Почему в самолетах используется керосин (реактивное топливо)?

Сегодня мы считаем само собой разумеющимся, что реактивные самолеты сжигают керосин. Но на заре авиации самолеты работали на том же бензине, что и автомобили. Почему меню так сильно изменилось? Эта история — не просто история топливных технологий,-это сага о компромиссах в области безопасности, производительности и технических решений-.

Часть 1: Эра поршней (1903–1940-е годы) – Краткое правление бензина
В первом полете братьев Райт использовался бензин. Все ранние самолеты использовали поршневые двигатели, аналогичные автомобильным, поэтому естественным выбором был бензин.

Вскоре возникли проблемы:

Детонация двигателя (детонация). Для увеличения мощности пилотам требовалась более высокая степень сжатия, но обычный бензин -самовоспламенялся и детонировал. Это может снизить мощность или даже разрушить цилиндры.

Высокая летучесть: Бензин легко испаряется при комнатной температуре, образуя легковоспламеняющиеся пары. Во время Первой и Второй мировых войн многие самолеты загорались или взрывались на земле во время дозаправки из-за статических искр.

Обледенение карбюратора на высоте: водяной пар во всасываемом воздухе замерзает в карбюраторе на большой высоте, блокируя двигатель. Ранним пилотам иногда приходилось вручную заливать антифриз в карбюратор.

В 1930-х годах решение было найдено в виде авиационного бензина, также известного как Avgas. Путем добавления в топливо химического вещества под названием тетраэтилсвинец октановое число повышалось с 40 до 100/130 или даже выше. Это новое топливо, Avgas, использовалось для питания некоторых из самых знаковых самолетов Второй мировой войны, включая истребитель P-51 Mustang и бомбардировщик B-29 Superfortress. Однако со временем токсическое воздействие свинца стало серьезной проблемой, и пределы октанового числа были достигнуты, что побудило инженеров искать альтернативные решения.

Часть 2: Реактивная революция (1940-е годы) – Бензин осужден
Реактивный двигатель появился на свет в 1940-х годах (немецкий He 178, британский Gloster E.28/39). Его камера сгорания требовала топлива, которое могло бы:

Вводится под высоким давлением и стабильно горит.

Он может легко течь, даже когда очень-очень холодно - мы говорим о -50 градусах или -58 градусах по Фаренгейту, это та температура, которую вы можете испытать, находясь на крейсерской высоте.

Смажьте плунжер-топливного насоса высокого давления.

Бензин не прошел все три испытания.

Требования к бензиновому реактивному двигателю недвижимости
Температура вспышки ~ -43 градуса (-45 градусов F) — чрезвычайно огнеопасно > 38 градусов (100 градусов F) в целях безопасности.
Низкая-Температура потока Затвердевает около -40 градусов (-40 градусов F) Должна течь ниже -50 градусов (-58 градусов F)
Смазывающая способность Очень плохая (сухая) Требуется немного смазки для топливного насоса
Дизельное топливо также не считалось хорошим вариантом. Одна из причин заключается в том, что он очень толстый и нелегко ломается, что затрудняет его использование в двигателях. А еще, когда холодно, солярка становится еще гуще и течет медленно, вроде меда. И что еще хуже, он может оставить после себя неприятные нагары, которые со временем могут повредить двигатель.

Инженеры обратили свое внимание на керосин, который часто считают идеальным компромиссным решением: - он не слишком легкий, как бензин, и не слишком тяжелый, как дизельное топливо.

Часть 3: Триумф керосина (1950–1960-е годы) – установление стандартов
Британия лидировала: в конце 1940-х годов компания De Havilland разработала керосин высокой-чистоты для реактивного авиалайнера «Комета», назвав его «Автур» («Авиационное турбинное топливо»). Когда «Комета» впервые полетела в 1952 году, она сжигала керосин.

Соединенные Штаты применили метод проб и ошибок в поиске подходящего топлива. Сначала ВВС США использовали топливо «широкого-разреза» под названием JP-1, похожее на тяжелый бензин. Однако это топливо вызывало множество проблем, включая отложения коксования и частые опасности возгорания из-за утечек. Позже, во время Корейской войны, на самолете F-86 Sabre использовался JP-4 — смесь бензина и керосина. Хотя вероятность замерзания JP-4 была меньшей, он был легко воспламеняемым, что приводило к множеству аварий на земле.

Окончательное решение:

Военные: JP-8 (принят на вооружение с 1970-х годов) – по существу керосин с небольшим количеством анти-статических и противообледенительных присадок.

Для самолетов существует два основных вида топлива: Jet A и Jet A-1. Jet A используется в США и имеет высокую температуру замерзания, тогда как Jet A-1 используется в других странах и может выдерживать очень низкие температуры, вплоть до -47 градусов или -53 градусов по Фаренгейту. Со временем эти два типа топлива стали стандартом для всего мира.

Мы используем огромное количество авиакеросина каждый год - около 300 миллиардов литров. И вот, почти все реактивные самолеты, целых 99%, работают на топливе, изготовленном из керосина.

Часть 4: Почему керосин победил – технический обзор
Когда температура вспышки топлива высока, выше 38 градусов или 100 градусов по Фаренгейту, это означает, что оно не может загореться от открытого огня при комнатной температуре. Это действительно важно, поскольку снижает риск возникновения пожара при обращении с топливом на земле или в случае утечки во время полета.

Низкая температура замерзания (< -47°C / -53°F): Remains fluid at typical intercontinental cruise altitudes (around -50°C / -58°F).

Термическая стабильность: не разлагается легко и не образует нагара в топливных-масляных теплообменниках (работающих при температуре выше 150 градусов / 302 градусов по Фаренгейту), которые могут засорить прецизионные топливные форсунки.

Выгодная плотность энергии: объемная плотность энергии примерно на 12% выше, чем у бензина, что обеспечивает большую дальность полета.

Соответствующая смазывающая способность: обеспечивает ровно столько смазки для плунжеров топливного насоса высокого-давления (хотя современный керосин со сверх-низким-сернистым содержанием иногда требует добавления присадок, улучшающих смазывающую способность).

Часть 5: Будущее – как долго керосин будет доминировать?
Претендент 1: экологически чистое авиационное топливо (SAF)
Экологичное авиационное топливо, или SAF, создается из таких веществ, как отработанные масла, городской мусор или остатки ферм. Он очень похож на керосин, который мы получаем из ископаемых, поэтому мы можем смешать его с этим топливом прямо сейчас - до половины. Большой план состоит в том, чтобы к 2050 году вообще не было выбросов углекислого газа.

Претендент 2: жидкий водород (LH₂)
Airbus планирует представить авиалайнеры с водородными двигателями-к 2035 году. Водород имеет нулевой уровень выбросов углекислого газа и очень высокую гравиметрическую плотность энергии. Однако его объемная плотность чрезвычайно низка, что требует больших и тяжелых криогенных резервуаров. Такие проблемы, как водородное охрупчивание и риск взрыва, остаются.

Претендент 3: Аккумулятор-Электрический
Выполнимо только для небольших региональных самолетов, пролетающих менее 500 км (310 миль). Плотность энергии аккумулятора примерно в 50 раз ниже, чем у керосина, что делает невозможным использование больших-самолетов дальнего следования.

В течение долгого времени, вероятно, до 2050 года, большие самолеты будут по-прежнему использовать керосин или подобное топливо, изготовленное в лаборатории. Этот тип топлива существует уже некоторое время, но он действительно хорош в своих функциях, и трудно найти что-то лучше. Это как стандартный язык полетов, старый, но все еще лучший выбор.

Эпилог: характерная деталь
Фрэнк Уиттл, британский инженер, запатентовал реактивный двигатель еще в 1930 году. Первоначально он использовал бензин в своих испытательных установках, но все получилось не так, как планировалось. Двигатель сильно вибрировал, и канистры с огнем загорались. Разочарованный, Уиттл решил попробовать керосин -, и это изменило правила игры-. Двигатель сразу начал работать ровно. С тех пор стало ясно, что бензин — не лучший выбор для больших самолетов. Это было слишком нестабильно, слишком быстро и слишком опасно. С другой стороны, керосин оказался надежным партнером в полетах. Его медленный и устойчивый темп сделал его идеальным для небес.