CC BY
7
УДК 535.243
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-100-105
СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ДОЗВУКОВОЙ АВИАЦИИ
Г.А. Костин, Т.А. Черняк, Е.Е. Майоров, В.В. Курлов, И.С. Таюрская
Настоящая статья посвящена спектрофотометрии углеводородного топлива для летательных аппаратов дозвуковой авиации. Работа имеет важное значение для авиации в целом, так как оптические свойства данных веществ изучены недостаточно хорошо. Представлен внешний вид и структурная схема спектрофотометра, работающего в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. В работе проведено исследование авиационного керосина разных марок для летательных аппаратов дозвуковой авиации в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Проведенные исследования марок керосина спектральным методом доказывают, что эти марки практически не отличаются друг от друга, так как кривые спектральных зависимостей коэффициента пропускания в ультрафиолетовом диапазоне длин волн имеют похожие особенности распределения.
Ключевые слова: авиационный керосин, летательный аппарат, дозвуковая авиация, спектрофотометр, ультрафиолетовый диапазон длин волн, спектр, коэффициент пропускания.
Углеводородное топливо для летательных аппаратов с воздушно-реактивным двигателем (авиационный керосин) используется во всех аэропортах России и других странах мира для заправки, смазывания деталей топливных систем и в качестве хладагента [1, 2]. Авиационный керосин обладает противоизносными, низкотемпературными свойствами, высокой термоокислительной стабильностью и большой удельной теплотой сгорания [3, 4]. Это продукт глубокой переработки нефти, легкое дизельное топливо высокой степени очистки [5, 6].
Для исследования газообразных, жидкофазных и твердофазных веществ перспективно использовать спектральные методы, основанные на анализе спектров поглощения, пропускания и отражения контролируемых объектов [7, 8]. Значимым направлением в данной области является применение ультрафиолетовой спектроскопии, как наиболее высокоточного, информативного и достоверного инструмента измерений [9, 10]. Данный метод позволяет проводить количественный и качественный анализ состава вещества, извлекая информацию о переходах между электронными энергетическими уровнями молекул. Также возможно решать задачи идентификации веществ и установления состава и констант устойчивости комплексов [11, 12]. Этот метод позволяет получать набор полос разной интенсивности, который определяется химическим составом образца в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
Ультрафиолетовая спектроскопия делится на вакуумную и области ближнего и дальнего ультрафиолета [13, 14]. Диапазон длин волн вакуумной спектроскопии находится от 10 нм до 200 нм, причем атмосфера земли поглощает этот диапазон и измерения возможно проводить только в условиях полного вакуума. Диапазон длин волн от 200...300 нм соответствует дальнему ультрафиолету, а 300.400 нм ближнему ультрафиолету [15, 16].
Анализ литературных данных показал, что к настоящему времени в доступной научно-технической литературе представлены физико-химические данные по авиационному керосину разных марок. По оптическим свойствам данных веществ информация на полная и в лучшем случае имеет оценочный характер.
Поэтому представляет интерес исследование оптических свойств авиационного керосина разных марок для летательных аппаратов дозвуковой авиации разработанным спектрофотометром, работающем в ближнем и дальнем ультрафиолете.
Целью работы явилось спектрофотомертия углеводородного топлива для летательных аппаратов дозвуковой авиации российского и импортного.
Постановка задачи. Необходимо провести исследование авиационного керосина разных марок для летательных аппаратов дозвуковой авиации в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
Объект и метод исследования. В качестве образцов исследования были взяты пробы авиационного керосина марок ТС-1, Т-2 российского производства и импортного Jet A и Jet A1.
ТС-1 - авиационный керосин выпускаемый в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 10227-86 для летательных аппаратов, которые используют дозвуковые скорости. Технология его производства не отличается от общепринятой за исключением жёстких требований, ограничивающих наличие серы и серосодержащих примесей. Поэтому после стандартных этапов перегонки углеводородного сырья полуфабрикат обязательно подвергается гидроочистке или демеркаптанизации — процессам выборочного обессеривания керосина в присутствии никель-молибденовых катализаторов и водорода при рабочих температурах процесса 350...400 °С и давлениях 3,0...4,0 Мпа.
Т-2 - авиационный керосин выпускаемый в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 10227-86 для летательных аппаратов, которые используют дозвуковые скорости. Это достаточно легкое топливо, содержит до 40 процентов легких бензиновых фракций, а потому маловысотное. Оно является запасным по отношению к ТС-1.
Топливо со спецификацией Jet A используется в аэропортах Канады и США, тогда как Jet A1 является стандартным топливом, используемым в остальной части мира. Это топливо для реактивных двигателей предназначенное для использования в летательных аппаратах с газотурбинными двигателями. Это топливо имеет свои физико-химические характеристики, кроме того, диапазон молекулярных масс между углеродами определяется требованиями к продукту, такими как точка замерзания или температура дымления. Jet A и Jet A1 имеет распределение числа атомов углерода от 8 до 16.
Образцы проб были предоставлены одним из российских нефтеперерабатывающих заводов.
Для исследования спектров пропускания разных марок авиационного керосина в ультрафиолетовом диапазоне длин волн использовался спектрофотометр, структурная схема которого приведена на рис. 1. Внешний вид этого прибора показан на рис. 2.
Вогнутая дифракционная
вешегаа КругРоуланда
Рис. 1. Структурная схема спектрофотометра, работающего в ультрафиолетовом диапазоне длин волн
Спектрофотометр состоял из трех основных блока: осветительный, спектроанализи-рующий и электронный.
Осветительный блок включал в себя дейтериевую лампу ДДС-30 со стандартным блоком питания, двухлинзовый кварцевый конденсор и кварцевую жидкостную кювету с исследуемой пробой.
Спектроанализирующий блок - это полихроматор с шириной входной щели 0,3 мм. Электронный блок - это электронная система сбора, обработки в вывода данных измерений на компьютер.
технико-эксплуатационные характеристики ультрафиолетового спектрофотометра:
рабочий спектральный диапазон 200-400 нм;
предел спектрального разрешения не хуже 1 нм;
погрешность измерения коэффициента пропускания не хуже 1%;
время регистрации одного спектра 25 мс;
питание от сети 220 В, 50 Гц; передача данных через порт RS 232; габаритные размеры 700x250x180 мм.
Рис. 2. Внешний вид прибора
Экспериментальные результаты. Спектры ультрафиолетового оптического пропускания в четырех марках авиационного керосина, измеренные спектрофотометром в диапазоне длин волн X=200.. .400 нм, приведены на рис. 3.
Характерные особенности в ультрафиолетовых спектрах ТС-1, Т-2, Jet A и Jet A1 были близки друг к другу. Как в Jet A и Jet A1, так и ТС-1 и Т-2 положение характерного максимума поглощения приходилось на длины волн для Jet A 270 нм, Jet A1 279 нм, ТС-1 265 нм, Т-2 285 нм (минимум пропускания Т(к) для марок авиационного керосина). Спектральный максимум прозрачности в коротковолновой области ультрафиолетового диапазона приходится на диапазон длин волн 300.400 нм. На длинноволновой границе рабочего спектрального диапазона (X > 385 нм) четыре спектра монотонно сходились и с учетом погрешности измерений Т из-за потерь на границах раздела "окно кюветы - исследуемый раствор" вследствие существенного различия в показателе преломления растворов различного состава были близки к прозрачности кюветы с дистиллированной водой, принятом за эталон с Т = 100 %.
100
98 96 94 92 90
ГЧ
88 86 84 82 80
210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400
А. НМ
Рис. 3. Спектры ультрафиолетового коэффициента пропускания Т(А) авиационного керосина: 1 - ТС-1, 2 - Т-2, 3 - Jet A, 4 - Jet A1, 5 - дистиллированная вода
102
Ч
5 .Ж. .¿г..
2 /Г
S ч ч s * ч \ ч\ / / \ \ / ( а ¡i
\ ч. ч \ 4 \ / ц i i
Л i N _> \ "ч i \ Г; ; i ' i
\ \ 3 \ . \ . \ / 1 1
\ \ \ у % \ / ,4
/ \ ---- :
Заключение. В результате работы хотелось бы отметить, что топливо самолетное под номером 1 (ТС-1) основной продукт для заправки воздушного судна во всех аэропортах России. Но к сожалению, это топливо не пускают на рынки европейского, американского и канадского потребителей объясняя тем, что ТС-1 не проходит их сертификацию на использование в их двигателях. Анализ научной литературы показал, что ТС-1 не уступает зарубежным аналогам (Jet A, Jet A1), а в температурном режиме даже превосходит. Проведенные исследования марок керосина спектральным методом доказывают, что эти марки практически не отличаются друг от друга так как кривые спектральных зависимостей коэффициента пропускания в ультрафиолетовом диапазоне длин волн имеют похожие особенности распределения. Данная работа может представлять интерес для химической, авиационной промышленностей, а также оптического приборостроения.
Список литературы
1. Литвинов А.А. Основы применения горюче-смазочных материалов в гражданской авиации: учебник для вузов. М.: Транспорт, 1987. 308 с.
2. Братков А.А., Серегин Е.П. Химмотология ракетных и реактивных топлив. М.: Химия, 1987. 304 с.
3. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа: учебное пособие для вузов. Уфа.: Гилем, 2002. 672 с.
4. Романов А.Д., Романов И.Д., Чернышов Е.А., Романова Е.А. РАЗВИТИЕ КОНЦЕПЦИИ «ЕДИНОГО ТОПЛИВА» В СТРАНАХ НАТО // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 9-1. С. 34-37.
5. Грядунов К.И., Маслова Т.М. Химмотология и контроль качества ГСМ. Авиационные топлива: учеб.-метод. пособие. М.: ООО «МИР», 2019. 56 с.
6. Lefebvre A.H., Ballal D.R. Gas Turbine Combustion Alternative Fuels and Emissions // International Renewable Energy Agency [Электронный ресурс] URL: https://www.irena.org/DocumentDownloads/Publications/IRENA_Biofuels_for_Aviation_2017.pdf (дата обращения: 02.08.2022).
7. Pickering J.W., Prahl S.A., Wieringen N.van, Beek J.F., Sterenborg H.J.C.M., Gemert M.J.C.van A Double integrating sphere system for measuring the optical properties of tissue // Applied Optics. 1993. Vol. 32. P. 399-410.
8. Арефьев А.В., Бородянский Ю.М., Майоров Е.Е., Дагаев А.В., Хохлова М.В., Гули-ев Р.Б. Разработка экспериментальной методики для фотометрического анализа нефтепродуктов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2020. № 9. C. 1-5 DOI: 10.25791/pribor.09.2020.1202.
9. Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Цыганкова Г.А., Машек А.Ч., Константинова А.А., Писарева Е.А. Спектральное исследование текстильного оптического отбеливателя и органического красителя // Научное приборостроение. 2021. Т. 31. № 1. С. 73-83. DOI: 10.18358/np-31-1-e010.
10. Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Майоров Е.Е., Коцкович В.Б., Пушкина В.П., Хохлова М.В. Спектрофотометрия основных дезинфицирующих веществ в ультрафиолетовом диапазоне длин волн // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2021. Т. 64. № 4. С. 294299. DOI 10.17586/0021-3454-2021-64-4-294-299.
11. Цыганкова Г.А., Майоров Е.Е., Колесниченко С.В., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А. Экспериментальное исследование разработанной спектроколориметриче-ской системы для изучения оптических свойств жидкофазных сред пищевой промышленности // Приборы. 2022. № 3 (261). С. 22-28.
12. Кузьмина Д.А., Мендоса Е.Ю., Шаламай Л.И., Майоров Е.Е., Нарушак Н.С., Черняк Т.А., Хохлова М.В. Применение метода спектроскопии для исследования образцов тканей зуба in vitro и стоматологических фотополимеров // Стоматология для всех. 2021. № 4. С. 4-9. doi.org/10.35 556/idr-2021-4(97)4-9.
13. Колесниченко С.В., Константинова А.А., Машек А.Ч., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Цыганкова Г.А. Фотометрия автомобильных моторных масел // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып.6. С. 83-88. DOI: 10.24412/20716168-2021-6-83-88.
14. Михальчевский Ю.Ю., Костин Г.А., Майоров Е.Е., Арефьев В.В., Гулиев Р.Б., Да-гаев А.В. Использование рефрактометрии для обеспечения предполетной подготовки воздушных судов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2021. № 10. С. 1-7. DOI: 10.25791/pribor.10.2021.1294.
15. Михальчевский Ю.Ю., Костин Г.А., Майоров Е.Е., Курлов В.В., Гулиев Р.Б., Да-гаев А.В. Оптико-электронный контроль противообледенительных жидкостей для обработки воздушных судов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып.10. С. 170-175. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-170-175.
16. Михальчевский Ю.Ю., Костин Г.А., Майоров Е.Е., Арефьев В.В., Хохлова М.В., Удахина С.В. Исследование противообледенительной жидкости оптоэлектронным рефрактометром // Научное приборостроение. 2021. Т.31. №4. С. 88-101.
Костин Геннадий Александрович, д-р техн. наук, доцент, g kostin@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации,
Черняк Татьяна Анатольевна, канд. экон. наук, доцент, 79119113039@,yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации,
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, majorov_ee@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Курлов Виктор Валентинович, канд. тех. наук, доцент, vitek543@ramblerl.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Таюрская Ирина Соломоновна, канд. экон. наук, доцент, tis_ivesep@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики
SPECTROPHOTOMETRY OF HYDROCARBON FUEL FOR SUBSONIC AIRCRAFT G.A. Kostin, T.A. Chernyak, E.E. Maiorov, V.V. Kurlov, I.S. Tayurskaya
This article is devoted to the spectrophotometry of hydrocarbon fuel for subsonic aircraft. The work is important for aviation in general, since the optical properties of these substances have not been studied well enough. The appearance and block diagram of a spectrophotometer operating in the ultraviolet wavelength range is presented. The study of aviation kerosene of different brands for subsonic aircraft in the ultraviolet wavelength range was carried out. The conducted studies of kerosene grades by the spectral method prove that these grades practically do not differ from each other, since the curves of spectral dependences of the transmission coefficient in the ultraviolet wavelength range have similar distribution features.
Key words: aviation kerosene, aircraft, subsonic aviation, spectrophotometer, ultraviolet wavelength range, spectrum, transmittance.
Kostin Gennady Aleksandrovich, doctor of technical sciences, docent, g_kostin@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University for Civil Aviation,
Chernyak Tatyana Anatolievna, candidate of economic sciences, docent, 79119113039@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University for Civil Aviation,
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, majorov_ee@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Kurlov Viktor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, vitek543@ramblerl.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Tayurskaya Irina Solomonovna, candidate of economic sciences, docent, tis_ivesep@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics
