高能合成煤油GN-1理化性能及應(yīng)用分析

孫海云，蔣榕培，李春紅，徐浩海，方 濤，劉朝陽

（1.北京航天試驗技術(shù)研究所航天綠色推進劑研究與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京100074；2.西安航天動力技術(shù)研究所，西安710100）

高能合成煤油GN-1理化性能及應(yīng)用分析

孫海云1，蔣榕培1，李春紅2，徐浩海2，方 濤1，劉朝陽1

（1.北京航天試驗技術(shù)研究所航天綠色推進劑研究與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京100074；2.西安航天動力技術(shù)研究所，西安710100）

研究了高能合成煤油GN-1的密度、黏度等理化性質(zhì)及熱穩(wěn)定性和能量特性，并與火箭煤油進行了對比分析。實驗結(jié)果表明：GN-1煤油與現(xiàn)役火箭煤油相比，密度提高2.2%（20℃），黏度下降41.9%（20℃）；導(dǎo)熱系數(shù)和定壓比熱值均高于火箭煤油；熱穩(wěn)定溫度達到394℃，滿足火箭發(fā)動機工作要求；比沖比現(xiàn)用火箭煤油高7 s以上；綜合性能優(yōu)異。此研究成果有助于我國載人登月用下降級變推力液氧煤油發(fā)動機技術(shù)攻關(guān)及新一代運載火箭性能提升。

高能合成煤油；理化性能；應(yīng)用分析

1　引言

火箭煤油因具有密度高、常溫可貯存、來源廣泛、綠色低毒和安全等諸多優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用，美國的宇宙神-5，德爾塔-4、獵鷹-9、安塔瑞斯和俄羅斯的聯(lián)盟號、安加拉系列運載火箭的芯級和助推級動力，以及我國新一代運載火箭長征五號助推級、長征六號和長征七號芯級均采用了液氧/煤油組合推進劑［1］。

火箭煤油在大型運載火箭的起飛質(zhì)量中占到70%～90%，因此其性能和成本對于運載火箭具有重要的意義［2］。美國在上世紀50年代開發(fā)了烯烴和硫含量較低的RP-1火箭煤油，支撐了美國載人登月用F-1發(fā)動機的順利研制［2-3］。后續(xù)美國對火箭煤油性能進行了持續(xù)改進，進一步開發(fā)了低冰點（-51℃）、高閃點（60℃）和低結(jié)焦特性（膠質(zhì)含量從7 mg/100 mL降低至1 mg/100 mL）的火箭煤油，保障了SpaceX公司的“灰背隼”等諸多新型發(fā)動機的順利研制。蘇聯(lián)/俄羅斯在液氧煤油發(fā)動機領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，相繼開發(fā)出T-1、RG-1、Syntin等煤油，支撐了RD-170/RD-180/RD-191等代表世界先進水平的大推力發(fā)動機和RD-0124/RD-58系列高性能上面級的研制和工程應(yīng)用［3-5］。

Syntin煤油是俄羅斯研制的一種高能煤油［1，6］，其燃燒熱值和比沖比現(xiàn)用火箭煤油分別提高了2%和7～10 s，具有比沖大、密度高、黏度小、綠色無毒和常溫可貯存等優(yōu)點，曾應(yīng)用于蘇聯(lián)/俄羅斯聯(lián)盟號U2運載火箭的助推級和第一級、質(zhì)子號運載火箭的上面級以及“暴風雪”航天飛機芯級。高能合成煤油支撐了聯(lián)盟U2運載火箭的性能提升，前后共執(zhí)行了70次發(fā)射任務(wù)，全部取得成功。高能煤油也曾用于質(zhì)子號運載火箭的上面級（發(fā)動機RD-58S），實際飛行次數(shù)超過40次，采用高能煤油后發(fā)動機比沖達到361 s，比采用普通煤油的發(fā)動機比沖提高7～10 s，具有明顯的能量優(yōu)勢。

綜上可見，高能煤油是提高液氧/煤油發(fā)動機比沖性能的有效途徑。為滿足我國載人登月下降級變推力發(fā)動機對高比沖煤油的需求，北京航天試驗技術(shù)研究所在國內(nèi)率先研制出高能合成煤油GN-1。本文將結(jié)合發(fā)動機應(yīng)用要求，對GN-1煤油的密度、黏度等理化性質(zhì)及熱穩(wěn)定性和能量特性進行系統(tǒng)研究，并與火箭煤油的理化性質(zhì)進行對比分析，相關(guān)研究將對后續(xù)開展GN-1煤油的工程研制及應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2　實驗

2.1 試樣

火箭煤油：液體火箭發(fā)動機用煤油（克拉瑪依石化分公司生產(chǎn)）。

高能合成煤油：GN-1煤油（北京航天試驗技術(shù)研究所研制）。

2.2 儀器與系統(tǒng)

SVM3000自動密度黏度儀；MiniVAP VPXpert全自動蒸汽壓測試儀；HC2000流動型比熱計；TC 3020L熱線法導(dǎo)熱系數(shù)儀；Parr 6200氧彈量熱儀；HSC-1差示掃描量熱儀。自行設(shè)計的單噴嘴點火試驗系統(tǒng)。

2.3 實驗過程

2.3.1 理化性能研究

1）密度和黏度

根據(jù)NB/SH/T 0870標準方法［4］，采用SVM3000自動密度黏度儀進行了-40～105℃范圍內(nèi)不同溫度下密度和黏度的測定。

2）飽和蒸氣壓

根據(jù)ASTM D6378［5］方法，選擇全自動蒸氣壓測試儀進行飽和蒸氣壓的測試。加樣溫度20℃，測試溫度范圍為20～110℃。

3）定壓比熱

采用HC2000流動型比熱計進行定壓比熱測試，測試溫度范圍為-40～120℃。

4）導(dǎo)熱系數(shù)

采用TC 3020L熱線法導(dǎo)熱系數(shù)儀進行導(dǎo)熱系數(shù)的測試，測試溫度范圍-40～200℃。

2.3.2 GN-1煤油熱穩(wěn)定性能

將試樣置于差示掃描儀內(nèi)，在惰性氣氛中從室溫開始加熱到550℃，以10℃/min的掃描速度，測定試樣在室溫至550℃范圍內(nèi)的熱量變化。

2.3.3 GN-1煤油能量比沖

采用Parr6200氧彈量熱儀對GN-1煤油和火箭煤油進行了燃燒熱值測定；同時，為了驗證GN-1煤油與現(xiàn)役火箭煤油的比沖性能差異，利用同一試驗件分別進行了氧氣+GN-1煤油和氧氣+火箭煤油的點火試驗。

3　結(jié)果和討論

3.1 理化性能

3.1.1 密度

對于液體推進劑來說，密度越大，貯箱容積有限的航天器所能儲存的推進劑越多，密度性能是液體推進劑的重要基礎(chǔ)性質(zhì)之一。

本文研究了GN-1煤油和火箭煤油密度隨溫度的變化規(guī)律，實驗結(jié)果如圖1所示。需要指出的是，GN-1煤油的冰點低于-70℃，但由于實驗儀器的測試限制，本文只研究了-40～105℃范圍內(nèi)煤油的密度和黏度。

圖1　不同溫度下GN-1煤油和火箭煤油的密度Fig.1 The density of GN-1 kerosene and rocket kerosene at different temperature

在20℃條件下，GN-1煤油的密度為0.851 g/cm3，密度比相同條件下火箭煤油（0.833 g/cm3）提高0.018 g/cm3，提高幅度為2.2%。由于煤油受熱膨脹，GN-1煤油和火箭煤油的密度隨溫度的升高都呈下降趨勢，在高溫條件下GN-1煤油的密度逐漸與火箭煤油相近。當溫度上升至105℃時，GN-1煤油的密度僅比火箭煤油高0.007 g/cm3。這主要是由于GN-1煤油在溫度上升過程中其體積的膨脹系數(shù)高于火箭煤油。GN-1煤油和火箭煤油密度隨溫度的變化關(guān)系式用式（1）表示，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　煤油密度隨溫度的變化線性擬合結(jié)果Table 1 Results of linear fitting of kerosene density with temperature change

3.1.2 黏度

液體推進劑黏度的大小直接影響推進劑在火箭發(fā)動機燃燒過程中的輸送、霧化和混合。

圖2對比了GN-1煤油和火箭煤油在-20～105℃下運動黏度的變化規(guī)律。GN-1煤油在-15℃時的運動黏度為2.77 mm2/s，遠低于火箭煤油的運動黏度6.98 mm2/s。在20℃時GN-1煤油運動黏度為1.44 mm2/s，比相同溫度條件下火箭煤油的運動黏度（2.48 mm2/s）降低41.9%?？梢奊N-1煤油的流動性能優(yōu)于火箭煤油，有利于煤油在發(fā)動機工作過程中的輸送、霧化、混合以及燃燒。

圖2　不同溫度下GN-1煤油和火箭煤油的運動黏度Fig.2 The viscosity of GN-1 kerosene and rocket kerosene at different temperature

如圖2所示，火箭煤油的黏度隨著溫度的升高而迅速下降，最終黏度與GN-1煤油接近。這主要是由于GN-1煤油和火箭煤油的組成不同導(dǎo)致的。相比于GN-1煤油，火箭煤油除了含有大量的環(huán)烷烴以外，還有大量的異構(gòu)烷烴。這些異構(gòu)烷烴之間會在范德華力的作用下發(fā)生交聯(lián)從而導(dǎo)致體系黏度的升高。隨著溫度的升高，這些鏈狀烷烴會發(fā)生蜷曲，交聯(lián)程度迅速下降，體系的黏度也會迅速下降。

3.1.3 飽和蒸汽壓

液體推進劑的飽和蒸氣壓是發(fā)動機設(shè)計的重要參數(shù)。在溫度20℃時，GN-1煤油和火箭煤油的飽和蒸汽壓分別為3.1 kPa和1.0 kPa。圖3是GN-1煤油和火箭煤油飽和蒸汽壓隨溫度的變化關(guān)系。隨著溫度的升高，GN-1煤油的飽和蒸氣壓上升明顯。GN-1煤油的沸點為158℃，本次進行飽和蒸氣壓測定的火箭煤油的沸程為200～235℃。

3.1.4 定壓比熱

液體推進劑的比熱容越大，其溫度升高需要吸收的熱量越大，作為冷卻介質(zhì)時的冷卻性能就越好。本文選用流動型比熱計測得-40～120℃條件下GN-1煤油和火箭煤油的定壓熱容，實驗結(jié)果見圖4。從圖4中可看出，GN-1煤油的定壓比熱略大于火箭煤油。25℃條件下GN-1煤油和火箭煤油的定壓比熱分別是2.08 J/（g·℃）和1.96 J/（g·℃）。這表明GN-1煤油的冷卻性能略優(yōu)于火箭煤油。

圖3　不同溫度下GN-1煤油和火箭煤油的飽和蒸氣壓Fig.3 The saturation vapor pressure of GN-1 kerosene and rocket kerosene at different temperature

圖4　不同溫度下的GN-1煤油和火箭煤油的定壓熱容Fig.4 Comparison of the heat capacity between GN-1 kerosene and rocket kerosene

3.1.5 導(dǎo)熱系數(shù)

除了定壓比熱以外，導(dǎo)熱系數(shù)也是衡量液體推進劑冷卻能力的重要參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，冷卻效果更佳。本文研究了GN-1煤油和火箭煤油在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，如圖5所示。GN-1煤油和火箭煤油的導(dǎo)熱系數(shù)都隨溫度的升高有所下降。對比GN-1煤油和火箭煤油的導(dǎo)熱系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在-50～200℃，GN-1煤油的導(dǎo)熱系數(shù)都高于火箭煤油。綜合GN-1煤油和火箭煤油的定壓比熱及導(dǎo)熱系數(shù)性質(zhì)，表明GN-1煤油的冷卻能力優(yōu)于火箭煤油。

3.2 熱穩(wěn)定性能研究

熱穩(wěn)定性能的高低直接影響燃料的傳熱、安全和貯存性能。為了獲得高能合成煤油的熱穩(wěn)定性能，采用高壓DSC研究了GN-1煤油隨溫度變化的吸放熱效應(yīng)，獲得了起始分解溫度、最大分解溫度以及相應(yīng)的熱穩(wěn)定區(qū)間。圖6表示的是GN-1煤油在10℃/min升溫速率條件下隨溫度變化的吸放熱變化圖。從圖中可以看出，高能合成煤油的起始分解溫度在394℃，最大分解溫度在414℃。由于液氧/煤油發(fā)動機工作條件下煤油的使用溫度低于200℃，因此GN-1煤油的熱穩(wěn)定性能能夠滿足火箭發(fā)動機工作要求。

圖5　不同溫度下GN-1煤油和火箭煤油的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.5 The thermal conductivity of GN-1 kerosene and rocket kerosene at different temperature

圖6　GN-1煤油高壓DSC圖（升溫速率10°C/min）Fig.6 The DSC spectrogram of GN-1 kerosene

需要指出的是，GN-1煤油的分解過程是放熱過程，這是因為高能煤油包含多個張力環(huán)結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生分解反應(yīng)，大量積蓄在分子內(nèi)的能量釋放出發(fā)，導(dǎo)致了放熱現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 GN-1煤油的能量特性

采用氧彈量熱儀測得GN-1煤油高熱值為46.597 MJ/kg，與文獻報道值46.599 MJ/kg（順式結(jié)構(gòu)）和46.583 MJ/kg（反式結(jié)構(gòu)）［7］接近。根據(jù)GN-1煤油分子式，由燃燒熱值進一步推導(dǎo)出GN-1煤油的生成焓為984 kJ/kg，遠高于我國現(xiàn)用火箭煤油的-1810 kJ/kg，說明GN-1煤油具有高生成焓的特點。根據(jù)GN-1煤油和火箭煤油的生成焓，采用Rocket Propulsion Analysis（精簡版）雙組元理論比沖軟件進行了熱力計算，計算條件為室壓8 MPa，面積比227，混合比2.6，該條件下GN-1煤油理論真空比沖達到391 s，比我國現(xiàn)役火箭煤油高近9.5 s?？梢?，GN-1煤油在提升液氧/煤油發(fā)動機比沖性能方面效果明顯。

為進一步驗證GN-1煤油的比沖性能，進行了發(fā)動機單噴嘴試驗，主要試驗工況參數(shù)見表2，實驗室壓力曲線圖7所示。結(jié)果表明GN-1煤油點火啟動性能良好，燃燒穩(wěn)定，燃燒效率達到98%以上，特征速度比火箭煤油提高2.2%。按照我國現(xiàn)有液氧煤油發(fā)動機的設(shè)計水平，GN-1煤油的比沖比火箭煤油提高約7～8 s，具有明顯的比沖優(yōu)勢。

表2　各工況試驗參數(shù)Table 2 Test parameters

圖7　GN-1煤油的單噴嘴點火試驗參數(shù)Fig.7 Experimental data of single nozzle ignition of GN-1 kerosene

4　結(jié)論

1）GN-1煤油具有密度大、黏度低、冰點低的特點，是一種理想的火箭發(fā)動機用推進劑；

2）GN-1煤油定壓比熱和導(dǎo)熱系數(shù)均優(yōu)于火箭煤油，其熱穩(wěn)定性溫度達到394℃，GN-1煤油冷卻能力優(yōu)于火箭煤油，能夠用于液體火箭發(fā)動機的主動冷卻；

3）GN-1煤油具有較高的生成焓，通過理論計算和單噴嘴點火驗證了其高比沖性能，在發(fā)動機結(jié)構(gòu)不變的情況下，可提高比沖7 s以上。

（References）

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Physicochemical Properties and Application Analysis of High-energy Synthetic Kerosene GN-1

SUN Haiyun1，JIANG Rongpei1，LI Chunhong2，XU Haohai2，F(xiàn)ANG Tao1，LIU Zhaoyang1
（1.Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing Key Laboratory of Research and Application for Aerospace Green Propellants，Beijing 100074，China；2.Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

The physicochemical properties，such as the density and viscosity，the thermostability and energy property of high-energy synthetic kerosene GN-1 were detailedly studied in this paper.The experimental results suggested that the density of high-energy synthetic kerosene increased by 2.2%（20℃）and the viscosity of high-energy synthetic kerosene decreased by 41.9%（20℃）as compared with those of the petroleum rocket kerosene，respectively.The heat conductivity coefficient and specific heat value at constant pressure of high-energy synthetic kerosene were both higher than those of petroleum rocket kerosene.Meanwhile，the specific impulse of high-energy synthetic kerosene was 7s higher than that of the petroleum rocket kerosene and the thermostability of high-energy synthetic kerosene（394℃）could meet the operation demands of the rocket engine，which demonstrated its excellent comprehensive performance.This study may provide a technical support for the key technological breakthrough of Chinese descent propulsion liquid oxygen/kerosene engine system for manned lunar landing and lay a foundation for the performance improvement of the new generation launch vehicle.

high-energy synthetic kerosene；physicochemical properties；applications analysis

V511

A

1674-5825（2016）05-0619-05

2015-11-12；

2016-08-21

孫海云（1979-），女，碩士，高級工程師，研究方向為航天液體推進劑化學與技術(shù)。E-mail：shyseagull@126.com