Самарские ученые экспериментально подтвердили модели образования канцерогенов в газотурбинных двигателях

Ученые Самарского филиала Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (СФ ФИАН) и Самарского университета им. Королёва впервые в России экспериментально подтвердили математические модели образования ряда полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) при повышенных температурах. Исследования проводились на уникальной, созданной в университете, самой большой в мире установке по изучению кинетики процессов горения. Результаты экспериментов позволят создавать более точные модели горения, подкрепленные не только математическими расчетами, но и экспериментальными данными.

- На установке по изучению кинетики процессов горения проведена серия экспериментов по росту полициклических ароматических углеводородов, то есть мы наглядно, детально и поэтапно изучали химические реакции роста ПАУ - так как они, например, возникают в камерах сгорания двигателей. Это типичные реакции, здесь нет какого-то научного открытия, но эти реакции ранее изучались и подтверждались экспериментально при температурах лишь до 700 кельвинов, а мы продвинулись по температурной шкале значительно выше - наши эксперименты проходили при 1200 кельвинах, в России таких экспериментов ранее не проводилось, в таких исследованиях каждая дополнительная сотня градусов дается с трудом, - рассказал директор Самарского филиала ФИАН, профессор Самарского университета им. Королёва Валерий Азязов.

По его словам, подобные эксперименты позволяют не только подтвердить, но и уточнить существующие модели процессов горения путем проверки теоретических вычислений на практике. В камере сгорания двигателя за долю секунды происходят тысячи взаимосвязанных реакций - это как огромный сложный часовой механизм из тысячи крутящихся шестеренок, каждая из которых оказывает влияние на другую. Если знать, как работает каждая "шестеренка" (а именно это и позволяет сделать установка в Самарском университете), то можно лучше понять работу всего "часового механизма" в целом.

Кроме того, самарская установка позволяет измерять скорости химических реакций - то есть, если продолжать аналогию, она может определять, насколько быстро каждая из "шестеренок" вращается в тот или иной момент. Эти данные необходимы для уточнения кинетических моделей горения, показывающих ученым и разработчикам, в какой промежуток времени и насколько быстро те или иные вещества в ходе реакции появляются и расходуются. Разбирая реакции по отдельности, ученые как бы останавливают то мгновение, за которое в двигателе происходит множество химических событий, и "препарируют" каждое такое событие, проверяя его на соответствие теоретическим выкладкам.

- Реакций, которые участвуют в образовании ПАУ, достаточно много, и экспериментально изучена из них лишь малая часть. Данные для львиной доли реакций добываются путем использования постоянно развивающихся теоретических подходов. Результаты расчетов апробируются путем сравнения с экспериментальными данными для наиболее критических реакций. Получение экспериментальных данных для всех реакций, участвующих в процессе роста ПАУ, весьма затратно как по времени, так и по ресурсам. На практике основной массив данных получают расчетным способом, и только малая часть данных для наиболее важных реакций измеряется на уникальных, как наша, установках. Мы с помощью нашей установки, можно сказать, "препарируем под микроскопом" выбранную нами химическую реакцию, проверяя особенности ее течения на практике. Теоретики используют наши данные для проверки своих расчетных методов. Такой комбинированный подход позволяет распутывать механизмы образования сажи, которая начинает расти из простых циклических углеводородов. Поняв до конца эти механизмы, можно минимизировать вредные, канцерогенные выбросы двигателей, - подчеркнул Валерий Азязов.

Справочно

Уникальная научная установка для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения была разработана и собрана в международной научной лаборатории Самарского университета им. Королёва "Физика и химия горения" в рамках мегагранта Правительства РФ "Разработка физически обоснованных моделей горения". Установка введена в эксплуатацию в 2022 году и должна помочь инженерам в решении задач импортозамещения - разработке эффективных и экологичных отечественных авиационных двигателей.

Создание установки велось с 2017 года. Под компоненты установки и дополнительное оборудование в лаборатории был выделен целый зал. Вес главного компонента установки - вакуумной камеры - полторы тонны, и чтобы поднять ее в лабораторию университета на третий этаж, в свое время был задействован строительный кран.

Размер установки немаловажен, поскольку позволяет повысить чувствительность установки за счет размещения в ней большого числа регистрирующей научной аппаратуры. Благодаря этому удается значительно повысить избирательность и чувствительность определения продуктов реакций, что, в свою очередь, позволяет создавать более точные модели процессов горения, и лучше понимать, что нужно сделать, чтобы увеличить эффективность сгорания топлива, уменьшив при этом вредные выбросы.

Продукты сгорания углеводородного топлива обладают канцерогенной активностью, так как в их составе содержатся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые способны вызывать мутацию клеток и раковые заболевания у живых организмов. Поэтому задача выявления механизмов образования ПАУ при горении топлива является очень актуальной при разработке новых авиадвигателей.