高能合成煤油GN-1性能研究

doi:10.13675/j.cnki.tjjs.200628

推进技术 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (7): 1671-1680.DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200628

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高能合成煤油GN-1性能研究

张星，姚传奇，蒋榕培，游岳，孙海云，方涛

北京航天试验技术研究所航天绿色推进剂研究与应用北京市重点实验室，北京 100074

出版日期:2021-07-15 发布日期:2021-08-15
作者简介:张　星，硕士，工程师，研究领域为液体推进剂。E-mail：zxzx03@163.com

Performance of High Energy Synthetic Kerosene GN-1

Beijing Key Laboratory of Research and Application for Aerospace Green Propellants， Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 100074，China

Online:2021-07-15 Published:2021-08-15

摘要/Abstract

摘要： 为了获得高能合成煤油（GN-1煤油）物化性能随温度和压力的变化规律，掌握GN-1煤油与现役火箭煤油在应用特性方面的差异，采用理论计算和实验方法，对GN-1煤油在物化性能（密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力）变化规律、安全特性（闪点、自燃温度、燃点、爆炸极限、毒性）、流动传热与结焦特性以及点火延迟特性进行了研究，并与火箭煤油进行了对比。通过实验研究得到了最高温度不超过200℃，最高压力不超过25MPa下GN-1煤油的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力实验数据，结合理论计算，获得了GN-1煤油在-40~350℃，0.1~60MPa内热物性变化规律，并与火箭煤油进行了对比。此外，研究结果还表明：GN-1煤油的闪点为40℃（低于火箭煤油闪点74℃），自燃温度为305℃（高于火箭煤油自燃温度225℃），燃点为47℃（低于火箭煤油燃点82℃），爆炸极限为0.44%～2.9%（40℃），GN-1煤油和火箭煤油急性经口毒性LD₅₀＞5000mg/kg。在入口压力10MPa，流速10m/s，内壁温480℃条件下，GN-1煤油的传热系数比火箭煤油提高14.4%。在采用GH3128高温合金管条件下，GN-1煤油出口油温220℃时试验段平均结焦速率是出口油温150℃时的4.43倍，GN-1煤油316L不锈钢管路中试验段平均结焦速率为GH3128高温合金管路中的22.3%。在970～1105K内，GN-1煤油的点火延迟时间为火箭煤油的55.6%～69.3%。

关键词: 高能合成煤油;GN-1;液氧/煤油;理化性能;安全性能;流动传热

Abstract: In order to obtain the change law of the physical and chemical properties of high-energy synthetic kerosene （GN-1 kerosene） with temperature and pressure， and to grasp the difference in application characteristics between GN-1 kerosene and rocket kerosene in service， theoretical calculations and experimental methods were used to investigate the physical and chemical properties （density， viscosity， constant pressure specific heat capacity， thermal conductivity， surface tension） change law， safety characteristics （flash point， spontaneous combustion temperature， ignition point， explosion limit， toxicity）， flow heat transfer and coking characteristics， and ignition delay characteristics， which were compared with rocket kerosene. The experimental data of density， viscosity， specific heat capacity， thermal conductivity and surface tension of GN-1 kerosene at the highest temperature not exceeding 200℃ and the highest pressure not exceeding 25MPa were obtained through experimental research. The physical and chemical properties change laws in the range of -40~350℃， 0.1~60MPa of GN-1 kerosene were obtained by theoretical calculations， which were compared with rocket kerosene. In addition， the research results also show that the flash point of GN-1 kerosene is 40℃ （lower than that of rocket kerosene 74℃）， the spontaneous combustion temperature is 305℃ （higher than that of rocket kerosene 225℃ ）， and the ignition point is 47℃ （lower than that of rocket kerosene 82℃）， the explosion limit range of GN-1 kerosene is 0.44%~2.9% （40℃）， the acute oral toxicity LD₅₀ values of GN-1 kerosene and rocket kerosene are both over 5000mg/kg. At an inlet pressure of 10MPa， a flow rate of 10m/s， and the inner wall temperature of 480°C， the heat transfer coefficient of GN-1 kerosene is 14.4% higher than that of rocket kerosene. Under the condition of using GH3128 high temperature alloy pipe， the test section average coking rate at the outlet oil temperature of GN-1 kerosene at 220℃ is 4.43 times that of the outlet oil temperature at 150℃. The test section average coking rate of GN-1 kerosene in the 316L stainless steel pipeline is 22.3% that in the GH3128 high temperature alloy pipeline. In the temperature range of 970～1105K， the ignition delay time of GN-1 kerosene is 55.6%～69.3% that of rocket kerosene.

Key words: High-energy synthetic kerosene;GN-1;Liquid oxygen/kerosene;Physical and chemical properties;Safety properties;Flow heat transfer

张星，姚传奇，蒋榕培，游岳，孙海云，方涛. 高能合成煤油GN-1性能研究[J]. 推进技术, 2021, 42(7): 1671-1680.

ZHANG Xing, YAO Chuan-qi, JIANG Rong-pei, YOU Yue, SUN Hai-yun, FANG Tao. Performance of High Energy Synthetic Kerosene GN-1[J]. Journal of Propulsion Technology, 2021, 42(7): 1671-1680.

参考文献

[1] Edwards T. Liquid Fuels and Propellants for Aerospace Propulsion： 1903-2003［J］. Journal of Propulsion and Power， 2003， 19： 1089-1107.
[2] Sutton G P. History of Liquid-Propellant Rocket Engines in Russia， Formerly the Soviet Union［J］. Journal of Propulsion and Power， 2003， 19： 1008-1037.
[3] Meshcheryakov A P， Glukhovtsev V G， Petrov A D. Synthesis of 1-Methyl-1， 2-dicyclopropylcyclopropane［J］. Russia Doklady Akademii Nauk： Russian Academy of Sciences， 1960， 130（4）： 779-781.
[4] Sutton G P. History of Liquid Propellant Rocket Engines［M］. Reston： American Institute of Aeronautics and Astronautics， 2005.
[5] Semenov Yu P， Sokolov B A， Chernykh S P， et al. Multiple Strained-Ring Alkane as High-Performance Liquid Rocket Fuel［P］. Russia： 2233385 2， 2004-07-27.
[6] Azov V， Vorontsov D. The Last Battle of Hydrocarbons？［J］. Novosti Kosmonavtiki， 2008， 18（301）： 44-46.
[7] 孙海云，蒋榕培，李春红，等. 高能合成煤油GN-1理化性能及应用分析［J］. 载人航天， 2016（5）： 619-623.
[8] 张忠利，张蒙正，周立新. 液体火箭发动机热防护［M］. 北京：国防工业出版社， 2016.
[9] 段远源，林鸿. 比容平移法修正立方型状态方程［J］. 化工学报， 2006， 57： 21-26.
[10] Baled H， Enick R M， Wu Y， et al. Prediction of Hydrocarbon Densities at Extreme Conditions Using Volume-Translated SRK and PR Equations of State Fit to High Temperature， High Pressure PVT Data［J］. Fluid Phase Equilibria， 2012，（317）： 65-76.
[11] Frey K， Augustine C， Ciccolini R P， et al. Volume Translation in Equations of State as a Means of Accurate Property Estimation［J］. Fluid Phase Equilibria， 2007， 260： 316-325.
[12] 张光友，彭清涛，盛涛. 气相色谱-质谱法分析火箭煤油组成的再研究及火箭煤油蒸汽的组成分析［J］. 导弹与航天运载技术， 2011（4）： 59-62.
[13] Chung T H， Ajlan M， Lee L L， et al. Generalized Multiparameter Corresponding State Correlation for Nonpolar and Polar Fluid Transport Properties［J］. Industrial and Engineering Chemistry Research， 1988， 27 （4）： 671-679.
[14] Assael M J， Papalas T B， Huber M L， Reference Correlations for the Viscosity and Thermal Conductivity of n-Undecane［J］. Journal of Physical and Chemical Reference Data， 2017， 46（3）.
[15] Schaschke C， Fletcher I， Glen N. Density and Viscosity Measurement of Diesel Fuels at Combined High Pressure and Elevated Temperature［J］. Processes， 2013， 1（2）： 30-48.
[16] 王瑞. 碳氢化合物热导率的推算及甲基环己烷热导率的实验测量［D］. 西安：西安交通大学， 2018.
[17] 童钧耕，吴孟余，王平阳. 高等工程热力学［M］. 北京：科学出版社， 2006.
[18] Poling B E， Prausnitz J M， O'connell J P. The Properties of Gases and Liquids［M］. New York： Mcgraw-Hill， 2001.
[19] 马瀚英. 航天煤油［M］. 北京：中国宇航出版社， 2003.
[20] Hawkins T W， Brand A J， McKay M B， et al. Reduced Toxicity， High Performance Monopropellant at the US Air Force Research Laboratory［R］. USA： Air Force Research Lab Edwards AFB CA Propulsion Directorate， 2010.
[21] Rahimi S， Peretz A， Natan B. Rheological Matching of Gel Propellants［J］. Journal of Propulsion and Power， 2010， 26（2）： 376-379.
[22] GB/T 267-1988（2004），石油产品闪点和燃点测定法（开口杯法）［S］.
[23] Suzuki T， Ohtaguchi K， Koide K. Correlation and Prediction of Autoignition Temperatures of Hydrocarbons Using Molecular Properties［J］. Journal of Chemical Engineering of Japan， 1992， 25（5）： 606-608.
[24] Edwards T. "Kerosene" Fuels for Aerospace Propulsion-Composition and Properties［C］. Indiana： 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit， 2002.
[25] Economic Commission for Europe. Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals （GHS） Eighth Revised［M］. New York： United Nations Publications， 2009.
[26] GB 15193.3-2014，食品安全国家标准急性经口毒性试验［S］.
[27] Dittus F W， Boelter L M K. Heat Transfer in Automobile Radiators of the Tubular Type［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer， 1985， 12（1）： 3-22.
[28] Stiegemeier B， Meyer M L， Taghavi R. A Thermal Stability and Heat Transfer Investigation of Five Hydrocarbon Fuels： JP-7， JP-8， JP-8+100， JP-10， and RP-1［R］. AIAA 2002-3837.
[29] 秦江，章思龙. 高超声速冲压发动机热防护技术［M］. 北京：国防工业出版社， 2019.
[30] Jackson P R S， Young D J， Trimm D L. Coke Deposition on and Removal from Metals and Heat-Resistant Alloys under Steam-Cracking Conditions［J］. Journal of Materials Science， 1986（21）： 4376–4384.
[31] Altin O， Eser S. Analysis of Carboneceous Deposits from Thermal Stressing of a JP-8 Fuel on Superalloy Foils in a Flow Reactor［J］. Industrial and Engineering Chemistry Research， 2001， 40（2）： 589-595.
[32] Liu Guozhu， Wang Xuqing， Zhang Xiangwen. Pyrolytic Depositions of Hydrocarbon Aviation Fuels in Regenerative Cooling Channels［J］. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis， 2013（104）： 384-395.
[33] 曾群. 过渡金属镍对碳氢燃料的催化结焦作用的研究［J］. 广东化工， 2014， 41（12）： 76-77.
[34] 周伟星，贾贞健. 冲压发动机碳氢燃料技术［M］. 北京：国防工业出版社， 2019.
[35] 梁金虎，王苏，张灿，等. RP-3航空煤油点火特性研究［J］. 力学学报， 2014， 46（3）： 352-360.
[36] Qin Z， Yang H， Gardiner W C. Measurement and Modeling of Shock-Tube Ignition Delay for Propene［J］. Combustion and Flame， 2001， 124（1）： 246-254.

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