不同配比下航空燃料性质变化理论分析

王宇辰

摘 要：伴随着航空工业的飞速发展，航空燃料也亟需进步。面对“先进航空、绿色航空”的要求，改良航空燃料性质迫在眉睫。为了更好地了解航空燃料各项性质以便于进一步的性质改良，该文针对密度、热值、闪点这3种性质进行了理论研究，分别使用基团键贡献法、键能法和基团贡献法对不同配比下相同组分航空燃料的性质变化情况进行了分析。通过理论分析，得出不同结构、不同碳数的组分对航空燃料总体性质的影响情况，对未来航空燃料的性质改良提供一定的理论基础。

关键词：先进航空燃料 密度 热值

中图分类号：V31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（b）-0021-03

在航空科学技术广泛的领域中，进步与发展日新月异。而在航空技术的发展进步过程中，作为能源的航空燃料的发展显得尤为重要。在能源紧缺、环境恶化、先进航空与绿色航空亟待发展的大环境影响下，航空燃料的发展面临着新的挑战与机遇。

随着近代航空工业的飞速进步，航空燃料一直在不断发展中。但由于目前燃油紧缺和价格上涨，航空燃料已成为制约我国航空产业发展的重要因素之一。为了更好地发展先进航空燃料，对其性质的理论研究已成为当务之急。当前人们对喷氣燃料的研究主要集中在合成燃料、生物燃料及改性燃料3个方面，其中合成燃料成本相对较高；生物燃料有着广阔的前景，但仍处于试验阶段。在这种背景下，改性航空燃料不失为一种经济有效的方法。

该文通过改变航空燃料的配比及分析，以改良航空燃料的性能，从而提高航空燃料的利用率，降低飞行的风险，推动航空工业的发展。同时，在分析过程中，会对分子的结构与航空燃料的性能之间的关系加以总结，以便对完整的航空煤油组分结构进行理论分析。

1 研究过程

设计好的各配比的组分含量见表1。

1.1 航空燃料的密度

1.1.1 密度计算方法——基团键贡献法

密度在航空燃料的性质中占有很重要的位置。考虑到机身自重，所以要分析出燃料随配比变化而有所有益的一项，减轻飞机的重量，从而降低能耗。

研究密度有多种方法，比如LK方程、基团贡献法、基团键贡献法等。综合各方法利弊，选择基团键贡献法作为该文研究密度的计算方法。

基团键贡献法中的基团键是指两个基团之间形成的化学键。基团键的重点是考虑化学键所连接的基团，而不是原子。相比较其他计算密度的方法而言，基团键贡献法不仅计算量较小，而且考虑了基团的特性和链接性，能够更好地区分同分异构体，有着较强的区分结构的能力，有助于研究组分结构对密度变化的影响。

1.1.2 相关计算公式

定义GBi以确定基团键的种类和数目：

GB

密度ρ与分子结构密切相关，对于基团键GBi表征的分子结构而言，其密度ρ必然为GBi的函数，使用数学方法做近似的处理。考虑到不同基团键对密度的影响程度不同以及当基团键数目无限增加时密度区域有限值这一客观事实，故选择密度函数为：

其中，n（GBi）为基团键GBi的数目；ci和wi为与基团键特性有关的常数。这些常数均可查表获得。

1.1.3 计算结果与讨论

分析比较表2数据可知，设计配比为配比3的航空燃料密度值最大。配比2设计中直链烷烃组分与配比3相同，配比4设计中单支链烷烃组分与配比3相同，配比5设计中双支链烷烃组分与配比3相同，这3种配比密度值都低于配比3，因此没有一种结构对密度产生明显影响。而相对与配比1，配比3提高了各组结构中碳原子数较高化合物的组分含量，配比1为全组中计算密度值最低的配比，因此可以认为主要是各组结构中碳原子数目对混合物密度值造成影响。

1.2 航空燃料的热值

1.2.1 热值的计算方法——键能法

考虑到当代喷气式飞机的高速飞行需要强大的动力支持，所以要分析不同配比下的航空燃料的热值，选择出其中热值较高的一项，从而提高飞行效率，减小不必要的能耗。

在物理化学中，求解热值有多种方法。该文选择键能法作为航空燃料热值的计算方法。

键能法中，化学键的键能定义为把拆开1 mol某化学键所吸收的能量，通常用E表示，单位为kJ/mol或kJ·mol-1。那么，反应热ΔH等于反应物的键能总和与生成物的键能总和之差。而1 mol某物质的燃烧所放出的热量为该物质的摩尔生成热即为该物质的热值。

1.2.2 相关计算公式

对于化学反应而言，其实质就是旧键的断裂和新键的生成，所以说化学键在燃烧中是需要十分关注的一项。热值的相关计算公式为：

ΔH=∑E（反应物）-∑E（生成物）

其中，ΔH为反应物的热值解；∑E（反应物）为反应物的键能总和；∑E（生成物）为生成物的键能总和。

对于航空燃料而言，其中的组分大部分为烷烃。而对于烷烃而言，其燃烧反应过程中，化学键类型主要为：C-C、C-H、O=O、C=O、O-H，查询JANAF表，得到5种化学键的键能。

1.2.3 计算结果与讨论

分析比较表3的数据可知，在6组设计配比中配比3的热值最大。配比2与配比6中碳原子数目相同，而结构不同，但二者的热值计算结果确实一致。同样地，配比4与配比5亦是如此。由此可见，未有一种结构对热值产生明显影响。而由配比1到配比2、6到配比4、5再到配比3，各组的结构中碳原子数较高化合物的组分含量增加，因此可认为混合物热值的主要影响因素为各组结构中碳原子数目。

1.3 航空燃料的闪点

1.3.1 闪点计算方法——基团贡献法

当代喷气式飞机由于飞行速度很快，所以需要在短时间内燃烧大量的航空燃料来提供动力。航空燃料的闪点若是不高，那么其进入燃料室中便极其容易发生剧烈的反应。

常见的闪点计算方法有多种，例如Lydersen方程、定位分布贡献法、基团贡献法等等。其中基团贡献法利用烃类混合物中每一个基团的特性分别进行计算，其计算结果与烃类混合物的闪点实验值较为接近，选取基团贡献法作为该文关于闪点的计算方法。

在基团贡献法中，通过对于不同的基团的分析，从而进一步确定分子的结构特征，更好地估算出混合物的闪点。因此也能够从六组配比中选择出闪点较高的一组，提高航空燃料的性能。

1.3.2 相关计算公式

混合物的闪点是很重要的，但是对于混合物闪点实验上的测定却是十分困难的。所以，综合Li的体积分数法和Castillo的热容分数法，可将分子结构特征与混合物临界温度的关系表示为：

δi=，TδiT闪點i

式中，Yi为组分i的摩尔分数；T闪点i为组分i的闪点；Fi为与分子结构特征相关的函数。而由气体热容数据确定的Fi与分子结构特征的关系为：

式中R=1.99，分子结构特征参数ai、bi，参数Δi的数值均为查表得出。

1.3.3 计算结果与讨论

分析比较表4中的数据可知，设计配比为配比6的航空燃料的闪点最大。同时，配比3的闪点也为较高，仅与配比6的闪点相差约为0.304 K，与配比6的闪点几乎相近。配比1与配比5中碳原子数较少的组分含量较多，配比2和配比4支链的组分含量较少。而相比较其他配比而言，配比3和配比6中双支链的烷烃含量较多。因此可以认为主要是各组结构中支链数目对混合物闪点造成影响。

2 数据整理与分析

综合第2节的研究过程中的结论与分析，可以粗略地总结出与航空燃料的密度、热值以及闪点的变化规律。第一，航空燃料组分中的碳原子数目对密度有着主要的影响，碳原子数的烷烃含量越多，那么航空燃料的密度就越大。第二，航空燃料的热值大小仍取决于其中高碳含量组分的多少，高碳含量组分越多，其热值越高。第三，对于闪点而言，其大小则取决于燃料中支链的多少，支链较多、结构较为复杂的烷烃组分的含量越大，航空燃料的闪点就高。

综合表4以及表3，配比3的热值、闪点在所设计的6种配比中较大，这用于航空燃料可以对于发热量以及安全性方面作出基本的保障。虽然配比3的密度在所设计的六种配比中的密度较大，可能会对航空发动机燃油总质量造成一定的影响。但是对比热值和闪点的优势而言，该文认为其优势可以弥补密度所造成的损失。因此，在目前6种设计配比中，配比3为最优配比。

由于此次研究仅针对航空煤油RP-3的26.2%进行，旨在定性层面对不同配比下航空燃料性质随混合物各组分结构、碳数变化的可能变化进行研究，日后可以参考此次研究结果，对完整的航空煤油组分结构进行理论分析，从而选择出更好的、优质的、先进的航空燃料配比组成。

3 结语

该文针对传统航空燃料性能上的不足，利用改变航空燃料的配比的方法来提高燃料的性能。通过对不同配比下航空燃料性能的分析，发现有些配比下的航空燃料的性能有着明显的提高。同时，笔者也总结出分子结构、碳原子数目等与航空燃料性能之间的规律，以便分析其他航空燃料性能的使用。综上，该文完成了不同配比下航空燃料性质变化的理论分析，为未来先进航空燃料发展提供了一定理论基础。

参考文献

[1] 赵晶，郭放，阿鲁斯，等.未来航空燃料原料可持续性研究[J].北京航空航天大学学报，2016（11）：2378-2385.

[2] 张维涛，于雁武.集团贡献人工神经网络集成法估算有机物物性研究进展[J].中国粘胶剂，2015（4）：46-48.

[3] 石强，左阳，戎宗明.混合溶剂闪点的预测[J].消防科学与技术，2015（2）：165-169.