Kāpēc lidmašīnas izmanto petroleju (reaktīvo degvielu)?

Mūsdienās mēs uzskatām par pašsaprotamu, ka reaktīvie lidaparāti sadedzina petroleju. Bet aviācijas pirmajās dienās lidmašīnas darbojās ar tādu pašu benzīnu kā jūsu automašīna. Kāpēc ēdienkarte tik pilnībā mainījās? Šī vēsture nav tikai stāsts par degvielas tehnoloģijām,{2}}tā ir sāga par drošību, veiktspēju un inženiertehniskajiem kompromisiem-.

1. daļa: virzuļu laikmets (1903.–1940. gadi) — benzīna īsais valdīšanas laiks
Brāļi Raiti pirmajā lidojumā izmantoja benzīnu. Agrīnās lidmašīnas visi izmantoja virzuļdzinējus, kas līdzīgi automašīnu dzinējiem, tāpēc benzīns bija dabiskā izvēle.

Drīz parādījās problēmas:

Dzinēja klauvēšana (detonācija): lai palielinātu jaudu, pilotiem bija nepieciešama lielāka kompresijas pakāpe, taču parastais benzīns pats{0}}aizdegās un detonēja. Tas var samazināt jaudu vai pat salauzt cilindrus.

Augsta gaistamība: Benzīns viegli iztvaiko istabas temperatūrā, radot uzliesmojošus tvaikus. Pirmā pasaules kara un Otrā pasaules kara laikā daudzas lidmašīnas aizdegās vai eksplodēja uz zemes degvielas uzpildes laikā statisko dzirksteļu dēļ.

Karburatora apledojums augstumā: ūdens tvaiki ieplūdes gaisā sasaltu karburatorā lielā augstumā, bloķējot dzinēju. Agrīniem pilotiem dažreiz nācās manuāli pilināt antifrīzu karburatorā.

30. gados tika atrasts risinājums Aviācijas benzīna veidā, kas pazīstams arī kā Avgas. Degvielai pievienojot ķīmisku vielu, ko sauc par tetraetilsvinu, oktānskaitlis tika palielināts no 40 līdz 100/130 vai pat vairāk. Šī jaunā degviela Avgas tika izmantota, lai darbinātu dažas no Otrā pasaules kara ikoniskākajām lidmašīnām, tostarp iznīcinātāju P-51 Mustang un bumbvedēju B-29 Superfortress. Tomēr, laikam ejot, svina toksiskā iedarbība kļuva par nopietnām bažām, un tika sasniegtas oktānskaitļu robežas, mudinot inženierus meklēt alternatīvus risinājumus.

2. daļa: Reaktīvo lidmašīnu revolūcija (1940. gadi) — benzīns ir nosodīts
Reaktīvais dzinējs ir dzimis 1940. gados (Vācijas He 178, Lielbritānijas Gloster E.28/39). Tās sadegšanas kamerai bija nepieciešama degviela, kas varētu:

Injicēts ar augstu spiedienu un stabili sadedzināt.

Tas var viegli plūst pat tad, ja ir ļoti, ļoti auksts - mēs runājam par -50 grādiem vai -58 grādiem F, kas ir tāda temperatūra, kādu jūs varētu piedzīvot, atrodoties kreisēšanas augstumā.

Ieeļļojiet augstspiediena{0}}degvielas sūkņa virzuli.

Benzīns neizturēja visus trīs testus.

Īpašuma benzīna reaktīvo dzinēju prasības
Uzliesmošanas temperatūra ~ -43 grādi (-45 grādi F) — īpaši viegli uzliesmojošs > 38 grādi (100 grādi F) drošībai
Zema-Temperatūras plūsma sacietē ap -40 grādiem (-40 °F) Jāplūst zem -50 grādiem (-58 °F)
Eļļošana Ļoti vāja (sausa) Nepieciešama neliela eļļošana degvielas sūknim
Arī dīzeļdegviela netika uzskatīta par labu variantu. Viens no iemesliem ir tas, ka tas ir patiešām biezs un viegli nesadalās, kas apgrūtina tā lietošanu dzinējos. Turklāt aukstā laikā dīzeļdegviela kļūst vēl biezāka un plūst lēni, piemēram, medus. Un, lai situāciju padarītu vēl ļaunāku, tas var atstāt aiz sevis neticamas oglekļa nogulsnes, kas laika gaitā var sabojāt dzinēju.

Inženieri pievērsa uzmanību petrolejai, kas bieži tiek uzskatīta par ideālu vidusceļu - ne pārāk viegls kā benzīns, ne pārāk smags kā dīzelis.

3. daļa: Petrolejas triumfs (1950.–1960. gadi) — standarta noteikšana
Lielbritānija vadīja ceļu: 1940. gadu beigās de Havillends izstrādāja augstas-tīrības pakāpes petroleju reaktīvā lidmašīnai "Comet", nosaucot to par Avtur (aviācijas turbīnu degviela). Kad komēta pirmo reizi lidoja 1952. gadā, tā dedzināja petroleju.

Amerikas Savienotās Valstis izmantoja izmēģinājumu un kļūdu pieeju, lai atrastu pareizo degvielu. Sākumā ASV gaisa spēki izmantoja “plaša{1}}izgriezuma” degvielu ar nosaukumu JP-1, kas bija līdzīga smagajam benzīnam. Tomēr šī degviela radīja daudz problēmu, tostarp koksa nogulsnes un biežas ugunsbīstamības noplūdes dēļ. Vēlāk, Korejas kara laikā, F-86 Sabre strūkla izmantoja JP-4, benzīna un petrolejas maisījumu. Lai gan JP-4 sasalšanas iespējamība bija mazāka, tā bija ļoti viegli uzliesmojoša, kas izraisīja daudz negadījumu uz zemes.

Galīgais risinājums:

Militārais: JP-8 (pieņemts no 1970. gadiem) — galvenokārt petroleja ar nelielu daudzumu anti-statisku un pretapledojuma piedevu.

Lidmašīnām ir divi galvenie degvielas veidi: Jet A un Jet A-1. Jet A tiek izmantots ASV, un tam ir augsts sasalšanas punkts, savukārt Jet A-1 tiek izmantots citās valstīs, un tas spēj izturēt ļoti aukstu temperatūru, līdz pat -47 grādiem vai -53 grādiem F. Laika gaitā šie divi degvielas veidi kļuva par standartu visā pasaulē.

Mēs katru gadu izmantojam milzīgu daudzumu reaktīvo dzinēju degvielas - aptuveni 300 miljardu litru. Un iegūstiet to, gandrīz visas reaktīvo lidmašīnu 99% darbojas ar degvielu, kas izgatavota no petrolejas.

4. daļa: Kāpēc uzvarēja petroleja — tehniskais apskats
Ja degvielas uzliesmošanas temperatūra ir augsta, virs 38 grādiem vai 100 grādiem F, tas nozīmē, ka istabas temperatūrā tā nevar aizdegties no atklātas liesmas. Tas ir patiešām svarīgi, jo tas samazina ugunsgrēku risku, ja degviela tiek apstrādāta uz zemes vai lidojuma laikā notiek noplūde.

Zemais sasalšanas punkts (< -47°C / -53°F): Remains fluid at typical intercontinental cruise altitudes (around -50°C / -58°F).

Termiskā stabilitāte: viegli nesadalās vai neveido oglekļa nogulsnes degvielas -eļļas siltummaiņos (kas darbojas virs 150 grādiem / 302 grādiem F), kas varētu aizsprostot precīzās degvielas sprauslas.

Labvēlīgs enerģijas blīvums: Tam ir par aptuveni 12% lielāks tilpuma enerģijas blīvums nekā benzīnam, kas nozīmē garāku diapazonu.

Atbilstoša eļļošana: nodrošina tikai pietiekami daudz eļļošanas augstspiediena degvielas sūkņa virzuļiem (lai gan modernajai īpaši-zema-sēra satura petrolejai dažkārt ir nepieciešami papildu eļļošanas uzlabotāji).

5. daļa: Nākotne — cik ilgi vēl dominēs petroleja?
1. izaicinātājs: ilgtspējīga aviācijas degviela (SAF)
Ilgtspējīga aviācijas degviela jeb SAF tiek radīta no tādām lietām kā atkritumeļļām, atkritumiem no pilsētām vai pārpalikumiem no fermām. Tas ir ļoti līdzīgs petrolejai, ko iegūstam no fosilijām, tāpēc mēs varam to sajaukt ar šo degvielu šobrīd - līdz pusei ar pusi. Lielais plāns ir panākt, lai līdz 2050. gadam vispār nebūtu oglekļa emisiju.

2. izaicinātājs: šķidrais ūdeņradis (LH₂)
Airbus plāno līdz 2035. gadam ieviest ar ūdeņradi darbināmas{0}}lidmašīnas. Ūdeņradim ir nulle oglekļa emisijas un ļoti augsts gravimetriskā enerģijas blīvums. Tomēr tā tilpuma blīvums ir ārkārtīgi zems, tāpēc ir nepieciešamas lielas, smagas kriogēnas tvertnes. Joprojām pastāv tādi izaicinājumi kā ūdeņraža trauslums un eksplozijas risks.

3. izaicinātājs: akumulators-elektrisks
Tas ir iespējams tikai maziem reģionālajiem gaisa kuģiem, kas lido mazāk nekā 500 km (310 jūdzes). Akumulatora enerģijas blīvums ir aptuveni 50 reižu zemāks nekā petrolejas, tāpēc tas nav iespējams izmantot lielas, garas{4}}lidmašīnas.

Vēl ilgi, iespējams, līdz 2050. gadam lielajās lidmašīnās joprojām tiks izmantota petroleja vai līdzīga laboratorijā ražota degviela. Šāda veida degviela ir bijusi jau kādu laiku, taču tā patiešām ir laba, un ir grūti atrast kaut ko labāku. Tā ir kā standarta lidošanas valoda, veca, bet joprojām labākā izvēle.

Epilogs: Individuāla detaļa
Frenks Vitls, britu inženieris, patentēja reaktīvo dzinēju tālajā 1930. gadā. Sākotnēji viņš savās testa iekārtās izmantoja benzīnu, taču tas neizdevās, kā plānots. Dzinējs spēcīgi vibrētu un liesmu kannas apdegtu. Neapmierināts, Vitls nolēma izmēģināt petroleju -, un tas bija spēles-maiņa. Dzinējs uzreiz sāka darboties vienmērīgi. Kopš tā laika bija skaidrs, ka benzīns nav labākā izvēle lielām lidmašīnām. Tas vienkārši bija pārāk nepastāvīgs, pārāk ātrs un pārāk bīstams. No otras puses, petroleja izrādījās uzticams partneris lidošanai. Tā lēnais un vienmērīgais temps padarīja to ideāli piemērotu debesīm.