К  ВОПРОСУ  УВЕЛИЧЕНИЯ  ДАЛЬНОСТИ  И  ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ  ПОЛЁТА  ЛЕТАТЕЛЬНОГО  АППАРАТА

Ковалев  Вячеслав  Данилович

д-р  техн.  наук,  профессор,  филиал  СКФУ  в  г.  Пятигорске,  РФ,  г.  Пятигорск

Гимбицкий  Вячеслав  Ананьевич

канд.  техн.  наук,  доцент,  СКФУ,  РФ,  г.  Ставрополь

Гимбицкая  Людмила  Алексеевна

канд.  техн.  наук,  доцент,  СКФУ,  РФ,  г.  Ставрополь

Марченко  Елена  Игоревна

лаборант,  СКФУ,  РФ,  г.  Ставрополь

E-mail:  

Свойства  топлива  в  той  или  иной  мере  оказывают  влияние  на  основные  лётно-технические  характеристики  летательного  аппарата  (JIA).  Они  существенно  влияют  на  его  максимальную  дальность  и  продолжительность  полёта  и  на  грузоподъёмность  через  бортовой  запас  топлива  (массу  топлива  на  борту),  его  удельный  расход,  полётную  массу  ЛА,  а  также  в  связи  с  потерями  топлива  от  испарения.  Большей  частью  воздействие  свойств  топлива  на  лётно-технические  характеристики  ЛА  имеет  характер  ограничений,  но  в  отдельных  случаях  может  обеспечить  их  улучшение.  Перечисленные  выше  факторы,  непосредственно  влияющие  на  лётно-технические  характеристики  ЛА,  зависят  от  небольшого  числа  свойств  топлива:  плотности,  теплоты  сгорания,  испаряемости  (давления  насыщенного  пара  или  отражающих  его  показателей  —  температуры  вспышки,  начала  или  10  %  перегонки).  В  меньшей  степени  сказывается  влияние  растворимости  воздуха,  теплоёмкости  топлива  и  продуктов     его  сгорания,  а  в  исключительных  случаях  и  нагароотложения.  Рассмотрим  влияние  плотности,  как  одного  из  главных  факторов,  определяющих  дальность  и  продолжительность  полёта  ЛА.

Плотность  реактивных  топлив,  определяемую  массой  вещества  в  единице  объёма  [4,  с.  35]:  ,  кг/м3,  в  стандартах  и  паспортах  указывают  при  температуре  20  °С.  Практическое  значение,  как  правило,  имеет  плотность  топлива  при  той  температуре,  которую  оно  имеет  при  заправке  ЛА,  а  в  некоторых  случаях  при  высокой  температуре,  достигаемой  в  сверхзвуковом  полёте.  С  изменением  температуры  на  величину    изменение  плотности  топлива  ,  где  температурная  поправка    для  плотности  при  изменении  температуры  на  1  °С  для  топлив  равна  .  Для  точных  расчётов  значение  поправки  у  берётся  из  стандартных  таблиц.  При  понижении  температуры  на  каждые  10  °С  плотность  топлив  увеличивается  приблизительно  на  1  %.  При  выполнении  расчётов  и  для  настройки  топливной  аппаратуры  рекомендуется  использовать  следующие  наиболее  вероятные  значения  плотности  при  20  °С:  для  топлива  ТС-1  —  780  кг/м3,  РТ  —  778  кг/м3,  Т-8В  —  804  кг/м3,  Т-6  —  841  кг/м3,  а  для  резервного  топлива  Т-2  —  766  кг/м3.  С  понижением  температуры  топлива  его  плотность  увеличивается.  Так,  например,  топливо  Т-1  имеет  плотность  838  кг/м3  при  —  20  °С  и  780  кг/м  -  при  +  20  °С  [3,  с.  83],  т.  е.  плотность  увеличивается  на  1,3  %  при  понижении  температуры  на  10  °С.  В  данном  случае  при  понижении  температуры  на  58  °С  плотность  топлива  увеличилась  на  7,5  %.  Из  сказанного  следует,  что  для  повышения  дальности  или  продолжительности  полёта  JIA  желательно,  чтобы  топливо  перед  полётом  имело,  возможно,  более  низкую  температуру.  В  связи  с  этим  летом  целесообразно  хранить  топливо  в  заглублённых  ёмкостях  и  не  допускать  его  нагрева  на  солнце  в  цистернах  топливозаправщиков  и  баках  ЛА.  Зимой  же  лучше  хранить  топливо  в  наземных  ёмкостях  и  возможно  дольше  перед  заправкой  выдерживать  в  цистернах  спецавтомобилей.  Но  не  всегда  это  возможно.  А  так  как  в  нашей  огромной  стране  наблюдается  большой  перепад  температур  зимой  и  летом,  то  в  летний  период  топливо  необходимо  охлаждать  для  повышения  его  плотности,  а  следовательно  —  увеличения  дальности  или  продолжительности  полёта  JIA.  В  Якутии,  например,  температура  опускается  зимой  ниже  -50  °С,  а  летом  поднимается  до  +  40  °С,  т.  е.  разность  температур  составляет  90°  С,  плотность  изменяется  на  11,6  %.  Поверхностный  слой  Земли  сильно  остудить  топливо  не  сможет.  Поэтому  авторы  предлагают  устанавливать  на  топливозаправщик  холодильную  установку  и  осуществлять  охлаждение  топлива  перед  его  заправкой  в  ДА,  что  увеличит  плотность  топлива,  а  тем  самым  -  дальность  или  продолжительность  полёта  JIA.

Дальность    и  продолжительность    полёта  JIA  определяются  формулами:

,

где:    —  километровый  расход  топлива  (расход  топлива  на  1  км  полёта  ЛА); 

,  —  часовой  расход  топлива  (расход  топлива  на  1  час  полёта  ЛА).

Для  каждого  типа  самолёта  километровый  и  часовой  расходы  топлива  имеют  своё  определённое  значение.  Из  формул  видно,  что  при  постоянных  значениях    и  ,  (они  изменяются  незначительно  при  изменении  свойств  атмосферы)  дальность  и  продолжительность  полёта  зависят  от  массы  топлива  .  Если,  к  примеру,  плотность  топлива  изменилась  на  11,6  %,  как  отмечено  выше,  то  и  масса  топлива  изменится  на  эту  же  величину,  т.к.  объём  топливных  баков  остаётся  постоянным.  Тогда  дальность    и  продолжительность    также  изменятся  на  эту  же  величину.  Например,  расстояние  от  Москвы  до  Хабаровска  составляет  6140  км.,  а  самолёту  необходимо  лететь  далее  до  Южно-Сахалинска,  т.  е.  ЛА  в  Хабаровске  необходимо  дозаправляться  или  же  дозаправку  надо  произвести  в  другом  аэропорту.  Если  же  заправка  в  Москве  летом  будет  произведена  топливом  с  температурой  примерно  -50  °С,  то  масса  топлива  в  баках  ЛА  увеличится  примерно  на  10  %,  что  увеличит  дальность  полёта  ЛА  также  на  10  %,  т.  е.  на,  примерно,  614  км.  В  этом  случае  можно  без  дозаправки  (и  дополнительной  посадки)  в  Хабаровске  можно  долететь  до  Южно-Сахалинска,  не  затрачивая  средства  на  обслуживание  в  Хабаровске.  Выше  приведено  приблизительное  увеличение  плотности  топлива  при  снижении  его  температуры  при  заправке.  В  конкретных  случаях  надо  учитывать  и  энергоёмкость  применяемого  на  данном  ЛА  топлива,  увеличение  полётной  массы  ЛА  за  счёт  роста  массы  топлива,  относительную  ёмкость  баков  и  другие  факторы.  Однако,  в  среднем,  можно  считать,  что  при  понижении  температуры  топлива  на  каждые  10  °С  его  плотность  увеличивается  приблизительно  на  1  %.

Рисунок  1.  Структурная  схема  топливозаправщика  с  охладителем

На  чертеже,  рис.  1,  представлена  структурная  схема  топливозаправщика  с  охладителем  [1].  Топливозаправщик  содержит  тягач  1  с  цистерной  2  (ЦТ)  для  топлива,  всасывающую  магистраль  3,  топливный  насос  4  (ТН)  и  заправочную  магистраль  5  с  топливным  наконечником  для  присоединения  к  бортовому  штуцеру  6  (ШБ)  ЛА.  Привод  насоса  4  содержит  гидромотор  7  (ГМ)  и  гидронасос  8  (ГН),  соединённые  с  гидробаком  9  (ГБ)  для  рабочей  жидкости  гидравлическими  линиями  10  (слив)  и  11  (всасывание).  Гидронасос  8  связан,  при  помощи  механической  передачи,  с  коробкой  отбора  мощности  12  (КОМ),  установленной  на  тягаче.  Пульт  управления  13  (ПУ),  подключенный  к  автомобильной  аккумуляторной  батарее  14  (АБ),  служит  для  включения  коробки  12.  Для  удобства  обслуживания  все  пульты  объединены  в  общую  панель  управления.  Регулятор  скорости  15  (PC)  соединён  с  гидронасосом  8  линией  16,  с  магистральным  клапаном  17  (КМ)  —  линией  18.  Клапан  17  соединён  с  гидромотором  7  линией  19.  Регулятор  15  снабжён  электрогидравлическими  клапанами  20  и  21.  Клапан  20  служит  для  обеспечения  холостого  хода  гидронасоса  8  и  снижения  скорости  гидромотора.  Клапан  21  предназначен  для  увеличения  скорости  гидромотора  7.  Дополнительный  электрогидравлический  клапан  22  управляет  магистральным  клапаном  17.  Участки  23-28  гидравлических  линий  соединяют  клапаны  20-22  с  гидронасосом  8,  регулятором  15  и  клапаном.  К  заправочной  магистрали  5  присоединены  сигнализаторы  давления  29—31  (СД-1,  СД-2,  СД-3),  причём  их  установки  настроены  на  различные  предельно  допустимые  давления  заправки  для  разных  типов  ЛА,  например  на  0,25  МПа,  на  0,35  МПа,  на  0,45  МПа  (2,5  атм.,  3,5  атм.,  4,5  атм.  соответственно).  Панель  управления  содержит  пульт  32  выбора  сигнализатора  давления  (ПВСД)  и  пульт  33  управления  топливным  насосом  (ГГУТН).  Пульт  33  оборудован  коммутирующими  устройствами  34  (УК-1)  и  35  (УК-2),  кнопками  «ПУСК  ТН»,  «СТОП  ТН»  и  соединён  с  приводами  клапанов  20—22  электрическими  линиями  36-38  соответственно.  Кабель  39  необходим  для  контроля  включения  КОМ.  Кабель  40  обеспечивает  питание  панели  управления  и  охлаждения.  Кабель  41  нужен  для  связи  между  сигнализаторами  29—31  и  пультом  33.  Реле  времени  42  предназначено  для  задержки  сигнала  останова  гидромотора.  Дополнительная  гидравлическая  линия  43  соединяет  регулятор  скорости  15  с  гидробаками.  Цистерна  2  (ЦТ)  снабжена  охладителем  любого  принципа  действия.  В  [2]  приводится  использование  сжиженного  газа,  который  из  криогенных  резервуаров  (баллонов)  подаётся  в  теплообменник,  где  происходит  фазовый  переход,  т.  е.  превращение  жидкости  в  газ  с  поглощением  скрытой  теплоты  парообразования.  При  этом  температура  окружающей  среды  резко  уменьшается,  например  при  использовании  жидкого  азота  эта  температура  снижается  до  (-196  °С).  В  качестве  примера  возьмём  этот  принцип,  хотя  может  быть  использован  и  любой  другой.  Баллоны  46  со  сжиженным  азотом  или  другим  газом  связаны  с  теплообменником  44.  Теплообменник  может  выполняться  любой  формы  и  из  любого  материала,  но  лучше,  чтобы  материал  обладал  хорошей  теплопроводностью,  например,  металлические  трубы  укладываются  внутри  топливной  цистерны  2.  Перемешиватель  45  служит  для  перемешивания  топлива  внутри  топливной  цистерны.  Термометр  47  обеспечивает  слежение  за  температурой  топлива  или  в  ручном  режиме,  или  в  автоматическом.  В  ручном  режиме  оператор  следит  за  температурой  визуально,  включая  и  выключая  подачу  сжиженного  газа  в  теплообменник.  В  автоматическом  режиме  оператор  задаёт  требуемую  температуру,  а  далее  автоматическое  устройство  обеспечивает  достижение  и  поддержание  этой  температуры.  В  совокупности  все  устройства,  связанные  с  охлаждением  топлива,  образуют  охладитель  топлива.

Топливозаправщик  с  охладителем  работает  следующим  образом.  Предварительно  топливная  цистерна  заполняется  топливом  на  складе  горюче-смазочных  материалов.  Температура  топлива  примерно  равна  температуре  окружающего  воздуха  (летом  в  солнечную  погоду  может  быть  выше,  а  зимой  -  ниже).  Время  заправки  JIA  топливом  из  данного  топливозаправщика  обычно  известно.  Известно  и  время  охлаждения  объёма  топлива  в  топливной  цистерне  до  требуемой  температуры  (определено  на  предварительных  испытаниях).  Когда  время  дозаправки  ЛА  сравняется  (с  небольшим  запасом)  со  временем  охлаждения  топлива  в  топливной  цистерне  топливозаправщика,  оператор  включает  охладитель,  т.  е.  открывает  доступ  сжиженному  газу  из  баллона  46  в  теплообменник,  где  осуществляется  фазовый  переход  жидкого  газа  в  газообразный,  что  охлаждает  теплообменник,  а  вместе  с  ним  и  омывающее  его  топливо.  Одновременно  с  подачей  жидкого  газа  в  теплообменник  включается  перемешиватель  45,  обеспечивающий  быстрое  смешивание  охлаждённой  массы  топлива,  прилегающей  к  стенкам  теплообменника,  с  остальной  массой  топлива,  обеспечивая  равномерное,  по  всему  объёму  топливной  цистерны,  охлаждение  топлива.  По  термометру  47  будет  наблюдаться  температура  топлива  в  топливной  цистерне.  Как  только  она  достигнет  заданной  величины,  например  (-40  °С),  оператор  выключит  работу  охладителя.  Если  же  будет  использоваться  автоматическое  устройство  для  поддержания  заданной  температуры,  то  охладитель  будет  продолжать  работать,  поддерживая  эту  температуру,  до  выключения  работы  охладителя  оператором.  После  этого  начинается  заправка  JTA  охлаждённым  топливом  без  замедления,  чтобы  топливо  не  успело  нагреться.  Вначале  выбирается,  при  помощи  пульта  32,  один  из  сигнализаторов  29—31,  у  которого  уставка  соответствует  предельно  допустимому  давлению  заправки  для  данного  типа  JIA.  Наконечник  заправочной  линии  5  подстыковывают  к  бортовому  штуцеру  6  ЛА.  Затем  подключают,  при  помощи  пульта  13,  КОМ  12  к  двигателю  автотягача.  При  включении  КОМ  начинает  работать  гидронасос  8.  После  этого  запускается  топливный  насос  4  нажатием  на  пульте  33  кнопки  «Пуск  ТН».  Насос  перекачивает  охлаждённое  топливо  через  заправочную  магистраль  5  в  бак  ЛА.  После  окончания  заправки  ЛА  выключается  топливный  насос  кнопкой  «Стоп  ТН».  За  время  перекачивания  охлаждённого  топлива  из  топливозаправщика  в  баки  ЛА  это  топливо  несколько  нагреется  (на  несколько  градусов).  Поэтому  при  охлаждении  топлива  необходимо  охлаждать  его  несколько  больше  (на  величину  его  нагрева  при  заправке).

Использование  охлаждения  топлива  в  топливозаправщике  при  заправке  ЛА  позволяет  заметно  увеличить  дальность  или  продолжительность  полёта  ЛА,  особенно  в  летний  период  или  при  эксплуатации  его  в  жарком  климате.

Список  литературы:

1.Патент  РФ  №  2380292  «Топливозаправщик  с  охладителем».

2.Патент  РФ  №  2229418,  2004.

3.Пискунов  В.А.  и  др.  Химмотология  в  гражданской  авиации.  Справочник.  М.:  Транспорт,  1983.  —  С.  83.

4.Чертов  А.Г.  Единицы  физических  величин.  М.:  Высшая  школа,  1977.  —  С.  35.