Чому літаки використовують гас (авіаційне паливо)?

Сьогодні ми сприймаємо як належне те, що реактивні літаки спалюють гас. Але на початку авіації літаки працювали на тому ж бензині, що й ваш автомобіль. Чому так кардинально змінилося меню? Ця історія — це не лише історія технології палива-це сага про безпеку, ефективність і компроміси-інженерії.

Частина 1: Поршнева ера (1903–1940-ті) – Коротке панування бензину
Перший політ братів Райт здійснювався на бензині. Усі перші літаки використовували поршневі двигуни, подібні до автомобільних, тому природним вибором був бензин.

Незабаром виникли проблеми:

Детонація двигуна (детонація): щоб збільшити потужність, пілотам були потрібні вищі ступені стиснення, але звичайний бензин само-займався й вибухав. Це може знизити потужність або навіть розбити циліндри.

Висока летючість: Бензин легко випаровується при кімнатній температурі, створюючи легкозаймисті пари. Під час Першої та Другої світових війн багато літаків загорілися або вибухнули на землі під час дозаправки через статичні іскри.

Обмерзання карбюратора на висоті: водяна пара у впускному повітрі замерзає в карбюраторі на великій висоті, блокуючи двигун. Першим пілотам іноді доводилося вручну капати антифриз у карбюратор.

У 1930-х роках рішення було знайдено у вигляді авіаційного бензину, також відомого як Avgas. Додавши до палива хімічну речовину під назвою тетраетилсвинець, октанове число було збільшено з 40 до 100/130 або навіть вище. Це нове паливо, Avgas, використовувалося для роботи деяких із найбільш знакових літаків Другої світової війни, включаючи винищувач P-51 Mustang і бомбардувальник B-29 Superfortress. Однак з часом токсичний вплив свинцю став серйозною проблемою, і межі октанового числа були досягнуті, що спонукало інженерів шукати альтернативні рішення.

Частина 2: Реактивна революція (1940-ті) – Бензин засуджується
Реактивний двигун народився в 1940-х роках (німецький He 178, британський Gloster E.28/39). Його камера згоряння вимагала палива, яке могло:

Вводять під високим тиском і стабільно горять.

Він може легко текти, навіть коли дуже-дуже холодно - ми говоримо про -50 градусів або -58 градусів за Фаренгейтом, а саме таку температуру ви відчуваєте, коли перебуваєте на крейсерській висоті.

Змастіть-поршень паливного насоса високого тиску.

Бензин не пройшов усі три тести.

Властивість Вимоги до бензинового реактивного двигуна
Температура спалаху ~ -43 градуси (-45 градусів F) - надзвичайно горюча > 38 градусів (100 градусів F) для безпеки
Низька-температура Потік Застигає близько -40 градусів (-40 градусів F) Має протікати нижче -50 градусів (-58 градусів F)
Змащувальна здатність Дуже погана (суха) Потрібна змащувальна здатність для паливного насоса
Дизельне паливо також не вважали хорошим варіантом. Однією з причин є те, що він дуже товстий і не легко руйнується, що ускладнює його використання в двигунах. Крім того, коли холодно, солярка стає ще густішою і тече повільно, як мед. І що ще гірше, він може залишити відкладення вуглецю, які з часом можуть пошкодити двигун.

Інженери звернули увагу на гас, який часто вважають ідеальною золотою серединою - не надто легкий, як бензин, і не надто важкий, як дизельне паливо.

Частина 3: Тріумф гасу (1950–1960-ті) – встановлення стандартів
Британія була лідером: наприкінці 1940-х років де Хевілленд розробив гас-високої чистоти для реактивного авіалайнера «Комета», назвавши його Avtur (паливо для авіаційних турбін). Коли Комета вперше здійснила політ у 1952 році, вона спалила гас.

Сполучені Штати використовували підхід проб і помилок, щоб знайти правильне паливо. Спочатку військово-повітряні сили США використовували паливо «-широкого розрізу» під назвою JP-1, яке було схоже на важкий бензин. Однак це паливо створювало багато проблем, у тому числі відкладення коксу та часті пожежі через витоки. Пізніше, під час Корейської війни, реактивний літак F-86 Sabre використовував JP-4, суміш бензину та гасу. Хоча ймовірність замерзання JP-4 була меншою, вона була легкозаймистою, що призвело до багатьох аварій на землі.

Остаточне рішення:

Військові: JP-8 (прийнятий на озброєння з 1970-х років) – переважно гас із невеликою кількістю анти-статичних і протиожеледних добавок.

Для літаків існує два основних види палива: Jet A і Jet A-1. Jet A використовується в США і має високу температуру замерзання, тоді як Jet A-1 використовується в інших країнах і може витримувати дуже низькі температури, аж до -47 градусів або -53 градусів F. З часом ці два види палива стали стандартом для всього світу.

Щороку ми використовуємо величезну кількість авіаційного палива - близько 300 мільярдів літрів. Майже всі реактивні літаки, колосальні 99%, працюють на паливі, виготовленому з гасу.

Частина 4: Чому переміг гас – Технічний огляд
Коли температура спалаху палива висока, вище 38 градусів або 100 градусів за Фаренгейтом, це означає, що воно не може спалахнути від відкритого вогню, коли воно має кімнатну температуру. Це дуже важливо, оскільки знижує ризики пожеж, коли паливо транспортується на землі або якщо під час польоту відбувається витік.

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

Термічна стабільність: не легко розкладається або утворює вуглецеві відкладення в паливних -масляних теплообмінниках (працюють вище 150 градусів / 302 градуси F), які можуть засмічувати прецизійні паливні форсунки.

Сприятлива щільність енергії: має приблизно на 12% більшу об’ємну щільність енергії, ніж у бензину, що означає довший радіус дії.

Відповідна змащувальна здатність: забезпечує достатньо змащування для плунжерів паливного-насосу високого тиску (хоча сучасний гас із над-низьким-сірковим вмістом іноді потребує додавання покращувачів змащувальної здатності).

Частина 5: Майбутнє – скільки часу ще домінуватиме гас?
Challenger 1: екологічне авіаційне паливо (SAF)
Екологічне авіаційне паливо, або SAF, створюється з таких речей, як відпрацьовані масла, сміття з міст або залишки ферм. Він дуже схожий на гас, який ми отримуємо зі скам’янілостей, тому ми можемо змішувати його з цим паливом прямо зараз - до половини. Великий план полягає в тому, щоб до 2050 року взагалі припинити викиди вуглецю.

Челленджер 2: рідкий водень (LH₂)
Airbus планує представити водневі-лайнери до 2035 року. Водень має нульові викиди вуглецю та дуже високу гравіметричну щільність енергії. Однак його об'ємна щільність надзвичайно низька, що вимагає великих, важких кріогенних резервуарів. Такі проблеми, як воднева крихкість і ризик вибуху, залишаються.

Челленджер 3: акумулятор-Електричний
Можливо лише для невеликих регіональних літаків, які літають менше 500 км (310 миль). Щільність енергії батареї приблизно в 50 разів нижча, ніж у гасу, що унеможливлює використання великих-реактивних літаків на далекі відстані.

Ще довго, ймовірно, до 2050 року, великі літаки все ще використовуватимуть гас або подібне паливо, виготовлене в лабораторії. Цей тип палива існує вже деякий час, але він справді хороший у своїй діяльності, і важко знайти щось краще. Це як стандартна мова польотів, стара, але все ще найкращий вибір.

Епілог: виразна деталь
Френк Віттл, британський інженер, запатентував реактивний двигун ще в 1930 році. Спочатку він використовував бензин у своїх випробувальних установках, але це не зовсім спрацювало, як планувалося. Двигун різко вібрував, і полум’яні банки згоріли. Розчарований Віттл вирішив спробувати гас -, і це змінило ситуацію-. Двигун відразу почав працювати рівно. Відтоді стало зрозуміло, що бензин — не найкращий вибір для великих літаків. Це було надто нестабільним, надто швидким і надто небезпечним. З іншого боку, гас виявився надійним партнером для польотів. Його повільний і стабільний темп зробив його ідеальним для підйому.