Af hverju nota flugvélar steinolíu (þotueldsneyti)?

Í dag teljum við það sjálfsagðan hlut að þotuflugvélar brenni steinolíu. En í árdaga flugsins keyrðu flugvélar á sama bensíni og bíllinn þinn. Hvers vegna breyttist matseðillinn svona algjörlega? Þessi saga er ekki bara saga eldsneytistækni-þetta er saga um öryggi, frammistöðu og verkfræðilega viðureign-.

Part 1: The Piston Era (1903–1940) – Bensín stutta valdatíð
Fyrsta flug Wright-bræðra var bensín. Fyrstu flugvélar notuðu allar stimpilhreyfla, svipað og bílavélar, svo bensín var eðlilegur kostur.

Vandamál komu fljótlega upp:

Hreyfill (sprenging): Til að auka afl þurftu flugmenn hærra þjöppunarhlutfall, en venjulegt bensín myndi sjálf-kveikja og sprengja. Þetta gæti dregið úr krafti eða jafnvel splundrað strokka.

Mikil rokgjarnleiki: Bensín gufar auðveldlega upp við stofuhita og myndar eldfimar gufur. Í fyrri heimsstyrjöldinni og síðari heimsstyrjöldinni kviknaði í mörgum flugvélum eða sprungu á jörðu niðri við eldsneytistöku vegna kyrrstöðuneista.

Ísing í karburara í hæð: Vatnsgufa í inntaksloftinu myndi frjósa í karburatornum í mikilli hæð og hindra vélina. Fyrstu flugmenn þurftu stundum að dreypa frostlegi handvirkt í karburatorinn.

Á þriðja áratugnum fannst lausn í formi flugbensíns, einnig þekkt sem Avgas. Með því að bæta efni sem kallast tetraetýl blý við eldsneytið var oktangildið hækkað úr 40 í 100/130 eða jafnvel hærra. Þetta nýja eldsneyti, Avgas, var notað til að knýja nokkrar af þekktustu flugvélum síðari heimsstyrjaldarinnar, þar á meðal P-51 Mustang orrustuþotu og B-29 Superfortress sprengjuflugvél. Hins vegar, þegar fram liðu stundir, urðu eituráhrif blýs mikið áhyggjuefni og oktanmörkum var náð, sem varð til þess að verkfræðingar leituðu að öðrum lausnum.

Part 2: The Jet Revolution (1940) - Bensín er fordæmt
Þotuhreyfillinn var fæddur á fjórða áratugnum (He 178 frá Þýskalandi, Gloster E.28/39 frá Bretlandi). Brunahólfið krafðist eldsneytis sem gæti:

Vertu sprautaður við háan þrýsting og brenndu stöðugt.

Það getur flæði auðveldlega jafnvel þegar það er mjög, virkilega kalt - við erum að tala um -50 gráður eða -58 gráður F, sem er eins konar hitastig sem þú munt upplifa þegar þú ert uppi í farflugshæð.

Smyrðu háþrýstingsstimpilinn-eldsneytisdælu.

Bensín féll á öllum þremur prófunum.

Krafa um bensínþotuvél
Blassmark ~ -43 gráður (-45 gráður F) - Mjög eldfimt > 38 gráður (100 gráður F) til öryggis
Lágt-hitaflæði storknar um -40 gráður (-40 gráður F) Verður að flæða undir -50 gráður (-58 gráður F)
Smurþol Mjög lélegt (þurrt) Þarfnast smá smurningar fyrir eldsneytisdælu
Dísilolía þótti heldur ekki góður kostur. Ein ástæðan er sú að hann er mjög þykkur og brotnar ekki auðveldlega niður, sem gerir það erfitt að nota hann í vélar. Einnig, þegar það er kalt, verður dísilolía enn þykkara og flæðir hægt, eins og hunang. Og til að gera illt verra, það getur skilið eftir sig yucky kolefnisútfellingar sem geta skemmt vélina með tímanum.

Verkfræðingar beindu athygli sinni að steinolíu, sem er oft talinn hinn fullkomni meðalvegur - ekki of létt eins og bensín, ekki of þungt eins og dísel.

3. hluti: The Triumph of Petroleum (1950–1960) – Setur viðmið
Bretland leiddi brautina: Seint á fjórða áratugnum þróaði de Havilland há-steinolíu fyrir „Comet“ þotuna og nefndi hana Avtur (Aviation Turbine Fuel). Þegar halastjarnan flaug fyrst árið 1952 brenndi hún steinolíu.

Bandaríkin tóku tilrauna- og villuaðferð til að finna rétta eldsneytið. Í fyrstu notaði bandaríski flugherinn „breitt-skorið“ eldsneyti sem kallast JP-1, sem var svipað og þungt bensín. Hins vegar olli þetta eldsneyti miklum vandræðum, þar á meðal kókútfellingum og tíðri eldhættu vegna leka. Síðar, í Kóreustríðinu, notaði F-86 Sabre þotan JP-4, blöndu af bensíni og steinolíu. Þó að JP-4 væri ólíklegra til að frjósa, var það mjög eldfimt, sem leiddi til margra slysa á jörðu niðri.

Lokalausnin:

Her: JP-8 (samleitt frá 1970 og áfram) – í meginatriðum steinolíu með litlu magni af and-truflanir og gegn ísingu.

Fyrir flugvélar eru tvær megingerðir eldsneytis: Þota A og þota A-1. Þota A er notuð í Bandaríkjunum og hefur háan frostmark, en Jet A-1 er notuð í öðrum löndum og þolir mjög kalt hitastig, allt niður í -47 gráður eða -53 gráður F. Með tímanum urðu þessar tvær tegundir eldsneytis staðall fyrir allan heiminn.

Við notum gríðarlegt magn af flugvélaeldsneyti á hverju ári - um 300 milljarða lítra. Og fáðu þetta, næstum allar þotuflugvélar, heil 99%, ganga fyrir eldsneyti úr steinolíu.

Hluti 4: Hvers vegna steinolía vann - Tæknileg úttekt
Þegar blossamark eldsneytis er hátt, yfir 38 gráður eða 100 gráður F, þýðir það að það getur ekki kviknað í berum loga þegar það er við stofuhita. Þetta er mjög mikilvægt vegna þess að það dregur úr hættu á eldsvoða þegar eldsneyti er meðhöndlað á jörðu niðri eða ef það er leki í flugi.

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

Varmastöðugleiki: Brotnar ekki auðveldlega niður eða myndar kolefnisútfellingar í eldsneytis-olíuvarmaskiptum (starfandi yfir 150 gráður / 302 gráður F), sem gæti stíflað nákvæma eldsneytisstúta.

Hagstæð orkuþéttleiki: Hefur um það bil 12% hærri rúmmálsorkuþéttleika en bensín, sem þýðir lengri drægni.

Viðeigandi smurhæfni: Veitir réttláta smurningu fyrir háþrýstingsstimpla eldsneytisdælu (þó nútímalegir steinolíur með -lítil-brennisteinsbrennisteini krefjist stundum aukins smurþols).

Hluti 5: Framtíðin - Hversu mikið lengur mun steinolía ráða yfir?
Challenger 1: Sustainable Aviation Fuel (SAF)
Sjálfbært flugeldsneyti, eða SAF, er búið til úr hlutum eins og úrgangsolíu, rusli frá borgum eða leifum frá bæjum. Það er mjög svipað steinolíu sem við fáum úr steingervingum, þannig að við getum blandað því við það eldsneyti núna - allt að hálft og hálft. Stóra áætlunin er að engin kolefnislosun verði fyrir árið 2050.

Áskorun 2: Fljótandi vetni (LH₂)
Airbus ætlar að kynna vetnisknúnar farþegaþotur-fyrir árið 2035. Vetni hefur enga kolefnislosun og mjög mikla þyngdarmælingarorkuþéttleika. Hins vegar er rúmmálsþéttleiki þess afar lágur, sem krefst stórra, þungra frosttanka. Áskoranir eins og vetnisbrot og sprengihætta eru enn.

Challenger 3: Rafhlaða-Rafmagn
Aðeins framkvæmanlegt fyrir lítil svæðisflugvél sem fljúga undir 500 km (310 mílur). Orkuþéttleiki rafhlöðunnar er um það bil 50 sinnum lægri en steinolía, sem gerir það ómögulegt fyrir stórar, langar-þotur.

Um langa framtíð, líklega til 2050, munu stórar flugvélar enn nota steinolíu eða álíka eldsneyti sem framleitt er á rannsóknarstofu. Þessi tegund af eldsneyti hefur verið til í nokkurn tíma, en það er mjög gott í því sem það gerir og það er erfitt að finna eitthvað betra. Þetta er eins og staðlað tungumál flugs, gamalt en samt besti kosturinn.

Eftirmáli: A Telltale Detail
Frank Whittle, breskur verkfræðingur, fékk einkaleyfi á þotuhreyflinum árið 1930. Hann notaði upphaflega bensín í tilraunabúnaði sínum, en það gekk ekki alveg eins og til stóð. Vélin myndi titra kröftuglega og elddósirnar myndu brenna. Svekktur ákvað Whittle að prófa steinolíu - og það breytti leik-. Vélin fór strax að ganga vel. Upp frá því var ljóst að bensín var ekki besti kosturinn fyrir stórar flugvélar. Það var bara of sveiflukennt, of hratt og of hættulegt. Á hinn bóginn reyndist steinolía vera traustur flugfélagi. Hægur og stöðugur hraði gerði það að verkum að hann passaði fullkomlega fyrir himininn.