Производство гидрожидкостей для авиационной техники в России (обзор)

Введение

Создание современных летательных аппаратов требует разработки новых материалов, а также проектирования узлов и агрегатов, позволяющих достичь высоких показателей летных характеристик [1–3]. В настоящее время в области самолетостроения применяются три основные системы дистанционного управления: электрическая, пневматическая и гидравлическая.

В данной статье рассмотрены гидравлические жидкости (гидрожидкости), применяемые на воздушных судах Российской Федерации, в качестве рабочих жидкостей в наиболее распространенной гидравлической системе управления (гидросистеме). Основным назначением таких систем является передача на расстояние мощности, необходимой для приведения в действие агрегата с помощью рабочего тела – гидрожидкости, которая является рабочей средой гидросистемы [4], например, для обеспечения работоспособности механизмов подъема и выпуска шасси, закрылков, люков, створок, а также управления узлами силовой установки, устройством гасителя колебаний, торможения колес и т. д.

Широкое использование гидравлики в летательных аппаратах обусловлено тем, что при небольших габаритах гидросистема обладает малой инерционностью и, как следствие, обеспечивает оперативное действие исполнительных механизмов. К недостаткам можно отнести относительно большую массу рабочего тела, трубопроводов и агрегатов, а также зависимость их работы от температуры окружающей среды, что во многом определяется типом используемой гидрожидкости. Помимо этого, в случае нарушения целостности трубопроводов и агрегатов теряется герметичность, что может привести к отказу гидравлической системы.

Характер управления гидроагрегатами, устойчивость эксплуатационных характеристик [5–8] и надежность работы системы в целом в большой степени зависят от свойств применяемой рабочей гидрожидкости. Агрегаты и системы-потребители расположены на самолете в различных частях конструкции, удаленных друг от друга. Для управления ими необходима гидросистема, разветвленная по всему воздушному судну, что, в свою очередь, не позволяет обеспечить единые температурные условия работы узлов при эксплуатации самолета. С учетом этого исследования и разработка гидрожидкостей всегда направлены на улучшение эксплуатационных характеристик гидроагрегатов.

Требования к гидравлическим жидкостям

Развитие и усовершенствование летательных аппаратов привело к расширению областей применения гидросистем и, как следствие, к увеличению перечня требований, предъявляемых к гидрожидкостям. Это в первую очередь касается основных характеристик гидрожидкостей, которые определяют длительную и безаварийную эксплуатацию гидросистемы в заданных условиях.

К наиболее значимым эксплуатационным характеристикам гидрожидкостей можно отнести малую плотность, высокую теплопроводность, гидролитическую устойчивость, термоокислительную стабильность, низкую коррозионную активность, а также хорошие вязкостные свойства в широком диапазоне температур. Вязкость гидрожидкости должна оставаться стабильной в процессе эксплуатации под действием механических и динамических нагрузок. Важна также способность гидрожидкости создавать смазочную пленку даже при малой вязкости.

Если учитывать температуры эксплуатации, то современные гидрожидкости должны быть пригодны к использованию в температурном диапазоне по меньшей мере от –54 до +135 °С, поскольку при данных температурах невозможно применение воды или смазочных масел на растительной основе.

Следует также отметить требования к взрывобезопасности гидрожидкостей. Гидрожидкость должна характеризоваться низким давлением насыщенных паров, высокими значениями температур кипения и самовоспламенения, а для выполнения требований по пожаробезопасности (при разгерметизации гидросистемы в аварийной ситуации) температура вспышки паров жидкости должна быть не менее 160 °С.

Помимо вышеперечисленного, гидрожидкости должны быть нетоксичными и иметь низкую стоимость.

При создании первых авиационных гидрожидкостей в качестве основы использовали растительные масла. В настоящее время наряду с материалами на масляной основе используют различные синтетические вещества, такие как α-полиолефины, эфиры кремниевой и фосфорной кислот, галоидированные углеводороды, сложные органические эфиры, полиорганосилоксаны, гликоли, водомасляные эмульсии, силаны и т. д.

Распространенные гидравлические жидкости,

используемые за рубежом

Свойства гидравлических жидкостей, используемых в военных и пассажирских самолетах, зависят от задач конкретного применения и окружающей среды [9]. Далее приведены некоторые из них, применяемые в зарубежной авиации.

Гидравлическая жидкость MIL-H-5606 используется на многих самолетах более 50 лет – например, на некоторых самолетах военно-воздушных сил США и бизнес-джетах. Однако она легко воспламеняется, что, по-видимому, являлось причиной крушения военных самолетов в прошлом, поэтому в настоящее время использование этой жидкости ограничено.

Гидравлическая жидкость MIL-H-83282, используемая в самолетах с 1982 г., популярна в первую очередь в связи с тем, что она намного менее воспламеняема, чем жидкость MIL-H-5606. Однако она более вязкая при низких температурах – нижний предел эксплуатации всего –40 °С.

Гидравлическая жидкость MIL-H-87257, используемая в самолетах C135, E3 и U2, менее горюча, чем жидкость MIL-H-5606, и может сохранять текучесть при температуре до –54 °С, поэтому она стала более востребованной для применения в новых самолетах.

Производимая компанией Eastmen Aviation Solutions по технологии Skydrol™ жидкость на основе эфира фосфорной кислоты стала популярной в отрасли как первая огнестойкая гидравлическая жидкость.

Гидрожидкость Hyjet™ производства компании ExxonMobil совместима со всеми гидравлическими жидкостями типов IV и V, эластомерами и другими материалами гидравлических систем.

Mobil HyJet V – огнестойкая гидравлическая жидкость на основе эфира фосфорной кислоты, одобреная для всех коммерческих авиационных систем с гидравлическим давлением 5000 PSI (34 МПа).

Помимо этого, гидравлические жидкости для авиации производятся фирмами Shell и NYCO [10].

Гидравлические жидкости в российской авиации

Развитие российской авиации привело к расширению областей применения гидросистем и, как следствие, к увеличению перечня требований, предъявляемых к гидрожидкостям. Так, повышение температур эксплуатации узлов и агрегатов воздушных судов потребовало увеличения температур самовоспламенения и вспышки рабочего тела гидросистемы. Большое внимание стало уделяться термоокислительной стабильности, коррозионной активности и т. д.

В настоящее время в гидросистемах российских самолетов в качестве рабочих жидкостей широко применяются отечественные гидрожидкости типа 7-50С-3 и масло АМГ-10 [11], а также зарубежные жидкости марок Skydrol LD-4, Skydrol 500В-4, НyJet-IV-А^plus и Nycolube 934. Сопоставление российских разработок с импортными аналогами представлено в табл. 1.

Таблица 1

Российские гидрожидкости и их зарубежные аналоги [12]

На воздушных судах также применяется гидравлическое масло МГЕ-10А с невысокой рабочей температурой, которое представляет собой загущенную нефтяную основу с антиокислительной и противоизносной присадками. Масло МГЕ-10А предназначено в качестве рабочей жидкости для гидравлических устройств, работающих в интервале температур от –55 до +100 °С.

В 1993 г. во ВНИИ НП совместно с ВИАМ была разработана негорючая гидрожидкость НГЖ-5у с температурой самовоспламенения ˃590 °С и температурой вспышки в открытом тигле ˃155 °С. Температурный интервал использования жидкости находился в пределах от –60 до +125 °С с перегревами до 150 °С. По своей природе жидкость представляла собой смесь эфиров фосфорной кислоты с присадками, улучшающими вязкостные, антигидролизные, антиокислительные, антикоррозионные и антиэрозионные свойства. В настоящее время ПАО «НК Роснефть» – МЗ «Нефтепродукт» (г. Москва) прекратил выпуск данной жидкости из-за перехода отечественных воздушных судов на зарубежные аналоги Skydrol LD-4 и НyJet-IV-А^plus.

В перечне применяемых в российской авиации гидрожидкостей присутствовала жидкость для узкой области применения – рабочая жидкость ЛЗ-МГ-2 (поставлялась по ТУ 38.101328–81 Ленинградским ОНМЗ им. Шаумяна), представлявшая собой смесь из нефтяной фракции, загустителя и ингибитора окисления. Температура самовоспламенения этой жидкости – более 250 °С, а температура вспышки в открытом тигле – более 92 °С. Жидкость предназначалась для использования при температурах от –60 до +125 °С в контакте с воздухом или азотом, с непродолжительными перегревами до 150 °С в контакте с азотом.

В данной статье будет более подробно рассмотрена история разработки двух гидрожидкостей российского производства – рабочей жидкости 7-50С-3 и масла АМГ-10, поскольку их применение на территории РФ наиболее распространено.
В статье также представлена информация, основанная на результатах исследований и испытаний, выполненных коллективом рабочей группы ВИАМ, разрабатывающей составы гидрожидкостей и начавшей свою деятельность под руководством Л.В. Горнец.

Рабочая жидкость 7-50С-3

Рабочая жидкость 7-50С-3 представляет собой смесь полисилоксановой жидкости и органического эфира с добавками противоизносной присадки и ингибиторов окисления. Основные физико-химические характеристики рабочей жидкости 7-50С-3 представлены в табл. 2.

Таблица 2

Основные физико-химические характеристики рабочей жидкости 7-50С-3 [13]

Жидкость 7-50С-3 является высокотемпературной – температурный интервал ее эксплуатации составляет от –60 до +200 °С [13]. Отработка ее состава и технологии велась на предприятии ГОСНИИ ГА с 1960 г. В 1976 г. Министерством химической и нефтеперерабатывающей промышленности СССР введен ГОСТ 20734–75 с изменениями 1–6, действующий и в настоящее время. Производство организовано на Московском нефтемаслозаводе.

Однако после разработки финального состава жидкости 7-50С-3 в связи со сложностями, связанными с доступностью сырьевой базы, выполнена отработка возможности использования компонентов различных производителей в составе гидрожидкости. В 1976 г. разработана новая технология получения диоктилсебацината (ДОС). На Московском нефтемаслозаводе изготовлена опытная партия жидкости 7-50С-3 с использованием термостабильного ДОС, однако опытный образец жидкости не соответствовал квалификационным нормам.

В 1978 г. изготовлена опытная партия гидрожидкости 7-50С-3 с использованием в качестве исходного сырья жидкости № 7 (ГОСТ 25149–82). Опытная партия этой жидкости также не соответствовала квалификационным нормам.

В 1979 г. изготовлена опытная партия гидрожидкости 7-50С-3 с использованием жидкости № 7 с вязкостью 1400 мм²/с при температуре –60 °С. Эта опытная партия соответствовала нормам ГОСТ 20734–75 и по результатам квалификационных испытаний была допущена к применению наравне с уже имеющейся на рынке жидкостью, поставляемой по МРТУ 38-1-195‒66 [14].

В 1996 г. с целью перехода на отечественное сырье проведены квалификационные испытания жидкости 7-50С-3, изготовленной с использованием жидкости № 7, полученной на Славгородском химическом заводе ПО «Алтайхимпром», взамен жидкости № 7 производства завода «Кремнийполимер» (г. Запорожье, Украина). Новая жидкость 7-50С-3 выдержала квалификационные испытания.

В 1997 г. изготовлен опытный образец жидкости 7-50С-3 с применением ДОС производства Кусковского завода (г. Москва). Опытный образец жидкости 7-50С-3 не соответствовал квалификационным нормам.

С 1999 г. ЗАО «АвиаТехМас-НН» начал выпуск серийных партий жидкости 7-50С-3 по ГОСТ 20734–75 на своих промышленных площадях, ранее жидкость 7-50С-3 изготавливалась только на АО «МНМЗ».

В 2001 г. проведены квалификационные испытания опытного образца рабочей жидкости 7-50С-3 производства АО «МНМЗ» с использованием термостабильного ДОС, который производился на Кусковском заводе (г. Москва), взамен ДОС производства Новосибирского химзавода. Результаты всех испытаний были положительными.

В 2003 г. на ЗАО «СовХимТех» (г. Нижний Новгород) организован выпуск опытно-промышленной партии жидкости 7-50С-3, соответствующей квалификационным нормам.

В настоящее время список предприятий, имеющих допуск к производству рабочей жидкости 7-50С-3 по ГОСТ 20734–75, включает: АО «НПЦ Спецнефтьпродукт», ООО «Пластнефтехим», ЗАО «Современные химические технологии» (ЗАО «Совхимтех»), ООО «Обнинскорг-синтез», ООО «Новочеркасский завод смазочных материалов» [11].

Масло АМГ-10

Масло АМГ-10 представляет собой базовую смесь глубокодеароматизированной низкозастывающей фракции, получаемой из продуктов гидрокрекинга смеси парафинистых нефтей и состоящей из нафтеновых и изопарафиновых углеводородов, загущающей, антиокислительной, противоизносной присадок и красителя [15, 16]. Масло АМГ-10 является горючей жидкостью с температурой вспышки в открытом тигле не менее 93 °С и эксплуатируется в интервале температур от –50 до +125 °С в контакте с воздухом или азотом с непродолжительными перегревами до 150 °С [15].

Начиная с 1940-х гг., в ВНИИ НП и ГОСНИИ ГА (г. Москва) проводили отработку технологий изготовления масла АМГ-10. В 1975 г. Миннефтехимпромом СССР был разработан ГОСТ 6794–75, к которому в дальнейшем были выпущены изменения 1–5, и в настоящее время действует ГОСТ 6794–2017. Основные физико-химические характеристики масла АМГ-10 представлены в табл. 3.

В настоящее время состав масла АМГ-10 значительно изменился. Так, до 1970-х гг. серийное масло АМГ-10 изготавливали из дистиллята балаханской нефти. Позже запасы этой нефти резко сократились, в связи с чем она больше не могла являться перспективным сырьем для производства масла АМГ-10. Возникла необходимость исследовать возможность использования исходного сырья с других месторождений, которые обеспечили бы получение требуемых объемов масла АМГ-10 соответствующего качества.

Таблица 3

Основные физико-химические характеристики масла АМГ-10 [15]

В 1976 г. на Горьковском ОПНМЗ им. 26 Бакинских комиссаров изготовлена опытно-промышленная партия жидкости АМГ-10Б, которая выдержала испытания по определению физико-химических характеристик.

В 1982 г. на Горьковском НМЗ изготовлен образец масла АМГ-10 с использованием антиокислительной присадки (α-нафтол) производства ЧССР. По результатам квалификационных испытаний данный образец масла АМГ-10 соответствовал квалификационным нормам.

В 1987 г. на Горьковском ОПНМЗ изготовлен опытный образец масла АМГ-10 с использованием винипола ВБ-2. Образец не выдержал испытания по комплексу методов квалификационной оценки рабочих жидкостей для гидросистем самолетов.

В 1988 г. изготовлен опытный образец масла АМГ-10 на основе волгоградского сырья. Образец не соответствовал квалификационным нормам.

В 1990 г. с целью замены в составе масла АМГ-10 импортного α-нафтола на отечественную присадку фенил-α-нафтиламин (неозон «А») проведены квалификационные испытания опытного образца масла АМГ-10. Образец выдержал испытания по комплексу методов квалификационной оценки рабочих жидкостей для гидросистем самолетов.

В 1991 г. на Горьковском ОПНМЗ и Волгоградском НПЗ также изготовлены опытно-промышленные партии масла АМГ-10 на волгоградском нефтяном сырье, обе партии прошли квалификационные испытания.

В 1992 г. изготовлена промышленная партия масла АМГ-10, производства фирмы «Варя» (г. Нижний Новгород). По результатам квалификационных испытаний образец соответствовал квалификационным нормам.

С целью расширения производства масла АМГ-10 и обеспечения потребности в нем, в 1993 г. проведены квалификационные испытания опытного образца масла АМГ-10, изготовленного на МОПЗ «Нефтепродукт». Образец выдержал квалификационные испытания.

По данным Федеральной авиационной службы России, в 1998 г. Казахстаном прекращена поставка в Россию основной присадки типа Винипол. Производство основы жидкости АМГ-10 на Волгоградском предприятии также было прекращено, что грозило привести к остановке эксплуатируемого парка воздушных судов.

На ЗАО «АвиаТехМас» в 2000 г. изготовлен опытный образец масла АМГ-10, соответствующего требованиям ГОСТ 6794–75, с заменой производителя загущающей присадки Винипол ВБ-2. В том же году был изготовлен опытно-промышленный образец масла АМГ-10, который выдержал квалификационные испытания.

В 2007 г. ОАО «НК «Роснефть» – МЗ «Нефтепродукт» изготовил опытно-промышленный образец масла АМГ-10, однако данный образец квалификационные испытания не прошел.

Аналогичные результаты были получены при исследовании опытно-промышленного образца, разработанного в  ООО «НПП КВАЛИТЕТ» в 2008 г.

В 2009 г. квалификационные испытания успешно прошел образец масла, разработанного в ООО «Лукойл-Волгограднефтепереработка».

В настоящее время предприятия АО «Обнинскоргсинтез», ООО «ЛЛК-Интернешнл» (ПП в г. Волгоград), ООО «Пластнефтехим», АО «НПЦ Спецнефтепродукт» и ООО «Полиэфир» имеют допуск к производству и применению масла АМГ-10 по ГОСТ 6794–2017 [11].

Таким образом, в результате накопленного опыта имеются рабочие составы гидрожидкостей и технологии их изготовления. Все ведущие производители заинтересованы в доработке состава путем введения в него компонентов, производимых на собственных производственных площадях.

Разработка новых российских гидрожидкостей для самолетов

Широко распространенное в отечественных гидросистемах масло АМГ-10 (как и другие гидравлические жидкости с загустителем) при эксплуатации подвергается механической деструкции, а также в процессе работы наблюдается окисление масла под действием кислорода воздуха. Кроме того, в составе АМГ-10 происходит накопление механических примесей в результате истирания уплотнительных резин, механического разрушения защитных покрытий металлов из-за больших скоростей гидравлических потоков, а также других продуктов эксплуатации. Все это постепенно приводит к уменьшению вязкости жидкости (до 42 %) [16], увеличению ее кислотного числа, содержания воды и механических примесей, что вызывает необходимость периодической смены жидкости в системе. К недостаткам жидкости АГМ-10, помимо прочего, можно отнести низкое значение температуры вспышки [16].

Для решения возникающих технологических проблем – как с жидкостью АГМ-10, так и с другими марками продуктов – в настоящее время ведется модификация старых и разработка новых составов гидравлических жидкостей.

Так, специалистами ЗАО «НПЦ Спецнефтепродукт» разработано авиационное синтетическое гидравлическое масло АСГИМ (СТО 07548712-006–2013). Данное масло является аналогом масла АМГ-10 с улучшенными характеристиками по температуре вспышки, определяемой в открытом тигле. Согласно ГОСТ 6794–2017, данный показатель для масла АМГ-10 не должен быть <93 °С, в то время как для масла АСГИМ температура вспышки в открытом тигле должна превышать 150 °С. Помимо этого, масло АГИСМ является более устойчивым к механической деструкции, имеет повышенную термоокислительную стабильность и пожаровзрывобезопасность [17].

За последнее десятилетие в патентной литературе представлены российские разработки, направленные на улучшение эксплуатационных характеристик гидрожидкостей. В патенте [16] описан состав рабочей жидкости на основе поли-α-олефинов с вязкостью 1,7–2,0 мм²/с и полиалкилсилоксановой жидкости с вязкостью 14–16 мм²/с при температуре 100 °С. Данный состав предложен для улучшения термоокислительной стабильности, вязкостных характеристик в области отрицательных температур, повышения максимальной рабочей температуры эксплуатации масла АМГ-10, а также для использования в гидравлических системах авиационной техники с диапазоном
рабочих температур от –60 до +175 °С.

Синтетические базовые масла позволяют получить высококачественные рабочие жидкости как с повышенной огнестойкостью, так и негорючие [18]. Однако негорючие жидкости на основе сложных эфиров фосфорной кислоты имеют недостаточно высокую температуру вспышки паров: например, не более 165 °С – для гидравлической жидкости НГЖ-5у, до 177 °С – для гидравлической жидкости Skydrol 500В-4, а кроме того, они высокотоксичны. Технической проблемой, решаемой в изобретении [19], является обеспечение безопасной работы гидравлических систем летательных аппаратов во всем диапазоне эксплуатационных температур за счет пожаробезопасности и продление ресурса их работы благодаря высоким смазочным свойствам. Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в создании рабочей жидкости, обладающей высокой термоокислительной стабильностью, необходимыми трибологическими и вязкостно-температурными характеристиками, повышенной пожаробезопасностью. Изобретение относится к рабочим гидравлическим жидкостям и может быть использовано в областях техники, требующих применения в гидросистемах рабочих жидкостей с большим диапазоном рабочих температур и обладающих повышенной пожаробезопасностью, в частности, в авиационной технике. Рабочая жидкость для гидравлических систем включает базовую композицию Syntolux L-132, содержащую полиэтилсилоксановую жидкость и сложный эфир дикарбоновой кислоты, а также присадки и высокомолекулярный загуститель. Рабочая жидкость обладает высокой термоокислительной стабильностью, необходимыми трибологическими и вязкостно-температурными характеристиками, повышенной пожаробезопасностью и обеспечивает безопасную работу гидравлических систем летательных аппаратов во всем диапазоне эксплуатационных температур.

Авторы патентов [20, 21] предлагают составы гидравлических жидкостей с повышенной взрывопожаробезопасностью для авиационной техники. Рабочая жидкость из патента [20] должна обеспечивать стабильную работу гидравлических систем в интервале температур от –60 до +150 °C, с улучшенными техническими свойствами.

В патенте [21] описана гидравлическая жидкость, превосходящая ближайший аналог по термоокислительной стабильности (кинематическая вязкость при –60 °C, весовой показатель коррозии, показатель фильтруемости), смазочным свойствам и гидролитической устойчивости (изменение кислотного числа, реакция водного слоя по индикатору и показатель коррозии меди).

Заключения

Применение гидрожидкостей необходимо для осуществления работы дистанционной гидравлической системы управления различными агрегатами самолета. При этом надежность работы гидравлической системы зависит от свойств применяемой рабочей гидрожидкости, к которой предъявляются жесткие требования по вязкостно-температурным свойствам, термоокислительной и химической стабильности, стабильности при высоких динамических нагрузках и пожаробезопасности. С учетом этого исследования и разработки гидрожидкостей направлены на улучшение эксплуатационных характеристик гидроагрегатов.

В России с 1960-х гг. производятся гидрожидкость для самолетов 7-50С-3 и масло АМГ-10, причем с целью сохранения стабильности характеристик и освоения производства на предприятиях СССР, а впоследствии и Российской Федерации велась отработка технологии их производства и доработка состава на собственных производственных мощностях.

В настоящее время в научно-технических статьях и патентной литературе встречаются публикации, посвященные созданию новых составов гидравлических жидкостей для самолетов.