной смеси при а = 1,0—1,1, так как на бед-
ной смеси почти все бензины по детонационной стойкости
ниже изооктана.
На установке ИТ9-2 при работе на стандартном детонаци-
онном режиме при а = 1,0—1,1 находят состав эталонного
топлива, равноценный испытуемому бензину.
Октановым числом бензина называется показатель его
детонационной стойкости на бедной смеси, равный
процентному (по объему) содержанию изооктана (2,2,4-три-
метилпентана) в смеси с нормальным гептаном, которая по
детонационной стойкости равноценна данному бензину.
1 2,2,4-триметилпентан имеет структуру молекулы
СН3 СН3
сн3—i—сн8—ch—сн3
сн3
i Нормальный гептан имеет структуру молекулы
сн3 — сна—сн,—сн2—сн3—сн,—сн3.
87
На режимах полной мощности при работе на бога-
той смеси (а = 0,6) детонационная стойкость топлив,
как правило, сове р шен но иная, чем на бедной
смеси. Так, во время Великой Отечественной войны было
обнаружено, что американский бензин Б-100 (изопарафино-
вого состава) с октановым числом по моторному методу
99—100 не обеспечивал бездетонационного сгорания в дви-
гателе АМ-38, работавшем на богатых составах смеси. В то
же время на отечественном авиабензине с октановым числом
95 (содержавшем нафтены и ароматические углеводороды)
этот двигатель работал нормально. Поэтому введен контроль
детонационной стойкости авиационных бензинов также и на
богатой смеси (а = 0,6) применительно к условиям работы
авиационных двигателей на взлетном и номиналь-
ном режимах.
Почти все авиационные бензины (содержащие антидето-
натор) имеют детонационную стойкость на богатой смеси
выше, чем чистый изооктан; смеси изооктана с гептаном
для их оценки на богатой смеси непригодны. Эталоны с де-
тонационной стойкостью выше 100 получают путем добавки
к изооктану различных количеств антидетонатора—тетра-
этилсвинца. Эталоны эти протарированы на одноцилиндро-
вой установке (с цилиндром авиационного двигателя) при
а = 0,6 и для каждого из них установлена сортность. Она по-
казывает мощность в процентах (по сравнению с
чистым изооктаном), полученную при повышении наддува до
Содержание тетраэтилсвинца в изооктане
Рис. 23. График сортности эталонных топлив
88
зафиксирована в стандарте. Например, эталонный изооктан
при содержании 0,19 мл/кг тетраэтилсвинца — это мера де-
тонационной стойкости, цена которой в единицах сортности,
как видно из графика (рис. 23), равна 115; при содержа-
нии 0,48 мл!кг тетраэтилсвинца — 130 и т. д.
На установке ИТ9-1 при работе на стандартном режиме
находят, какое эталонное топливо при а=0,6 начинает дето-
нировать при такой же мощности, как и испытуемый
бензин. Сортность бензина принимается равной сортности
этого эталона.
Таким образом, сортность бензина на богатой смеси —
это показатель его детонационной стойкости, численно рав-
ный сортности такого эталонного топлива
(изооктана с добавкой тетраэтилсвинца), которое по детона-
ционной стойкости при а = 0,б равноценно данному
топливу.
ГЛАВА V
ТОПЛИВА ДЛЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
(по материалам иностранной печати)
В последние годы в иностранной (главным образом аме-
риканской) периодический печати опубликованы многочис-
ленные данные по жидким и твердым ракетным топливам
[57—80, 85—102]. В настоящей главе дается обзор этих
материалов, подкрепленный общими теоретическими поло-
жениями, известными из монографий и учебников совет-
ских и иностранных ученых и специалистов [1, 3, 6—10,
12—14, 16—18].
УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ТОПЛИВ
ДЛЯ ЖРД >
В жидкостных ракетных двигателях обычно применяется
двухкомпонентное топливо. Его компоненты — горючее
и окислитель — размещаются в раздельных баках и сме-
шиваются только после подачи в камеру сгорания. Расход
окислителя, как правило, в несколько раз
больше расхода горючего. Поэтому общий расход
топлива (горючего вместе с окислителем) на ракетных дви-
гателях в несколько раз больше, чем на тех двигателях, где
окислителем служит поступающий извне воздух (при соот-
ветственно одинаковой тяге). Это — существенный недоста-
ток ракетного двигателя.
Однако независимость питания от внеш-
ней среды и жидкое состояние окислительного ком-
понента обеспечивают важные преимущества ЖРД: возмож-
1 См. литературные источники [1, 6—10, 12—14, 16—18]»
90
КосТь работы в верхних слоях атмосферы и в космическом
пространстве и возможность получения за счет быстрого сжи-
гания большой массы топлива такой тяги, которую невоз-
можно получить у газотурбинных двигателей, не говоря уже
о поршневых. Благодаря этому достигается не только огром-
ная скорость полета, но и неограниченная дальность (за
счет энергии, приобретенной при разгоне), вплоть до превра-
щения ракеты в космическое тело.
Свойства ракетного топлива определяются в
большей мере окислителем, чем горючим. По-
этому топлива для ЖРД делят на группы в соответствии с
входящими в их состав окислительными компонентами:
азотнокислотные (на основе азотной кислоты), кислородные
(на основе жидкого кислорода), перекисноводородные (на
основе перекиси водорода) и т. д.
В качестве горючего компонента азотнокислотных топлив
на американских, английских и французских ЖРД приме-
няются керосин (с азотной кислотой не самовоспламе-
няется) и амины (самовоспламеняются). Кислородные
топлива обычно имеют горючим компонентом спирты
(не самовоспламеняются). Углеводороды (керосин,
бензин) с жидким кислородом дают слишком высокую тем-
пературу, опасную для материалов камеры, и применяются
только на двигателях, выполненных из особо жароустойчи-
вых сплавов и керамики [61, 69, 70].
Двухкомпонентные перекисноводородные топлива, где
перекись водорода выполняет роль окислителя, в на-
стоящее время применяются мало (главным образом на
английских ЖРД); при этом горючим служит керосин [61].
Смеси перекиси водорода с водой обычно применяются в ка-
честве однокомпонентного вспомогатель-
ного топлива, приводящего в действие турбонасосный
агрегат, который осуществляет подачу основного топлива
(рис. 24). Он состоит из высокооборотной газовой Турбиным
центробежных насосов, которые подают окислитель и горю-
чее в камеру сгорания ЖРД; иногда в агрегат входит также
насос и для самого вспомогательного топлива, питающего
турбину. В некоторых конструкциях ЖРД применяется газо-
баллонная подача компонентов топлива в камеру сгорания
под давлением газа в несколько десятков атмосфер. Для
этого служат аккумуляторы давления (пороховые или с
жидким самовоспламеняющимся топливом) или же сжатый
воздух.
91
С целью охлаждения камеры сгорания топливо (или
один из его компонентов) обычно прокачивается через ее
рубашку.
В камеру ЖРД компоненты топлива подаются через не-
сколько десятков форсунок, обеспечивающих тонкий распыл
и хорошее перемешивание компонентов, которое осуще-
ствляется тем легче, чем меньше объемный расход окисли-
теля превышает расход горючего. Впрыснутое в камеру сго-
Турбонососнъю
агрегат
Рис. 24. Принципиальная схема топливной системы ракетного лета-
тельного аппарата с ЖРД (вариант)
рания топливо быстро нагревается обратными токами
раскаленных газов и излучением зоны горения, испаряется
за 0,0001—0.001 сек и, попав в среднюю часть камеры с тем-
пературой порядка 2000—3U000, практически мгновенно сго-
рает. При этом на единицу объема камеры сгорания выде-
ляется в десятки и сотни раз больше тепла, чем в ТРД (при-
мерно от 500 до 5000 ккал/л • сек). Образовавшиеся в ре-
зультате сгорания топлива газы создают в камере давление
от 30 до 100 кг!см2 и более и вытекают с большой скоростью
через реактивное сопло. Тяга ракетного двигателя пропорци-
ональна скорости истечения и массе продук-
тов сгорания топлива, вытекающей в единицу вре-
мени из сопла; масса продуктов сгорания равна расходу
топлива.
Для запуска ЖРД чаше всего применяется химическое
зажигание при помощи компонентов, самовоспламеняющихся
при смешении.
92
Самовоспламенение дают только такие компоненты, прй
контакте которых в жидкой фазе идет энергичная реакция с
выделением тепла и образованием неустойчивых взрывчатых
промежуточных продуктов. В результате их разогрева и хи-
мического превращения образуется парогаз — горячая
смесь паров исходных веществ и газообразных промежуточ-
ных продуктов. Взрыв неустойчивых веществ в газовой фазе
приводит к появлению первых очагов пламени, которое за-
тем охватывает весь парогаз. Продукты его сгорания попа-
дают в обратные газовые токи, направленные к зоне разре-
жения у форсунок. Они обеспечивают быстрое испарение и
воспламенение вновь поступающих порций топлива.
Общее время задержки самовоспламенения, считая от
момента контакта горючего и окислителя, не должно превы-
шать 0,03 сек [77]. В противном случае в камере сгорания на-
копляется столько топлива, что скачок давления при воспла-
менении всей его массы может разрушить двигатель. Накоп-
ление и взрыв самовоспламеняющегося топлива могут иметь
место также вследствие пульсаций давления в топливной си-
стеме и колебаний расхода топлива при ненормальном,
вибрационном горении и после остановки двигателя в слу-
чае подтекания компонентов.
Чрезвычайно высокая химическая активность самовоспла-
меняющегося топлива тоже нежелательна, она может послу-
жить причиной еще более опасного детонационного взрыва.
Самовоспламеняющиеся компоненты могут использо-
ваться в качестве основного (рабочего) топлива или же
только для получения первоначального факела, в который
затем подается основное несамовоспламеняющееся топливо.
Для воспламенения применяются также электрическое за-
жигание и пиропатроны.
Исходя из особенностей устройства и работы ЖРД топ-
ливо для них должно иметь:
—	высокую теплопроизводительность для обеспечения
большой скорости истечения газов;
—	возможно большее газообразование с целью получе-
ния большей скорости истечения и одновременно более низ-
кой температуры газов (см. стр. 27), обеспечивающей на-
дежную работу материалов камеры двигателя;
—	высокую плотность горючего и особенно окислителя с
целью размещения большого количества топлива в ограни-
ченном объеме баков;
—	возможно меньшее отношение объемных расходов
93
окислителя и горючего для обеспечения их равномерного
смешения и полного сгорания;
—	высокую температуру кипения для обеспечения воз-
можности охлаждения камеры сгорания и предотвращения
потерь при хранении и применении;
—	низкую температуру замерзания и малую вязкость во
всем эксплуатационном диапазоне температур для облегче-
ния заправки и подачи топлива;
—	взрывобезопасность и стабильность при хранении и
применении;
—	возможно меньшее воздействие на материалы конст-
рукции;
—	возможно меньшую токсичность;
—	малый период задержки самовоспламенения (для са-
мовоспламеняющихся топлив) — не более 0,03 сек от мо-
мента начала соприкосновения компонентов.
Одновременно выполнить все эти требования обычно
оказывается невозможным, особенно для окислитель-
ных компонентов. Так, наиболее подходящие с точки зрения
рабочего процесса окислители коррозионноагрессивны, взры-
воопасны, нестабильны. Топлива с высокой теплопроизводи-
тельностью развивают при сгорании недопустимую для ма-
териала камеры температуру. Поэтому на практике прихо-
дится использовать топлива, которые в основном удовлетво-
ряют одним, но не удовлетворяют другим требованиям. При
этом неудовлетворительные качества топлива по возможно-
сти компенсируются особенностями конструкции и эксплуа-
тации двигателей (например, применением стойких против
коррозии Материалов, заправкой нестабильных компонентов
непосредственно перед стартом и т. д.).
ГОРЮЧИЕ КОМПОНЕНТЫ ЖИДКИХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ
Углеводородные горючие. В качестве горючих компонен-
тов для ЖРД могут использоваться обычные авиацион-
ные керосины и чистые (неэтилированные) бензины
[66]. Так, горючим компонентом для ЖРД американской
межконтинентальной баллистической ракеты «Атлас» служит
обычное широкофракционное авиационное топливо JP-4
(смесь бензиновых и керосиновых фракций) [69]. С обыч-
ными окислителями эти горючие не самовоспламеняются и
нуждаются в специальном устройстве для зажигания. В
США специально для ракетных двигателей в последние годы
вырабатывается керосин марки RP-1, выкипающий в преде-
лах 195—275°, с малым содержанием ароматических углево-
94
дородов [60]. Он отличается высокой полнотой сгорания.
Плотность этого керосина 0.80—0,82. Он применяется в паре
с азотной кислотой и с жидким кислородом (ЖРД фирмы
Рокит Дайн) [61].
При использовании углеводородного горючего в ЖРД
наиболее эффективным оказывается не стехиометрическое со-
отношение его с окислителем (а = 1),а богатая смесь,
содержащая избыток горючего (а<1). При этом происхо-
дит неполное сгорание углерода — частично
вместо углекислого газа СО2 образуется окись углерода СО.
При высоких температурах она устойчивей против диссоциа-
ции, чем углекислый газ, потеря тепла на диссоциацию полу-
чается меньшей. Кроме того, при сгорании богатой смеси
обеспечивается большее газообразован-и е, так как
нормальный объем 1 кг окиси углерода на 57°/о превышает
объем 1 кг углекислого газа (см. табл. 7), что даст более вы-
сокую скорость истечения газов из сопла и, следовательно,
большую тягу двигателя. Однако с повышением давления в
камере сгорания положительный эффект обогащения топлива
горючим уменьшается, так как давление снижает диссоциа-
цию, в связи с чем наиболее выгодный состав топлива сме-
щается в сторону стехиометрического (рис. 25) [18]. Положи-
тельный эффект обогащения при использовании других го-
рючих, содержащих меньше углерода, также проявляется,
но в меньшей степени.
Спирты [7, 13, 17, 19, 20, 136, 141]. В качестве горючего
компонента несамовоспламеняющихся топлив (главным
образом кислородных) на многих ЖРД используется эти-
ловый спирт (например, на самолетном ЖРД фирмы Тио-
кол LRB-RM-6 [61], на ракете «Редстоун» [65]). Обладая
значительно меньшей теплотворностью по срав-
нению с углеводородами (см. табл. 2), этиловый спирт не
намного уступает им по эффективности
сгорания в ЖРД. Это объясняется более низкой тем-
пературой продуктов сгорания спирта и соответственно
меньшими потерями тепла на диссоциацию. Низкая темпе-
ратура газов полезна также с точки зрения обеспечения
надежности двигателя. Положительным качеством спирта
является сравнительно небольшое потребное количество
окислителя (см. табл. 5), в связи с чем расходы спирта
(особенно содержащего воду) и окислителя получаются
приблизительно одинаковыми. Доля спирта в общей массе
расходуемого топлива оказывается достаточно большой,
чтобы обеспечить эффективное охлаждение камеры сго-
95
рания и сопла двигателя в тех случаях, когда окислитель
непригоден для указанной цели (например, жидкий кисло-
род). Это облегчает также организацию смешения спирта с
окислителем в камере сгорания и обеспечивает высокую пол-
ноту сгорания.
Этиловый спирт (этанол) СгНяОН имеет температуру ки-
пения 78° и очень низкую температуру замерзания (—114°).
20°
Коэффициент избытка окислителя
Рис 25. Смешение максимума удельной тяги по составу
смеси для ЖРД, работающего на керосине и жидком кис-
лороде, при повышении давления в камере сгорания [18]
равна 0,789. Обычно применяется спирт-ректификат, содер-
жащий около 6% воды (по весу), с плотностью около 0,814
или же водные растворы спирта еще меньшей концентрации.
При смешении этилового спирта с водой из-за гидратации
(образования групп молекул СгНЮН-хНгО) происходит
уменьшение объема и плотность оказывается повышенной
(рис. 26). Следует иметь в виду, что разбавленный водой
спирт при длительном хранении расслаивается (более
крепкий собирается вверху) Добавка воды в спирт, снижая
теплотворность топлив, при определенных условиях может
играть положительную роль, так как она понижает темпера-
96
туру сгорания и одновременно увеличивает газообразование
и массу отбрасываемого вешества.
Кроме этилового спирта, в качестве горючего компонента
на некоторых ЖРД (например, на двигателе английского
зенитного управляемого снаряда «Си Слаг» [70]) приме-
няется также метиловый спирт (метанол) СНзОН — мало-
Рис. 26. Плотность и температура замерзания смеси этилового
спирта с водой |23, 9]
вязкая легкокипяшая жидкость (кипит при 65°) с низкой тем-
пературой замерзания (—98°). Плотность его равна 0,796.
Метиловый спирт ядовит.
Азотсодержащие горючие [6—14, 20, 57, 138]. Амины
(углеводородные производные аммиака) —анилин, триэтил-
амин и ксилидин — самовоспламеняются при контакте с
7 Зак. 694
97
азотной кислотой. Амины обладают резким неприятным запа-
хом. Все они являются смертельными ядами.
Анилин CeHsNHa
/	СН	ч
I	, HCifV- NH8 I
I структурная формула	I —
I	нс^’сн I
'	CH '
маслянистая жидкость с температурой кипения 184° и высо-
кой температурой замерзания —6°. Плотность анилина до-
вольно высокая— 1,02. Анилин (с добавкой фурфурилового
спирта С4Н3О • СН2ОН) служит горючим компонентом пу-
скового топлива на американском управляемом снаряде
«Ника-Аякс» [72].
Ксилидин (аминоксилол) CeH3NH2(СН3)2 — высоко-
кипящая маслянистая жидкость (кипит примерно при 210°)
с достаточно низкой температурой замерзания (около —55°).
Плотность ксилидина приблизительно 0,98. Он используется
в качестве горючего компонента на американскОхМ управляе-
мом снаряде «Корпорел» [69].
Триэтиламин N(C2Hs)3—относительно легкая ле-
тучая жидкость (плотность его при 20° равна 0,728, темпера-
тура кипения 90°). Он замерзает при очень низкой темпера-
туре (—115°). По сравнению с другими аминами триэтил-
амин оказывает наиболее резкое поражающее действие на
центральную нервную систему. В качестве горючего компо-
нента, хорошо самовоспламеняющегося с азотной кислотой,
под названием тонка известна смесь 50% ксилидина и
5О°/о триэтил амина с плотностью около 0,85 [7, 8, 14]; она
применялась на немецких ЖРД во время второй мировой
войны. Состав ее, судя по американским исследованиям [77],
близок к оптимальному, обеспечивающему минимум за-
держки самовоспламенения при контакте с азотной кислотой.
Другой важной группой азотсодержащих соединений,
применяемых в качестве горючих для ЖРД, являются гид-
разин и его производные — гидразин-гидрат и ди-
метилгидразин. В иностранной печати указывается, что в
США намечается переход к этим горючим взамен спирта и
керосина [66].
Гидразин применялся в составе самовоспламеняющегося
ракетного топлива (с перекисью водорода) в период второй
мировой войны на немецком истребителе-перехватчике
98
«Ме-163» [18]. Гидразин N2H4 — вязкая ядовитая жидкость,
ее плотность при 20° равна 1,01, температура кипения 113°.
Температура замерзания гидразина с точки зрения эксплуа-
тационной оценки неудовлетворительная (—2°). С водой он
образует гидраз и н-гидрат N2H4 • Н2О (или N2H5OH)
щелочного характера с несколько более высокими плотно-
стью (1,03) и температурой кипения (118°) и со значительно
более низкой температурой замерзания, приемлемой в экс-
плуатации (—40°). Оба они отличаются низкой теплотворно-
стью, но зато требуют для своего сгорания небольшого коли-
чества окислителя, обеспечивают большое газообразование,
невысокий температурный режим и дают незначительные по-
тери тепла на диссоциацию [99] (см. табл. 2, 5, 8). В этом
отношении к ним примыкает еще одно азотсодержащее
соединение — аммиак.
Аммиак служит горючим на американском авиацион-
ном ЖРД фирмы Тиокол «Пионер» (в сочетании с жидким
кислородом). Жидкий аммиак 1NH3 при атмосферном давле-
нии имеет температуру —33,4° и быстро испаряется; под дав-
лением 6—7 атмосфер он сохраняется в жидком состоянии
при обыкновенной температуре. Аммиак замерзает при тем-
пературе —78°. Растворенный в воде аммиак представляет
собой щелочь NH4OH — едкий аммоний (нашатырный
спирт). Щелочные свойства гидразина и аммиака обуслов-
ливают их коррозионное действие на цветные металлы.
Диметилгидразин N2H2(CH3)2 обладает значи-
тельно более высокой теплотворностью, чем гидразин (см.
табл. 2). По данным американской печати, он может без пе-
ределкй двигателя заменить спирт и обеспечивает на 10—
15°/о большую скорость истечения газа из сопла [66]. Он ис-
пользуется на второй ступени американской ракетной си-
стемы для запуска искусственных спутников «Авангард»
(в паре с азотной кислотой) и, по-видимому, на первой сту-
пени ракеты «Юпитер-С» (в паре с жидким кислородом)
[74, 75, 65]. Кроме того, сообщается, что для улучшения ус-
тойчивости сгорания его добавляют к нефтяному топливу
JP-4 на американских ракетах «Раскел» [62] и «Ника-
Аякс» [72].
Диметилгидразин — прозрачная бесцветная ядовитая
жидкость. Плотность ее 0,795, температура кипения 63°, за-
мерзания —58°. Диметилгидразин хорошо смешивается с
этиловым спиртом, бензином, керосином и с водой; он гиг-
роскопичен. Пары его взрывоопасны в широких пределах
концентрации [57].
99
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЖИДКИХ РАКЕТНЫХ
ТОПЛИВ
Азотная кислота, четырехокись азота и тетранитрометан
[6—14, 19, 60, 82]. В качестве окислителя на ряде иностран-
ных ЖРД применяется концентрированная 96—98°/о азотная
кислота (американские управляемые снаряды «Раскел» и
«Корпорел» [69], французские ЖРД SEPR 814 и 2020 [68])
и ее смесь с четырехокисью азота («Ника-Аякс» [72]).
Азотная кислота НМОз — подвижная жидкость с
температурой кипения 86°, температурой замерзания —41°.
Плотность ее 1,52 (при 96—98°/о концентрации около 1,50).
Концентрированная азотная кислота гигроскопична; на воз-
духе «дымит», ее пары образуют с влагой воздуха капельки
тумана. Она химически нестойкая, выделяет кислород и
красно-бурую двуокись азота NO2, придающую кислоте
оранжевый цвет. Для горения воспламенившихся при кон-
такте с ней веществ воздуха не требуется.
По количеству выделяемого кислорода (63,5% от веса
химически чистой кислоты, см. табл. 6), а также по физиче-
ским свойствам азотная кислота является хорошим, удобным
для применения окислителем. Основные недостатки ее —
коррозионная агрессивность по отношению к большинству
металлов, способность разрушать (обугливать) многие мате-
риалы органического происхождения, ядовитость.
Введение в азотную кислоту четырехокиси азота и дру-
гих добавок обеспечивает дальнейшее улучшение ее поло-
жительных качеств и ослабление некоторых отрицательных
качеств.
Четырехокись азота N2O4 выделяет несколько
больше кислорода (69,6°/о), чем азотная кислота, а ее разло-
жение при контакте с горючим сопровождается выделением
тепла; и то и другое повышает теплопроизводительность то-
плива (см. стр. 106). Смеси азотной кислоты и четырехокиси
азота имеют по сравнению с азотной кислотой более высокую
плотность — до 1,63 при содержании 4О°/о четырехокиси
азота (рис. 27) и более низкую температуру замерзания
(при содержании 15—30®/о четырехокиси азота —70е). В чи-
стом виде четырехокись азота не применяется из-за низкой
температуры кипения (22°) и высокой температуры замерза-
ния (—9°).
В качестве окислительного компонента применяются так-
же смеси азотной кислоты с серной кислотой, называемые
меланжами. Серная кислота уменьшает коррозионную
100
агрессивность азотной кислоты и улучшает самовоспламеняе-
мость при контакте с аминами. Серная кислота —
бесцветная тяжелая маслянистая жидкость с температурой
замерзания плюс 10,5°, кипящая при 338°. При попадании
воды в меланж выделяется значительное количество тепла.
Серная кислота жадно поглощает пары воды, поэтому ме-
ланж весьма гигроскопичен.
Рис 27. Плотность и температура замерза-
ния смесей азотной кислоты с четырех-
окисью азота |7J
К азотной кислоте могут также добавляться и другие ве-
щества, снижающие ее коррозионную активность.
Тетранитрометан С(МОг)4 в чистом виде — взры-
воопасная ядовитая жидкость с температурой замерзания
+ 13,8° и кипения 4-126°; Важным качеством тетранитроме-
тана является его высокая плотность (1,65 при 20°) и допол-
нительное к теплотворности горючего выделение тепла
(455 ккал/кг), обусловленное сгоранием углерода, содержа-
щегося в самом тетра нитрометане. Кроме того, он не вызы-
вает коррозию металлов. Смесь тетранитрометана с четырех-
окисью азота имеет более удовлетворительную температуру
замерзания, чем чистый тетранитрометак (минус 25—30°).
101
На основе тетранитрометана могут быть созданы как Двух*
компонентные топлива (горючим могут быть спирты или уг-
леводороды), так и унитарные (однокомпонентные) топ-
лива— стабильные при обычных условиях смеси (ра-
створы) с нитрометаном CH3NO2, со спиртами и другими го-
рючими [60].
Жидкий кислород и жидкий озон [7, 8, 139]. Жидкий
кислород Ог применяется на ряде американских ракет
большой и средней дальности [61, 65, 66, 69, 74], в том числе
на ракетах для запуска искусственных спутников. Он пред-
ставляет собой подвижную слабо-синюю жидкость. При
атмосферном давлении температура его —183°; плотность
при этой температуре равна 1,132. Объем жидкого кисло-
рода в 790 раз меньше, чем объем газообразного. Под давле-
нием жидкий кислород может иметь несколько более высо-
кую температуру (до —119° при 49,7 атм — критическая
точка). Жидкий кислород притягивается магнитом. Кристал-
лизация кислорода происходит при температуре —219°.
Из-за очень низкой температуры кипения жидкий кисло-
род заправляют в баки двигателя непосредственно перед за-
пуском. В связи с этим производство жидкого кислорода дол-
жно быть организовано на не очень большом удалении от
места базирования ракетных летательных аппаратов [68].
Емкости для хранения и перевозки жидкого кислорода и
кислородные баки двигателя имеют двойные стенки, прост-
ранство между ними заполнено теплоизолирующим материа-
лом. Однако эти меры не гарантируют полную сохранность
кислорода: около половины его теряется от испарения. Все
же жидкий кислород является одним из самых деше-
вых окислителей.
Несмотря на очень низкую температуру, жидкий кисло-
род в небольших количествах не вызывает обморожения при
соприкосновении с ним человеческого тела, так как при этом
из-за быстрого испарения между кислородом и телом обра-
зуется газовая теплоизолирующая подушка.
В атмосфере чистого кислорода некоторые горючие ве-
щества (например, масла, жиры) самовоспламеня-
ются.
Озон Оз является второй аллотропической формой кис-
лорода. На его образование по реакции ЗО2-* 20з затрачи-
вается тепловая энергия 720 ккал/кг\ эта энергия выделяется
при обратном превращении 20з—>30г. Таким образом, при
подаче в двигатель озон в дополнение к тепловому эффекту
реакции окисления горючего выделяет значительное количе-
102
ство тепла. Кроме этого, озон является более активным окис-
лителем, чем кислород О2. Поэтому в иностранной печати
обсуждается вопрос об его использовании в качестве окисли-
тельного компонента ракетного топлива [64]. Однако отме-
чается, что применение озона будет сопряжено с большими
трудностями, так какой химически неустойчив.
Жидкий озон имеет темно-синий цвет. Его температура
кипения —111°, плотность при этой температуре 1,46. При
температуре кипения жидкого кислорода (—183°) плотность
озона равна 1,71. Это представляет интерес с точки зрения
возможности использования раствора озона в жидком кисло-
роде. При температуре —183° в жидком кислороде раство-
ряется до 25°/о озона. Чистый озон при малейших загрязне-
ниях взрывается; 25°/о раствор озона в кислороде менее
взрывоопасен. Высокая плотность озона является не менее
важным его преимуществом, чем тепловой эффект, получае-
мый при его разложении. Следует иметь в виду, что плот-
ность обычного жидкого кислорода О2 не намного больше
плотности кислорода в некоторых сложных кислородсодер-
жащих окислителях, в частности в азотной кислоте с добав-
кой четырехокиси азота (в ней плотность кислорода
0,64 «1,61 = 1,03). Озон же в этом отношении значительно
лучше других окислителей. Озон ядовит, вызывает сильное
раздражение слизистых оболочек, ожог желудка и упадок
сердечной деятельности.
Жидкий фтор и соединения фтора [7, 8, 62, 64]. В иност-
ранной печати указывается, что весьма перспективными ра-
кетными окислителями являются фтор, двухфтористый кис-
лород (окись фтора) и соединения фтора с другими галоге-
нами (трехфтористый хлор, пятифтористый бром и др.).
Это — наиболее энергичные из существующих в природе оки-
слителей: лист асбеста мгновенно сгорает в струе фтора яр-
ким пламенем; во фторе горят вода, песок и бетон; с трех-
фтористым хлором вода дает взрыв. Горючие вещества при
окислении фтором выделяют значительно больше
тепла, чем при окислении кислородом (см. табл. 1 и 2),
но затрата фтора на полное окисление горючего в 2,38 раза
больше, чем затрата кислорода (см. стр. 23). Во фторе хо-
рошо горят металлы, образуя более летучие продукты сгора-
ния, чем с кислородом. Продукт сгорания водорода во фторе
HF по стойкости против диссоциации и термодинамическим
свойствам значительно лучше паров воды, образующихся при
сгорании водорода в кислороде. Углерод же при сгорании
во фторе образует пятиатомные молекулы CF<, которые легко
103
диссоциируют, отнимая часть выделенного при сгорании те-
пла; поэтому горючие, содержащие углерод, со фтором ме-
нее эффективны. Одно из преимуществ фтора и его соедине-
ний — высокая плотность. Фтор и многие из его соединений
ядовиты. При обычной температуре фтор почти не аг-
рессивен в отношении многих конструкционных мате-
риалов (алюминия, меди и ее сплавов, нержавеющей стали),
так как на их поверхности образуется защитная пленка фто-
рида металла. В целом по комплексу свойств для многих го-
рючих фтор является наиболее выгодным окислителем. Дан-
ные расчетов, приводимых в американской печати, показы-
вают, что наиболее эффективно (по тяге) сочетание жидкого
фтора с жидким водородом [62].
В обычном состоянии фтор F2 — зеленовато-желтый
газ, а при температуре ниже —188° (при атмосферном дав-
лении) — желтая жидкость. Плотность жидкого фтора при
этой температуре 1,51. Фтор замерзает при температуре
—218° Фтор удобно хранить в герметичных емкостях, омы-
ваемых жидким азотом (при минус 190°). Даже при ничтож-
ной концентрации в воздухе фтор сильно раздражает дыха-
тельные пути, а воздействие его на кожу вызывает ожоги,
подобные термическим.
Жидкий д в у х ф то р и ст ы й кислород (окись
фтора) OF2 при атмосферном давлении имеет темпера-
туру кипения —145°, плотность его при этом 1,53, а при
—190°— 1,65 [62]. Он еще токсичней, чем фтор.
Лучшие физические свойства с точки зрения эксплуата-
ционного применения имеют трехфтористый хлор
CIFa (кипит при 12°, замерзает при —83°, плотность при
температуре кипения 1,85) и пятифтористый бром
BrF5 (плотность 2,47, кипит при 41°, замерзает при —62°)
[62].
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
В качестве вспомогательного топлива для приведения в
действие турбонасосных агрегатов ЖРД (например, на аме-
риканских ракетах «Редстоун» и «Юпитер» [65]) приме-
няется главным образом концентрированная перекись водо-
рода Н2О2 [7, 8, 10, 17, 19, 60, 67, 140]. В качестве окисли-
теля основного ракетного топлива ее в последнее время ис-
пользуют мало, так как она менее эффективна и более
опасна в обращении, чем азотная кислота и жидкий кис-
лород.
104
Плотность чистой (lOCMVo) перекиси водорода 1,463, тем-
пература замерзания —0,9°. С водой она образует соедине-
ние Н2О2 • 2НЮ (48,6°/о перекись водорода), замерзающее
при —51° (рис. 28). При нагревании, под воздействием
света, а также при соприкосновении со многими металлами
(в первую очередь с медью) перекись водорода разлагается
на кислород (47°/о) и водяной пар (53%). На американских
и английских ЖРД до последнего времени использовалась
80—90°/о перекись водорода (содержащая 10—2О°/о воды)
в состав которой входит
стабилизатор, тормозящий
процесс разложения. Тем-
пература замерзания . ее
около —25°, плотность
1,36—1,40 при 20°. По
американским сообще-
ниям, в последнее время
ведутся работы с безвод-
ной (98°/о) перекисью, ко-
торую удалось сделать
практически столь же
устойчивой, как 9О°/о [73].
В парогазогенераторе
ракетного двигателя быст-
рое разложение перекиси
водорода идет под дейст-
вием твердых или
жидких катализа-
Концентрация HZQZ в °/о
Рис. 28. Плотность и температура за-
мерзания смесей перекиси водорода
с водой [7, 8]
торов — серебряной сет-
ки. марганцевокислого кальция, калия или натрия, окислов
железа и др. [73]. Парогаз, получаемый при разложении
80°/о перекиси водорода, имеет температуру около 500°.
По коррозионной агрессивности и бурной реакции с ор-
ганическими веществами концентрированная перекись водо-
рода напоминает азотную кислоту.
Кроме перекиси водорода, в качестве однокомпонентного
вспомогательного топлива в США отрабатывается использо-
вание пропилнитрата C3H7NO3. Он обеспечивает
большой тепловой эффект, но нуждается в специальных при-
садках для устранения взрывоопасности и коксообразова-
ния [77].
На американских ракетах «Юпитер» вместо перекисно-
водородных газогенераторов в последнее время устанавли-
105
ваются газогенераторы, работающие на основных ком-
понентах топлива — жидком кислороде и керосине
[69].
ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И РАСЧЕТНАЯ ПЛОТНОСТЬ
РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ
Теплопроизводительностью ракетного топ-
лива 1 называется количество тепла, выделяемое 1 кг топ-
лива при полном протекании экзотермиче-
ской реакции. При этом для двухкомпонентного
топлива соотношение горючего и окислителя принимается
стехиометрическим [1,8, 12—14, 35]. Теплопроизво-
дительность является одним из важнейших факторов, влия-
ющих на скорость истечения газов из сопла дви-
гателя и, следовательно, на тягу двигателя, на скорость,
высоту и дальность полета летательного аппарата.
Горючее при реакции с кислородом ракетного окислителя
выделяет столько же тепла, сколько оно дает при
сгорании в воздухе (см. табл. 2). Так, каждый килограмм
керосина дает в обоих случаях одни и те же 10.250 ккал.
Однако теплопроизводительность ракетного топлива зависит
не только от теплотворности горючего (обозначим ее Qr), но
также от теплового эффекта, оказываемого окислителем QOs
(см. табл. 3), и количества окислителя, необходимого для
окисления горючего хок (см. табл. 5 и 6). Некоторые из
окислительных компонентов ракетного топлива отнимают
часть теплоты, выделяемой горючим. Напри-
мер, тепло затрачивается на нагрев и испарение жидкого
кислорода (96 ккал/кг), на разложение азотной кислоты
(около 200 ккал/кг). Некоторые же из окислителей выде-
ляют дополнительное количество тепла,
сверх выделяемого горючим. Так, теплота выделяется при
превращении неустойчивых веществ, например четырехокиои
азота, перекиси водорода, в более устойчивые, а также при
окислении горючих элементов, содержащихся в некоторых
окислителях, например в тетра нитромета не.
Таким образом, теплопроизводительность двухкомпонент-
ного ракетного топлива представляет собой сумму теп-
лотворности 1 кг горючего и теплового
1 Для ракетного топлива различают понятия высшей и низшей
(рабочей) теплопроизводительность подобно тому, как для обычного
горючего с газообразным кислородом различают понятия высшей и
низшей теплотворности.
106
эффекта, оказываемого тем количеством окислителя, ко-
торое реагирует с 1 кг горючего (хов кг), деленную на весовое
количество обоих компонентов
Qi=Qr4-XoK0o»j	(12)
1 + Хок
Величина QOK при поглощении тепла отрицательная, при
выделении — положительная.
Пример. Определить теплопроизводительность ракетных топлив:
керосин—жидкий кислород и керосин — 100о/о азот-
ная кислота. Теплотворность керосина Qr = Ю250 ккал!кг. рас-
четная теплотворность жидкого кислорода Q0K = —96 ккал/кг, азотной
кислоты Q< к = — 200 ккал/кг (из табл. 3). Стехиометрический коэф-
фициент для керосина с кислородом хо = 3,40 (из табл. 5). Потребное
количество азотной кислоты по отношению к кислороду хок/*о = 1,58
(см. табл. 6).
Решение. По формуле (12) находим теплопроизводительность
керосина с жидким кислородом
10 250+ 3,40. (—96)
QT =----------——-------= 2260 ккал кг.
1 + 3,40	'
Стехиометрический коэффициент для керосина со 1ООо/о азотной
кислотой будет
Хок = 1,58 хо = 1,58 - 3,40 = 5,37.
По формуле (12) находим теплопроизводительность керосина
с азотной кислотой
10 250 + 5,37 . (— 200)
Qi =-------—ттз--------= 1440 ™ал!*г-
1 + 0,37
Данные по теплопроизводительности некоторых ракетных
топлив приведены в табл. 12.
Из уравнения сохранения энергии выводится следующая
зависимость скорости истечения газов из сопла двигателя
w м/сек от теплопроизводительности топлива [1,7]
91,5}/	(13)
где т} дв— термический к. п. д. двигателя.
Скорость истечения газов из сопла двигателя пропорцио-
нальна квадратному корню из теплопроизводительности
топлива.
Наряду с теплопроизводительностью решающее влия-
ние на тягу двигателя, скорость, высоту и дальность полета
оказывает масса вытекающих из сопла продуктов сгора-
ния, равная массе расходуемого ракетного топлива. Для
определения массы единицы объема жидкого двухкомпо-
нентного ракетного топлива пользуются условным понятием
расчетной плотности, так как непосредственное определение
107
плотности такого топлива не имеет практического смысла
и, как правило, вообще невозможно.
Расчетной плотностью ракетного топлива на-
зывается отношение его массы, состоящей из суммы
масс горючего и окислителя, к занимаемому ею
объему, состоящему из суммы объемов горючего и окис-
лителя [9,35]. Поскольку на каждый килограмм горючего
идет Хов окислителя, масса ракетного топлива, расходуе-
мая при сжигании 1 кг горючего компонента, равна
1 + хов. Соответствующий объем состоит из суммы объемов
1	Хп
горючего Vr =---- и окислителя VOB =——, где ргиров —
рг	рок
значения плг тности горючего и окислительного компонен-
тов Следовательно, расчетная плотность двухкомпонентного
топлива будет
Рт=1+^. (14)
рг рок
Пример. Определить расчетную плотность ракетного топлива
керосин — азотная кислота, если плотность керосина равна
0,82, а плотность азотной кислоты—1,50. Стехиометрический коэффи-
циент этого топлива хО1С = 5.37.
Решение. Подставляя соответствующие величины в формулу
(14), получим
1 + 5,37
Рт” 1	5,37
0,82 + 1,50
= 1,32.
Окислитель составляет ббльшую часть топлива, поэтому
его плотность оказывает более существенное вли-
яние на величин)' расчетной плотности ракетного топлива,
чем плотность горючего.
Для оценки запаса тепловой энергии в топливных баках
ракетного летательного аппарата иногда пользуются поня-
тием объемной теплопроизводительност и:
Qy ккал!л = QT ккал/кг • рт кг/л.	(15)
Запас тепловой энергии на борту летательного аппарата
равен произведению объемной теплопроизводительностй на
суммарную емкость баков для горючего и окислителя.
Рт ^бак рт=о; v6aB.
Значения расчетной плотности некоторых ракетных топ-
лив и их объемной теплопроизводительнос1и приведены
в табл. 12.
108
Таблица 12
Характеристики некоторых топлив для жидкостных ракетных
двигателей*
Окислитель	Горючее	*ок	Плотность расчет- ная рт	Теплопроизво- днтельность		Газообразование V’ras чл 50 кием*	Температура	1 сгорания °C	1 при 50 кг/см*	1
				От ккал/кг	ккал! л		
Азотная кислота	Керосин . . .	5,5	1,36	1450	1970	—830	—2730
98<>/о-ная	Тонка ....	4.6	1,32	1490	1960	—830	—2730
Тетранитро- метан	Керосин . . .	6,9	1,47	1590	2340	—830	—3100
Четырех- окись азота	Керосин . . .	4,9	1,38	1550	2140	—860	—2930
Жидкий кислород	Керосин . . . Спирт этиловый	3,4	1,00	2260	2260	—900	—3320
	ректификат Диметилгидра-	1,95	0,99	2020	2000	—930	—3000
	зин ....	2,13	1,02	2200	2240	—1020	—3100
Перекись водорода 80о/о-ная	Спирт метило- вый Н- гидра- зин-гидрат	—	1,34	190	255	—950	—500
	(1:1) ... .	2,7	1,30	1020	1330	— 1050	—2330
Жидкий фтор	Гидразин . ’.	2,38	1,32	'2230	2950	— 1030	~4400
	Аммиак . .	3,36	1,18	2315.	2750	— 1050	—4300
1 Таблица заимствована из учебника [8], стр. 198—199, с уточне-
нием некоторых цифр по формулам (12) и (14).
109
ЗАВИСИМОСТЬ ТЯГИ ДВИГАТЕЛЯ. СКОРОСТИ, высоты
И ДАЛЬНОСТИ ПОЛЕТА ОТ КАЧЕСТВА РАКЕТНОГО ТОПЛИВА'
Удельная тяга ракетного двигателя (тяга, отнесен-
ная к расходу топлива 1 кг/сек) пропорциональна скорости
w 'истечения газов из сопла двигателя и, следовательно,
согласно формуле (13) —квадратному корню из теплопро-
изводительности топлива
Рул=-~9,33	(16)
g
Максимальная скорость полета ракеты, достигаемая в
результате полной выработки топлива (без учета земного
тяготения и сопротивления воздуха), зависит (по формуле
Циолковского) не только от скорости истечения газов, но и
от величины отношения масс ракеты в момент старта Мллч
и после выработки топлива Мвоа
оиаво=®1п^..	(17)
/Икеи
Чем бблыпую долю массы ракеты составляет топливо,
тем большую кинетическую энергию и большую скорость
приобретает ракета после его выработки. Величину In ——
AImoh
можно выразить через плотность топлива
1п =1П 2И^н + Л!т£П1= 1п{' !	\ =
AIkch	/Икон	\ А11СОН /
= 2,3 lg(l + 4rM
\ Л1КСН /
(натуральный логарифм заменяется на десятичный, умно-
женный на 2,3).
Таким образом, максимальная скорость полета в зави-
симости от теплопроизводительности и расчетной плотности
топлива выразится так
v^~211/^lg(l + ^p,)	(18)
\ /Икон /
(отношение обусловливается конкретной конструк-
Л!кон
цией летательного аппарата). Увеличение максимальной ско-
рости на 10% может быть обеспечено повышением тепло-
1 См. литературные источники [1, 3, 7, 9, 12, 18, 60, 62, 102].
ПО
производительности топлива на 21% или плотности на 16—
20%, увеличение скорости на 20% — повышением тепло-
производительности на 44% или плотности на 35—40%, а
для увеличения скорости на 50% требуется повышение теп-
лопроизводительности топлива в 2,25 раза или плотности в
2—2,2 раза.
Коэффициент полезного действия двигателя т)дв (терми-
ческий) также зависит от качества топлива, причем эта за-
висимость достаточно сложная. Существенное влияние на
него оказывает газообразование в камере сгорания. Ко-
эффициент полезного действия больше при работе дви-
гателя на топливах, обеспечивающих большее газообразо-
вание, меньшую диссоциацию продуктов сгорания, большее
значение показателя адиабаты к продуктов сгорания.
Высоту и дальность полета ракеты грубо
приближенно можно считать пропорциональными
квадрату максимальной скорости. Таким об-
разом, факторы, обеспечивающие увеличение максимальной
скорости соответственно на 10, 20 и 50%, позволяют полу-
чить прирост высоты и дальности соответственно на 21%,
44% и в 2,25 раза. Высота и дальность полета ракеты изме-
няются приблизительно пропорционально
теплопроизводительности топлива. Расчет-
ная плотность топлива оказывает на них еще более
резкое влияние.
При одном и том же горючем сложные кислородсодер-
жащие окислители обеспечивают примерно на 10% мень-
шую тягу, чем жидкий кислород. Однако в связи с бо-
лее высокой плотностью сложных окислителей -и топлив на
их основе они могут обеспечить на 10—20% большую
дальность полета ракет, чем кислородные топлива.
ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ ТОПЛИВ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ
РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Тепловая напряженность ЖРД во много раз выше теп-
ловой напряженности всех других двигателей. Поэтому
эксплуатационная надежность ЖРД зависит прежде всего
от температуры, развиваемой в камере сгорания, и от
охлаждения камеры и реактивного сопла прокачиваемыми
через их рубашку компонентами топлива.
Температура горения [7, 8, 14, 15]. Температура горения
зависит от теплопроизводительности топлива, газообра-
111
зования и теплоемкости продуктов сгорания t ---------—
V газС'р
(см. стр. 27). Поэтому для большинства топлив, которые по
объемной теплоемкости продуктов сгорания мало отличаются
друг от друга, температура горения прямо пропор-
циональна теплопроизводительности и об-
ратно пропорциональна газообразованию.
Вследствие этого попытки использовать ракетные топлива с
высокой теплопроизводительностью связаны с серьезными
трудностями. Эти топлива при сгорании дают высокие тем-
пературы; высокие температуры понижают надежность ка-
меры сгорания, требуют применения материалов с особо вы-
сокой жаростойкостью и принятия специальных, иногда
очень сложных мер для охлаждения камеры. Вместе с тем
газообразование таких топлив небольшое. К числу подоб-
ного рода топлив можно отнести топливо, состоящее из
толуола и жидкого кислорода, температура го-
рения которого выше 5000° С; сравнительно высокую темпе-
ратуру горения дает керосин с жидким кислородом (около
3300°), еще более высокую — фторные топлива (выше 4000°)
(см. табл. 12).
Приемлемыми с точки зрения надежности камер в на-
стоящее время считаются температуры порядка 3000е С.
Такие температуры получаются при горении керосина и
тонки с азотной кислотой и четырехокисью азота, этилового
спирта с жидким кислородом. Именно эти топлива и при-
меняются в большинстве иностранных ЖРД. Однако по мере
повышения жаростойкости материалов в американских
ЖРД все шире используется жидкий кислород в сочетании
с керосином [61]. Низкие температуры получаются
гири использовании перекиси водорода. Это обус-
ловлено не только низкой теплопроизводительностью, но и
значительным газообразованием перекисноводородных топ-
лив.
Охлаждение ЖРД [18, 17, 78]. Камеры сгорания и реак-
тивные сопла ЖРД охлаждаются одним из компонентов или
обоими компонентами топлива. Неохлаждаемыми делают
только такие двигатели, которые при высокой температуре
горения работают всего несколько секунд.
Для того чтобы компонент мог применяться в каче-
стве охлаждающей жидкости, он должен иметь
достаточно высокую температуру кипения, не разлагаться
при нагревании, обладать более или менее высокой тепло-
112
емкостью, tie выделять осадков внутри охлаждающей ру-
башки.
Количество тепла, которое может поглотить 1 кг компо-
нента топлива, определяется по такой формуле:
Я== (^КИП ^вх)>	(19)
где с — теплоемкость жидкости;
^кип— температура ее кипения (или разложения) и
/вх— температура жидкости на входе в охлаждающую
рубашку.
Величину q иногда называют тепловосприимчи-
во с т ь ю.
Поскольку количество окислителя обычно в несколько
раз больше количества горючего, наибольший интерес для
охлаждения двигателя представляет использование
окислителя.
Нельзя применять для охлаждения жидкий кислород и
перекись водорода, так как быстрое испарение жидкого кис-
лорода и разложение перекиси водорода при соприкоснове-
нии с горячими деталями могут вызвать взрыв охлаждаю-
щей рубашки.
Хорошим охладителем для ракетных двигателей является
азотная кислота, но, разумеется, в том случае, если
охлаждающая рубашка выполнена из материалов, не кор-
розирующих при контакте с ней. Температура кипения азот-
ной кислоты под давлением, создаваемым в системе охлаж-
дения топливными агрегатами, превышает 200°. Теплоем-
кость ее около 0,5 ккал/кг °C (только вдвое меньше тепло-
емкости воды). Количество прокачиваемой азотной кислоты
почти в 5,5 раз превышает количество горючего компонента
топлива. По вязкости азотная кислота мало отличается от
воды.
Из горючих компонентов для охлаждения ЖРД могут
использоваться спирты и керосин. Спирты уступают
керосину по температуре кипения, но имеют преимущество
по теплоемкости: удельная теплоемкость этилового спирта—
0,6 ккал/кг °C, а керосина — 0,45 ккал/кг °C. Кроме того,
охлаждению двигателя при работе на спирте благоприят-
ствует его большой относительный расход (до 45% от всей
массы топлива) и, следовательно, прокачка большой массы
спирта через систему охлаждения.
Механизм теплопередачи от горячей стенки камеры сго-
рания к жидкому охладителю достаточно сложен. Непосред-
ственный отбор тепла от стенки происходит в результате ис-
8 Зак. 694	113
парения тонкого слоя охладителя, прилегающего к стенке.
Образующиеся пары конденсируются в потоке жидкости и
передают ей тепло. Поэтому наряду со свойствами, отмечен-
ными выше, как видно из результатов американских иссле-
дований [78], желательно, чтобы охлаждающий компонент
имел возможно большую скрытую теплоту парообразования
и не слишком высокую температуру кипения — не выше
] 50ю; при температуре кипения 370° происходит такой пере-
грев камеры, который оказывается непосредственно опас-
ным для ее прочности.
ОСОБЕННОСТИ ОБРАЩЕНИЯ С ЖИДКИМИ РАКЕТНЫМИ
ТОПЛИВАМИ
Воздействие ракетных топлив на конструкционные мате-
риалы [7, 8, 17, 19, 73, 80, 138—141]. Азотнокислот-
ные окислители и концентрированная пе-
рекись водорода вызывают коррозию почти всех
металлов и обугливают обычные прокладочные материалы,
рукава и шланги из натуральных текстильных материалов
и резины.
Емкости для хранения, цистерны и топливные баки для
азотной кислоты обычно выполняют из чистого* алюминия и
алюминиевых сплавов, а различного назначения насосы и
топливную аппаратуру двигателя — из кислотостойкой высо-
колегированной хромоникелевой стали. Они не поддаются
коррозии при контакте с концентрированной кислотой: ее
действие на поверхность этих металлов способствует обра-
зованию защитной окисной пленки, предотвращающей разъ-
едание металла; однако разбавленная водой азотная кис-
лота разрушает даже чистый алюминий, так как при раз-
бавлении кислоты увеличивается степень диссоциации ее
молекул и повышается интенсивность про-
цессов электрохимической коррозии. По-
этому при удалении кислоты с поверхности металла нельзя
разбавлять ее ограниченным количеством воды, а нужно
обильно полить металл водой, нейтрализовать остатки
кислоты раствором соды, после чего проверить нейтраль-
ность при помощи индикаторов (фенолфталеина или мети-
лового оранжевого, см. стр. 38). По этой же причине
нельзя спускать в канализацию кислоту и промывную воду
без их предварительной нейтрализации, это может вызвать
разрушение труб.
Концентрированная перекись водорода почти так же кор-
114
розионно активна, как азотная кислота. Для длительного
контакта с перекисью водорода пригоден только чистый алю-
миний, кратковременный контакт ее допустим с высоколе-
гированной хромоникелевой сталью. Но при разбавлении
перекиси водой ее коррозионная активность умень-
шается.
В качестве прокладочных и уплотнительных материалов
для азотной кислоты и перекиси водорода пригодны кисло-
тостойкие пластмассы (например, полимеры фторпроизвод-
ных углеводородов) и асбест. Для шлангов и рукавов могут
использоваться химически стойкие эластичные пластмассы
типа полихлорвинила и др.
В некоторых случаях сохранение конструкционных мате-
риалов при контакте с окислителями обеспечивается нанесе-
нием на них кислотостойких покрытий.
Горючие на основе аминов и на основе гидра-
зина, обладающие щелочными свойствами, вызывают кор-
розию меди и медных сплавов. Поэтому в аппаратуре, спе-
циально предназначенной для работы с аминами и гидрази-
ном, эти металлы обычно не применяются, а в тех устрой-
ствах, где они есть, после непродолжительного контакта с
аминами и гидразином промываются. Во избежание разру-
шения при воздействии аминов обычные прокладочные и
текстильные материалы подвергают специальной пропитке;
кроме того, вместо них применяют также стойкие против
химического воздействия пластмассы.
Горючие, содержащие спирты и воду, наиболее
интенсивно разрушают цинк; в связи с этим они не должны
содержаться в емкостях с цинковым покрытием. Некоторое
коррозионное действие эти горючие оказывают на алюмини-
евые сплавы и на другие металлы, однако они не требуют
применения специальных конструкционных материалов. Для
хранения и перевозки спиртов используется железная тара.
Для уменьшения коррозионного действия окислительных
и горючих компонентов в их состав иногда вводят анти-
коррозийные добавки (ингибиторы).
Жидкий кислород в отношении коррозии метал-
лов практически безопасен. Однако при температуре жид-
кого кислорода (—183°) почти все стали (кроме аустенит-
ных хромоникелевых), а также резина и многие пласт-
массы резко ухудшают свои механические качества — при-
обретают хрупкость. Хорошие механические свойства при
температурах минус 150—200° имеют алюминиевые и мед-
ные сплавы, хромоникелевые стали; их и- применяют для
8*	115
изготовления кислородных емкостей. Для тепловой изоля-
ции используются пенопласты или шлаковая вата.
Взрывоопасность ракетных топлив и обеспечение их
стабильности [1, 7, 8, 60, 73, 80]. Наиболее взрыво-
опасным из обычно применяемых в ракетной технике
топливных компонентов является перекись водо-
рода. Почти все вещества, кроме чистого алюминия, не-
ржавеющей стали и некоторых пластмасс, способствуют ее
разложению, которое развивается с саморазгоном и может
закончиться взрывом. Поэтому при работе с перекисью во-
дорода применяют технические средства, выполненные из
подходящих для нее материалов, и тщательно следят за
чистотой поверхности, соприкасающейся с пере-
кисью. Сжатые газы, используемые при работе с перекисью
водорода, фильтруют от пыли и других примесей.
Начавшееся разложение перекиси водорода можно об-
наружить по усилившемуся выделению газа через дренаж
и по повышению температуры перекиси выше температуры
наружного воздуха. Для предотвращения взрыва перекись
водорода приходится разбавлять значительным количест-
вом воды, после чего она становится непригодной как топ-
ливо. Вблизи емкостей с перекисью для разбавления ее
держат достаточный запас чистой воды [80].
Медленное разложение с выделением газов характерно
не только для перекиси водорода, но и для азотнокислотных
окислителей. В связи с этим на емкостях с этими продук-
тами имеются дренажные отверстия, которые регулярно
проверяются, так как создание избыточного давления в них
может привести к взрыву емкости [80]. Дренажные отвер-
стия имеют также емкости с жидким кислородом «и другими
сжиженными газами, так как никакая тепловая изоляция не
может предотвратить их испарение, сопровождаемое в слу-
чае герметичной емкости непрерывным повышением давле-
ния вплоть до взрыва.
Опасность взрыва появляется при попадании воды в
азотнокислотный окислитель, так как при этом происхо-
дит выделение большого количества тепла и обильное паро-
образование.
Самовоспламенение взрывного характера происходит при
контакте кислорода с некоторыми органическими соедине-
ниями — жирами, маслами и др. В иностранной печати ука-
зывалось, что взрывы при неудачных запусках американской
ракеты «Тор» были связаны с загрязнением жидкого кис-
лорода [69]. При работе с жидким кислородом необходимо
116
тщательное соблюдение чистоты тары и топливной аппа-
ратуры.
Взрывоопасность некоторых окислителей, например те-
транитрометана, является основной причиной того, что они
пока не находят практического применения [60].
Огнеопасность ракетных топлив и противопожарные
меры [9, 19, 83]. Большинство горючих, применяемых в ра-
кетной технике, по огнеопасности существенно не отли-
чается от бензинов и керосинов. Степень их огнеопасности
связана главным образом с их испаряемостью и способно-
стью образовать с воздухом горючую смесь (см. стр. 76).
Однако некоторые горючие — амины, гидразин — самовос-
пламеняются при контакте с азотнокислотными окислите-
лями и концентрированной перекисью водсрода. В связи с
этим емкости! и заправочные средства с такими горючими и
с окислителями обычно размещают на значительном удале-
нии друг от друга.
Огнеопасными являются не только горючие, но и окис-
лительные компоненты, особенно азотная кислота и кон-
центрированная перекись водорода; при попадании окисли-
телей на древесину, ткани, сухие листья, траву и т. д. про-
исходит самовоспламенение. Во избежание пожара пло-
щадки и полы помещений, где производится работа с окис-
лителями, покрывают кислотоупорным бетоном (но не ас-
фальтом), а кузова автомобилей снабжают металлическим
кислотоупорным поддоном.
Вблизи емкостей с жидким кислородом воздух содержит
больше газообразного кислорода, чем обычно, и поэтому
больше пожарная опасность от любого внешнего источ-
ника пламени. Кислород адсорбируется* хлопчатобу-
мажными тканями, задерживается в волосах (в том числе
на бровях и ресницах), поэтому после пребывания в атмо-
сфере с повышенным содержанием кислорода нельзя
курить и подходить к открытому огню.
Принципы и средства тушения горючих компонентов ра-
кетных топлив такие же, как обычных нефтяных горючих:
их тушат углекислотными и пенными огнетушителями или
химическими огнегасительными жидкостями, но не во-
дой. В противоположность этому для тушения пожара,
вызванного жидкими окислителями, должна применяться
только вода: она разбавляет окислитель, снижает его
активность и резко охлаждает очаг горения. Те огнегаси-
тельные средства, которые применяются для тушения го-
рючих, при этом бесполезны, так как их действие основано
117
главным образом на изоляции очага горения от доступа
кислорода воздуха, а при наличии азотной кислоты или пе-
рекиси водорода доступ воздуха для горения совершенно не
требуется. При этом не могут помочь также обычные сред-
ства тушения малых очагов пламени — асбестовое одеяло,
кошма и т. д.
Токсичность ракетных топлив и меры обеспечения без-
опасности [7, 9, 19, 20, 60, 79, 82, 83, 138— 141]. Большин-
ство ракетных топлив по токсичности (ядовитости) н е-
сравненно опасней обычных топлив. Многие
из них являются смертельными ядами или вызы-
вают тяжелые поражения организма. Поэтому допускать к
работе с ракетными топливами можно лишь лиц, которые
хорошо обучены обращению с ними, обеспечены необходи-
мыми средствами безопасности. Токсичность большинства
веществ, используемых в составе ракетных топлив, и меры
безопасности хорошо изучены, так как эти вещества давно
применяются в различных отраслях народного хозяйства и
в медицине [82, 83].
Амины, применяемые в качестве горючих компонен-
тов, являются ядами центральной нервной системы и крови;
кроме того, хроническое отравление ими приводит к кож-
ным заболеваниям. При тяжелых отравлениях наступает
потеря сознания, паралич и смерть. Метиловый
спирт является преимущественно нервным ядом; осо-
бенно резкое действие он оказывает на глазной нерв и сет-
чатку глаза. Он также вызывает паралич кровеносных со-
судов, сильнейшие боли головы, желудка и всего тела;
5—10 мл метилового спирта вызывает тяжелое отравление
и слепоту, доза в 30 мл смертельна. Хотя непосредственное
действие аминов и метилового спирта на кожу незначи-
тельно, они способны проникать через кожу внутрь орга-
низма. Гидразин, как указывают американские авторы
[79], способен накапливаться в организме, разрушая легкие,
печень, почки.
Окислители — азотная кислота, окислы азота,
концентрированная перекись водорода — при попадании на
кожу вызывают сильные ожоги. Особенно тяжелые, долго
не заживающие поражения кожи вызывает азотная кислота.
Газообразные окислы азота сильно раздражают дыхатель-
ные пути и легкие, разрушают роговицы глаз, зубы, а
также оказывают общее отравляющее действие на орга-
низм. Повышенная концентрация кислорода вызывает вос-
паление легких»
118
Первыми признаками отравления во многих случаях яв-
ляются головокружение, тошнота и рвота, сильный кашель,
слабость, психическое возбуждение, синюха (посинение
пальцев, губ, кончиков ушей). Признаки отравления не
всегда появляются сразу, иногда они быстро исчезают, но
через несколько часов отравление проявляется в полную
силу. При отравлении должна оказываться
неотложная помощь: отравленного нужно
вывести на свежий воздух, попавший на
кожу окислитель сразу же в течение пер-
вых нескольких секунд смыть большим ко-
личеством воды, тщательно промыть глаза
(лучше всего фонтанчиком воды). Если опасное для кожи
вещество проникло под одежду, ее нужно быстро разре-
зать, а не стягивать, чтобы не увеличить площадь пораже-
ния. Обожженные места промывают слабым раствором мар-
ганцевокислого калия или соды. При попадании ядовитого
вещества в желудок необходимо быстро промыть его, выпив
4—5 стаканов теплой воды или раствора соды. Во всех
случаях отравления надо возможно быст-
рее прибегнуть к помощи врача. Прием алко-
голя после отравления недопустим, в большинстве случаев
он усиливает отравление, а через несколько часов может
вызвать рецидив отравления.
Безопасность лиц, работающих с ядовитыми и агрессив-
ными веществами, входящими в состав ракетных топлив,
вполне обеспечивается при строгом соблюдении мзр предо-
сторожности: использовании специальных костюмов из по-
лихлорвинила или толстого сукна, резиновых сапог и пер-
чаток, герметичных очков, а при необходимости — проти-
вогаза. После работы специальная одежда снимается, при-
нимается душ и заменяется белье.
Технические средства хранения, перевозки и заправки
ракетных топлив выполняются таким образом, чтобы предот-
вратить возможность контакта людей с опасными веще-
ствами.
ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА1
Твердое топливо — дымный порох — был первым источ-
ником энергии ракет, изобретенных в Китае около 700 лет
назад. Несмотря на невысокую теплопроизводительность,
порох и в настоящее время является одним из важнейших
1 См. литературные источники [1, 8, 10, 12, 17, 18, 61, 68—70,
84-94].
119
видов ракетного топлива главным образом из-за Простоты
обращения с ним, а также благодаря простоте устройства
пороховых двигателей [8, 18]. В настоящее время в амери-
канской ракетной технике обычные коллоидные пороха вы-
тесняются твердыми смесями горючих с окислителями
[61, 68]. По теплопроизводительности они близки к жидким
ракетным топливам [90].
Твердое топливо помещается непосредственно в камере
сгорания ракетного двигателя (рис. 29). Ее объем оцрани-
Рис. 29. Схема порохового ракетного двигателя
чивает запас топлива и, следовательно, время работы дви-
гателя. Кроме того, подобное размещение топлива в зна-
чительной мере определяет особенности протекания рабо-
чего процесса в двигателе и общие требования к твердому
ракетному топливу. Твердое топливо горит с поверх-
ности под действием атакующих ее молекул горячих га-
зов — продуктов сгорания топлива. Чем выше давление и
больше скорость протекания газов над открытой поверхно-
стью топлива, тем интенсивней воздействие газов на поверх-
ность и больше скорость сгорания твердого топлива
(рис. 30). При низком давлении в камере (менее 20—
40 кг/см2) горение становится прерывистым или вообще
прекращается, причем граница устойчивого горения зависит
от химической активности и от температуры топлива. При
очень высоком давлении (порядка нескольких сотен или ты-
сяч атмосфер), особенно при резком скачке давления, горе-
ние может принять детонационный характер и
вызвать взрыв двигателя. Состав, а также состояние твер-
дого ракетного топлива должны быть такими, чтобы дето-
национный взрыв совершенно исключался. Для обеспечения
этого в твердое топливо вводится меньше окислителя, чем
нужно для полного окисления горючих элементов («бога-
тая» смесь) [86]. Поскольку процесс горения твердого топ-
лива существенно зависит от давления в камере, а также
120
от температуры и влажности заряда, то добиться требуе-
мого режима горения довольно трудно [61]. С повышением
теплопроизводительности у твердого топлива появляется
серьезный недостаток — неравномерность горения [94].
Чтобы горение происходило по заданному закону с вполне
определенной, поддающейся контролю поверхности, твердая
масса топлива должна быть сплошной, без пор и мик-
Рис. 30 Зависимость скорости сгорания пороха от давления
в камере сгорания и от температуры пороха [12, 18]
роканалов, по которым горячие газы могли бы проникнуть
внутрь и вызвать неуправляемое развитие реакции. Топ-
ливо, равномерное по составу и структуре, выгорает п а-
раллельными слоями. Благодаря этому рабочий
процесс в двигателе регулируется подбором величины и
формы поверхности заряда.
Для обеспечения быстрого воспламенения всей открытой
поверхности порохового заряда применяются специальные
составы, продукты сгорания которых обеспечивают быст-
рый подогрев поверхности заряда и повышение давления до
необходимого минимума. Воспламеняющий состав заключен
в бумажную, пластмассовую или металлическую оболочку.
Он поджигается при помощи электрического запала, непо-
средственно воздействующего на небольшую порцию легко-
загорающегося вещества.
121
До последних лет в качестве твердого ракетного топлива
в США больше применялись так называемые коллоид1
н ы е пороха на основе нитроглицерина и нитроклет-
чатки [18, 90]. В их молекулах атомы горючих элементов
(углерода и водорода) отделены от атомов кислорода ато-
мами азота. При нагреве «азотный барьер» разрушается,
атомы азота попарно соединяются в молекулы N2. Непо-
средственный контакт между атомами горючих элементов
и кислорода вызывает их бурное взаимодействие; при этом
выделяется тепло и образуется большое количество газов
(азота, углекислого газа, окиси углерода, паров воды),
объем которых в сотни раз превышает объем сгоревшего
взрывчатого вещества [19, 20].
Коллоидная структура ракетного пороха об-
разуется микроскопически малыми частицами твердой ни-
троклетчатки с растворителем — жидким нитроглицерином.
При повышенной температуре их смесь представляет собой
мягкую, пластичную массу, легко поддающуюся формова-
нию в пороховые заряды (шашки) требуемого размера и
формы. Для придания массе пороха большей пластичности,
облегчающей формование зарядов, в нее добавляется неболь-
шое количество пластификатора — вазелина или
воска. Кроме того, в состав вводятся стабилизаторы
против разложения — дифениламин и другие. При обычной
температуре смесь затвердевает. Готовый порох представ-
ляет собой роговидную, иногда полупрозрачную пластиче-
скую массу [18, 84, 90].
Нитроглицерин и нитроклетчатка — азотнокислые
эфиры глицерина и клетчатки (волокнистой массы, по-
лучаемой из хлопка или древесины) [20].
Нитроглицерин С3Н5(ONO2)3 — густая маслооб-
разная прозрачная жидкость, бесцветная или слабо-желтая,
с плотностью 1,6. Чистый нитроглицерин — одно из силь-
нейших и опаснейших взрывчатых веществ. Растворенная в
нитроглицерине нитроклетчатка устраняет его взрывоопас-
ность. Нитроглицерин обладает значительно большей тепло-
творностью, чем нитроклетчатка (см. табл. 2), он служит
основным источником энергии пороха [18, 20, 84].
Нитроклетчатка, получаемая после обработки
клетчатки азотной кислотой, представляет смесь трех эфи-
ров, которые различаются содержанием азота и пропорцио-
нального ему, способного к реакции, кислорода. Соответ-
ственно эфиры имеют различную теплотворность и различ-
ные взрывчатые свойства. На приготовление порохов обыч-
122
но идет смесь, содержащая 13,0—13,6% азота, называемая
пироксилином [ 19, 20, 84].
Ракетные коллоидные пороха, применяемые в США, со-
держат нитроглицерина 43—50%, пироксилина 41—52%;
стабилизаторы и пластификаторы вводятся в них в количе-
стве 4,5—9%. Плотность этих порохов— 1,58—1,66, тепло-
производительность — 970—1230 ккал!кг [8, 18].
В последнее время коллоидные пороха находят все мень-
ше применения на основных двигателях ракет и управляе-
мых снарядов, они используются главным образом в стар-
товых ускорителях (например, в стартовом ускорителе уп-
равляемого снаряда «Ника-Аякс» [69]).
Новые американские и немецкие (ФРГ) твердые топлива
состоят из механической смеси окислителя —
азотнокислых или хлорнокислых солей аммония или калия
и горючего — битума, асфальта или полимеров (кау-
чука, в том числе полисульфидного, полиуретановых смол,
полиэтилена) [88, 90]. Так, стандартное американское топ-
ливо М-15 для стартовых ускорителей состоит из 80% ам-
миачной селитры NH4NO3, 10% синтетического каучука и
10% добавок (катализатора горения, сажи, пластифика-
тора) [87]. Другое топливо, отличающееся высокой скоро-
стью горения, состоит из 75% хлорнокислого калия КСЮ4
и 25% битума.
Смеси, состоящие из хлорнокислого аммония NH4CIO4
пли азотйокислого аммония (аммиачной селитры) NH4NO3
и каучукообразпых полимеров или искусственных полиуре-
тановых смол (NH — СОО — СлНш)д. [100, 85, 88], по тепло-
производительности приближаются к жидким двухкомпо-
нентным топливам. В частности, полиуретановые смолы слу-
жат горючим компонентом топлива на самой крупной аме-
риканской ракете твердого топлива «Полярис» (длина топ-
ливного заряда до 9 м при диаметре 1,2 м) [69, 85].
Азотнокислый аммоний является менее эффективным
компонентом твердого ракетного топлива, чем хлорнокислый
аммоний, так как плотность его меньше, а окислительное
действие слабее. Скорость горения топлива на основе
NH4NO3 в 4—5 раз меньше, чем на основе NH4CIO4. Но, с
другой стороны, азотнокислый аммоний наиболее дешевый
и доступный окислитель (он широко применяется в сель-
ском хозяйстве в качестве удобрения) [90, 92]. Содержание
хлорнокислого аммония в топливе не должно превышать
74%,.иначе топливо оказывается взрывоопасным в обраще-
нии [86]. Быстрогорящее топливо на основе хлорнокислого
123
калйя имеет существенный недостаток — Скорбеть его Горе-
ния резко зависит от температуры топливного заряда [92].
В США изучается вопрос о применении в составе твердых
топлив еще более эффективного окислителя — хлорнокис-
лого лития LiClO* [94].
По внешнему виду большинство американских смесевых
твердых топлив напоминает резину. В нагретом состоянии
они имеют тестообразную консистенцию (их при этом мож-
но заправлять в камеру сгорания через сопловое отвер-
стие), а при охлаждении они густеют [88, 89, 90]. Заправку
ракет твердым топливом обычно производят на заводах
при их изготовлении, что, по мнению американских специа-
листов, приводит к значительным трудностям в транспорти-
ровке и хранении ракет [68]. Поэтому в США ведется ра-
бота над созданием пастообразного топлива, заправляемого
непосредственно на стартовой позиции. Такое топливо пред-
ложено фирмой «Тиокол Хемикл» для баллистической ра-
кеты «Минитмен», оно затвердевает при введении в него
специальной присадки [89].
К числу механических смесей относится также низкока-
лорийный обычный дымный (черный) порох. Он
представляет собой смесь 50—60% калийной селитры KNO3,
15—20% древесного угля, 10—15% серы. В начальной ста-
дии воспламенения сера плавится и вступает в тесный кон-
такт, а затем и в реакцию с селитрой и органической ча-
стью угля. Выделяемое при этом тепло разогревает селитру
и уголь до такой температуры, при которой начинается не-
посредственное окисление углерода селитрой. Плотность
дымного пороха 1,25—2,0 (в зависимости от того, насколь-
ко он спрессован), теплопроизводительность его 680—
700 ккал!кг. Дымный порох очень чувствителен к пламени:
малейшая искра вызывает его воспламенение.
Дымный порох используется не только в качестве основ-
ного топлива, но и как воспламеняющий состав.
Продукты его сгорания содержат множество мельчайших
твердых частиц, излучающих во много раз больше тепла,
чем газ при той же температуре, что обеспечивает быстрый
прогрев поверхности основного порохового заряда. В каче-
стве воспламеняющего состава используются также смеси
хлорнокислого калия с магниевым или алюминиевым по-
рошком [91]. Их продукты сгорания содержат еще больше
твердых частиц, чем у черного пороха, и обладают еще луч-
шей излучающей способностью. Воспламеняющий состав на
основе магния горит энергичнее, чем черный порох. Однако
124
воспламеняющие составы на основе металлов (особенно
магния) склонны к окислению при длительном хранении и
в связи с этим менее надежны.
После воспламенения основного заряда твердого топлива
обычно требуется, чтобы тяга двигателя, достигнув спреде^-
ленной величины, сохранялась неизменной до конца его
выгорания (рис. 31), т. е. чтобы горение топлива не было
Рис. 31. Изменение давления в камере в ходе вы-
горания порохового заряда
ни прогрессивным (при котором давление в камере и тяга
двигателя непрерывно растут), ни дегрессивным (растут,
пока не воспламенится вся оголенная поверхность заряда,
и затем падают). Равномерность и требуемая скорость’ вы-
горания достигаются путем придания заряду определенной
формы и покрытия части его поверхности негорючим мате-
риалом — бронированием поверхности заряда
(рис. 32) [18]. Так, равномерно и быстро выгорает
заряд цилиндрической формы с центральным сверлением,
торцы которого бронированы. Площадь горения такого за-
ряда со временем почти не меняется: внешняя поверхность
уменьшается, а внутренняя соответственно увеличивается,
так как выгорание идет параллельными слоями. Скорость
выгорания заряда возрастает, если установить в камеру
сгорания несколько параллельных шашек такой формы. Для
равномерного медленного выгорания больше
'подходит цилиндрический сплошной заряд, бронированный
со всех сторон, цроме одного торца («сигаретный» заряд,
выгорающий с одного конца подобно сигарете). Могут быть
125
также и более сложные формы зарядов, обеспечивающие
равномерное выгорание, например с каналом звездообраз-
ного сечения. Такой заряд выгоден тем, что в процессе его
выгорания стенки камеры сгорания остаются холодными,
горячие газы с ними не соприкасаются [88].
Рис. 32. Форма порохо-
вых зарядов:
а — для равномерного горе-
ния; б — для дегрессивного
горения; в — для прогрессив-
ного горения; — толщина
свода пороха [18]
Бронирование и-зготовляемых в США зарядов твердого
топлива производится таким негорючим материалом, кото-
рый по своей природе по возможности близок к материалу
самого заряда. Так, для покрытия коллоидного пороха из
нитроклетчатки используется пленка из негорючего аце-
тата (уксуснокислого эфира) той же клетчатки [18]. За-
ряды с горючим компонентом, приготовленным на основе
каучука, завертываются в каучуковые листы и подвергаются
вулканизации [87].
ГЛАВА VI
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТОПЛИВ
И НОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
(по материалам иностранной периодической печати
и основанным на них обзорным трудам)
НАЗНАЧЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТОПЛИВ1
В иностранной печати имеется много сообщений о рабо-
тах по созданию высокоэффективных топлив на основе сое-
динений бора [95—100], металлов [100—105], свободных ра-
дикалов [106—109] и применению на авиационных силовых
установках ядерной энергии [112—117], которые ведутся с
целью улучшения летно-технических характеристик лета-
тельных аппаратов. При этом представляет интерес принци-
пиальная возможность улучшения следующих энергетиче-
ских характеристик топлив:
1.	Повышение весовой теплотворности топ-
лива (бор, бериллий и их соединения, свободные радикалы,
ядерное горючее). Это позволит увеличить дальность по-
лета при том же весе летательного аппарата или полезный
груз, или, наконец, мощность двигателя и, следовательно, по-
высить скорость полета, потолок, улучшить маневренные и
взлетные характеристики при неизменной дальности полета.
2.	Повышение объемной теплотворности топ-
лива за счет его весовой теплотворности и главным образом
за счет большей плотности топлива (те же вещества, а
также алюминий, магний, окислители с высокой плотно-
стью— озон, соединения фтора). Это позволит увеличить
дальность полета за счет увеличения весовой заправки топ-
1 См. литературные источники [7, 8, 16, 58, 60, 96, 104].
127
лива при неизменном объеме баков или уменьшить размеры
баков и летательного аппарата в целом и, следовательно,
улучшить его аэродинамические характеристики (скорость,
маневренность, взлетно-посадочные свойства) при неизмен-
ной дальности полета.
3.	Увеличение количества выделяемого тепла в
расчете на единицу веса рабочего тела за счет повышения
теплотворности топлива и главным образом за счет приме-
нения горючих, требующих небольшого расхода окислителя
(бор, металлы, особенно магний, а также аммиак, гидразин
и его производные) или совсем не требующих окислителя
(свободные радикалы, ядерное горючее). Это даст возмож-
ность при сохранении неизменной тяги уменьшить габариты
и вес двигателя или при неизменных размерах и весе дви-
гателя увеличить его тягу и, следовательно, скорость по-
лета, потолок и т. д. Для реализации этих преимуществ не-
обходимо повышение жаростойкости материалов двигателя.
Кроме этих трех основных путей улучшения энергетиче-
ских характеристик топлив, существенную роль в обеспече-
нии более высокого коэффициента полезного действия дви-
гателя играет выбор топлив с хорошими термодинамиче-
скими свойствами продуктов сгорания: с высоким газооб-
разованием, стойкостью против диссоциации, высоким зна-
чением показателя адиабаты к = -2- .
Новые высокоэффективные топлива разрабатываются
как для воздушно-реактивных двигателей (главным обра-
зом прямоточных), так и для ракетных двигателей.
БОР И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ1
Из всех возможных высококалорийных топлив наиболь-
шее внимание, судя по сообщениям иностранной печати
[58, 60, 95—100], в США уделяется борным топливам. Ос-
новное преимущество бора, боранов (бороводородов) и их
производных (алкилборанов и др.) перед обычными углево-
дородными топливами обусловлено тем, что бор имеет теп-
лотворность на 78% выше, чем углерод. При содержании
примерно такой же весовой доли водорода, как в углево-
дородах, бороводороды при сгорании дают на 50—60%'
больше тепла [99].
Теплотворность бора и его горючих соединений зависит
от того, в каком агрегатном состоянии (газо-
1 Cv. литературные источники [7, 8, 58, 60, 95—100, 142].
128
образном, жидком или твердом) образуется продукт окис-
ления бора — борный ангидрид В2О3. При образовании газо-
образного борного ангидрида (выше I8600) 1 теплотворность
бора составляет 10 700 ккал/кг (низшая теплотворность),
при образовании жидкого борного ангидрида (ниже I8600)
выделяется дополнительное количество тепла и теплотвор-
ность бора оказывается равной 13 670 ккал!кг и, наконец,
при образовании твердого борного ангидрида (ниже 600°)
теплотворность бора составляет 13 950 ккал!кг. Последнее
значение теплотворности бора (высшая теплотворность) в
обычных условиях работы двигателя не может быть реали-
зовано из-за высокой температуры выходящих газов
[104, 98, 99, 22, 7].
Топлива, содержащие бор, по сообщениям иностранной
печати, предназначаются главным образом для ВРД, преж-
де всего для прямоточных ВРД, но они могут быть также
использованы в качестве горючих компонентов ракетных
топлив [98].
Чистый бор — твердое вещество черного цвета, пла-
вится при 2300°, кипит при 2550°, воспламеняется на воз-
духе при нагреве до 800°. Кристаллический бор имеет плот-
ность 3,33, аморфный — 2,30—2,34.
В американской печати отмечается, что наибольший
практический интерес в качестве основы для получения бор-
ных топлив имеют два сравнительно устойчивых соединения
бора с водородом— пентаборан и декаборан и их алкиль-
ные производные.
Пентаборан В5Н9 — легкая жидкость (плотность
по одним данным 0,63, по другим — 0,61) с довольно низкой
температурой кипения ( + 58°) и замерзания (—47°). При
обычных температурах разложение пентаборана практиче-
ски несущественно, при температуре 150° оно заметно уско-
ряется, а при 300° идет быстро. Разложение ускоряется при
взаимодействии с водой. Смеси паров пентаборана с возду-
хом взрывоопасны и в отдельных случаях самовоспламе-
няются. В связи с этим необходима герметизация его при
хранении. Пентаборан чрезвычайно ядовит, вызывает пора-
жение центральной нервной системы [95, 96, 98].
Теплотворность пентаборана при образовании твер-
дого борного ангидрида 16 200 ккал! кг. жидкого —
15 340 ккал!кг, газообразного — около 13 500 ккал/кг. В
1 По другим данным [98] окись бора переходит в газообразное
состояние при 2500°,
9 Зак. 694	129
двигателе наиболее вероятны такие температурные условия,
при которых борный ангидрид образуется в жидком виде,
при этом его теплотворность на 50% выше теплотворности
керосина. Однако ввиду малой плотности пентаборана объ-
емная теплотворность его не на много больше, чем у керо-
сина (при образовании жидкого борного ангидрида только
на 10%).
Пентаборан хорошо растворяется в углеводородах. Это
позволяет использовать его в смеси с углеводородными топ-
ливами.
Положительными свойствами пентабррана являются в ы-
с о к а я скорость горения (в несколько раз выше, чем
у керосина) и стабильность пламени, что осо-
бенно важно для прямоточных двигателей. Возможно, что
использование пентаборана позволит в связи с указанными
свойствами уменьшить размеры камер сгорания двигателя
[96].
Декаборан ВыНн — твердое вещество, плотность его
0,92, температура плавления 99°, кипения 213°. В твердом
виде он вполне стабилен, заметное самопроизвольное разло-
жение его начинается при температуре 170°. Твердый дека-
боран при обычной температуре с кислородом не реагирует,
но жидкий при температуре 100° самовоспламеняется на
воздухе. Теплотворность декаборана (при образовании жид-
кого борного -ангидрида) равна 15 310 ккал!кг, объемная
теплотворность его ввиду большой плотности примерно в
1,5 раза выше, чем у пентаборана и на 65—7О°/о выше, чем
у керосина. Применение декаборана мыслится в виде ра-
створа или суспензии в жидких углеводородных топливах
или в пентаборане. Декаборан ввиду малой летучести зна-
чительно менее опасен в обращении, чем пентаборан [95, 96,
98].
Большой интерес, по мнению американских специали-
стов, представляет возможность получения и применения
алкилированных боранов — продуктов замещения отдель-
ных атомов водорода в пентаборане и декаборане на углево-
дородные радикалы [96, 99]. По-видимому, они будут иметь
лучшие эксплуатационные свойства, чем бораны. В амери-
канской печати приводятся наименования нескольких сор-
тов борных топлив, в частности HEF-2 (этилированный пен-
таборан) и HEF-3 (этилированный декаборан).
Выше указывалось, что количество тепла, идущее на
нагрев каждого килограмма воздуха при сгорании борово-
дородов, может быть на 45—75% больше, чем при сгорании
130
керосинов (см. табл. 11) [96]. В иностранной печати выска-
зываются предположения, что за счет этого на пентаборане
может быть примерно на 40% увеличена тяга двигателей
(по-видимому, речь идет о прямоточных ВРД) и повышена
скорость полета.
Основная выгода, которую может дать применение ба-
ранов, — увеличение дальности полета за счет их высокой
теплотворности предположительно на 50—60% по сравне-
нию с керосином. На этилированных боранах ожидается
несколько меньшая дальность, чем на пентаборане (на
10—20%), т. е. прирост дальности по отношению к керосину
примерно на 40% [96].
Высокая химическая активность боранов в реакции с
воздухом может обеспечить большую высотность самолетов
и других летательных аппаратов с ВРД, чем керосин, так
как борано-воздушные смеси могут гореть при таких низких
давлениях, когда керосин не горит.
Использование борных топлив в газотурбинных двигате-
лях затруднительно, так как они дают на лопатках турбины
твердый осадок окиси бора [96].
В ЖРД борсодержащие горючие могут быть использо-
ваны в сочетании с различными окислителями, однако ис-
пользование 100%-ных окислителей (жидкого кислорода,
жидкого фтора) сопряжено при этом с такими высокими
температурами рабочего тела, которые для обычных ЖРД
недопустимы. В американской печати рассматривается воп-
рос о возможности введения бо,ра в состав твердых топлив
в виде полимерных соединений (ВЛНШ)Х или в виде про-
дуктов присоединения боранов к ненасыщенным углеводо-
родным полимерам [96, 98].
При работе с борными топливами обязательна защитная
одежда и маска. В случае попадания топлива на кожу
эффективно помогает обильное промывание и протирание ее
аммиачной водой (2,8% раствор МШОН) [97] или 1% ра-
створом триэтаноламина [98].
МЕТАЛЛЫ1
Из металлов, которые могут применяться в составе топ-
лив для ВРД или горючих компонентов ракетного топлива,;
как указывается в иностранной печати [60, 100—105],'
наибольший интерес представляют бериллий, алюминий,'
1 См. литературные источники [6, 7, 19, 58, 60, 100—105, 143].
•*
131
магний, литий; к ним примыкает также рассмотренный
выше бор (в свободном состоянии).
Бериллий — серебристо-серый хрупкий легкий металл,
плотность его 1,82 при 20°. Он плавится при температуре
1284°, кипит при 2970°. Тонкая пленка окиси ВеО при
обычной температуре защищает бериллий от взаимодей-
ствия с кислородом воздуха и с водой. При нагревании
бериллий легко окисляется. По теплоте сгорания (в расчете
на единицу веса) он занимает второе место (после водо-
рода) среди всех химических элементов. Бериллий — ред-
кий и сравнительно дорогой металл; это служит серьезным
препятствием к его использованию в качестве топлива
[7, 19, 143].
Алюминий — наиболее распространенный в природе
металл. Плотность его 2,70, температура плавления 660°,
кипения около 2500°. От окисления он как в .твердом, так
и в жидком состоянии защищен весьма прочной пленкой
окиси А12О3. Большие запасы алюминия и крупные мас-
штабы промышленного производства позволяют исполь-
зовать его в качестве топлива в большей мере, чем дру-
гие металлы. Однако по своим энергетическим данным он
значительно уступает бериллию и бору, а по выделению
тепла на единицу веса окислителя — магнию [7, 19, 143].
Магний — серебристо-белый металл, более легкий, чем
алюминий и бериллий (плотность его 1,74); температура
плавления 651°, кипения 1120°. На воздухе магний легко
окисляется и тускнеет, при 550—600° загорается и бурно
горит ослепительно-белым пламенем. Теплотворность маг-
ния невелика, однако благодаря малому стехиометриче-
скому коэффициенту горючей смеси он выделяет больше
тепла на единицу веса окислителя, чем
любое другое топливо. Природные ресурсы и мас-
штабы производства магния сравнительно велики [7, 19,
143].
Литий — очень легкий (плотность 0,53) и мягкий ме-
талл (режется ножом) серебристо-белого цвета. На воз-
духе литий темнеет, реагируя с кислородом и азотом.
Плавится при температуре 180°, кипит при 1330°. По коли-
честву тепла, выделяемого на единицу веса окислителя,
литий близок к магнию, но по объемной теплотворности
из-за малой плотности значительно хуже углеводородных
топлив и с этой точки зрения ценности не представляет.
Природные запасы лития значительны, но масштабы про-
изводства невелики [7, 19, 143].
132
Одно йз Преимуществ Металлов кйк Тойлив заклю-
чается в возможности выделения на нагрев каждого кило-
грамма воздуха или другого окислителя в 2—3 раза
больше тепла, чем керосин. Более интенсивный нагрев
продуктов сгорания металлических топлив, несмотря на
меньшее газообразование (см. табл. 11), может обеспечить
значительное, по сравнению с керосином, увеличение
тяги двигателя и скорости полета. По сооб-
щениям иностранной печати, топливо, состоящее из 50%
магниевого порошка и 5О°/о октана (непредельного угле-
водорода CeHie), может обеспечить на 50% большую тягу
двигателя, чем керосин [104].
Другое преимущество металлов (кроме лития) заклю-
чается в их высокой объемной теплотворно-
сти (табл. 13), превышающей в некоторых случаях в
Таблица 13
Объемная теплотворность металлических топлив
(по данным [7, 19, 22, 28, 99, 104, 143])
Наименование веществ
Плот- ность при 200	Весовая теплотвор- ность (высшая), ккал/кг	Объемная теплотвор- ность (высшая), ккал! к г	Сравнение с кероси- ном (данные для керо- сина приняты за 1)	
			объемная теплотвор- ность	объем ба- ков при одинако- вом запа- се тепло- вой энер- гии
Чистые порошки					
Бериллий Be 	 Бор В	 Алюминий AI	 Магний Mg		1,82 2,3 2,70 1,74	15 000 13 950 (13 670) 7290 6000	27 300 32 100 (31 500) 19 700 10 450	3,25 3,81 (3,75) 2,35 1,25	0,31 0,26 (0,27) 0,42 0,82
Смеси 5О^/о порошка и 5Oo/Q керосина (по весу)					
Бериллий Be 	 Бор В	 Алюминий А1	 Магний Mg		1,13 1,21 1,26 1,11	12 620 12 100 8770 8120	14 250 14 650 11 050 9000	1,70 1,75 1,32 1,07	0,59 0,57 0,76 0,93
Примечания:	1. Теплотворность керосина 10 250 ккал/кг, платность — 0,82.					принята
2. Теплотворность дана из расчета образования твердых окислов
металлов; для бора, кроме того, приведены (в скобках) данные для
случая образования жидкого ангидрида бора.
133
2—3 и более раз объемную теплотворность керосина, что
объясняется значительно большей плотностью металлов по
сравнению с керосином. За счет этого может быть достиг-
нуто значительное увеличение дальности полета, так как
при одном и том же объеме топливных баков максималь-
ная дальность почти пропорциональна объемной тепло-
творности топлива. Однако нужно иметь в виду, что с уве-
личением плотности металлического топлива по сравнению
с керосином будет возрастать вес летательного аппарата,
повышаться удельная нагрузка на крыло, будут ухуд-
шаться высотные и маневренные характеристики.
Для обеспечения одной и той же дальности полета
летательный аппарат, рассчитанный на использование
металлических топлив, может иметь значительно меньший
объем топливных баков, чем при работе на керосине.
Соответственно могут быть уменьшены размеры лета-
тельного аппарата и за счет этого обеспечено увеличение
скорости полета или же произведены какие-либо другие
рациональные изменения как в конструкции, так и в лет-
но-технических характеристиках [103].
Чтобы обеспечить достаточную площадь контакта с
кислородом (или другим окислителем) и быстрое эффек-
тивное сгорание, металл в камеру сгорания нужно пода-
вать в тонко измельченном виде. Принципиально возможно
впрыскивать в камеру сгорания расплавленный металл
или подавать металлическую пудру непосредственно в по-
ток воздуха, поступающий в камеру сгорания.
Однако такие способы смесеобразования связаны с
серьезными техническими трудностями. Проще всего
добавлять металлический порошок к жидкому или желе-
образному углеводородному топливу. Металлический поро-
шок может удерживаться в вязкой жидкости в течение
нескольких часов или суток, причем частично расслоив-
шаяся суспензия восстанавливается путем повторного
перемешивания.
Повысить вязкость углеводородных- горючих (керосина,
бензина, индивидуальных углеводородов), чтобы получать
более устойчивые суспензии металлов, можно путем раст-
ворения в них высокомолекулярных органических ве-
ществ— каучука, полиизобутилена, воска [105]. Особенно
хорошими загустителями являются мыла — алюминие-
вые, натриевые и другие соли высокомолекулярных орга-
нических кислот. Загущенное вязким и липким алюминие-
вым мылом жидкое горючее (главным образом бензин)
134
широко известно как боевая огнесмесь под названием
«напалм»1. При достаточно высокой концентрации некото-
рые загустители (например, натриевое мыло) способны
превратить жидкое горючее в полутвердую желе-
образную массу (гель или студень). Равномерно
перемешанные с желеобразным топливом металлические
частицы не осаждаются. Студень при перемешивании
превращается в жидкость, так как под действием дефор-
мации связи между частицами загустителя разрушаются.
При достаточно большой скорости течения вязкость смеси
настолько снижается, что приближается к вязкости ее
жидкой основы [7]. Для обеспечения подачи загущенного
топлива в камеру сгорания необходима специальная топ-
ливная аппаратура.
В США, как сообщает печать, ведется также работа
по включению металлов в состав твердых ракетных топлив
[101, 100]. Трудность решения этой проблемы связана с
тем, что введение металла взамен полимерного горючего
приводит к недопустимой рыхлости заряда [98]. Однако
сообщается, что в составе топлива для зенитного управ-
ляемого снаряда «Хоук» содержится 15% алюминиевого
порошка [102]. Наиболее простой способ использования
энергии сгорания металла осуществлен в баллистической
ракете «Полярис»; ее алюминиевый контейнер, в котором
помещается твердое топливо, сгорает и повышает темпе-
ратуру газов. Предполагается, что это увеличивает тягу
двигателя ракеты на 20% [102].
СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ2
Во многих научно-исследовательских организациях
США ведется работа по использованию нового источника
энергии для двигателей — свободных радикалов [106—109].
Свободными радикалами называются осколки
молекул — группы атомов или отдельные атомы, обла-
дающие свободной валентностью (например, не соединен-
ные в молекулы атомы водорода Н, кислорода О, азота N;
группы атомов СН3, СН2, С2Н5 и др.). Диссоциация
(распад) молекул на свободные радикалы
происходит, как правило, со значитель-
1 От сокращенного названия нафтеновых и пальметиновой кислот,
из которых выработано мыло.
2 См. литературные источники [3, 4, 7, 63, 99, 106—109].
135
н ы м поглощением энергии извне. При ассо-
циации (соединении) свободных радика-
лов в молекулы эта энергия выделяется.
Она значительно больше той энергии, которая выделяется
при сгорании такого же количества вещества. Так, для
диссоциации 1 кг молекулярного водорода на атомы
(Н2-> Н 4- Н) необходимо затратить 51 300 ккал\ при сое-
динении атомов водорода в молекулы (Н + Н Н2) эта
энергия, значительно превышающая теплоту сгорания водо-
рода, выделяется. Данный процесс уже давно находит
практическое применение в атомноводородной сварке. Й
специальной сварной горелке струя водорода пропускается
через пламя вольтовой дуги, энергия которой идет на раз-
рушение молекул Н2. При соприкосновении со свариваемым
металлом атомы водорода вновь соединяются в молекулы
и выделяют поглощенную в дуге энергию. Таким образом
удается получить такую высокую температуру пламени,
при которой свариваются самые тугоплавкие материалы.
Теплота ассоциации других радикалов в молекулы
меньше, чем теплота ассоциации атомов водорода, но все
же и она достаточно велика. Для атомного кислорода
в реакции О + О О2 теплота ассоциации составляет
3640 ккал/кг, для азота (N + N №) — 6050 ккал/кг
[7, 99]. Не нужно забывать, что в данном случае речь идет
о негорючих веществах, которые при обычных
условиях вообще не выделяют энергии.
Горючие элементы, кроме выделения теплоты при
ассоциации, могут реагировать с кислородом воздуха, в
результате чего теплота ассоциации суммируется с
теплотой сгорания. При этом 1 кг атомарного во-
дорода может дать 51 300 + 28 900 = 80 200 ккал, что
почти в 2,8 раза больше обычной теплоты сгорания водо-
рода. С этой точки зрения представляют интерес также
углеводородные радикалы, суммарная теплотворность кото-
рых (равная сумме теплоты ассоциации и теплоты сгорания)
значительно больше теплоты сгорания исходных углеводо-
родов. Для свободных метильных радикалов СНз она равна
14 000 ккал/кг, этильных С2Н5— 12 000 ккал/кг, пропиль-
ных СзН? — 11 400 ккал/кг [99].
Однако следует иметь в виду, что при быстрой реакции
ассоциации свободных радикалов должна развиваться
очень высокая температура порядка 10 000°, из-за этого
могут быть очень большие потери тепла на диссоциа-
цию [108].
136
Чрезвычайно высокая химическая активность свобод-
ных радикалов приводит к тому, что они в обычных усло-
виях могут существовать в течение очень короткого вре-
мени — до первого столкновения друг с другом (порядка
миллионных — тысячных долей секунды). Чтобы использо-
вать свободные радикалы в качестве топлива, надо каким-то
образом «законсервировать» их, а затем в камере сгорания
двигателя осуществить их быструю ассоциацию, при кото-
рой выделится вся энергия, затраченная на превращение
вещества в свободные радикалы.
В принципе возможно сохранение радикалов в свобод-
ном состоянии, во-первых, при очень низкой температуре,
когда их беспорядочное движение и, следовательно, столк-
новения практически прекращаются; во-вторых, в смеси
с такими веществами, молекулы которых будут тормозить
движение свободных радикалов и предотвращать их
столкновения, и, в-третьих, при столь низких давлениях,
когда их столкновения становятся очень редкими и ассо-
циация сильно замедляется. Свободные радикалы пока
удается стабилизировать только путем глубокого охлаж-
дения до температур, близких к абсолютному нулю, на-
пример, атомарный кислород и азот при —269°. Для этого
необходимы сложные и тяжелые холодильные установки
с жидким гелием. При таких температурах атомарное ве-
щество представляет собой тъердое тело, непрерывно излу-
чающее яркий свет, изредка оно дает отдельные вспышки
голубого пламени. При нагреве атомарного вещества до
температуры минус 230—240° происходит его активная
ассоциация, сопровождаемая выделением большого коли-
чества тепла и возникновением пламени. Однако заморо-
женное «радикальное» вещество, по-видимому, весьма
опасно в обращении — случайный нагрев может вызвать
бурное распространение реакции ассоциации на всю массу
вещества и взрыв огромной силы (для атомарного водо-
рода он подобен взрыву атомной бомбы) [108].
Наряду с проблемой искусственного получения и ста-
билизации свободных радикалов в американской и англий-
ской печати в последние годы обсуждается также про-
блема использования свободных атомов азота и кислорода,
которые содержатся в атмосфере [109]. Известно, что под
воздействием ультрафиолетовых лучей солнца на высоте
80—100 км молекулы кислорода и азота расщепляются на
атомы. Сохранению атомов в свободном виде содействует
очень низкое давление на такой высоте (0,01 мм рт. ст. и
137
ниже). Таким образом, в высоких слоях атмосферы
имеются свободные радикалы в готовом виде, созданные
природными силами. Задача состоит в том, чтобы заста-
вить их ассоциировать в молекулы внутри двигателя ле-
тательного аппарата, который может быть каким-либо
способом выведен на высоту порядка 80—100 км (напри-
мер, при помощи ракетного двигателя кратковременного
действия). Если весовая доля ассоциирующего газа со-
ставит даже 3—4% от всего количества воздуха, проходя-
щего через двигатель, то выделение тепла на единицу веса
воздуха будет уже примерно таким, как в современных
газотурбинных двигателях. Найдены катализаторы, кото-
рые обеспечивают быстрое протекание реакций ассоциа-
ции атомов в молекулы—это газообразные окислы азота,
а также некоторые тяжелые металлы и их окислы (золото,
платина, свинец, вольфрам, окись тория). При очень боль-
ших скоростях (в 7—10 раз превышающих скорость звука)
сжатый в диффузоре прямоточного двигателя газ при кон-
такте с катализатором (например, решеткой из тяжелых
металлов) может согласно расчетам выделить за счет
ассоциации атомов достаточное количество тепла для по-
лучения потребной тяги. Аппарат с таким двигателем бу-
дет иметь неограниченную дальность полета.
Возможность непосредственного воздействия катализа-
тора на процесс ассоциации атомов в высоких слоях атмо-
сферы была проверена в США (на полигоне Нью-Мексико
в 1956 г.). При помощи ракеты «Аэроби» на высоту
101,4 км было заброшено 8,2 кг окиси азота NO2. Она вы-
звала бурную реакцию ассоциации, охватившую зону около
5 км в поперечнике. В течение 10 минут наблюдался огнен-
ный шар, который по видимым с земли размерам был в
4 раза больше луны [109].
Судя по сообщениям иностранной печати, проблема
использования свободных радикалов как топлив для дви-
гателей находится еще в начальной стадии разработки.
ЭНЕРГИЯ ЯДЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ1
Наиболее мощным источником энергии являются ядер-
ные процессы, т. е. процессы взаимодействия между эле-
ментарными частицами, из которых построены ядра ато-
мов. Использование этого источника энергии в двигателях
1 См. литературные источники [8, 12, 110—117].
138
в корне изменило бы подход к проблеме топлива. Непо-
средственный расход вещества при ядерных процессах в
миллионы раз меньше, чем расход обычного топ-
лива, выделяющего энергию при сгорании. Для уже освоен-
ных ядерных реакций он составит, по-видимому, десяти-
тысячные доли процента от веса атомного летательного
аппарата. Таким образом, топливо не будет огра-
ничивать дальность полета в пределах земного
шара. Количество тепла, сообщаемого единице веса рабо-
чего тела, может быть (с точки зрения свойств ядерного
горючего) неограниченно большим. Следовательно, топ-
ливо не будет ограничивать тягу двига-
теля и скорость полета. Эти показатели будут
определяться только совершенством конструкции двига-
теля и жароупорностью материалов, из которых он изго-
товлен.
При ядерных процессах один вид материи — вещество
(т. е. материя, обладающая определенной массой в со-
стоянии относительного покоя) превращается в другой вид
материи — электромагнитное излучение, частицы кото-
рого— фотоны движутся со скоростью света 300000 км!сек.
Фотоны при столкновении с частицами вещества, через
которое они проходят, поглощаются ими и отдают им свою
энергию, которая в конечном счете идет на нагрев веще-
ства. Полное превращение 1 кг массы вещества в тепло-
вую энергию дает 21,5 триллиона килокалорий.
Процесс полного превращения массы вещества в излу-
чение, так называемая аннигиляция, происходит при
взаимодействии античастиц — электрона и позитрона, про-
тона и антипротона, нейтрона и антинейтрона и др. Отдель-
ные античастицы в настоящее время удается получать
только при помощи мощных электромагнитных ускорите-
лей— синхрофазотронов, циклофазотронов и подобных им
других машин, самые крупные из которых созданы в Со-
ветском Союзе. Однако время существования античастиц
ничтожно мало; выделить и сохранить «антивещество» в
близкой перспективе не представляется возможным.
Превращение некоторой доли массы вещества в излу-
чение, а затем — в тепловую энергию происходит при
ядерных реакциях двух типов: при распаде тяже-
лых атомных ядер и при синтезе (соеди-
нении) легких атомных ядер. Первый из этих
процессов, лежащий в основе атомной бомбы и атомных
реакторов, в настоящее время в общем освоен и, как
139
известно, практически используется для приведения в дей-
ствие стационарных и судовых двигателей. Второй же из
них, лежащий в основе водородной бомбы, освоен только
в форме взрыва. Проводимые в СССР и за границей ра-
боты позволяют надеяться, что в ближайшие годы будет
освоено управление и этим процессом.
Выделение энергии при распаде и синтезе атомных
ядер обусловлено разницей энергий «упаковки» элемен-
тарных частиц — протонов и нейтронов в атомных ядрах
различных химических элементов. Когда в ядре атома
протоны и нейтроны соединены друг с другом, их суммар-
ная масса оказывается меньше суммы масс того же коли-
чества отдельно взятых протонов и нейтронов. На их
соединение друг с другом пошла энергия, эквивалентная
дефекту (уменьшению) их массы. Это количество энергии
для ядер атомов различных химических элементов пока-
зано на рис. 33. Для элементов с атомным весом порядка
Рис. 33. Энергия супаковки» элементарных частиц (протонов и
нейтронов) в ядрах атомов различных химических элементов
[75, 95]:
Q U — энергия, выделяемая при распаде атомных ядер урана; Ф/у— энер-
гия, выделяемая при синтезе (соединении) атомов тяжелого водорода
(дейтерия) в гелий
50—150 (находящихся в средней части ряда) потеря массы
и соответственно выделение энергии на «упаковку» частиц в
ядре больше, чем для легких и тяжелых элементов. По-
этому процессы деления тяжелых атомных ядер (например,
урана, плутония) на части, являющиеся ядрами атомов
элементов, находящихся в середине ряда, а также обра-
зования атомных ядер легких элементов (дейтерия, гелия,
140
лития) из элементарных частиц и ядер еще более легких
элементов идут с выделением энергии, равной разности
соответствующих энергий «упаковки».
Для освоенных в настоящее время реакций деления
изотопов урана-235, урана-233 и плутония-239 эта энергия
равна примерно 16 миллиардам клал/кг. Один килограмм
урана-235, 233 или плутония дает столько тепла, сколько
дает сжигание 1500 т обычного нефтяного авиационного
топлива [112]. Изотоп уран-235 в небольшом количестве
(0,7%) содержится в природном уране; плутоний получают
в атомных реакторах из природного урана-238, а уран-233 —
из тория. Получение атомной энергии при делении ядер
урана и плутония осуществляется в атомных реакторах.
Выделяемое тепло используется для нагрева теплоноси-
теля — воды (превращаемой в пар), газа, воздуха и т. д., —
который является рабочим телом для тех или иных двига-
телей (в частности, турбин, приводящих в действие генера-
торы атомных электростанций и судовых установок).
В иностранной печати приводится ряд проектов авиа-
ционных атомных силовых установок. Один из проектов
предусматривает подачу воздуха при помощи компрессора
в атомный реактор, который играет роль топки подобно
тому, как в обычном газотурбинном двигателе ее выпол-
няет камера сгорания. Нагретый в реакторе воздух приво-
дит в действие турбину, которая вращает компрессор дви-
гателя. Сообщается, что такой атомный двигатель проходит
стендовые испытания [115]. Согласно другому проекту воз-
дух после компрессора проходит через радиатор, обогре-
ваемый теплоносителем (расплавленным металлом или дру-
гой высококипящей жидкостью), который циркулирует
между атомным реактором й радиатором. Еще проще может
быть устроен прямоточный атомный ВРД: воздух из его
входного устройства непосредственно поступает в реактор
или радиатор, а оттуда в реактивное сопло.
Применение атомного топлива в ракетных двигателях
представляет большие трудности, чем его использование в
воздушно-реактивных двигателях. Это связано с тем, что
на ракете, кроме ядерного источника энергии, должен быть
запас вещества, которое было бы источником рабочего тела
(например, запас воды, жидкого аммиака, жидкого водо-
рода или гелия [ИЗ]). Для ВРД этого не требуется, так
как в них источником рабочего тела служит воздух. Нагрев
рабочего тела до температуры, при которой достигается
141
необходимая скорость истечения газов, может производиться
в теплообменнике [99, 112] или же в электрической дуге, пи-
тание которой осуществляется от турбогенератора, приво-
димого в действие так же, как на атомной электростанции
[ИЗ, 114].
В последнее время в иностранной печати обсуждается
возможность создания ионного двигателя. Энергетической
базой для него должна быть яд^рная установка, приводя-
щая в действие электрический генератор. При помощи элек-
трических или магнитных полей производится разгон иони-
зированного газа (отдельно — отрицательно заряженных
электронов, отдельно — положительно заряженных ядер)
до огромных скоростей, соизмеримых со скоростью света
[И2].
Наряду с управляемым цепным процессом деления тяже-
лых атомных ядер для получения энергии может использо-
ваться радиоактивность — непрерывный, не под-
дающийся регулированию процесс излучения атомными
ядрами некоторых химических элементов быстро движу-
щихся частиц и электромагнитной энергии.
Природные радиоактивные элементы выделяют большое
количество энергии, нацример, радий выделяет около
400 миллионов ккал/кг, но длится это выделение тысячеле-
тия. В единицу времени выделяется настолько мало энергии
(например, радий выделяет в секунду 0,04 ккал/кг), что
природные источники (в том числе и радий) оказываются
непригодными для силовых установок из-за их малой мощ-
ности [3]. В отличие от природных радиоактивных элемен-
тов многие из искусственных радиоактивных изотопов, полу-
чаемых в атомных реакторах, распадаются с такой скоро-
стью, которая достаточна для получения желательной мощ-
ности. Так, некоторые изотопы излучают мощный поток
электронов (р-частиц), которые могут служить непосредст-
венным источником электрического тока высокой мощности.
Одно из приводимых в американской печати предложе-
ний по созданию силовой установки летательного аппарата
заключается в изготовлении из таких изотопов р-б а т а р е й
для питания электрической дуги, которая будет нагревать
проходящий через установку воздух (или рабочее тело ра-
кетного двигателя) до температуры в несколько тысяч гра-
дусов [116].
Еще более мощным источником энергии, чем деление
тяжелых ядер и радиоактивность, может быть синтез
атомных ядер легких элементов. При синтезе ядер дейтерия
142
(тяжелого водорода с атомным весом 2) и гелия из ядер
водорода — протонов, нейтронов и взаимодействующих с
ними ядер других легких элементов (например, лития) —
выделяется значительно больше энергии, чем при распаде
тяжелых ядер — от 25 до 154 миллиардов ккал/кг.
Реакции синтеза атомных ядер могут идти только при
очень высоких температурах порядка миллионов градусов,
поэтому их называют термоядерными. Для того
чтобы вызвать термоядерную реакцию в водородной бомбе,
используется обеспечивающий создание таких температур
взрыв обычной (например, урановой) атомной бомбы, что,
разумеется, не может быть осуществлено в двигателе. Ни
один материал не может выдержать соприкосновения с
плазмой (смесью ионов и электронов), имеющей такую тем-
пературу; любой материал при этом немедленно обращается
в газ. Однако наукой в настоящее время нащупаны пути
преодоления огромных трудностей, связанных с проблемой
управления термоядерных реакций и использования их в
двигателях. Одним из таких путей является сжатие плазмы
и изоляция ее от окружающих материалов при помощи маг-
нитных полей, создание своего рода «магнитной бутылки»
для плазмы, в которой будет идти термоядерная реакция.
Одно из наиболее удобных веществ для осуществления
термоядерной реакции — дейтерий (тяжелый водород) — со-
держится в природной воде в количестве 0,016 г на 1 кг
воды. Это количество при термоядерном превращении может
обеспечить получение из каждого исходного килограмма
воды в 400—500 раз больше тепловой энергии, чем полу-
чается при сжигании такого же количества нефтяного топ-
лива [111, 117]. Выделение дейтерия из воды не представ-
ляет особо серьезных технических трудностей, оно практи-
чески освоено в настоящее время. Таким образом, если
удастся применить термоядерные реакции в двигателях,
вода может стать црактически неисчерпаемым источником
энергии.
Использование энергии ядерных процессов в авиацион-
ных двигателях, в первую очередь атомной энергии деле-
ния урана и плутония, считается делом ближайших лет.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ
жидкости
Г Л А В А VII
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ
НАЗНАЧЕНИЕ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ
Смазочные масла служат для уменьшения трения
между движущимися относительно друг друга деталями
машин и механизмов, понижения их износа и отвода от них
тепла, выделяемого при трении. Кроме этик трех основных
функций, масло выполняет ряд дополнительных функций:
оно предохраняет детали от коррозии, обеспечивает уплот-
нение зазоров между деталями (предотвращает перетекание
газов через зазоры). В некоторых случаях маслом охлаж-
даются детали двигателей, нагретые горячими газами (на-
пример, диск турбины — в газотурбинных двигателях, пор-
шень— в поршневых двигателях). Как правило, масло в
двигателях находится под давлением; энергия давления
масла может использоваться для управления некоторыми
агрегатами (для изменения шага воздушного винта).
При отсутствии смазки трущиеся детали нагреваются,
что вызывает расширение их и уменьшение зазоров между
ними; сильный нагрев от трения может вызвать плав-
ление металлов. Узлы трения авиационных двигателей без
смазки разрушаются в течение нескольких секунд или даже
долей секунды из-за задира и заклинивания деталей или
сваривания их металлических поверхностей.
Смазочными материалами обычно служат жидкие сма-
зочные масла или консистентные (густые) смазки (см.
главу XII).
144
ЖИДКОСТНОЕ ТРЕНИЕ И ВЯЗКОСТЬ МАСЕЛ»
Трением называется сопротивление, возникающее на
поверхности соприкосновения тел при их перемещении от-
носительно друг друга (или при попытке произвести такое
перемещение).
При скольжении одного тела по поверхности другого
(рис. 34, а) перемещению препятствуют неровности, имею-
щиеся на поверхностях тел (оставшиеся после обработки
их), а также силы молекулярного притяжения.
Направление движения
Рис. 34. Схема трения скольжения;
внизу — зона контакта при сильном увеличении:
а — зацепление шероховатостей при сухом трении твердых тел; б — разделение
трущихся поверхностей при жидкостном трении; в — частичное зацепление шеро-
ховатостей при полужидкостном трении
В первом приближении сила трения (при отсутствии
смазки) пропорциональна нормальной силе Р (перпенди-
кулярной поверхности трения), с которой перемещаемое
тело прижимается к поверхности другого тела
F = ^P,
(20)
где р. — коэффициент трения, зависящий от материалов,
из которых изготовлены соприкасающиеся тела, и от каче-
ства их поверхностей.
1 См. литературные источники [9, 123, 124].
10 Зак. 694
145
При сухом трении скольжения твердых тел р. = 0,1—
0,5, т. е. при нормальной силе Р = 1000 кг сила трения F
составляет от 100 до 500 кг.
С целью уменьшения силы трения скольжения между
трущимися поверхностями вводится жидкое масло. Слой
масла, разделяя поверхности тел, предохраняет их от моле-
кулярного сцепления и не позволяет шероховатостям зацеп-
ляться друг за друга (рис. 34, б). В этом случае трение
становится жидкости ы м, оно происходит между сло-
ями масла. При чисто жидкостном трении износа деталей
не происходит.
Внутреннее трение между частями жидкости, переме-
щающимися относительно друг друга, — это не что иное,
как вязкость1.
При жидкостном трении сила трения F пропорциональна
динамической вязкости масла т], скорости скольжения тру-
щихся тел относительно друг друга'У, величине поверхности
скольжения S и обратно пропорциональна толщине слоя
масла между поверхностями h:
Р =	(2D
h
Следовательно, сила трения и соответственно потери
мощности на преодоление трения в двигателе тем боль-
ше, чем больше вязкость масла. Исходя из
этого для смазки двигателей желательно применять м а-
л о в я з к и е масла. С другой стороны, чтобы масло не
вытекало и не выдавливалось из зазора между трущимися
деталями, оно должно иметь достаточно высокую вязкость.
В трущейся паре вал — подшипник масло, обволакиваю-
щее вал, вследствие сил внутреннего трения (т. е. вязкости)
увлекает соседние слои масла. Масло втягивается в узкую
клиновидную часть зазора (рис. 35) и создает давление,
приподнимающее вал. Вращающийся вал является своего
рода насосом, который накачивает под себя масло и дер-
жится на созданном таким образом масляном потоке. Чем
выше вязкость масла, тем большую нагрузку может выдер-
жать масляный клин, поднимающий вал. Вытекание масла,
выдавливаемого из диаметрального зазора, происходит в
основном через торцовый зазор (рис. 35, в); естественно,
что более вязкое масло вытекает через него медленнее и
масляный клин в этом случае оказывается более надежным.
1 О вязкости, единицах ее измерения и способе определения
см. на стр. 31—33.
146
Сохранению жидкого смазочного слоя способствует важ-
ное свойство масел: увеличение их вязкости с
повышением давления. Существенным это оказы-
вается при давлении в несколько сотен атмосфер (обычным
для подшипников скольжения авиационных двигателей).
Вязкость масел понижается с повышением
температуры. Поэтому для каждого двигателя, для
каждого механизма экспериментальным путем подбирают
масло с минимальной вязкостью, при которой обеспечи-
вается жидкостное трение на самом высоком тем-
пературном режиме его работы.
Рис. 35. Схема создания масляного клина в узле трения вал--
подшипник:
а — вал неподвижен; б — вал вращается; в — продольный разрез подшип-
ника
При обозначении вязкости всегда указывают темпера-
туру масла; например, кинематическую вязкость при 100°
обозначают v100.
Основной рабочей температурой масла для узлов тре-
ния поршневых двигателей условно считается температура
100°, для узлов трения газотурбинных двигателей «и боль-
шинства других машин — 50°. Вязкость при основной рабо-
чей температуре, выраженная в сантистоксах, обычно ука-
зывается в марках масел (например, МС-20 — авиационное
масло для поршневых двигателей с вязкостью v100 « 20 сст,
МК-8 — авиационное масло для газотурбинных двигателей
с вязкостью v50 « 8 сст). При правильно подобранном ма-
сле коэффициент жидкостного трения р. в десятки и сотни
раз меньше, чем при сухом трении (обычно порядка
0,01—0,001).
ю*
147
ГРАНИЧНОЕ ТРЕНИЕ И СМАЗЫВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
МАСЕЛ1
В подшипниках качения нагрузки в зоне контакта шари-
ков и роликов с обоймами достигают нескольких тысяч и
даже десятков тысяч кг/см2. Столь же велики контактные
нафузки между зубьями шестерен. Жидкая смазка между
деталями при таких нафузках удержаться не может. Не
всегда удается осуществить чисто жидкостное трение и в
подшипниках скольжения, например, в момент пуска и оста-
новки двигателя или при динамических нагрузках. При этом
слой жидкого масла не полностью разделяет трущиеся по-
верхности, шероховатости на них частично задевают друг
друга (см. рис. 34,в).
Во всех этих случаях при наличии смазки между сопри-
касающимися участками твердых тел вместо твердого тре<
ния металла о металл происходит трение адсорбированных
металлом масляных пленок — так называемое гранич-
ное трение.
Сущность адсорбции состоит в электрическом вза-
имодействии ионов или электрически заряженных частей мо-
лекул жидкости с электрическим полем атомов и ионое ме-
талла, образующих твердую поверхность. Например, отри-
цательно заряженные части молекул жидкости притяги-
ваются к положительно заряженным ионам, образующим
поверхность металла.
В результате этого взаимодействия на поверхности ме-
талла из масла собираются такие вещества, в молекулах
которых электрические заряды распределены неравномерно;
их называют п о в е р х н о с т н о а к т и в н ы м и. К числу
таких веществ относятся содержащиеся в небольшом коли-
честве во всяком нефтяном масле органические кислоты,
фенолы, смолистые и другие кислородсодержащие органиче-
ские соединения, а также органические соединения, содер-
жащие серу, азот и другие элементы. Они проявляют наи-
большие силы сцепления с металлической поверхностью.
Молекулы углеводородной основы масла обладают более
слабой силой притяжения к поверхности металла.
Адсорбированный поверхностный слой по своим свойст-
вам резко отличается от той жидкости, из которой он обра-
зовался. Хаотического теплового движения молекул, харак-
терного для жидкости, в нем нет; он скорее напоминает
твердое тело с упорядоченным расположением молекул
1 См. литературные источники [9, 34, 119, 120, 124, 126].
148
(рис. 36). Иногда между адсорбированным слоем и поверх-
ностью металла устанавливаются химические связи, обра-
зуется тонкий поверхностный слой нового вещества (суль-
фида, хлорида, мыла и т. д.).
Граничное трение можно сравнить с трением при сдвиге
листов в стопке бумаги: подобно им слои граничной масля-
ной пленки, не разрушаясь, сдвигаются относительно друг
друга. При граничном трении коэффициент трения д =
= 0,01—0,1 (см. формулу 20), т. е. сила трения при одной
и той же нагрузке меньше, чем при сухом трении, но
больше, чем при жидкостном.
Рис. 36. Схема образования адсорбированного слоя на
поверхности металла
Способность масла образовывать поверхностную пленку,
которая при отсутствии жидкого масляного слоя предотвра-
щает сухое трение и снижает коэффициент трения, обычно
называют смазывающей способностью. Ее иногда также на-
зывают липкостью или маслянистостью. Чем
больше в составе масла смолистых веществ, органических
кислот и других поверхностноактивных соединений (в том
числе искусственно введенных в масло), тем лучше смазы-
вающая способность масла.
149
Толщину пограничного слоя смазки можно представить
себе так: если с гладкой металлической поверхности, сма-
занной маслом, насухо стереть масло, то оставшаяся пленка
и представляет собой прилипший к металлу пограничный
слой. Небольшая толщина пограничного слоя смазки объяс-
няется тем, что уже на незначительном расстоянии от по-
верхности металла хаотическое тепловое движение молекул
преобладает над силами поверхностного притяжения. Более
вязкие масла образуют более толстый пограничный слой,
так как в них тепловое движение молекул замедлено. По-
этому из масел одинаковой химической природы лучшей
смазывающей способностью обладают бо-
лее вязкие масла.
В узлах трения скольжения практически весь износ
происходит при полужидкостном и граничном (но не жид-
костном) трении. Он объясняется смятием и выкрашива-
нием микронеровностей металла, выступающих за границу
основной, гладкой части масляной пленки (см. рис. 34, в).
Граничная смазка эффективна только при кратковремен-
ных нагрузках. Длительные нагрузки на участках гранич-
ного смазочного слоя или очень большие непродолжитель-
ные нагрузки способны вызвать настолько сильный разогрев
его, что хаотическое тепловое движение молекул может
преодолеть действие поверхностных сил и разрушить упоря-
доченный слой молекул. Это приводит к сухому трению, ко-
торое вызывает быстрое разрушение или сваривание де-
талей.
Максимальная нагрузка, которую масляная пленка спо-
собна выдержать до разрушения, называется нагрузоч-
ной прочностью или грузоподъемностью
масла. Она зависит от химического состава (поверхностной
активности и структуры молекул) и от вязкости масла, а
также от условий работы узлов трения. О превышении мак-
симально допустимой нагрузки свидетельствует резкое уве-
личение износа узлов трения [119].
Хорошая смазывающая способность и особенно боль-
шая нагрузочная прочность масла особенно важны в усло-
виях масляного голодания (например, при пуске холодного
двигателя) и при высоких местных нагрузках (в редуктор-
ных передачах, в подшипниках качения).
В подшипниках качения сила, прижимающая шарик
(ролик) к обойме, вызывает их деформацию в месте сопри-
касания (рис. 37). Создается сопротивление качению: катя-
150
щееся тело должно деформировать образовавшийся перед
ним барьер [120]. Периодическая деформация материала вы-
зывает усталостный износ его, точечное выкрашивание. Гра-
ничная масляная пленка, не разрушающаяся при высоких
контактных нагрузках, уменьшает износ: она деформируется
в первую очередь, увеличивает площадь контакта деталей,
снижает удельное давление в зоне контакта и уменьшает
деформацию металла. Одновременно с этим смазка (осо-
бенно обильная) увеличивает потери на трение п нагрев
подшипников качения, так как она представляет дополни-
Рис. 37. Схема деформации обоймы
и шарика (ролика)
при качении
тельное сопротивление для шариков и роликов (тем боль-
шее, чем выше вязкость масла). В шариковых и роликовых
подшипниках к силе трения качения добавляется еще сила
трения скольжения шариков или роликов по сепаратору и
по краям беговой дорожки. Механизм действия масла на
этих участках тот же, что и в узлах трения скольжения.
В целом трение в подшипниках качения меньше, чем в
подшипниках скольжения. Для шарикоподшипников коэф-
фициент трения у. = 0,001—0,003, для роликоподшипников
у. = 0,002—0,007, т. е. при нормальной силе Р = 1000 кг
сила трения для шарикоподшипников составляет 1—3 кг и
для роликоподшипников — 2—7 кг [9].
151
СТАБИЛЬНОСТЬ, КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА И ФИЗИЧЕСКАЯ
ОДНОРОДНОСТЬ МАСЕЛ1
Стабильностью масла называют его способность
сохранять свой состав и свойства при работе в двигателе.
Чем стабильнее масло, тем меньше оно дает загрязнений
(осадков, лаковых пленок и т. д.) и меньше его коррозион-
ное действие на детали двигателей; следовательно, тем на-
дежнее работает двигатель.
При низких температурах (до 20—30°) в условиях хра-
нения масла практически не теряют свою стабильность в те-
чение нескольких лет.
В процессе же работы масла в двигателе в различных
температурных условиях (от 50—60° в маслосистеме до
350—400° в зоне горячих деталей) под воздействием кисло-
рода воздуха, продуктов сщрания топлива, контакта с ме-
таллами в нем идут процессы окисления и разложения, при-
водящие к загрязнению двигателя и коррозии его деталей.
В высокотемпературной зоне двигателя (например, в
камере сгорания поршневого двигателя) масло достигает
температур порядка 350—400°. При этом часть масла, теряя
летучие вещества, сгорает не полностью, обугливается и об-
разует нагар. Качество и расход масла при длительной ра-
боте двигателя практически не влияют на нагарооб|ра-
зование, так как наряду с нагарообразованием идет посте-
пенное выгорание нагара. Чем выше температурный режим
двигателя, тем тоньше слой нагара.
В среднетемпературной зоне двигателя масло дости-
гает температуры 200—300° (например, при попадании на
диск и подшипники газовой турбины ТРД, на боковые
стенки и внутреннюю часть поршня в поршневом двигате-
ле). При этом цроисходит частично испарение, частично
разложение и окисление масла, в результате чего на деталях
образуется твердый лак. Процесс лакообразования идет
непрерывно, интенсивность его увеличивается с ростом тем-
пературы. Он может привести к опасным последствиям —
перегреву, заеданию движущихся деталей и др. Чтобы пре-
дохранить двигатель от интенсивного лакообразования, ма-
сла очищают от значительной части смолистых и других
лакообразующих веществ. Кроме того, для этой цели в со-
став некоторых масел вводят так называемые моющие
присадки — бариевые и кальциевые мыла высокомоле-
1 См. литературные источники [9, 31].
152
кулярных органических кислот, в основном нафтеновых
или содержащих ароматические кольца. Название «мою-
щие» является условным. Существует мнение, что эти при-
садки служат катализаторами такого глубокого процесса
окисления, которое приводит к образованию не липких, а
хрупких веществ, не способных удерживаться на металли-
ческой поверхности, и что они оказывают диспергирующее
(размельчающее) действие на образующиеся твердые чат
стицы — точнее, тормозят их рост. Поэтому поверхность ме-
талла и остается чистой. Моющие присадки способствуют
также созданию прочной граничной пленки, которая защи-
щает трущиеся детали от износа при нарушении жидкост-
ного режима трения.
В низкотемпературной зоне двигателя (в коробках при-
водов агрегатов ТРД, в картере поршневого двигателя) тем-
пература масла находится в пределах примерно 50—120°.
Здесь масло имеет большую площадь контакта с каталити-
чески активными цветными металлами, из котррых изготов-
лены подшипники (в том числе со взвешенными частицами
от их износа), а вследствие вспенивания и разбрызгива-
ния — большую площадь контакта с воздухом или газооб-
разными продуктами сгорания топлива. Эти условия спо-
собствуют окислению масла. В результате окисления обра-
зуются кислые вещества (органические кислоты, фенолы),
вызывающие коррозию цветных металлов. Некоторые про-
дукты коррозии (например, нафтеновые мыла) в свою оче-
редь усиливают окислительные процессы. Таким образом,
процессы окисления и коррозии переплетаются и усили-
вают друг друга.
Для борьбы с коррозией в масло иногда вводятся
антикоррозионные присадки, действие которых
обусловливается их собственной коррозионной активно-
стью — способностью образовать на поверхности металла
тонкую, прочную и плотную защитную пленку. Антикорро-
зионное действие присадок обычно сочетается с анти-
окислительным, так как защитная пленка ограждает
масло от непосредственного соприкосновения с цветными
металлами — катализаторами окисления масла.
Некоторые из вводимых в масло присадок являются
многофункциональными: они одновременно обла-
дают моющим действием, улучшают смазывающую способ-
ность, оказывают антикоррозионное и антиокислительное
действие. Присадки не полностью фильтруются через бу-
мажный фильтр, поэтому технические условия на масла с
153
присадками допускают некоторое количество механических
примесей в свежем масле. Содержащиеся в многофункцио-
нальных присадках металлы (барии, кальций) повышают
зольность масла. Это позволяет путем определения зольно-
сти контролировать количество присадки в свежем масле.
Поэтому в технических условиях для масел с многофунк-
циональными присадками установлен нижний предел
зольности. Если зольность ниже установленного предела,
это свидетельствует о недостаточном количестве присадки
в масле и неудовлетворительном качестве масла.
Кроме окисления, в масле идет процесс осадкообразова-
ния. При соприкосновении сравнительно холодного масла
(ниже 65—70°) с газообразными продуктами сгорания топ-
лива, в которых содержатся пары воды, образуется водно-
масляная эмульсия. На поверхности мельчайших капелек
воды собираются взвешенные в масле частицы пыли, угли-
стых веществ, частицы износа металлов; эмульсия превра-
щается в мазеобразный шершавый осадок. Процесс осад-
кообразования идет тем интенсивней, чем ниже темпера-
турный режим двигателя. Осадки могут вызвать закупорку
масляных каналов, масляное голодание и, как следствие
этого, разрушение узлов трения.
Оценка стабильности и коррозионных
свойств масла при контрольном анализе условно
дается по коксуемости (углистому остатку по-
сле выпаривания и прокаливания масла в приборе, ограни-
чивающем доступ воздуха) и кислотному числу
(в отличие от кислотности топлив оно определяется в рас-
чете не на 100 мл, а на 1 г продукта). Следует иметь в
виду, что сравнение масел разной природы (например, очи-
щенных разными способами) по этим показателям часто не
соответствует их поведению в двигателе.
В масле наряду с химическими изменениями происхо-
дят также физические изменения: из него испа-
ряются легкие фракции, вследствие чего повышается вяз-
кость и температура вспышки. Особенно интенсивно эти из-
менения происходят в маловязких маслах. Летучесть масел
(или наличие примеси топлива) характеризуется темпе-
ратурой вспышки; она определяется в открытом
тигле или в специальном приборе с закрытым тиглем (тем-
пература вспышки в закрытом тигле ниже, чем в откры-
том).
Физическая однородность масел, так же
как и топлив, определяется отсутствием в них механических
154
примесей и капельно-жидкой воды. Механические
примеси в масле обнаруживаются на глаз при осмотре
капли, нанесенной на выпуклое стекло. Качественная
проверка отсутствия воды в масле производится
путем быстрого подогрева масла в пробирке до температуры
150°. Вспенивание масла и характерный треск являются
признаками наличия в нем воды.
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВОЙСТВА МАСЕЛ>
С понижением температуры .масла вязкость его возра-
стает (см. рис. 41). Из-за этого при запуске холодных дви-
гателей затрудняется проворачивание вала двигателя, про-
качка масла через маслосистему, разбрызгивание его и т. д.
Масла, у которых вязкость при понижении температуры
резко повышается, т. е. с крутой вязкостно-температурной
характеристикой, обладают плохими пусковыми свойст-
вами. Чем выше вязкость нефтяного масла, тем резче она
возрастает с понижением температуры и, следовательно,
хуже пусковые свойства масла.
Для обеспечения хороших пусковых свойств в разнооб-
разных температурных условиях нужны масла с пологой
вязкостно-температурной характеристикой. Из нефтяных ма-
сел сравнительно пологую вязкостно-температурную харак-
теристику имеют только маловязкие масла, не обеспечиваю-
щие жидкостного трения при сколько-нибудь значительных
нагрузках. Поэтому в последнее время взамен нефтяных
изыскиваются и внедряются синтетические масла,
обладающие пологой вязкостно-температурной характери-
стикой [121].
Для получения достаточно вязких масел, удовлетвори-
тельно работающих при низких температурах, применяется
также загущение маловязких нефтяных ма-
сел высокомолекулярным полимером (на-
пример, полиметакрилатом, полиизобутиленом). Таким
способом можно повысить вязкость масла при основной
рабочей температуре до требуемого значения, сохранив поло-
гость вязкостно-температурной характеристики, свойствен-
ную маловязкому маслу [118]. Крупные малоподвижные мо-
лекулы полимера уменьшают поперечное сечение простран-
ства, по которому протекает маловязкий компонент масла,
1 См. литературные источники [9, 31, 118, 123, 124].
155
ТорМозяТ efo течение. Внешне это йроя&ЛяеТСя как увели-
чение внутреннего трения между слоями масла, т. е. как
увеличение вязкости. При этом зависимость вязкости от
температуры остается примерно той же, как для маловяз-
кой основы (рис. 38), потому что степень уменьшения по-
перечного сечения потока маловязкой жидкости за счет
крупных молекул полимера остается практически неизмен-
ной при любой температуре. Основной недостаток за-
Рис. 38. Вязкостно-температурная характеристика нату-
рального и загущенного масел (принципиальная схема)
гущенных масел — постепенное разрушение («размалыва-
ние») загустителя под воздействием внешних сил (напри-
мер, при работе масла в шестеренчатых передачах) [130].
Вязкостно-температурные характеристики масла обычно
О	Vka	V—О)
выражают величиной отношения —— или —— •
v100	v50
Масла не имеют определенной, четкой температуры пе-
рехода из жидкого в твердое состояние. Границей перехода
условно считают температуру потери подвижности
масла (при наклоне пробирки с маслом на 45° в течение
156
одной минуты) после охлаждения его в стандартных усло-
виях. Ее называют температурой застывания.
Застывание масла может быть связано с двумя различ-
ными процессами: постепенным повышением вязкости
вплоть до превращения масла в аморфную стекловидную
массу и образованием кристаллического каркаса из высоко-
плавких парафиновых углеводородов (если они содержатся
в составе масла в растворенном виде).
При производстве масел для обеспечения низкой темпе-
ратуры застывания из них стремятся удалить высокоплав-
кие парафины (см. стр. 163). Кроме того, с этой целью в
масла вводят специальные присадки — де пресс а торы
(от слово «депрессия» — низкий уровень). Они не дают
кристаллам парафинов расти и сращиваться друг с другом.
Добавка депрессатора может снизить температуру застыва-
ния масел, содержащих парафиновые углеводороды, на
20—30°.
При отсутствии или незначительном содержании пара-
финовых углеводородов процесс застывания масла, обуслов-
ленный повышением вязкости, депрессатором задержать
нельзя. В этом случае понизить температуру застывания
масла можно только путем разжижения его топливом
(см. стр. 176).
ВИДЫ АВИАЦИОННЫХ МАСЕЛ И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ,
ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ
Для различных типов авиационных двигателей, а также
для агрегатов и приборов требуются масла различной вяз-
кости*. Вязкость обычно является основным определяющим
показателем при классификации масел.
По целевому назначению авиационные масла делятся
примерно на следующие виды:
—	масла для авиационных турбореактивных двигате-
лей, маловязкие, с нивкой температурой застывания;
—	масла для авиационных турбовинтовых двигателей,
мало- и средневязкие, с низкой температурой застывания и
высокой смазывающей способностью (для них также приме-
няются смеси масел, используемых в турбореактивных и в
поршневых авиационных двигателях);
—	масла для авиационных поршневых двигателей, вы-
соковязкие, подвергнутые глубокой очистке;
—	масла для редукторов вертолетов (трансмиссионные
масла) высоко- и средневязкие с хорошей смазывающей
способностью;
157
—	агрегатные и приборные масла, маловязкие, подверг-
нутые глубокой очистке, с низкой температурой засты-
вания.
Масло при любых эксплуатационных условиях должно
хорошо прокачиваться через маслосистему и разбрызги-
ваться в той зоне, куда оно не поступает под давлением,
проникать во все зазоры узлов трения и образовывать там
надежный непрерывный жидкостный слой, не вытекать
слишком быстро из зазоров и одновременно не требовать
больших усилий и значительной затраты мощности на пре-
одоление внутрижидкостного трения. Желательно, чтобы
при кратковременных нарушениях жидкостного режима
смазки масло прочно прилипало к трущимся поверхностям
и защищало их от износа.
Весьма важно, чтобы при длительной работе масло со-
храняло свои свойства, не давало отложений, способствую-
щих перегреву деталей и загрязняющих двигатель (или
другой механизм), не вызывало коррозии деталей и было
способно защищать их от действия внешних коррозионных
факторов.
Одно из существенных требований к маслам, потребляе-
мым в большом количестве, — наличие сырьевой и произ-
водственной базы и невысокая стоимость производства.
Исходя из этих общих требований желательно, чтобы
масла имели следующие свойства:
—	возможно меньшую вязкость, но достаточную для
создания надежного жидкостного слоя в зазорах при мак-
симальной рабочей температуре;
—	резкое возрастание вязкости с повышением давления;
—	пологую вязкостно-температурную характеристику;
—	низкую температуру застывания;
—	хорошую смазывающую способность и высокую на-
грузочную прочность пленки;
—	отсутствие нестабильных составных частей, выделяю-
щихся в виде отложений в двигателе;
—	отсутствие кзррозионноактивных примесей и химиче-
ски нестабильных составных частей, склонных к превраще-
ниям в коррозионноактивные вещества;
—	высокую температуру вспышки, характеризующую
стойкость против испарения и выгорания при работе дви-
гателя;
—	физическую однородность (отсутствие механических
примесей и воды).
158
Масла, обладающие всем комплексом желательных
свойств, получить практически невозможно, так как многие
требования, предъявляемые к ним, противоречат друг другу.
Подбор свойств масел обычно нооит компромиссный
характер.
Ряд свойств масла при его повседневном применении
контролировать нельзя (например, смазывающую способ-
ность) или сложно (стабильность, коррозионные свой-
ства) . Поэтому для суждения об этих свойствах пользуются
косвенными признаками. Считается, что неизмен-
ность сырья и технологии производства масла практически
обеспечивают неизменность химического состава, а следо-
вательно, — неизменность смазывающей способности, ста-
бильности, коррозионных свойств. Соблюдение же техно-
логии производства проверяют по таким показателям каче-
ства продуктов, которые не имеют прямого отношения к
этим свойствам или не являются определяющими/решаю-
щими для них — по плотности, зольности, коксуемости, ки-
слотному числу, температуре вспышки. Если по всему ком-
плексу этих показателей масло находится в пределах норм,
т. е. соответствует образцу, успешно прошедшему государ-
ственные испытания (по данным которого нормы и уста-
новлены), считается, что масло соответствует ему и по
смазывающей способности, по стабильности и т. д.
ГЛАВА VIII
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ
НЕФТЯНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ1
ВАКУУМНАЯ ПЕРЕГОНКА МАЗУТА
Нефтяные смазочные масла вырабатываются из м а-
з у т а — остатка от перегонки нефти, состоящего из высо-
кокипящих углеводородов. Мазут подвергают перегонке в
ректификационной колонне, сходной с колонной для пере-
гонки нефти (см. стр. 42), но при давлении значительно
ниже атмосферного (40—50 мм рт. ст.), т. е. под вакуу-
мом. Перед перегонкой мазут нагревают до температуры
350—375°. Для ускорения перегонки в колонну вводят пере-
гретый водяной пар, при этом жидкие углеводороды испа-
ряются внутрь пузырьков проходящего через них водяного
пара.
Из верхней части колонны отбирается соляровый дистил-
лат, который идет на приготовление дизельного топлива
и, частично, загущаемых масел, и дистиллаты, из котсфых
приготовляются приборное масло МВП, трансформатор-
ное масло, масла для ТРД. Из средней части колонны
производится отбор дистиллатов различных индустриаль-
ных масел и автолов, а с тарелок непосредственно над ис-
парителем колонны—отбор вязкого дистиллата, идущего
на приготовление цилиндрового масла для паровых машин.
После полного отгона из мазута всех масляных фрак-
ций в нижней части колонны остается гудрон, из него
путем окисления при высоких температурах получают
битум. Если же от мазута отгоняется только часть ма-
1 См. литературные источники [9, 34, 38].
160
сляных дистиллятов, то неперегнанный остаток (смесь вяз-
ких углеводородов с асфальто-смолистыми веществами)
называют масляным полугудроном, или концен-
тратом. Из него приготовляются авиационные масла
для поршневых двигателей, дизельные и трансмиссионные
масла.
Масла, приготовляемые из масляных дистиллятов, на-
зываются дистиллятными, а приготовляемые йз
остатка — остаточными.
ОЧИСТКА МАСЕЛ
Масляные дистиллаты и остаток, полученные после ва-
куумной перегонки мазута, представляют собой полу-
продукты, состоящие из углеводородов и нежелатель-
ных примесей асфальто-смолистых веществ, органических
кислот и др. Для их удаления масла подвергают очистке
различными способами, важнейшими из которых являются
кислотно-щелочная, кислотно-контактная и селективная
очистки.
Кислотно-щелочная очистка заключается в
обработке масляного полупродукта крепкой серной кисло-
той (96—98%), а затем щелочью. Асфальто-смолистые ве-
щества, часть нафтеновых кислот и тяжелые ароматические
углеводороды, склонные к обугливанию при высокой тем-
пературе, легко вступают в реакцию с серной кислотой и
удаляются из масла. Затем полупродукт обрабатывают на-
триевой щелочью (каустической содой), которая нейтрали-
зует органические кислоты и остатки серной кислоты. Для
удаления остатка щелочи и солей масло промывают водой
и просушивают нагретым воздухом.
Кислотно-щелочным способом производится очистка
многих дистиллятных масел, в частности трансформатор-
ного.
Кислотно - контактная (кислотно - зе-
мельная) очистка заключается в обработке масля-
ного полупродукта серной кислотой, а затем — отбеливаю-
щей землей (измельченной в порошок глиной). При кон-
такте с горячим кислым маслом она адсорбирует на своей
огромной поверхности асфальто-смолистые вещества и от-
бросы сернокислотной очистки. После этого полупродукт
пропускают под давлением через фильтры, где глина отде-
ляется от масла.
11 Зак. 694
161
Кислотно-контактным способом очищают авиационные
масла для турбореактивных и поршневых двигателей. Этот
способ обеспечивает лучшую очистку масла по сравнению
с кислотно-щелочным способом.
Селективная очистка производится при помощи
растворителей, одни из которых растворяют только неугле-
водородные примеси, содержащиеся в полупродукте, дру-
гие — наоборот, только масляные углеводороды. При обра-
ботке полупродукта этими растворителями образуется два
слоя: тяжелый экстракт — растворитель с находящимися в
нем вредными веществами, удаляемыми из масла, и более
легкий — рафинированное (очищенное) масло с примесью
растворителя. Эти слои отделяют друг от друга и отгоняют
от них растворитель, чтобы использовать его вновь для очи-
стки следующих порций масла. После селективной очистки,
а иногда также и перед ней производят дополнительную кон-
тактную или кислотно-контактную очистку масла. Таким
способом очищают некоторые сорта авиационных
масел.
Следует отметить, что понятие о «вредных» и «полез-
ных» составных частях масла в некоторой мере условно. Так,
смолистые вещества, склонные к образованию углеродистых
отложений и считающиеся поэтому вредными, одновре-
менно являются носителями смазывающей способности
масла. Масла, подвергнутые слишком глубокой селективной
очистке («переочищенные»), не прилипают к деталям; ре-
зультатом этого может быть повышенный износ и разру-
шение узлов трения. С другой стороны, высоковязкая, лип-
кая смолистая смесь (смолка), получаемая после отгона се-
лективного растворителя от экстракта, является прекрасным
компонентом для трансмиссионных масел, работающих в ус-
ловиях высоких динамических нагрузок при сравнительно
низкой температуре.
ДЕАСФАЛЬТИЗАЦИЯ И ДЕПАРАФИНИЗАЦИЯ
Если в масляном полупродукте много асфальто-углеро-
дистых веществ, то для их удаления рассмотренными выше
основными способами очистки требуется большой расход
реагентов (серной кислоты, селективных растворителей
и т. д.). В таких случаях производится предварительная
деасфальтизация масляного полупродукта: его ра-
створяют в легком бензине или жидком пропане; мало рас-
творимые в них асфальто-углеродистые и смолистые веще-
162
ства выпадают в осадок. После удаления осадка раствори-
тель отгоняют от масла. Затем полупродукт подвергают
очистке одним из описанных выше способов.
Для получения масел с низкой температурой застывания
очистку масла завершают депарафинизацией —
удалением из него высокоплавких парафиновых углеводо-
родов. Масло растворяют в лигроине или в жидком про-
пане, или в каком-либо другом низкозамерзающем раство-
рителе. Раствор охлаждают до температуры минус 25—40°
(в зависимости от взятого растворителя и требуемой
температуры застывания масла) и подают на высокооборот-
ные центрифуги, где застывшие углеводороды под действием
центробежных сил отделяются от масла.
Смесь твердых парафинов с некоторым количеством жид-
кого масла и примесей называется петролатумом,
из него получают твердый белый парафин и церезин (тем-
ную, частично окисленную смесь твердых углеводородов).
Все три продукта используются для приготовления предо-
хранительных консистентных смазок.
В последнее время вместо дорогой и сложной депара-
финизации охлаждением внедряется карбамидная
очистка, аналогичная соответствующей очистке топлива
(см. стр. 43).
и*
ГЛАВА IX
МАСЛА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
УСЛОВИЯ РАБОТЫ МАСЛА
В ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
И ТРЕБОВАНИЯ К МАСЛАМ ДЛЯ НИХ*
Система смазки современных ТРД сравнительно про-
ста (рис. 39). Масло из маслобака подается насосами к
высокооборотным подшипникам качения вала компрессора
и вала турбины, обеспечивая их смазку и охлаждение.
Масло поступает к подшипникам через форсунки, большая
часть масла омывает внешнюю поверхность подшипников.
Подшипники компрессора при работе нагреваются приб-
лизительно до 100—150°, подшипник турбины до 150—200°,
а после остановки двигателя из-за прекращения цирку-
ляции масла и внешнего обдува значительно выше, напри-
мер подшипник турбины нагревается более 250° (рис. 40).
Это способствует испарению масла, а в случае наличия в
нем нестабильных составных частей создает условия для
лакообразования.
Кроме смазки основных подшипников, масло обеспечи-
вает смазку шестеренчатых передач приводов агрегатов,
работающих при невысоких нагрузках.
Масло, стекающее из узлов трения, откачивается насо-
сом обратно в бак (или коробку приводов агрегатов).
В маслосистемах некоторых двигателей имеется радиатор,
где масло охлаждается, отдавая тепло проходящему через
него топливу или потоку воздуха.
Потери мощности на трение в подшипниках качения
ТРД невелики (во много раз меньше, чем в поршневых
1 См. литературные источники [7, 9, 121, 125].
164
двигателях), поэтому общий отбор тепла маслом также не-
значителен. Нормальная работа двигателя обеспечивается
небольшим количеством масла; как правило, оно не пре-
вышает 10—15 л. Полная циркуляция его в системе проис-
ходит обычно несколько десятков раз или около ста раз
в час. Температура масла в системе из-за разнообразия
условий эксплуатации может колебаться в значительных
пределах от минус 30—60° до плюс 100—150°.
Рис. 39. Схема маслосистемы турбореактивного двигателя .
Для смазки подшипников не требуется масло с высокой
вязкостью, так как участки подшипников, на которых про-
исходит трение скольжения (между сепаратором подшип-
ников и шариками и др.), не подвергаются большим на-
грузкам. Не требуется от масла также и особенно высокой
смазывающей способности, потому что кратковременное
масляное голодание и сухое трение (например, в условиях
запуска) при небольших нагрузках не вызывает разруше-
ний подшипников качения.
165
С другой стороны, вязкое масло уменьшает деформа-
цию и контактные напряжения в местах соприкосновения
шариков (роликов) и обойм подшипников (см. рис. 37).
Деформация происходит на большей площади, но на мень-
шую глубину, в связи с чем повышение вязкости масла
способствует задержке усталостных разрушений и повы-
Рис. 40. Изменение температуры внешнего
кольца подшипника турбины после остановки
двигателя [121]
шению долговечности подшипников. Однако с увеличением
вязкости масла усиливается выделение тепла от трения,
растет температура подшипника, что может привести к от-
пуску и уменьшению твердости стали, а иногда даже вы-
звать перекристаллизацию и изменение размеров шариков.
В результате прочность и долговечность подшипника
уменьшатся. Практически существует некоторая оптималь-
ная (наилучшая) вязкость масла (обычно невысокая),
обеспечивающая наибольшую долговечность подшипников
качения.
Исходя из комплекса всех факторов, в том числе обес-
печения холодного запуска, оказалось целесообразным
применять на ТРД маловязкие нефтяные масла
с температурой застывания не выше минус 45—55°.
166
НЕФТЯНЫЕ МАСЛА ДЛЯ ТРД1
Основной сорт масла для ТРД — маловязкое
дистиллатное масло кислотно-контактной очистки МК-8.
Буквы в марке указывают его назначение и метод очи-
стки: М — авиационное, К — кислотной очистки (в отли-
чие от масла селективной очистки, обозначаемого бук-
вой С). Цифра указывает вязкость масла при основной
рабочей температуре — в данном случае не ниже 8,3 сст
при 50° (вязкостно-температурная характеристика масла
приведена на рис. 41). Масло МК-8 имеет низкую темпера-
туру застывания (не вы-
ше —55°), что обеспечи-
вается его выработкой из
малопарафинистых неф-
тей.
В качестве замени-
теля масла МК-8 при
температуре воздуха у
земли не ниже —30° мо-
жет применяться тран-
сформаторное масло (по
основному назначению это
масло не смазочное, а изо-
ляционное). Оно практи-
чески отличается от МК-8
только по температуре за-
стывания, на которую
установлена норма не ни-
же —45°. При этом для
получения требуемой тем-
пературы застывания в
трансформаторное масло
Рис. 41 Вязкостно-температурная ха-
рактеристика авиационных масел
[9, 121]
добавляют до 0,2% деспрессатора. Взвешенные в масле
мелкие кристаллики парафинов, которые не сращиваются
друг с другом вследствие действия депрессорной присадки,
при температурах на 10—15° выше температуры его засты-
вания все же могут оседать на холодных стенках масляных
каналов и уменьшать поступление масла к подшипникам.
Поэтому температурные условия применения трансформа-
торного масла строго ограничены.
При работе ТРД легкое дистиллатное масло МК-8 (и ему
подобные) довольно интенсивно испаряется, особенно при
1 См. литературные источники [7, 29, 30, 121].
167
разбрызгивании в зоне нагретых подшипников, а также
после остановки двигателя из-за повышения его темпера-
туры (см. рис. 40). Испарение усиливается с увеличением
высоты полета. В результате потерь легких фракций
масла повышается его вязкость и ухудшаются пусковые
свойства масла. В частности, могут появиться отказы в ра-
боте гидромуфты, соединяющей турбостартер с двигателем.
Для обеспечения запуска масло в гидромуфте турбостар-
тера зимой приходится разжижать бензином или подогре-
вать перед запуском [129].
Расход масла на ТРД различных конструкций колеб-
лется в пределах, от 0,5 до 2 кг!час. Соответственно этому
после полетов производится долив свежего масла.
Окисление и загрязнение масла в современных ТРД
происходит настолько медленно, что практически не лими-
тирует его срок службы в двигателе. В большинстве типов
ТРД замена масла производится через 100—200 часов и
более.
Однако при повышении рабочей температуры масла в
зоне подшипников до 170—200° и выше, вполне вероятном
на двигателях ближайшего будущего, термическая ста-
бильность нефтяных масел оказывается недостаточной.
В результате окисления и полимеризации масла на поверх-
ностях подшипников образуются плотные лаковые отложе-
ния, а маслопроводы и форсунки засоряются углероди-
стыми осадками [7, 121].
ОСОБЕННОСТИ СМАЗКИ ТУРБОВИНТОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ1
Шестерни редуктора ТВД, передающего огромную мощ-
ность с вала турбины на воздушный винт, работают при вы-
соких нагрузках и в принципе требуют совершенно иных
масел, чем подшипники качения газотурбинных двигате-
лей — для них нужны вязкие масла с вы-
сокой смазывающей способностью. Выпол-
нение этого требования при единой маслосистеме затруд-
нительно, а устройство раздельных маслосистем сущест-
венно усложняет конструкцию двигателей. В связи с этим
выбор масла для ТВД обычно носит компромиссный ха-
рактер. В частности, применяются смеси маловязких ди-
стиллятных масел (типа МК-8 или трансформаторного) с
1 См. литературные источники [7, 121].
168
высоковязкими остаточными авиационными маслами (типа
МК-22 или МС-20, см. стр. 175), обладающими хорошей
смазывающей способностью. Первые, как указывалось
выше, при 50° имеют вязкость порядка 8—10 сст\ вязкость
вторых при той же температуре порядка 150—200 сст (в
марках этих масел указана вязкость при 100°). Использу-
ются смеси с вязкостью цри 50° порядка 60—70 сст (вяз-
кость смесей не подчиняется закону среднего арифметиче-
ского, влияние маловязкого масла сказывается резче, чем
высоковязкого).
Однако компромиссный выбор масла вызывает опре-
деленные неприятности. Из-за наличия высоковязкого
компонента после испарения легких фракций на горя-
чих подшипниках турбины образуются лаковые отложе-
ния. Вязкостно-температурная характеристика смеси неудов-
летворительная; при отрицательных температурах масло
из маслосистемы после полета приходится сливать, а пе-
ред запуском двигателя заправлять в нее разогретое
масло.
В связи с интенсивным трением в редукторе и необхо-
димостью отвода выделяемого при трении тепла прокачка
масла в ТВД в несколько раз больше, чем в ТРД.
СИНТЕТИЧЕСКИЕ МАСЛА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ 1
Поскольку нефтяные масла, состоящие из углеводоро-
дов, не удовлетворяют многим требованиям, предъявляемым
к ним с точки зрения обеспечения работы газотурбинных
двигателей (особенно турбовинтовых), в США внедряются
синтетические масла с лучшими характеристиками. Необ-
ходимость этого связана, кроме того, с ростом скорости
полета современных самолетов. На самолетах с большой
сверхзвуковой скоростью полета из-за аэродинамического
нагрева масло в маслосистеме, возможно, будет иметь тем-
пературу 200° и выше. Температура же подшипников каче-
ния в полете, вероятно, будет достигать 300—350°. При та-
ких температурах испарение и разложение нефтяных масел
происходит настолько интенсивно, что применение их станет
невозможным.
Из всего многообразия синтезированных и исследован-
ных химических соединений, пригодных для использования
1 См. литературные источники [121, 7, 125, 9, 20],
169
в качестве смазочных масел, наиболее подходят для работы
в широком диапазоне температур сложные эфиры двухос-
новных органических кислот, полигликоли и полисилоксаны
(кремнийорганические соединения). На их основе в США
разработаны синтетические масла для газотурбинных дви-
гателей [7, 121, 125].
По комплексу свойств наилучшими из них считаются
масла на основе сложных ди эфиров двухоснов-
ных кислот — адипиновой С2Н4(СООН)2, себациновой
С4Нв(СООН)2 и др. и высокомолекулярных спир-
тов — ОКТИЛОВОГО СвНпОН, НОНИЛОВОГО С9Н19ОН и др.
Структура молекул этих масел характеризуется формулой
R(COOR)2, где R—г различные углеводородные радикалы
СлНт . Они имеют весьма пологую вязкостно-температур-
ную характеристику (на рис. 41 приведена характеристика
одного из диэфиров — диэтилгексилсебацината), низкую
температуру застывания, низкое давление насыщенных па-
ров, хорошие коррозионные свойства, достаточно высокую
стабильность (при наличии антиокислительной присадки).
В состав молекул диэфиров входят полярные группы
COOR, они обеспечивают хорошую адсорбцию и ориента-
цию молекул на металлических поверхностях и в резуль-'
тате — высокую смазывающую способность и нагрузочную
прочность масла. Это особенно ценно при использовании
диэфирных масел в ТВД. По данным испытаний, приведен-
ным в иностранной печати, трение и износ трущихся по-
верхностей при использовании диэфирных масел резко сни-
жались по сравнению с нефтяными маслами.
Расход диэфирных масел благодаря их низкой испаряе-
мости в несколько раз меньше, чем нефтяных. Из данных,
приведенных на рис. 42, видно, что их испарение практи-
чески начинается при такой температуре, при которой
нефтяные масла (близкие им по вязкости в рабочем диа-
пазоне температур) испаряются почти полностью. Ди-
эфирные масла обеспечивают холодный запуск двигате-
лей до температур порядка минус 40—50° и хорошо рабо-
тают в гидравлических механизмах при низких темпера-
турах.
Существенный недостаток диэфирных масел заклю-
чается в набухании соприкасающихся с ними резиновых
шлангов и уплотнений. При использовании этих масел
необходимо применять особые сорта синтетического кау-
чука.
170
Диэфирным маслам незначительно уступают по л и гли-
колевые масла — простые и сложные эфиры полигли-
колей
r__0 —СпН2л--О —СпН2л-—О —R
или
RCO - С„Н2„ — О — С„Н2л - OCR.
Производство полигликолевых эфиров проще и дешевле,
чем диэфиров органических кислот. Полигликолевые масла
по внешнему виду — бесцветные прозрачные жидкости. Они
имеют пологую вязкостно-температурную характеристику
(см. рис. 41), хорошие смазывающие свойства, низкую тем-
пературу застывания, незначительную коррозионную актив-
ность. С точки зрения потерь от испарения они несколько
хуже диэфирных масел, но значительно лучше нефтяных.
Рис. 42. Испаряемость синтетических и нефтяных масел [125]
Стабильность полигликолевых масел при высоких темпе-
ратурах хорошая. Даже в случае их разложения не обра-
зуются загрязняющие двигатель осадки, так как продукты
разложения хорошо растворяются в масле или улетучи-
ваются. Существенное преимущество полигликолевых масел
перед диэфирами — инертность по отношению к натураль-
ному и синтетическому каучуку.
171
Исходным сырьем для диэфирных и полигликолевых
масел могут быть продукты первичной химической перера-
ботки нефти, в частности, крекинг-газы. Диэфирные и поли-
гликолевые масла хорошо смешиваются друг с другом.
Полисилоксаны (их также называют силиконами)
представляют собой полимерные соединения, в цепочках
которых чередуются атомы кремния и кислорода
R	R	R
— Si — О — Si — О — Si —
R	R	R
(где R — различные углеводородные радикалы СЛНШ). Они
отличаются наиболее пологой вязкостно-температурной ха-
рактеристикой по сравнению со всеми другими синтетиче-
скими маслами (см. рис. 41) и низкой температурой засты-
вания (порядка —70°), низкой испаряемостью, химической
инертностью, в том числе стойкостью против окисления, хо-
рошими антивспенивающими свойствами. Высокая проч-
ность связей Si—О обусловливает термическую стабиль-
ность силиконов. Однако при высоких температурах (по-ви-
димому, выше 250°) силиконы иногда образуют студенистые
осадки. Свойства граничных пленок, образуемых этими
маслами, недостаточно изучены. Полисилоксановые масла
сравнительно дороги и дефицитны.
Для турбовинтовых двигателей целесообразно исполь-
зовать масла на маловязкой синтетической основе, загу-
щенные высокомолекулярным полимером
(см. стр. 155), с добавкой противоизносной присадки.
ГЛАВА X
МАСЛА ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ПОРШНЕВЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
УСЛОВИЯ работы масла и требования К НЕМУ’
Авиационные поршневые двигатели имеют сложную си-
стему смазки, условия работы масла в них тяжелые: удель-
ное давление в подшипниках скольжения достигает
600—800 кг/см2, рабочая температура масла около 100°.
Подшипник выполнены из свинцовистой бронзы, она ока-
зывает каталитическое действие на процессы окисления,
нестойка против коррозии и чрезвычайно чувствительна к
загрязнениям масла. Температура деталей цилиндро-псрш-
невой группы, с которыми соприкасается масло, высокая
(в пределах от 150 до 350°).
К большинству узлов трения масло подводится под дав-
лением 4—10 кг/см2.
Смазка цилиндро-поршневой группы производится пу-
тем подвода масла к верхним головкам шатунов, а также
разбрызгивания его. Масло, находящееся в зазоре между
поршнем и зеркалом цилиндра, препятствует перетеканию
продуктов сгорания в картер. При этом некоторое количе-
ство масла неизбежно проникает в камеру сгорания и вы-
горает.
Очистка масла в процессе работы производится при
помощи пластинчатого фильтра, а также путем центрифу-
гирования в полостях шатунных шеек коленчатого вала:
содержащиеся в масле загрязнения отбрасываются центро-
бежными силами к периферии шейки и образуют осадок.
1 См литературные источники [120, 9, 33].
173
Чтобы обеспечить жидкостную смазку узлов трения в
условиях высокого удельного давления и высокой темпе-
ратуры, а также хорошее уплотнение зазоров между порш-
нем и цилиндром, необходимо масло достаточно вы-
сокой вязкости порядка 20—22 сст при основной
рабочей температуре 100°.
При недостаточной вязкости жидкий слой масла не мо-
жет удержаться в зазорах, и в результате усиливается
износ деталей. Кроме того, увеличивается заброс масла в
цилиндры, из-за чего растет его расход, усиливается нагаро-
сбразование, замасливаются свечи, что приводит к перебоям
в зажигании, детонации, перегреву и разрушению поверх-
ности поршня. Наряду с этим ухудшается уплотнение
поршневых колец, падает компрессия, газы прорываются в
картер, снижается мощность двигателя, загрязняется масло,
усиливается коррозия подшипников и осадкообразование.
Слишком высокая вязкость масла также нежелательна,
так как она приводит к увеличению сил трения и, следо-
вательно, при режимной работе двигателя вызывает гго в ы-
ш е н н у ю потерю мощности. При низких температурах
из-за высокой вязкости масла затрудняется холодный за-
пуск двигателя, а после запуска замедляется прокачка и
ухудшается разбрызгивание масла. Свежее масло к узлам
трения своевременно не поступает, а находившееся в зазо-
рах масло при трении разогревается и вытекает. Возникает
масляное голодание, повышенный износ или даже задир и
заедание деталей.
В моменты запуска и остановки граничная пленка масла
должна защищать узлы двигателя от сухого трения, а также
обеспечить надежную работу шестерен редуктора и других
силовых передач, где образование жидкостного масляного
клина невозможно. Из этого вытекает требование высо-
кой смазывающей способности масла для
поршневых двигателей. Выполнение этого требования ча-
стично обеспечивается за счет высокой вязкости, которая
способствует образованию толстого поверхностного слоя
масла и, следовательно, хорошей смазывающей способ-
ности.
В связи с высоким температурным режимом в зоне
поршневой группы при работе двигателя создаются усло-
вия для интенсивного лакообразования. Отложение лака в
канавках поршней может вызвать прихватывание, закли-
нивание и, наконец, поломку поршневых колец, что в свою
очередь может вывести двигатель из строя. В связи с этим
174
в составе авиационных масел недопустимы склонные к
лакообразованию нестабильные органические соединения,
содержащие кислород и серу. Вредное влияние таких соеди-
нений проявляется также в их коррозионном действии на
материалы подшипников.
Требование термической стабильности масла противо-
речит требованию хорошей смазывающей способности,
носители которой, как правило, нестабильны. Практически
это противоречие разрешается путем применения сравни-
тельно дорогих и дефицитных остаточных масел высокой
степени очистки из отборных масляных нефтей. В остаточ-
ных продуктах вакуумной перегонки мазута гораздо
больше поверхностноактивных соединений — носителей сма-
зывающей способности, чем в дистиллатных. Наименее
устойчивые из них удаляются при очистке масла.
Предъявлять к вязким остаточным маслам требование
иметь хорошие низкотемпературные свойства нереально,
так как при производстве масел выполнить его практически
невозможно.
СОРТА ОСТАТОЧНЫХ АВИАЦИОННЫХ МАСЕЛ
И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА1
На всех авиационных поршневых двигателях приме-
няются остаточные масла МС-20 и МК-22. Марки этих
масел указывают метод их очистки (С — селективная,
К — кислотно-контактная) и нижний предел кинематиче-
ской вязкости при 100°. Их вязкостно-температурные харак-
теристики даны на рис. 41.
При работе в двигателях эти масла, как показал опыт,
практически равноценны. Ввиду этого при дозаправках
самолетов их можно смешивать в любых соотношениях. Те
отличия физико-химических свойств, которые имеются
между этими маслами (по температуре застывания, кислот-
ному числу, коксуемости и т. д.), важны только с точки
зрения контроля кондиционности свежего маета каждой
марки. В процессе же работы в двигателе они далеко отхо-
дят от своих первоначальных значений и практически вы-
равниваются.
Низкотемпературные свойства у обоих сортов масел
неудовлетворительные (масло МС-20 застывает при — 18°,
а МК-22 при —14°).
1 См. литературные источники [9, 30, 33, 34].
175
В зимнее время для облегчения последующего запуска
авиационного поршневого двигателя масло п^ред его оста-
новкой разжижают бензином (в количестве 10% от емкости
маслосистемы). В результате разжижения температура за-
стывания масла понижается примерно на 10°, запуск ока-
зывается возможным до температур минус 25—30° (с нераз-
жиженным маслом до минус 5—10°). Разжижение обеспе-
чивает поступление жидкой подвижной смазки ко всем
трущимся деталям и облегчает раскрутку вала двигателя
стартером. При наличии мощного стартера можно провер-
нуть вал и запустить двигатель даже при застывшем масле,
но из-за отсутствия циркуляции масла через несколько
секунд наступает масляное голодание и разрушение тру-
щихся деталей.
При температуре ниже минус 25—30° масло после поле-
тов из маслосистемы нужно сливать, а перед запуском на-
гревать до 90—100°. Перед заливкой горячего масла в
маслосистему нужно пропреть двигатель при помощи соот-
ветствующих аэродромных средств.
После запуска двигателя бензин из разжиженного масла
испаряется и вязкость восстанавливается (рис. 43). В масле
разжиженном масле и повышение вязкости
масла (viooj при испарении бензина [33]
176
остается 2—3%! бензина (такое количество топлива в масле
бывает и б>ез искусственного разжижения, в результате
проникновения его из цилиндров двигателя).
СРОК СЛУЖБЫ МАСЕЛ В АВИАЦИОННЫХ ПОРШНЕВЫХ
ДВИГАТЕЛЯХ
В первые часы работы двигателя свойства свежего
масла резко изменяются (рис. 44). Из-за накопле-
ния продуктов окисления и разложения масла быстро воз-
растают кислотное число и коксуемость. В масле появ-
ляются механические примеси — пыль, частицы износа.
%
3
2
1
О
10 20 30 40 50 60 70 00 90 100
Продолжительность работы масла в двигателе
в часах
Рис. 44. Характер изменения некоторых показателей
качества масла при работе двигателя (по состоянию
перед очередными доливами)'
Вместе с окислами свинца, попадающими из топлива, они
вызывают увеличение зольности. Изменяется также вяз-
кость и другие показатели. В дальнейшем эти изменения
происходят менее резко за счет долива масла
(рис. 45) и за счет стабилизации масла, работаю-
щего в двигателе. Стабилизации способствует фильтрация
масла, центрифугирование его внутри коленчатого вала
двигателя, образование в процессе окисления масла таких
соединений, которые тормозят дальнейшее окисление (анти-
окислителей фенольного типа).
Масла с физико-химическими показателями, получаю-
щимися после их стабилизации через 10—30 часов работы
12 Зак. 694	177
Рис. 45. Характер изменения качества работающего масла
при доливах свежего масла
масла в двигателе (т. е. с возросшей во много раз коксуе-
мостью, зольностью и т. д.), вполне обеспечивают его нор-
мальную работу. Поэтому нет необходимости в частой за-
мене масла.
ГЛАВА XI
ТРАНСМИССИОННЫЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ
И ПРИБОРНЫЕ МАСЛА
ТРАНСМИССИОННЫЕ МАСЛА ДЛЯ ВЕРТОЛЕТОВ1
На вертолетах передача мощности от двигателя к несу-
щему и (рулевому винтам производится при помощи транс-
миссий. Важнейшими узлами последних являются высоко-
нагруженные редукторы и карданное соединение.
Условия работы масла при смазке редукторного меха-
низма совершенно иные, чем при смазке двигателя. В каж-
дый данный момент масло работает только на очень узкой
полоске контакта зубьев, причем нагрузка в зоне контакта
настолько велика, что жидкий слой смазки между зубьями
не удерживается, в лучшем случае между зубьями сохра-
няется тонкая граничная пленка масла.
Температура масла вне зоны контакта зубьев невысо-
кая (порядка 50—60°), а площадь соприкосновения транс-
миссионного масла с кислородом воздуха невелика, по-
этому условий для сколько-нибудь интенсивного процесса
окисления и разложения масла не возникает.
Чтобы трансмиссионное масло предохраняло шестерни
от износа, задира и сваривания (схватывания) при отсут-
ствии жидкого смазочного слоя, оно должно, во-первых,
иметь хорошую смазывающую способность (луч-
шую, чем любые другие, масла), т. е. прочно прилипать к
зубьям, во-вторых, обладать противозадирными
свойствами. Сущность этих свойств заключается в хи-
мическом воздействии масла на металл, в результате кото-
1 См. литературные источники [9, 127, 128, 29].
12*
179
рого тонкий поверхностный слой самих трущихся деталей
становится стойким против задира и сваривания (даже в
таких случаях, когда разрушается граничная масляная
пленка и возникает сухое трение).
Требование хорошей смазывающей способности и про-
тивозадирных свойств удачно сочетается с тем, что транс-
миссионные масла не подвергаются действию высоких тем-
ператур и, следовательно, к ним незачем предъявлять тре-
бование стабильности при высоких температурах.
Хорошую смазывающую способность масла, как из-
вестно, обеспечивают содержащиеся в нем нестабильные
при высоких температурах смолы, высокомолекулярные
органические кислоты, сернистые и некоторые другие соеди-
нения. Из-за нестабильности этих веществ моторные масла
приходится очищать от них, но в составе трансмиссионных
масел они вполне допустимы. Поэтому для смазки транс-
миссий применяют неочищенные масла и даже смолисто-
асфальтистый продукт, удаляемый из моторных масел при
их селективной очистке, — смолку.
Граничная смазочная пленка предохраняет детали от
сухого трения при исключительной их гладкости. Для
обеспечения противозадирных свойств в состав трансмис-
сионных масел целесообразно вводить хлор, фосфор, серу,
которые образуют с поверхностным слоем металла легко-
плавкую коррозионную пленку. Их вводят в виде таких
соединений, которые при обычной температуре масла в
объеме корпуса редукторного механизма (т. е. ниже 100°)
практически не действуют на металл, а в зоне контакта
зубьев шестерен при повышении температуры до 150—200°
разлагаются и вступают с металлом в реакцию. Расплавле-
ние тонкого слоя врущихся поверхностей зубьев при на-
греве, вызванном трением, способствует их взаимному вы-
глаживанию и приработке. На гладкой поверхности в свою
очередь лучше удерживается граничная пленка масла,
защищающая металл от износа. Коррозионный поверхност-
ный слой, кроме того, защищает зубья от сваривания в тех
случаях, когда граничный слой смазки перегревается и
разрушается.
Более сложен вопрос о требованиях к вязкости транс-
миссионных масел. Известно, что толщина граничной сма-
зывающей пленки возрастает с ростом вязкости масла.
Исходя из этого, в течение ряда лет для трансмиссий при-
меняли только высоковязкие масла. Они обладают лучшими
противоизносными свойствами, чем подобные же мало- и
180
средневязкие масла, не содержащие противоизносных при-
садок.
Однако необходимые противоизносные качества масла
могут быть обеспечены независимо от вязкости з а
счет присадки. В этом случае желательно, чтобы
масло имело невысокую вязкость, которая не препятство-
вала бы началу движения трансмиссии при низких темпе-
ратурах. При режимной работе более подвижное маловяз-
кое масло обеспечивает лучший отвод тепла от шестерен,
что способствует улучшению граничной смазки зубьев. Но
очень низкая вязкость все же нежелательна: она приводит
к повышенному расходу масла через уплотнения и загряз-
нению машины. Требования к вязкости трансмиссионных
масел поясняются схемой (рис. 46).
Усст
Максимальная Вязкость
Оля охлаждения
Максимальная предельная
вязкость для запуска
Желательные
Велы вязкости
Минимальная Вязкость
для пре&кпвращ^ия упрти
.... !	  I	I  ' 
•50	0	50	100 tcC
Рис. 46. Требования к вязкости , трансмиссионного
масла (схема)
В настоящее время для смазки редукторов и карданов
вертолетов применяют гипоидные масла1 — осернен-
ную смесь смолки и маловяэкого дистиллата (веретенного),
с добавкой децрессатора. Гипоидные масла содержат
1,5—3,5% серы. Они надежно предотвращают задир и
«схватывание» металла при высоких нагрузках, но износ
при их применении значительный. Это объясняется их вы-
сокой вязкостью — при 100° для летнего сорта масла около
1 Гипоидные масла специально предназначены для трансмиссии
автомобилей высокого класса.
181
30 сст, для зимнего около 20 сст, вследствие чего движение
масла внутри корпуса редуктора недостаточно, шестерни
плохо охлаждаются и граничная смазывающая пленка ока-
зывается недостаточно прочной. Кроме того, вязкие гипоид-
ные масла имеют неудовлетворительные низкотемператур-
ные свойства — температура застывания летнего масла
около —5°, зимнего —20°.
Представляет интерес возможность создания и приме-
нения для вертолетных трансмиссий лучших по противо-
износным и низкотемпературным свойствам маловязких
трансмиссионных масел. В этом отношении имеется поло-
жительный опыт разработки и внедрения таких масел для
автомобильных трансмиссий. Эти масла марок ТАп-10 и
ТАп-15 при 100° имеют вязкость соответственно 10 и 15 сст
[29]. Они представляют смесь вязкого неочищенного оста-
точного масла (нигрола) и дизельного топлива с добавкой
в нее 5% противозадирной присадки, которая содержит
около 20% серы и около 30% хлора (в расчете на масло
получается около 1% серы й 1,5% хлора). Трогание автомо-
биля с места при использовании этих масел обеспечивается
до низких температур — на масле ТАп-15 до —33°, на
масле ТАп-Ю до —40°. Износ шестерен трансмиссий при
работе на этих маслах в несколько раз меньше, чем на вяз-
ких трансмиссионных маслах.
ТЕХНИЧЕСКИЕ МАСЛА ДЛЯ АГРЕГАТОВ И ПРИБОРОВ
Для смазки отдельных агрегатов самолетов и вертоле-
тов применяют масла: приборное МВП, веретенное АУ и
другие [29, 34].
Приборное масло МВП представляет собой глубоко
очищенный маловязкий дистиллат с вязкостью при 50°
около 6 сст. Оно отличается очень низкой темпера-
турой застывания (не выше —60°). Для достижения такой
температуры застывания это масло вырабатывают из
беспарафинистых нефтей. Несмотря на это, масло МВП
при температуре примерно —40° уже [фактически нерабо-
тоспособно из-за возрастания вязкости (см. рис. 50). Масло
МВП благодаря хорошей очистке не вызывает коррозии
металлов даже при длительной работе, но не отли-
чается хорошей смазывающей способ?
н о с т ь ю, так как при очистке из него удаляются веще-
ства, являющиеся носителями этого свойства. Применяется
это масло для смазки турбокомпрессоров, служащих для
182
наддува авиационных поршневых* двигателей, автопилотов
и некоторых других устройств самолетов. В последнее
время масло МВП заменяют авиационным гидромаслом
АМГ-10 (см. стр. 194).
Веретенное масло АУ — низкозастывающее (темпера-
тура застывания не выше —45°), высокой степени очистки.
Его вязкость около 13 сст при 50°.
Авиационные приборы работают в широком
диапазоне температуры от —60° до +50° и выше. Значи-
тельных нагрузок трущиеся узлы приборов не испытывают,
но скорость движения деталей в некоторых приборах очень
велика (например, число оборотов ротора гироскопа
15 000—25000 в минуту). Перемещение деталей приборов
(особенно—начало перемещения) ни в коем случае не
должно тормозиться маслом, так как это может вызвать
ошибки в показаниях приборов. В связи с этим приборные
масла должны иметь невысокую вязкость, обеспечивающую
свободное перемещение трущихся деталей приборов, но
достаточную для предотвращения утечки масла.
Приборное масло должно быть очень чистым и не вы-
зывать коррозии деталей приборов. Многие приборы сма-
зываются только при их изготовлении и при ремонте; сма-
зывать их в эксплуатации запрещается, чтобы не раз-
регулировать црибор и не внести в него грязь. В связи
с длительным сроком работы приборных масел необходимо,
чтобы они при нормальной температуре были химически
стабильны и црактически не испарялись.
Этим требованиям лучше всего удовлетворяют масла
ОКБ-122, приготовляемые на основе кремнийорганических
жидкостей [29]. Для улучшения смазывающих свойств к их
силиконовой основе добавлены нефтяные масла (МВП, АУ
и другие). Температура застывания этих масел ниже —60°,
вязкость их невысокая (10—30 сст при 50°) и мало изме-
няется с температурой, они стойки против окисления и не
содержат коррозионноактивных веществ. Температура
вспышки этих масел (характеризующая их испаряемость)
высокая — порядка 160—170° и выше.
Кроме того, для смазки некоторых приборов приме-
няется масло МВП.
ГЛАВА XII
КОНСИСТЕНТНЫЕ СМАЗКИ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОНСИСТЕНТНЫХ СМАЗОК 1
Консистентные или пластичные2 смазки—
это смеси жидких масел с загустителями. В качестве загу-
стителей обычно применяются твердые, но достаточно пла-
стичные вещества — мыла (натриевые, кальциевые, литие-
вые и др.) или твердые углеводороды (парафин, церезин).
Консистентные смазки занимают промежуточное положение
между твердыми телами и жидкостями: при малых нагруз-
ках они сохраняют свою форму, а под воздействием боль-
ших нагрузок текут подобно вязким жидкостям. Это
придает им особенные эксплуатационные свойства и позво-
ляет их использовать для смазки таких узлов трения, где
жидкая смазка не удерживается или куда ее трудно под-
вести. Их применяют также для защиты деталей от воздей-
ствия кислорода воздуха, влаги, пыли и для герметизации
неплотностей в соединениях деталей.
По основному назначению консистентные смазки делят
на антифрикционные, защитные и уплотнительные. Анти-
фрикционные смазки специально предназначены
для уменьшения трения и износа деталей, предохранения
их от заедания и задира. Защитные смазки (их на-
зывают также предохранительными или протекционными)
служат для защиты поверхностей деталей от загрязнения
н предохранения их от коррозии. Уплотнительные
1 См. литературные источники [9, 34, 132].
2 Пластичностью называется способность твердых тел при
воздействии внешних сил изменять свою форму, не разрушаясь при
этом.
184
смазки предназначены для герметизации резьбовых и
других соединений в трубопроводах, клепаных швов и т. д.
Однако функции смазок часто переплетаются. Это особенно
относится к антифрикционным смазкам: они, как правило,
одновременно играют роль защитных от коррозии и служат
для герметизации узлов трения от попадания в них загряз-
нений.
По структуре консистентные смазки представляют собой
микронеоднородную систему. Сросшиеся кристаллики загу-
стителя образуют непрерывный, но рыхлый структурный
каркас смазки, в ячейках которого находится жидкое масло
(рис. 47) г
Рис. 47. Микроструктура консистентной смазки
ЦИАТИМ 201, загущенной литиевым мылом, под
электронным микроскопом при увеличении в
10 000 раз П32]
Загуститель, как правило, содержится в смазках в
небольшом количестве, порядка 10—20% от веса смазки.
Однако специфические свойства смазок определяются глав-
ным образом загустителем и в меньшей мере —
маслом.
Смазки, приготовленные на натриевых мылах, от-
личаются прочностью и тугоплавкостью. Они работоспо-
собны в условиях высокой температуры и при значитель-
ных нагрузках. Но натриевое мыло растворяется в воде,
поэтому натриевые смазки невлагостойки. Они раскисают
во влажной среде и могут смываться водой.
185
Кальциевое мыло нерастворимо в воде, поэтому
кальциевые смазки не боятся воздействия влаги. Однако
они неработоспособны при высокой температуре; это объяс-
няется тем, что кристаллогидраты кальциевого мыла,
содержащие некоторое количество воды (1—2% от общего
веса смазки), при температуре 80—100° теряют ее, струк-
турный каркас смазки распадается и превращается в рых-
лую бесформенную массу, масло из него вытекает.
Хорошие эксплуатационные качества имеют литие-
вые смазки. Литиевое мыло по работоспособности в усло-
виях высокой температуры немного уступает натриевому,
но зато оно нерастворимо в воде.
Смазки, приготовленные на бариевом, цинковом, строн-
циевом, серебряном и других мылах также обладают вла-
гостойкостью и рядом других ценных свойств.
Наибольшей влагостойкостью отличаются смазки, загу-
стителем которых служат твердые углеводороды.
Но они плавятся при низкой температуре.
Частично свойства консистентных смазок определяются
также свойствами входящего в них масла. Так, мс^розо-
устойчивость смазок зависит от вязкости и температуры
застывания масел. Поэтому в состав* консистентных смазок
целесообразно вводить маловязкие дистиллатные масла с
низкой температурой застывания. Но при одном и том же
загустителе они дают менее теплостойкие смазки, чем
высоковязкие масла.
- СВОЙСТВА КОНСИСТЕНТНЫХ СМАЗОК1
Механические свойства консистентных сма-
зок, т. е. их поведение при действии внешних сил, в основ-
ном характеризуются пределом прочности и вязкостью.
При небольших нагрузках смазки сохраняют свою внут-
реннюю структуру и деформируются подобно твердым
телам. С возрастанием нагрузки структурный каркас смазки
разрушается, она теряет свойства твердого тела и начинает
течь подобно вязкой жидкости. Соответствующее этому
переходу напряжение сдвига называется пределом
прочности' смазки. В рабочем интервале температур
он составляет от 1 до 30 г/сл2. От предела прочности
смазки зависит ее способность удерживаться в смазывае-
мом узле при воздействии силы тяжести, центробежной
1 См. литературные источники [9, 131, 31, 34].
186
силы и т. д., а также величина усилия, необходимого для
того, чтобы трущиеся детали сдвинулись относительно друг
друга (например, в начале вращения подшипника качения).
Предел прочности зависит от качества и количества загу-
стителя в смазке. От вязкости масла он зависит мало.
Когда на смазку действуют усилия, превышающие пре-
дел прочности на сдвиг, она течет, и ее свойства в этом
случае характеризуются вязкостью, т. е. внутренним тре-
нием между взаимно перемещающимися слоями. Вязкостно-
температурная характеристика консистентных смазок
чрезвычайно пологая, вязкость с понижением тем-
пературы растет в сотни и тысячи раз медленней, чем у
масел, входящих в их состав. Это объясняется тем, что
сопротивление течению смазки обусловлено в основном
сцеплением частиц загустителя, а прочность связей между
ними мало зависит от температуры. В отличие от однород-
ных масел вязкость консистентных смазок умень-
шается с ростом скорости сдвига, потому что
при этом происходит более глубокое разрушение структур-
ного каркаса смазки и связи между частицами загустителя
ослабляются.
От вязкостных свойств консистентных смазок зависят
потери на трение в тех подшипниках качения, где они при-
меняются, легкость запуска при низких температурах, а
также возможность подачи смазок к узлам трения по ка-
налам.
Наилучшими вязкостными свойствами обладают смазки,
состоящие из маловяэкого масла и большого количества
загустителя. Они сохраняют невысокую вязкость при низ-
ких температурах и резко уменьшают вязкость при увели-
чении скорости сдвига. В результате этого сила трения
мало изменяется при значительном изменении условий ра-
боты узлов трения.
Согласно техническим условиям на смазки их механи-
ческие свойства обычно контролируются пенетрацией. П е-
нетрация — это глубина (в десятых долях) миллиметра,
на которую конус пенетрометра (рис. 48) погружается
в смазку за 5 сек под действием груза 150 г. Чем мягче
смазка, тем больше число пенетрации. Обычно пенетрация
определяется при температуре 25°. Смазки, применяемые
для авиационной техники, имеют при 25° число пенетрации
от 170 до 360 (т. е. глубина погружения конуса составляет
17—36 мм).
187
Пенетрацйя при низки* температурах (минус 40—6Од)
определяется для оценки морозоустойчивости
смазок (чем она больше, тем смазка морозоустойчивей).
Смазки с мыльным загустителем образуют более проч-
ную граничную смазывающую пленку, чем масла, входящие
в их состав, так как молекулы мыл хорошо прилипают к
металлу и защищают его поверхность от сухого трения.
Для тяжелонагруженных узлов подбираются такие состав-
ные части смазки, которые обеспечивают создание особо
прочной пленки, например, црафит, касторовое масло.
Смазки не должны вытекать из узлов трения. Кроме
предела прочности смазки, это зависит от температуры, при
которой смазка разрушается из-за плавления или распада
каркаса загустителя.
Теплостойкость смазок оценивают по темпера-
туре каплепадения, при которой из смазки, нагреваемой в
специальном приборе, выпадает первая капля (рис. 49).
Консистентные смазки применяют при температуре не менее
чем на 10—20° ниже их температуры каплепадения. Смазки
с температурой каплепадения выше 100° считаются туго-
плавкими, от 65 до 100° — среднеплавкими, ниже 65° —
низкоплавкими. В марках многих смазок теплостойкость
указывается буквой Т, С или Н, стоящей на втором месте.
Смазки должны быть стабильными, т. е. сохранять
структуру и состав в течение длительного времени. Разли-
чают коллоидную и химическую стабильность смазок.
Коллоидная стабильность — это способность
смазки сохранять свою структуру в условиях действия на-
1руэки и повышенных температур (ниже температуры
каплепадения). Одной из характеристик коллоидной ста-
бильности смазки является синерезис — выделение из
нее жидкого масла (в %) за определенное время цри задан-
ной температуре. Химическую стабильность
обычно оценивают по способности смазки противостоять
окислению в специальной бомбе.
Способность смазки защищать поверхность металла от
коррозии зависит от влагостойкости смазки, отсутствия в
ней механических примесей и коррозионноактивных веществ
и наличия нейтрализующих веществ. Механические примеси
при контакте с водой способствуют возникновению электро-
химической коррозии; металлические частицы могут играть
роль катализатора окисления самой смазки. Совершенно
недопустимы в смазке абразивные частицы, способные ца-
рапать детали (в том числе песок). Механические примеси
188
в смазке обнаруживают на ощупь, перетирая ее между
пальцами; количество их определяют путем растворения и
фильтрации смазки. В большинство смазок вводится
Рис. 49. Прибор для определения
температуры каплепадения кон-
систентных смазок
немного свободной щелочи: она нейтрализует коррозионно-
активные кислые продукты, образующиеся при длительном
хранении.
КОНСИСТЕНТНЫЕ СМАЗКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ
ЭКСПЛУАТАЦИИ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ <
На самолетах применяются в основном три сорта
смазок: ЦИАТИМ-201 (или УТВМА), НК-50 (или СТ) и
1 См. литературные источники [29, 34, 132, 135].
189
БУ (обозначения, указанные в скобках, появились при по-
пытке ввести маркировку смазок, характеризующую
область их применения и свойства: УТВМА — универсаль-
ная тугоплавкая влагостойкая морозоустойчивая активи-
рованная, СТ — самолето-моторная тугоплавкая).
Смазка ЦИАТИМ-201 приготовляется путем загущения
вазелинового приборного масла МВП литиевым мылом и
содержит стабилизирующую присадку. Диапазон рабочих
температур этой смазки от —60° до +140° 4-150°. Она
применяется для смазки узлов трения управления самоле-
том и двигателем, узлов крепления и механизмов уборки
шасси, подшипников электроагрегатов и т. д. Эта смазка
непригодна для тех узлов трения, где рабочие темпера-
туры достигают 160—180° и выше, а также для узлов тре-
ния с очень высокими удельными нагрузками.
В связи с малой концентрацией загустителя и низкой
вязкостью входящего в нее масла смазка ЦИАТИМ-201
в условиях длительного хранения при повышенной темпе-
ратуре склонна к синерезису. Поэтому ее следует хранить
в мелкой таре, чтобы масло не выжималось под давле-
нием вышележащих слоев смазки, и в прохладном поме-
щении.
Смазка НК-50 представляет собой продукт загущения
авиационного масла МК-22 натриевым мылом. В нее до-
бавлен коллоидный, очень тонко измельченный графит,
чешуйки которого обеспечивают высокую прочность сма-
зочной пленки и предохраняют от сухого трения металла
о металл при больших нагрузках. Ее применяют главным
образом в подшипниках колес самолетов, где температура
при пробеге достигает 160° (выше допускаемой для смазки
ЦИАТИМ-201).
Недостатком смазки НК-50 является то, что она при
повышенной влажности набухает, размягчается и сползает
с деталей, а при низких температурах затвердевает и ска-
лывается. В связи с этим необходимо систематически
наблюдать за узлами трения, работающими на смазке
НК-50, и по мере необходимости возобновлять или заме-
нять ее. Смазку НК-50 хранят в герметичной таре в сухом
помещении.
Смазка БУ (бензоупорная уплотнительная) состоит из
окисленного касторового масла и цинкового мыла, приго-
товленного на касторовом масле, а также небольшого ко-
личества глицерина. Она стойка по отношению к действию
190
воды, углеводородных топлив и масел, хорошо прилипает
к металлу. Эта смазка применяется для уплотнения и гер-
метизации соединений в топливной, масляной и гидравли-
ческой системах и в системе жидкостного охлаждения
(при наличии последней).
Кроме указанных сортов смазок, в подшипниках вту-
лок воздушных винтов применяется смазка 1-13, а на вер-
толетах в некоторых узлах автомата-перекоса и узлах
крепления ротора — смазка ЦИАТИМ-203. Эти смазки от-
личаются высокой прочностью смазочной пленки, прили-
пающей к металлу и предохраняющей от задира.
В авиационных приборах применяются консистентные
смазки ОКБ-122, в состав которых входят кремнийорга-
нические масла (см. стр. 183), загущенные церезином или
мылами. Они стабильны, влагостойки и не затвердевают
до очень низких температур (—60° и ниже). Это очень
важно с точки зрения обеспечения точной и безотказной
работы авиационных приборов.
СМАЗКИ ДЛЯ КОНСЕРВАЦИИ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
Внешняя консервация различных деталей и агрегатов
авиационной техники производится пушечной смаз-
кой УНЗ (универсальная низкоплавкая защитная) и
техническим вазелином УН (универсальная
низкоплавкая смазка). Они представляют собой продукт
загущения нефтяного масла повышенной вязкости твер-
дыми углеводородами — петролатумом, церезином, пара-
фином (количество загустителя до 75%). В пушечную
смазку добавляется около 0,02% натриевой щелочи. Ще-
лочь нейтрализует образующиеся при длительном хране-
нии кислые продукты, опасные в отношении коррозии
стали; сама же она на сталь не действует. Пушечная
смазка применяется для консервации стальных изделий,
не имеющих лакокрасочных покрытий. Технический вазе-
лин, не содержащий щелочи, идет главным образом для
консервации изделий из цветных металлов (оцинкован-
ных, кадмированных и других изделий с покрытиями) и
для нанесения на полихлорвиниловые консервационные
чехлы. Обе смазки весьма влагостойки и надежно предо-
храняют смазываемые детали от воздействия воды и
кислорода воздуха.
Пушечная смазка и технический вазелин плавятся при
сравнительно низких температурах (порядка 40—55°), но
191
деже при расплавлении сохраняют тонкий непрерывный
слой на смазываемой поверхности. При понижении темпе-
ратуры они полностью восстанавливают свои свойства.
Консервация многих изделий производится путем их по-
гружения в расплавленную смазку. Затем изделие выни-
мают из ванны и дают смазке стечь. На металле остается
тонкий слой смазки, достаточный для его защиты от кор-
розии.
Внутренняя консервация газотурбинных двигателей
производится теми маслами, на которых они работают
(МК-8, трансформаторное). Внутренняя консервация авиа-
ционных поршневых двигателей производится жидкой
консервационной смазкой К-15(ЦИАТИМ-217).
ГЛАВА XIП
жидкости ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
И ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
САМОЛЕТОВ
УСЛОВИЯ РАБОТЫ ГИДРОУСТРОЙСТВ САМОЛЕТОВ
И ТРЕБОВАНИЯ К ПРИМЕНЯЕМЫМ В НИХ ЖИДКОСТЯМ i
На современных самолетах имеется целый ряд гидрав-
лических устройств, обеспечивающих основное управление,
управление агрегатами, амортизацию при посадке самолета
и т. д.
Давление жидкости в гидросистемах обычно находится
в пределах от 30 до 150 кг/см2, а при работе некоторых
гидроагрегатов иногда повышается и до 250—300 кг!см2\
оно обеспечивается .насосами и при помощи гидроаккумуля-
торов, в которых над жидкостью находится сжатый газ (как
правило, азот). Температура жидкости в гидроустройствах
может колебаться в широких пределах — от температуры
наружного воздуха, достигающей иногда —60°, до темпе-
ратуры + 50—100° и выше, обусловленной трением при
работе гидроустройств и нагревом всего самолета при тре-
нии о воздух.
Для обеспечения достаточно быстрой реакции гидро-
устройств и работоспособности их в широком диапазоне
температур жидкости для них должны иметь н ев ы со к у ю
в я з к о ст ь, пологую вязкостно-температурную характери-
стику, высокую температуру кипения и низкую температуру
замерзания. Для обеспечения же плавности движения де-
талей гидроагрегатов, предотвращения перетекания и
1 См. литературные источники 19, 34].
13 Зак. 694
193
потерь через уплотнения желательна высокая вяз-
кость жидкости. Следовательно, выбор вязкости жидкости
для гидроустройств, как и выбор вязкости смазочных масел,
должен быть компромиссным. Считается, что в рабо-
чем диапазоне температур вязкость жидкости не должна
выходить из пределов 8—1500 сст.
Жидкости не должны разлагаться, расслаиваться или
выделять какие-либо вещества, способные засорить каналы
гидроустройств, в том числе и при высоких температурах.
Во избежание окисления жидкостей и взрыва их паров в
амортизационных стойках и гидроаккумуляторах простран-
ство над жидкостями заполняют химически инертным азо-
том. Жидкости должны быть безопасными в отношении
коррозии металлов, набухания и разрушения резиновых и
кожаных уплотнений, шлангов и т. д. Поскольку жидкости,
помимо своей основной рабочей функции, играют роль
смазочного материала для трущихся деталей
гидроустройств, желательно, чтобы они обладали хорошей
смазывающей способностью (липкостью).
В жидкости не должно быть легкокипящих составных
частей как с точки зрения предотвращения потерь, так и в
связи с возможным появлением паро-воздушных пробок,
которые могут вызвать неравномерную работу или отказ
гидроустройств. Желательно, чтобы жидкость была него-
рючей.
Удовлетворить одновременно всем требованиям реаль-
ные жидкости (так же, как топливо и масла) не могут.
Практически применяют такие жидкости, которые удовле-
творяют наиболее важным требованиям в тех или иных
условиях применения.
ПРИМЕНЯЕМЫЕ СОРТА ЖИДКОСТЕЙ
ДЛЯ ГИДРОУСТРОИСТВ САМОЛЕТОВ
В гидроустройствах самолетов в основном применяется
гидромасло АМГ-10 — авиационное масло гидравлическое
с вязкостью не ниже 10 сст при температуре 50°, окрашен-
ное в красный цвет. Оно получается путем загущения мало-
вязкого нефтяного дистиллата высокомолекулярным поли-
мером 1 [29]. Этим достигается достаточно высокий уровень
вязкости при основной рабочей температуре (50°), обеспе-
чивается пологая вязкостно-температурная характеристика
1 Принцип получения гидромасла АМГ-10 аналогичен принципу
получения загущенных смазочных масел, описанному на стр. 155.
194
(рис. 50) и очень низкая температура застывания гидро-
масла (—60° и ниже). При низких температурах гидро-
масло АМГ-10 имеет в несколько раз меньшую вязкость,
чем обычные масла. Смазывающая способность гидромасла
АМГ-10 вполне достаточна для предотвращения износа
гидроустройств.
Для обеспечения стабильности в течение длительного
срока службы (двух — трех лет) в гидромасло АМГ-10 до-
бавляется антиокислительная присадка.
Гидромасло АМГ-10 (как и все нефтяные жидкости)
вызывает набухание и разъедание кожи и немаслостойких
сортов резины. Поэтому шланги, уплотнения, манжеты
гидроустройств выполнены из маслостойкой резины.
Рис. 50. Вязкостно-температурные ха-
рактеристики жидкостей для гидро-
устройств самолетов [9]
Потери гидромасла АМГ-10 при эксплуатации обычно
незначительны. Они могут оказаться заметными при суще-
ственном снижении его вязкости, которое происходит из-за
постепенного разрушения («размола») вязкостной присадки.
Снижение вязкости приводит к слишком грубой работе
механизмов, например к резкому срабатыванию тормозов.
Если вязкость снижается ниже 8 сст, гидромасло следует
заменять, не дожидаясь истечения установленного срока
службы.
13*
195
Иногда неполадки и работе пидроустройств (медленная
реакция тормозов, задержка выпуска и уборки щитков и
шасси) связаны с выделением из жидкости воды и замер-
занием ее на фильтре и в редукционных клапанах гидро-
системы. Обычно водный отстой появляется еще три хране-
нии жидкости в бидонах. Поэтому при заправке гидроси-
стем следует оставлять в каждом бидоне по 1-50—200 мл
жидкости, где содержится отстой воды.
Одним из недостатков гидромасла на нефтяной
основе является его огнеопасность. При поврежде-
нии гидросистемы самолета попадание гидромасла на горя-
чие детали двигателя вызывает его воспламенение, что мо-
жет привести к пожару. Чтобы гарантировать пожарную
безопасность со стороны гидросистемы, в последнее время
в США разрабатываются негорючие кремни Йорга ни-
чески е гидромасла. По температуре застывания и вяз-
костно-температурной характеристике они, судя по сообще-
ниям американской печати, не уступают нефтяным гидро-
маслам, а по стабильности значительно лучше их (есть об-
разцы, длительное время выдерживающие температуру 230°
и 300°) [134].
На некоторых транспортных самолетах старых типов в
гидросистемах применяется масло МВП (см. стр. 182),
неработоспособное при низких температурах из-за значи-
тельного повышения вязкости (см. рис. 50).
В воздушных системах самолетов для смазки
манжет и уплотнений цилиндров применяется масло МВС,
приготовленное на той же нефтяной основе, что и АМГ-10,
но загущенное большим количеством полимера. Этим обес-
печивается сочетание высокой вязкости (70—90 сст при
50°) и хороших низкотемпературных свойств (температура
застывания не выше —60°). Масло МВС делает манжеты
эластичными, обеспечивает надежную и плавную работу
устройств, управляемых сжатым воздухом. Стабильность
масла МВС обеспечивается антиокислительной присадкой.
Цвет масла МВС красный или розовый. Для отличия от
АМГ-10 бидоны с маслом МВС имеют по диаметру синюю
полосу.
В амортизационных стойках шасси некото-
рых самолетов применяется гидросмесь на основе глице-
рина. Для понижения вязкости и температуры замерзания
к глицерину добавляются этиловый спирт-ректификат и
вода (вода образует с глицерином низкозамерзающую
эвтектику). Состав спирто-водо-глицериновых жидкостей
196
обозначают дробным числом: числитель указывает Процент-
ное (по весу) содержание глицерина, знаменатель — со-
держание воды; остальное — этиловый спирт-ректификат.
Г идросмесь АМ-70/10 для амортизационных стоек
шасси содержит 70% глицерина, 10% воды и 20% спирта
(сами глицерин и спирт имеют 94% концентрацию, т. е.
содержат 6% воды по весу). Это сравнительно вязкая
жидкость с низкой температурой застывания (не выше
—50°). Она применяется в амортизационных стойках само-
летов круглый год. Окраска ее зеленая. До введения
масла МВС ее применяли также для смазки манжет воз-
душной системы.
Гидросмеси на основе глицерина имеют ряд существен-
ных недостатков. Они кфррозиюнноактивны (особенно ле-
том), выделяют илистые осадки, глицерин в тонком слое
засахаривается, спирт улетучивается и жидкость загусте-
вает. Следствием всего этого может быть неудовлетвори-
тельная работа гидромеханизмов и агрегатов воздушной
системы: повышенный износ, медленная работа, заедание,
стравливание воздуха, рывки, приводящие к появлению
трещин и поломке механизмов.
В американской печати появилось сообщение о разра-
ботке принципиально новых по составу жидкостей для
гидроустройств — эвтектических (см. стр. 36) сплавов ме-
таллов с отрицательной температурой плавления. Они
обладают очень высокой температурой кипения. Такими
жидкостями, в частности, являются сплав 76% калия и
24% цезия (температура плавления —48°) и сплав NAK-77,
состоящий из 77% калия и 23% натрия (температура плав-
ления —12,3°, кипения 785°, вязкость его близка к вязкости
воды); их основные недостатки: бурная реакция с водой,
необходимость заполнения системы инертным газом во из-
бежание окисления [135].
ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНЫЕ ЖИДКОСТИ
В полете при отрицательных температурах в условиях
высокой влажности атмосферы взвешенные в ней пере-
охлажденные водяные капли (их температура может быть
значительно ниже 0°, до —20° и даже до —40°) при сопри-
косновении с поверхностью самолета мгновенно кристалли-
зуются и прилипают к ней — самолет обледеневает.
Обледенение может также происходить при попадании
сильно охлажденного самолета в зону теплого воздуха
(в результате конденсации паров и образования инея).
197
Одним из способов борьбы с обледенением самолетов
является подача противообледенительной жидкости на де-
тали самолета, подвергающиеся обледенению (стекла ка-
бин, лопасти винта и некоторые другие детали). Жидкость
поступает к этим деталям через мелкие отверстия в подве-
денных к ним трубках, расход ее обычно составляет
несколько литров в час.
В качестве противообледенительной жидкости (прежде
всего для стекол кабины) применяется главным образом
ректификованный этиловый спирт. Он отличается очень
низкой температурой замерзания (—114°), смешивается с
водей во всех соотношениях и хорошо растворяет лед.
Спирт имеет низкую вязкость, хорошо смачивает металл и
стекло, стабилен.
Основные недостатки этилового спирта как противооб-
леденительной жидкости заключаются в его коррозионной
активности (особенно в отношении цинка и алюминия) и
огнеопасности. Кроме того, спирт легко сдувается потоками
воздуха, этим затрудняется его использование при борьбе
с обледенением лопастей ротора вертолетов и воздушных
винтов.
Для экономии спирта при учебной подготовке приме-
няют водно-спиртовые смеси различного состава. Измере-
ние их крепости (содержания химически чистого спирта
С2Н5ОН в % по объему) производится спиртометром, вы-
полненным по принципу ареометра (см. рис. 5).
Л ИТЕРАТУ РА
1.	Стечкин Б. С., К а з а н д ж а н П. К. и др. Теория реак-
тивных двигателей. Оборонгиз, 1958.
2.	Иноземцев Н. В. Авиационные газотурбинные двигатели.
Оборонгиз, 1955.
3.	Циолковский К. Э. Труды по реактивной технике. Обо-
ронгиз, 1947.
4.	С е м е н о в Н. Н. Цепные реакции. ОНТИ, 1934.
5.	Наметкин С. С. Химия нефти. ГОНТИ, 1939.
6.	Б о н н и Е. А., Ц у к р о в М. Д., Б е с с е р е р К. У. Основы
проектирования управляемых снарядов. Воениздат, 1959.
7.	Паушк ин Я. М. Химический состав и свойства реактивных
топлив. Изд. АН СССР, 1958.
8.	Синярев Г. Б., Добровольский М. В. Жидкостные
ракетные двигатели. Оборонгиз, 1957.
9.	Моторные топлива, масла и жидкости. Под ред. Папок К. К.
и С е м е н и д о Е. Г. Гостоптехиздат, 1957.
10.	Физика и химия реактивного движения, сборники 1, 2, 3. Под
ред. Соколика А. С. Изд-во иностранной литературы, 1949.
11.	Грин В., Кросс Р. Реактивные самолеты мира. Изд-во ино-
странной литературы, 1957.
12.	Фео дось ев В. И., Синярев Г. Б. Введение в ракетную
технику. Оборонгиз, 1956.
13.	Б о л г а р с к и й А. В., Щукин В. К. Рабочие процессы в
жидкостно-реактивных двигателях. Оборонгиз, 1953.
14.	Б о л г а р с к и й А. В. Расчет процессов в камере сгорания и
сопле ЖРД. Оборонгиз, 1957.
15.	Соколик А. С. Процесс нормального сгорания в двигате-
лях, в сборнике «Сгорание в транспортных поршневых двигателях».
Изд. АН СССР, 1951.
16.	Б о н д а р ю к М. М., И л ь я ш е н к о С. М. Прямоточные
воздушно-реактивные двигатели. Оборонгиз, 1958.
17.	Саттон Д. Ракетные двигатели. Изд-во иностранной литера-
туры, 1952.
199
18.	X ем фри с Дж. Ракетные двигатели и управляемые снаряды..
Изд-во иностранной литературы, 1958.
19.	Глинка Н. Л. Общая химия. Госхимиздат, 1957.
20.	Павлов Б. А. Курс органической химии. Госхимиздат, 1951.
21.	Киреев В. А. Курс физической химии. Госхимиздат, 1957.
22.	Краткий справочник химика. Составитель Перельман В. И.
Госхимиздат, 1956.
23.	Краткий справочник физико-химических величин. Составители:
Барон Н. М., К в ат Э. И. и др. Госхимиздат, 1957.
24.	Карпов В. П. Основы технической термодинамики. Машгиз,
1948.
25.	И н о з е м ц е в Н. В. Основы термодинамики и кинетики хи-
мических реакций. Машгиз, 1950.
26.	Проблемы окисления углеводородов. Под ред. Сергиенко С. Р.
Изд. АН СССР, 1954.
27.	Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов.
Под ред. Тиличеева М. Д. Гостоптехиздат, 1945.
28.	Справочник машиностроителя, т. 1. Машгиз, 1951.
29.	Технические нормы на нефтепродукты (справочная книга). Под
ред. Пучкова Н. Г. Гостоптехиздат, 1957.
30.	Государственные стандарты СССР. Нефтепродукты и продукты
переработки твердых топлив. Технические условия. Стандартгиз, 1956.
31.	Государственные стандарты СССР. Нефтепродукты. Методы
испытаний. Стандартгиз, 1957.
32.	Ч е р т к о в Я. Б. и др. Новости нефтяной техники, нефтепе-
реработка, сборник 2. ЦНИИТЭНефть, 1956.
33.	Л о си ко в Б. В., Пучков Н. Г., Энглин Б. А. Основы
применения нефтепродуктов. Гостоптехиздат, 1955.
34.	Розенович Е. В. Авиационные топлива, масла, смазки и
специальные жидкости. Воениздат, 1956.
35.	Терминология топлива для двигателей внутреннего сгорания.
Комитет технической терминологии АН СССР, выпуск 44. Изд. АН
СССР, 1957.
36.	Н а г и е в М. Ф. Химия, технология и расчет процессов син-
теза моторных топлив. Изд. АН СССР, 1955.
37.	Обрядчиков С. Н. . Производство моторных топлив.
Гостоптехиздат, 1949.
38.	С е р г и е н к о С. Р. Очерк развития химии и переработки
нефти. Изд. АН СССР, 1955.
39.	Рагозин Н. А. Топлива для воздушно-реактивных двигате-
лей (по данным зарубежной печати). Гостоптехиздат, 1956.
40.	Топлива и масла для воздушно-реактивных двигателей. Под
ред. Пичугина А. П. ЦНИИТЭНефть, 1956.
41.	Зуев В. С., С к у б а ч е в с к ий Л. С. Камеры сгорания
воздушно-реактивных двигателей. Оборонгиз, 1958.
42.	Энглин Б. А. Образование кристаллов льда в топливе и
меры борьбы с ними. «Вестник Воздушного Флота», № 1, 1956.
43.	К о ж е в н и к о в А. В. К проблеме получения тяжелых топлив
для газотурбинных установок. «Нефтяное хозяйство», № 9, 1955,
200
44.	Л о с и к о й В. В. О топливе для газотурбинных энергетиче-
ских установок. «Нефтяное хозяйство, № 9, 1955.
45.	Энглин Б А., Чертков Я- Б., Туголуков В. М.
Разрушение кадмиевых покрытий в топливах с повышенным содержа-
нием меркаптанов и пути его предотвращения. «Химия и технология
топлив и масел», № 9, 1958.
46.	Р е з н и к о в М. Е. Особенности применения и контроля топ-
лива для газотурбинных двигателей. «Гражданская авиация», № 1, 1957.
47.	Терещенко Е. Р., Тарарышкин М. Е. Исследование
термической стабильности сернистых топлив. «Химия и технология
топлив и масел», № 2, 1959.
48.	С а б л и н а 3. А., Гуреев А. А. К вопросу о влиянии тем-
пературы на образование осадков в углеводородных топливах. «Химия
и технология топлив и масел», № 2, 1959.
49.	Рожков И. В., Саблина 3. А. Термическая стабиль-
ность топлив для ВРД. «Вестник Воздушного Флота», № 2, 1959.
50.	Рагозин Н. А., Воробьева А. Р. Огнеопасность реак-
тивных топлив. «Химия и технология топлив и масел», № 4, 1958.
5k	Лукьянов Ф. Н., Дроздов Н. Г. Пути предупрежде-
ния взрывов от статического электричества при наливе цистерн и ре-
зервуаров нефтепродуктами. «Нефтяное хозяйство», № 5, 1956.
52.	В о и н о в А. Н. Экспериментальное исследование детонации
в двигателях, в сборнике «Сгорание в транспортных поршневых дви-
гателях». Изд. АН СССР, 1951.
53.	Б а ш и л о в А. А., К в о ч к и н Ф. А., Столов А. И. Ком-
паундирование моторных топлив. Гостоптехиздат, 1958.
54.	К о р ш а к В. В., Колесников Г. С. Тетраэтилсвинец.
Госхимиздат, 1946.
55.	Рожков И. В., Корнилова Е. Н. О механизме дейст-
вия антиокислителей при жидкофазном окислении этилированных бен-
зинов. «Химия и технология топлив и масел», № 4, 1957.
56.	Luftfahrttechnik, 1957, № 9, стр. 11.
57.	Jet propulsion, 1957, vol. 27, № 6, стр. 682, 689.
58.	Jet propulsion, 1956, vol. 26, № 10, стр. 30.
59.	Aviation week, 1958, vol. 69, № 23, стр. 27.
60.	Industrial and Engineering Chemistry, 1956, vol. 48, № 4,
стр. 722, 730, 745.
61.	Aeroplane, 1959, vol. 96, № 2475, стр. 163.
62.	ARS Journal, 1959, vol. 29, № 2, стр. 95.
63.	Aviation week, 1958, vol. 68, № 14, стр. 65.
64.	Astronautics, 1958, vol. 3, № 9, стр. 26, 74, 96.
65.	Astronautics, 1958, vol. 3, № 10, стр. 32, 80.
66.	Engineering, 1959, vol. 207, № 5371, стр. 24, № 5372, стр. 66.
67.	Space Aeronautics, 1959, vol. 31, № 2, стр. 66.
68.	SAE Annual Meeting, 1958, 8—11 Apr., Preprint № 42A.
69.	Flight, 1957, № 2550, стр. 869.
70.	Aeroplane, 1957, № 2414, стр. 837.
71.	Neat W. N. О некоторых факторах, ограничивающих область
201
применения химических ракетных двигателей. В сборнике «Жидкие и
твердые ракетные топлива». Изд-во иностранной литературы, 1959.
72.	Industrial and Engineering Chemistry, 1957, vol. 49, № 9,
стр. 1345.
73.	Chemical Engineering Progress, 1957, vol. 53, № 11, стр. 541.
74.	Engineering, 1958, vol. 185, № 4799, стр. 262.
75.	Aviation week, 1958, vol. 68, № 6, стр. 28.
76.	Explosivstoffe, 1958, Mai, Ig. 6, № 5, стр. 89.
77.	ARS Journal, 1959, vol. 29, № 1, стр. 29.
78.	Jet propulsion, 1958, vol. 28, № 1, стр. 46.
79.	Missiles and Rockets, 1958, vol. 3, № 4, стр. 82.
80.	Light Metals, 1958, vol. 21, № 243, стр. 192.
81.	Терминология жидкостных ракетных двигателей. Комитет тех-
нической терминологии АН СССР. Изд. АН СССР, 1953.
82.	Вредные вещества в промышленности. Справочник для хими-
ков, инженеров и врачей. Под ред. Лазарева Н. В. Госхимиздат,
1954.
83.	Ройзен И. С. Техника безопасности и противопожарная
техника в химической промышленности. Госхимиздат, 1951.
84.	Горст А. Г. Пороха и взрывчатые вещества. Оборонгиз,
1957.
85.	Interavia, 1958, vol. 13, № 8, стр. 807.
86.	Jet propulsion, 1958, vol. 28, № 7, стр. 489.
87.	ARS Preprints, 1958, № 599.
88.	Luftfahrtechnik, 1959, № 2, стр. 46.
89.	Aviation week, 1958, vol. 69, № 4, стр. 43.
90.	Chemical and Engineering News, 1957, vol. 35, № 45, стр. 78.
91.	Weltraumfahrtzeitschrift fur Raketentechnik, 1957, vol. 8, № 4,
стр. 111.
92.	Aviation Age, 1958, vol. 28, № 8, стр. 70, 112.
93.	Jet propulsion, 1958, vol. 28, № 3, стр. 159.
94.	Missiles and Rockets, 1958, vol. 4, № 6, стр. 28.
95.	Flight and Aircraft Engineering, 1958, vol. 73, № 2574, стр. 700
96.	Aeroplane, 1958, vol. 94, № 2425, стр. 240.
97.	Jet propulsion, 1958, vol. 28, № 11, стр. 762.
98.	ARS Journal, 1959, vol. 29, № 1, стр. 8.
99.	Missiles and Rockets, 1957, vol. 2, № 9, стр. 123, 157.
100.	Aviation week, 1958, vol. 68, № 8, стр. 31.
101.	Aviation week, 1958, vol. 68, № 25, стр. 47.
102.	Missiles and Rockets, 1958, vol. 3, № 3, стр. 78, 85.
103.	Flight, 1957, vol. 71, № 2512, стр. 332.
104.	Aviation week, 1956, vol. 65, № 20, стр. 51.
105.	Missiles and Rockets, 1957, vol. 2, № 2; стр. 84.
106.	American aviation, 1957, vol. 20, № 22, стр. 36.
107.	Aeronautics, 1957, vol. 36, № 3, стр. 63.
202
108.	SAE preprint, № 41C, 1958.
109.	Aviation week, 1958, vol. 68, № 14, стр. 65.
НО. Петров П. А. Ядерные энергетические установки. Госэнер-
гоиздат, 1958.
111.	Курчатов И. В. Термоядерная энергия — основа энерге-
тики будущего. «Правда», 26 февраля 1958.
112.	Jet propulsion, 1958, vol. 28, № 4, стр. 223.
113.	Astronautica acta, 1957, vol. 3, № 4, стр. 241.
114	Aviation week, 1958, vol. 69, № 15, стр. 48.
115.	Interavia, 1958, №12, стр. 1316.
116.	Aeronautics, 1956, vol. 35, № 1, стр. 156; № 2, стр. 51.
117.	Racetentechnik und Raumfahrtforschung, 1957, Okt., Ht. 3
стр. 60.
118.	Семени до E. Г. Новое направление в производстве мо-
торных масел, свойства и преимущества новых масел. «Химия и техно-
логия топлив и масел», № 4, 1958.
119.	С т у п и ш и н Ю. В. О химическом составе и смазывающих
свойствах масел для подшипников качения, в сборнике «Химический
состав и эксплуатационные свойства масел». Гостоптехиздат, 1957.
120.	М а с л е н н и к о в М. М., Рапопорт М. С. Авиационные
поршневые двигатели. Оборонгиз, 1951.
121.	Панов В. В., Соболев Ю. С. Масла для газотурбинных
двигателей. Гостоптехиздат, 1958.
122.	Черножуков Н. И. Значение химического состава масел
в практике их производства и эксплуатации, в сборнике «Химический
состав и эксплуатационные свойства масел». Гостоптехиздат, 1957.
123.	Климов К. И. и др. «Новости нефтяной техники», № 6,
ЦНИИТЭНефть, 1955.
124.	Зуидема Г. Г. Эксплуатационные свойства смазочных ма-
сел. Гостоптехиздат, 1957.
125.	SAEJ, 1953, vol. 61, № 8, стр. 27.
126.	Виноградов Г. Г., К у с а к о в М. М. и др. Противоиз-
носные свойства нефтяных масел. «Химия и технология топлива», № 1,
1956.
127.	Климов К И., Виленкин А. В. Влияние физико-хи-
мических свойств смазочных масел на потери энергии в шестеренчатой
передаче. «Химия и технология топлив и масел», № 7, 1957.
128.	Б р у с я н ц е в В. В. Автотракторные топлива и смазочные
материалы. Машгиз, 1958.
129.	Лебедев В. Запуск реактивного двигателя с гидромуфтой
зимой. «Советская авиация», 27 ноября, 1958.
130.	Климов К. И., Зарудний П. П. Механическая деструк-
ция растворов полиизобутилена в минеральных маслах. «Химия и тех-
нология топлив и масел», № 2, 1959.
131.	Климов К. И. Параметры оценки работоспособности кон-
систентных смазок в узлах трения. «Нефтяное хозяйство», № 3, 1955.
132.	Синицын В. В. и др. Электронмикроскопическое исследо-
вание структуры консистентных смазок на синтетических кислотах.
«Химия и технология топлив и масел», № 11, 1958.
203
133.	Мартынов В. М. К вопросу о синерезисе в консистентных
смазках. «Химия и технология топлива», № 9, 1956.
134.	Chemical Engineering News, 1957, vol. 35, № 46, стр. 53.
135.	Aviation week, 1957, vol. 67, № 19, стр. 69.
136. Большая советская энциклопедия (БСЭ), второе издание, т. 8,
стр. 103.
137. БСЭ, второе издание, т. 18, стр. 501.		
138. БСЭ,	второе издание, т. 1, стр. 543; т. 2, стр. 278 и 281; т.	и,
стр. 261; т. 23,	, стр. 574; т. 42, стр. 376.	
139. БСЭ,	второе издание, т. 21, стр. 146.	
140. БСЭ,	второе издание, т. 8, стр. 376.	
141. БСЭ,	второе издание, т. 27, стр. 310.	
142. БСЭ.	второе издание, т. 5, стр. 565, 589.	
143. БСЭ,	второе издание, т. 5, стр. 15; т. 2, стр. 196; т.	25,
стр. 245, 625.		
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Введение........................................... 3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ТОПЛИВА
Глава I. Общая характеристика авиационных и ракетных
топлив .................................................. 6
Назначение и классификация топлив....................... —
Сгорание топлив ....................................... 10
Физико-химические свойства топлив...................... 29
Общие требования к топливам............................ 40
Глава II. Краткие сведения о производстве авиационных
и ракетных топлив....................................... 42
Производство топлив из нефти............................ —
Получение жидкого топлива из твердого горючего ...	44
Получение соединений азота ............................ 45
Получение других важнейших неорганических окислите-
лей и горючих.......................................... 46
Глава III. Топлива для воздушно-реактивных двигателей . .	48
Сорта, условия применения и требования к качеству
топлив ................................................. —
Влияние свойств топлива на дальность полета ........... 55
Влияние свойств топлива на силу тяги двигателя ....	58
Вопросы эксплуатационной надежности двигателя и топ-
ливной системы самолета, связанные с качеством топлива 63
Глава IV. Топлива для авиационных поршневых двигателей 79
Условия применения авиационных бензинов, требования
к их качеству, сорта бензинов........................... —
Испаряемость авиационных бензинов...................... 86
Определение октанового числа и сортности бензинов . .	87
Глава V. Топлива для ракетных двигателей.................... 90
Условия применения и требования к качеству топлив
для ЖРД................................................. -
Горючие компоненты жидких ракетных топлив.............. 94
205
*	Стр.
Окислительные компоненты жидких ракетных топлив . .	100
Вспомогательные топлива.............................. 104
Теплопроизводительность и расчетная плотность ракет-
ных топлив........................................... 106
Зависимость тяги двигателя, скорости, высоты и дально-
сти полета от качества ракетного	топлива ............ ПО
Влияние свойств топлив на температурный режим ракет-
ных двигателей....................................... 111
Особенности обращения с жидкими ракетными топливами 114
Твердые ракетные топлива............................. 119
Глава VI. Краткая характеристика высокоэффективных топ-
лив и новых источников энергии ....................... 127
Назначение высокоэффективных топлив...............	.	—
Бор и его соединения................................. 128
Металлы.............................................. 131
Свободные радикалы................................... 135
Энергия ядерных процессов............................ 138
ЧАСТЬ вторая
СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЖИДКОСТИ
Глава VII. Общая характеристика смазочных масел ....	144
Назначение смазочных масел .......................... —
Жидкостное трение и вязкость масел................. 145
Граничное трение и смазывающая способность масел . .	148
Стабильность, коррозионные свойства и физическая одно-
родность масел..................................... 152
Низкотемпературные свойства	масел................. 155
Виды авиационных масел и общие требования, предъяв-
ляемые к ним....................................... 157
Глава VIII. Основные сведения о производстве нефтяных
смазочных масел....................................  160
Вакуумная перегонка мазута........................... —
Очистка масел ........................................ 161
Деасфальтизация и депарафинизация..................... 162
Глава IX. Масла для газотурбинных двигателей............... 164
Условия работы масла в турбореактивных двигателях
и требования к маслам для них........................ —
Нефтяные масла для ТРД................................ 167
Особенности смазки турбовинтовых двигателей .......... 168
Синтетические масла для газотурбинных двигателей . . .	169
Глава X. Масла для авиационных поршневых двигателей. .	173
Условия работы масла и требования к нему............. —
Сорта остаточных авиационных масел и их эксплуата-
ционные свойства..................................  175
Срок службы масел в авиационных поршневых двигате-
лях ............................................... 177
206
Стр.
Глава Xi. Трансмиссионные, texHHMecкие и приборные масла 179
Трансмиссионные масла для вертолетов.................... —
Технические масла для агрегатов и приборов............ 182
Глава XII. Консистентные смазки............................... 184
Общая характеристика консистентных смазок............... —
Свойства консистентных смазок........................... 186
Консистентные смазки, применяемые при эксплуатации
авиационной техники ................................... 189
Смазки для консервации авиационной	техники ......... 191
Глава ХШ. Жидкости для гидравлических и противообле-
денительных устройств самолетов....................... 193
Условия работы гидроустройств самолетов и требования
к применяемым в	них	жидкостям......................  —
Применяемые сорта жидкостей для гидроустройств само-
летов ................................................. 194
Противообледенительные	жидкости........................ 197
Литература.................................................... 199
Марк Евсеевич Резников
Авиационные и ракетные топлива и смазочные материалы
Редактор Дружининский М. В,
Технический редактор Мясникова Т. Ф.
Корректор Ровнова Н. А.
Сдано в набор 22.10.59 г.	Подписано к печати 23.6.60 г.
Формат бумаги 84хЮ81/аа — 6V2 печ. л. = 10,66 усл. печ. л. 10,633 уч.-изд. л.
Г-60160.
Военное издательство Министерства обороны Союза ССР
Москва, Центр, Тверской бульвар, 18.
Изд. № 6/1222.	Цена 4 р. 75 к.	Зак. 694.
1-я типография
Военного издательства Министерства обороны Союза ССР
Москва, К-6, проезд Скворцова-Степанова, дом 3