航空航天燃料概论 大作业

航空航天燃料的发展和应用

交通科学与工程学院

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陈隆

航空航天领域始终是世界上新星科技技术最集中的地方，我国的航空航天产业也应用了许多高精尖的产品。由于对国际影响力的需求，我国对航空航天领域的投入逐年增加，尤其是燃料方面，由于对飞行器的效率有直接的影响，所以更是整个研究领域的核心。这学期选修了朱岳麟老师的《航空航天燃料概论》课程，主要是希望能够在选修课的课堂中了解航空航天燃料领域的研究现状和发展前景。通过了1-8周的课程学习，从朱老师诙谐幽默的讲解中，对于世界和我国的航空航天燃料有了一个初步的认识。课后自己还在网上查找相关内容的资料，在图书馆借阅相关书籍，加深了自己的认识。

首先来谈谈航空燃料。航空燃料是本世纪初，随着飞机的诞生而出现的。航空燃料包括供点燃式活塞发动机用的航空汽油和供燃气涡轮发动机用的喷气燃

料(俗称航空煤油)。目前主要由石油加工制得。对所有航空燃料组成的共同要求，就是他们应当是只含有专用添加剂的、纯粹的烃类混合物。但由于不同类烃的性能不同，对某些烃类如芳香烃和烯烃的含量有一定的限制。残留在燃料中的非烃如：含氧、含硫、含氮等杂有机化合物及其燃烧产物，不仅引起系统金属零部件腐蚀，而且还会污染大气，且在燃料中容易被氧化缩合成胶质和沉淀物，引起燃料系统堵塞等，通常认为是不理想组分，在燃料的标准中以不同的方式加以严格限制。为了保证飞行安全和使用寿命，飞机发动机对燃料质量的要求很严格。在表示燃料质量的各种性能综合中，最重要的是在飞机发动机使用过程中系统和零部件同燃料及其燃烧产物接触过程中所出现的那些性能，即所谓的使用性能。这些性能同飞机发动机的可靠性和寿命直接相关，且它们只是在使用过程中才出现。对所有航空燃料基本使用性能的共同要求，就是它们应具有适当的挥发性和良好的流动性、燃烧性、安定性、洁净性、不腐蚀所接触的金属并与所接触的非金属材料相容等。挥发性用馏程和蒸汽压控制。挥发性过大，燃料蒸发损失严重，且高空产生气塞的危险性也大；挥发性过小，发动机的启动性变差，燃烧不完全。流动性用冰点和低温黏度控制，要求冰点低，低温黏度小，以保证燃料具有良好的低温泵送性和过滤性。燃烧性用热值、密度和烟点等控制，要求热值高、密度大、烟点高、以保证发动机和飞机有足够的推力和航程。安定性用抗氧化剂和贮存后各性能的变化来控制，要求抗氧化性好，贮存后性能变化小。洁净性对喷气

燃料尤为重要，这是由于燃气涡轮发动机燃油控制系统复杂精密度高所要求的。除要求不含胶质、水、机械杂质（固体颗粒）、水溶性酸和碱外，对影响燃料水分离特征的表面活性物质的含量也要通过水分离指数和水反应加以控制。水、机械杂质、细菌等，虽不是燃料的固有成分，但它们的危害性却很大，且随气温和储运条件的变化，在很大的范围内波动。

抗爆性是航空汽油最重要的使用性能，通常由辛烷值/品度值表征并以其值命名它们的牌号。我国航空汽油分为RH-75、RH-95/130和RH-100/130三个品级。其中RH-75航空汽油主要用于轻负荷低速飞机，RH-95/130航空汽油主要用于中负荷高速飞机，RH-100/130航空汽油适用于重负荷高速飞机。汽油的辛烷值/品度值越高，汽油的抗爆性能越好。

对于航空燃料的发展前景，大体的方向已经确定，还需要研究人员进一步的实验证明。目前由于燃油紧缺和价格上涨,使得替代性航空燃料的研究成为当务之急。生物柴油是清洁的可再生能源, 它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料, 是优质的石油柴油代用品。生物柴油具有以下优点:

1) 原料易得且价廉。用油菜籽和甲醇为生产原料, 可以从根本上摆脱对石油制取燃油的依赖。

2) 有利于土壤优化。种植油菜可与其他作物轮种, 改善土壤状况, 调整平衡土壤养分, 挖掘土壤增产潜力。

3)副产品具有经济价值。生产过程中产生的甘油、油酸卵磷脂等一些副产品市场前景较好。

4) 环保效益显著。生物渣燃烧时不排放二氧化硫, 排出的有害气体比石油柴油减少70%左右, 且可获得充分降解, 有利于生态环境保护。

生物柴油是典型“绿色能源”,是研究和实验的热点。继2008年2月24日英国维珍大西洋航空公司成为世界上第一家完成生物燃料试飞航空公司,新西兰航空公司宣布将在今年或明年使用的一架波音737飞机的一个引擎中使用生物燃料和航空燃油的混合油; 美国大陆航空公司将会在2009年投入使用的一架波音737飞机中使用第三代的生物能源,这种生物燃料成分包括巴巴苏油和椰子油;在2009年初,日航将会在波音747 - 300的普惠引擎上测试第二代生物能源; 荷

兰航空宣布,将会在2010年开始在其F - 50机组上使用以藻类为基础的航油。

利用可再生资源来合成航煤也是一种应急办法。目前再生合成的方式很多,有灯烟提纯和煤制油等。灯烟提纯就是利用回收的旧轮胎燃烧后所产生的灯烟(几乎100 %是碳) 来作提纯的材料,对成千上万的旧轮胎进行循环利用;煤制油

就是把相对不便于运输、贮存、使用的固态燃料转变为液态燃料, 把相对污染程度较严重的“煤”转化为更洁净的“油”的技术。简单地讲就是将煤炭进行液化。目前再生资源合成航煤尚处在工业化试验和示范阶段, 还存在技术和工程放大

风险,需进一步进行大量的实验和摸索。

除此以外，我们还学习了有关航天燃料的知识，如火箭的固体、液体燃料及特殊飞行器的燃料等。其相关构成及性能与航空燃料有很大的相似之处。在航天燃料中，燃料电池有很大的应用。按电解质的不同,在航天领域中应用过的燃料电池可分为PEMFC和碱性燃料电池(AFC)。AFC主要作为航天飞机的主电源;PEMFC 既可作为主电源应用,也可作为再生燃料电池(RFC)的组成部分。燃料电池在航天领域最早的应用,是美国GE公司为双子星载人飞船开发的聚苯磺酸膜燃料电池(为早期的PEMFC)。在使用中,电池中的电解质膜发生降解,造成电池寿命变短、生成物水被污染,不能提供给航天员饮用。尽管GE公司之后推出了全氟磺酸膜燃料电池,但没有中标[后来AFC 在航天领域开始应用,并取得了成功。近20 年

来,PEMFC在地面应用上展现出巨大的潜力,激发了人们的研究兴趣,性能上有了很大的提高,价格也在逐渐降低。研究人员开始注意到PEMFC在航天中的应用潜力,开展了许多研究。

了解到这些基础知识，并集合自己的专业知识，我自己希望今后出现的航空航天燃料除了在安定性，挥发性，抗氧化性，抗爆性，洁净性等方面不断得到改善，性能得到提高之外。还应该在航空航天燃料的生产流程上有所改进，一来航空航天燃料多为有机物,而有机反应的副产物较多,产率较低,流程也很复杂,反应中所涉及到的化合物毒性大,二来航空航天燃料复杂的制备及精制过程耗资较多,使成本较高.我认为我们可以结合生物技术,膜技术,尤其是发展生物催化剂,以利用其催化性能的单一性,高效性,低能耗性便捷的获得大量高质的航空航天燃料,

为了得到目的催化生物,如目的细菌、真菌等，我们可以采用基因重组、基因诱导变异等方法使一些微生物得到相关的机能。另外，我们还可以尝试将微波、激