Авиационное турбинное топливо: типы и характеристики

Введение

авиационное турбинное топливо
Тип авиационного топлива

Реактивное топливо или авиационное турбинное топливо (ATF, также сокращенно avtur) – это тип авиационного топлива, предназначенный для использования в воздушных судах, оснащенных газотурбинными двигателями. Оно бесцветное или имеет соломенно-желтый оттенок. Наиболее распространенными видами топлива, используемыми в коммерческой авиации, являются Jet A и Jet A-1, которые производятся в соответствии со стандартизированными международными спецификациями. Другим распространенным видом реактивного топлива, используемым в гражданской авиации с турбинными двигателями, является Jet B, которое применяется для улучшения эксплуатационных характеристик в условиях низких температур. Реактивное топливо представляет собой смесь различных углеводородов. Поскольку точный состав реактивного топлива значительно варьируется в зависимости от источника нефти, невозможно определить его как соотношение конкретных углеводородов. Таким образом, реактивное топливо определяется по эксплуатационным характеристикам, а не как химическое соединение. Кроме того, диапазон молекулярной массы углеводородов (или различных чисел атомов углерода) определяется требованиями к продукту, таким как температура замерзания или температура дымообразования. Керосиновое реактивное топливо (включая Jet A и Jet A-1, JP-5 и JP-8) имеет распределение по количеству атомов углерода от 8 до 16 (атомов углерода на молекулу); широкофракционное или нефтяное реактивное топливо (включая Jet B и JP-4) – от 5 до 15.

История

Топливо для самолетов с поршневыми двигателями (обычно высокооктановый бензин, известный как авиабензин) обладает высокой летучестью для улучшения характеристик смесеобразования и высокой температурой самовоспламенения, чтобы предотвратить преждевременное воспламенение в двигателях с высокой степенью сжатия. Турбинные двигатели (как и дизельные) могут работать на широком спектре топлив, поскольку топливо впрыскивается непосредственно в горячую камеру сгорания. В реактивных и газотурбинных (турбовинтовых, вертолетных) авиационных двигателях обычно используется более дешевое топливо с более высокой температурой вспышки, которое менее пожароопасно и, следовательно, безопаснее в транспортировке и обращении. Первый серийный и широко использовавшийся в боевых условиях реактивный двигатель с осевым компрессором Junkers Jumo 004, устанавливавшийся на истребитель Messerschmitt Me 262A и реактивный разведывательный бомбардировщик Arado Ar 234B, мог работать как на специальном синтетическом топливе "J2", так и на дизельном топливе. Бензин был третьим вариантом, но нежелательным из-за высокого расхода топлива. Также использовались керосин или смеси керосина и бензина.

Стандарты

Большинство реактивных топлив, используемых с конца Второй мировой войны, имеют керосиновую основу. Британские и американские стандарты на реактивное топливо были впервые установлены в конце Второй мировой войны. Британские стандарты произошли от стандартов на керосин, используемый для ламп – известный как парафин в Великобритании, – в то время как американские стандарты были основаны на практике использования авиационного бензина. В последующие годы детали спецификаций, такие как минимальная температура замерзания, корректировались для баланса между требованиями к производительности и доступностью топлива. Очень низкие температуры замерзания снижают доступность топлива. Продукты с более высокой температурой вспышки, необходимые для использования на авианосцах, обходятся дороже в производстве. Jet A используется на нескольких канадских аэропортах, таких как Торонто и Ванкувер, в то время как Jet A-1 является стандартным топливом, используемым в остальном мире (включая китайский стандарт RP-3, который очень похож на Jet A-1), за исключением России и стран СНГ, где наиболее распространенным стандартом является ТС-1. У Jet A и Jet A-1 температура вспышки выше, чем температура самовоспламенения.

Снабжение B

Jet B — это топливо на основе керосина и нафты, используемое благодаря улучшенным эксплуатационным характеристикам при низких температурах. Однако более легкий состав Jet B делает его более опасным в обращении.

Вода в реактивном топливе

Очень важно, чтобы реактивное топливо было свободно от загрязнения водой. Во время полета температура топлива в баках снижается из-за низких температур в верхних слоях атмосферы. Это вызывает выпадение растворенной в топливе воды. Отделившаяся вода опускается на дно бака, поскольку она плотнее топлива. Поскольку вода больше не находится в растворенном состоянии, она может образовывать капли, которые могут переохлаждаться ниже 0 °C (32 °F). При столкновении эти переохлажденные капли с поверхностью могут замерзнуть и привести к засорению топливных впускных трубопроводов. Это стало причиной аварии рейса 38 British Airways. Полное удаление воды из топлива непрактично, поэтому на коммерческих самолетах обычно используются подогреватели топлива для предотвращения замерзания воды в топливе. Существует несколько методов обнаружения воды в реактивном топливе. Визуальный осмотр может выявить высокую концентрацию взвешенной воды, поскольку это делает топливо мутным. Общепринятый химический тест для обнаружения свободной воды в реактивном топливе использует фильтровальную прокладку, чувствительную к воде, которая становится зеленой, если содержание свободной воды превышает допустимый предел в 30 ppm (частей на миллион). Важным тестом для оценки способности реактивного топлива отделять эмульгированную воду при прохождении через коалесцирующие фильтры является стандартный метод испытаний ASTM D3948 – Стандартный метод определения характеристик разделения воды авиационного турбинного топлива с помощью портативного сепаратора.

Использование поршневых двигателей

Авиатопливо очень похоже на дизельное топливо, и в некоторых случаях может использоваться в дизельных двигателях. Возможность принятия экологического законодательства, запрещающего использование свинцового авигаза (топливо для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, которое обычно содержит тетраэтилсвинец (TEL) – токсичное вещество, добавляемое для предотвращения детонации), и отсутствие равноценной замены с аналогичными характеристиками, заставили авиаконструкторов и пилотские организации искать альтернативные двигатели для небольших самолетов. В результате несколько производителей авиационных двигателей, в частности Thielert и Austro Engine, начали предлагать авиационные дизельные двигатели, работающие на авиатопливе, что может упростить логистику аэропортов за счет сокращения количества необходимых видов топлива. Авиатопливо доступно в большинстве стран мира, в то время как авигаз широко распространен лишь в нескольких странах с развитой авиацией общего назначения. Дизельный двигатель может быть более экономичным, чем двигатель, работающий на авигазе. Однако лишь немногие дизельные авиационные двигатели были сертифицированы авиационными властями. Дизельные авиационные двигатели сегодня не получили широкого распространения, хотя во время Второй мировой войны использовались дизельные силовые установки, такие как семейство Junkers Jumo 205. Авиатопливо часто используется в дизельных наземных транспортных средствах, обслуживающих аэропорты. Однако авиатопливо, по сравнению с дизельным, обладает худными смазывающими свойствами, что увеличивает износ оборудования топливной системы. Для восстановления смазывающей способности может потребоваться специальная добавка. Авиатопливо дороже дизельного, но логистические преимущества использования единого вида топлива могут компенсировать дополнительные расходы в определенных ситуациях. Авиатопливо содержит больше серы – до 1000 ppm, что обеспечивает лучшую смазывающую способность и в настоящее время не требует добавления смазывающих присадок, в отличие от всего дизельного топлива, поставляемого по трубопроводам. Введение ультранизкосернистого дизельного топлива (ULSD) повлекло за собой необходимость использования модификаторов смазки. Дизельное топливо, поставляемое по трубопроводам до появления ULSD, могло содержать до 500 ppm серы и называлось дизельным топливом с низким содержанием серы (LSD). В Соединенных Штатах LSD теперь доступно только для внедорожного строительства, локомотивов и морского транспорта. По мере введения новых экологических норм EPA все больше нефтеперерабатывающих заводов подвергают авиатопливо гидроочистке, что снижает его смазывающие свойства, согласно стандарту ASTM D445. JP 8, аналогичный Jet A 1, используется в дизельных транспортных средствах НАТО в рамках политики единого топлива.

Jet fuel is very similar to diesel fuel, and in some cases, may be used in diesel engines. The possibility of environmental legislation banning the use of leaded avgas (fuel in spark ignited internal combustion engine, which usually contains tetraethyllead (TEL), a toxic substance added to prevent engine knocking), and the lack of a replacement fuel with similar performance, has left aircraft designers and pilot's organizations searching for alternative engines for use in small aircraft. As a result, a few aircraft engine manufacturers, most notably Thielert and Austro Engine, have begun offering aircraft diesel engines which run on jet fuel which may simplify airport logistics by reducing the number of fuel types required. Jet fuel is available in most places in the world, whereas avgas is only widely available in a few countries which have a large number of general aviation aircraft. A diesel engine may be more fuel efficient than an avgas engine. However, very few diesel aircraft engines have been certified by aviation authorities. Diesel aircraft engines are uncommon today, even though opposed piston aviation diesel powerplants such as the Junkers Jumo 205 family had been used during the Second World War. Jet fuel is often used in diesel powered ground support vehicles at airports. However, jet fuel tends to have poor lubricating ability in comparison to diesel, which increases wear in fuel injection equipment. An additive may be required to restore its lubricity. Jet fuel is more expensive than diesel fuel but the logistical advantages of using one fuel can offset the extra expense of its use in certain circumstances. Jet fuel contains more sulfur, up to 1,000 ppm, which therefore means it has better lubricity and does not currently require a lubricity additive as all pipeline diesel fuels require. The introduction of Ultra Low Sulfur Diesel or ULSD brought with it the need for lubricity modifiers. Pipeline diesels before ULSD were able to contain up to 500 ppm of sulfur and were called Low Sulfur Diesel or LSD. In the United States LSD is now only available to the off road construction, locomotive and marine markets. As more EPA regulations are introduced, more refineries are hydrotreating their jet fuel production, thus limiting the lubricating abilities of jet fuel, as determined by ASTM Standard D445. JP 8, which is similar to Jet A 1, is used in NATO diesel vehicles as part of the single fuel policy.

Синтетическое реактивное топливо

Синтезированный парафиновый керосин (SPK) производства по технологии Fischer–Tropsch (FT) сертифицирован для использования в авиационных парках США и других стран в смеси с обычным реактивным топливом в концентрации до 50%. По состоянию на конец 2017 года сертифицированы четыре других способа производства SPK, с указанием их обозначений и максимального процента в смеси в скобках: гидрообработанные эфиры и жирные кислоты (HEFA SPK, 50%); синтезированные изопарафины из гидрообработанных ферментированных сахаров (SIP, 10%); синтезированный парафиновый керосин с добавлением ароматических углеводородов (SPK/A, 50%); SPK, полученный из спирта (ATJ SPK, 30%). SPK, произведенный по технологиям FT и HEFA, в смеси с JP 8 соответствует спецификации MIL DTL 83133H. Некоторые виды синтетического реактивного топлива демонстрируют снижение выбросов загрязняющих веществ, таких как SOx, NOx, твердые частицы, а в некоторых случаях и углекислого газа. Ожидается, что использование синтетического реактивного топлива улучшит качество воздуха вблизи аэропортов, что особенно важно для аэропортов, расположенных в черте города. Авиакомпания Qatar Airways стала первой, выполнившей коммерческий рейс на смеси 50:50 синтетического топлива Gas to Liquid (GTL) и обычного реактивного топлива. Синтетический керосин, полученный из природного газа для шестичасового рейса из Лондона в Доху, был произведен на заводе Shell GTL в Бинтулу (Малайзия). Первый в мире пассажирский рейс, полностью использовавший синтетическое реактивное топливо, был выполнен 22 сентября 2010 года из международного аэропорта Лансерия в международный аэропорт Кейптаун. Топливо было разработано компанией Sasol. Химик Хизер Виллоэр возглавляет группу исследователей из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США, которые разрабатывают процесс получения реактивного топлива из морской воды. Технология требует подачи электрической энергии для разделения кислорода (O2) и водорода (H2) из морской воды с использованием катализатора на основе железа, после чего следует стадия олигомеризации, на которой монооксид углерода (CO) и водород рекомбинируются в длинноцепочечные углеводороды с использованием цеолита в качестве катализатора. Ожидается, что технология будет внедрена в 2020-х годах на военных кораблях ВМС США, особенно на атомных авианосцах. 8 февраля 2021 года первый в мире регулярный пассажирский рейс был выполнен с использованием синтетического керосина, полученного не из ископаемого топлива. 500 литров синтетического керосина было смешано с обычным реактивным топливом. Синтетический керосин был произведен компанией Shell, а рейс выполнялся авиакомпанией KLM.

Fischer–Tropsch (FT) Synthesized Paraffinic Kerosene (SPK) synthetic fuels are certified for use in United States and international aviation fleets at up to 50% in a blend with conventional jet fuel. As of the end of 2017, four other pathways to SPK are certified, with their designations and maximum blend percentage in brackets: Hydroprocessed Esters and Fatty Acids (HEFA SPK, 50%); synthesized iso paraffins from hydroprocessed fermented sugars (SIP, 10%); synthesized paraffinic kerosene plus aromatics (SPK/A, 50%); alcohol to jet SPK (ATJ SPK, 30%). Both FT and HEFA based SPKs blended with JP 8 are specified in MIL DTL 83133H. Some synthetic jet fuels show a reduction in pollutants such as SOx, NOx, particulate matter, and sometimes carbon emissions. It is envisaged that usage of synthetic jet fuels will increase air quality around airports which will be particularly advantageous at inner city airports. Qatar Airways became the first airline to operate a commercial flight on a 50:50 blend of synthetic Gas to Liquid (GTL) jet fuel and conventional jet fuel. The natural gas derived synthetic kerosene for the six hour flight from London to Doha came from Shell's GTL plant in Bintulu, Malaysia. The world's first passenger aircraft flight to use only synthetic jet fuel was from Lanseria International Airport to Cape Town International Airport on September 22, 2010. The fuel was developed by Sasol. Chemist Heather Willauer is leading a team of researchers at the U. S. Naval Research Laboratory who are developing a process to make jet fuel from seawater. The technology requires an input of electrical energy to separate Oxygen (O2) and Hydrogen (H2) gas from seawater using an iron based catalyst, followed by an oligomerization step wherein carbon monoxide (CO) and hydrogen are recombined into long chain hydrocarbons, using zeolite as the catalyst. The technology is expected to be deployed in the 2020s by U. S. Navy warships, especially nuclear powered aircraft carriers. On February 8, 2021, the world's first scheduled passenger flight flew with some synthetic kerosene from a non fossil fuel source. 500 liters of synthetic kerosene was mixed with regular jet fuel. Synthetic kerosene was produced by Shell and the flight was operated by KLM.

Испытания синтетического топлива ВВС США

8 августа 2007 года министр ВВС Майкл Уинн сертифицировал B-52H для использования смеси FT, что ознаменовало официальное завершение программы испытаний. Эта программа является частью Инициативы Министерства обороны по обеспечению гарантированного топлива, направленной на разработку безопасных внутренних источников для удовлетворения энергетических потребностей вооруженных сил. Пентагон надеется сократить использование сырой нефти от иностранных поставщиков и получать около половины авиационного топлива из альтернативных источников к 2016 году. Теперь, когда B-52 одобрен для использования смеси FT, ВВС США будут использовать протоколы испытаний, разработанные в рамках программы, для сертификации Boeing C-17 Globemaster III, а затем Rockwell B-1B Lancer для использования этого топлива. Для испытаний этих двух самолетов ВВС США заказали топливо FT. ВВС США планируют испытать и сертифицировать все типы самолетов, состоящих на вооружении, для использования этого топлива к 2011 году. Они также предоставят более НАСА для испытаний на различных самолетах и двигателях. ВВС США сертифицировали B-1B, B-52H, C-17, Lockheed Martin C-130J Super Hercules, McDonnell Douglas F-4 Phantom (в качестве беспилотных летательных аппаратов QF-4), McDonnell Douglas F-15 Eagle, Lockheed Martin F-22 Raptor и Northrop T-38 Talon для использования синтетической топливной смеси. C-17 Globemaster III, F-16 и F-15 ВВС США сертифицированы для использования гидроочищенного возобновляемого реактивного топлива. ВВС США планируют сертифицировать более 40 моделей для использования топлива, полученного из отработанных масел и растительного сырья, к 2013 году. В апреле 2011 года четыре F-15E Strike Eagle ВВС США совершили пролет над церемонией открытия бейсбольного сезона команды "Филадельфия Филлис", используя смесь традиционного реактивного топлива и синтетического биотоплива. Этот пролет вошел в историю как первый в Министерстве обороны, использовавший биотопливо.

Биотопливо для реактивных самолетов

Авиационная отрасль несет ответственность за 2–3 процента антропогенных выбросов углекислого газа. Boeing оценивает, что биотопливо может сократить выбросы парниковых газов, связанные с полетами, на 60–80 процентов. Одним из возможных решений, получивших большее освещение в СМИ, чем другие, является смешивание синтетического топлива, полученного из водорослей, с существующим авиационным керосином: Green Flight International стала первой авиакомпанией, совершившей полет на реактивном самолете, работающем на 100% биотопливе. Рейс из аэропорта Рино-Стид (штат Невада) был выполнен на самолете Aero L 29 Delfín под управлением Кэрол Сугарс и Дугласа Роданте. Boeing и Air New Zealand сотрудничают с Tecbio Aquaflow Bionomic и другими разработчиками авиационного биотоплива по всему миру. Virgin Atlantic успешно протестировала смесь биотоплива, состоящую из 20% масла бабассу и кокоса и 80% традиционного авиационного керосина, которая подавалась в один двигатель во время рейса 747 из лондонского аэропорта Хитроу в аэропорт Схипхол (Амстердам). Консорциум, в который входят Boeing, Исследовательский центр имени Гленна NASA, MTU Aero Engines (Германия) и Исследовательская лаборатория ВВС США, работает над разработкой смесей авиационного керосина, содержащих значительный процент биотоплива. British Airways и Velocys заключили партнерство в Великобритании для проектирования ряда заводов, которые будут перерабатывать бытовые отходы в авиационное топливо. Состоялось 24 коммерческих и военных полета с использованием биотоплива Honeywell “Green Jet Fuel”, включая военно-морской истребитель F/A 18 Hornet. В 2011 году United Continental Holdings стала первой авиакомпанией США, совершившей коммерческий рейс с использованием смеси устойчивого, передового биотоплива и традиционного авиационного керосина, полученного из нефти. Solazyme разработала масло из водорослей, которое было очищено с использованием технологии UOP Honeywell, для производства авиационного керосина, использованного в коммерческом рейсе. Solazyme произвела первое в мире 100% водорослевое авиационное топливо Solajet как для коммерческого, так и для военного применения. Цены на нефть выросли примерно в пять раз с 2003 по 2008 год, что вызвало опасения, что мировое производство нефти не сможет удовлетворить спрос. Недостаток альтернатив нефти в качестве авиационного топлива придает дополнительную срочность поиску альтернативных решений. В первые шесть месяцев 2008 года двадцать пять авиакомпаний обанкротились или прекратили свою деятельность, в основном из-за стоимости топлива. В 2015 году ASTM одобрила изменение спецификации D1655 – стандартной спецификации для авиационного турбинного топлива – для допуска до 50 ppm (50 мг/кг) FAME (метиловых эфиров жирных кислот) в авиационном керосине, чтобы обеспечить более высокую степень перекрестного загрязнения при производстве биотоплива.

The air transport industry is responsible for 2–3 percent of man made carbon dioxide emitted. Boeing estimates that biofuels could reduce flight related greenhouse gas emissions by 60 to 80 percent. One possible solution which has received more media coverage than others would be blending synthetic fuel derived from algae with existing jet fuel:

Green Flight International became the first airline to fly jet aircraft on 100% biofuel. The flight from Reno Stead Airport in Stead, Nevada was in an Aero L 29 Delfín piloted by Carol Sugars and Douglas Rodante. Boeing and Air New Zealand are collaborating with Tecbio Aquaflow Bionomic and other jet biofuel developers around the world. Virgin Atlantic successfully tested a biofuel blend consisting of 20 percent babassu nuts and coconut and 80 percent conventional jet fuel, which was fed to a single engine on a 747 flight from London Heathrow to Amsterdam Schiphol. A consortium consisting of Boeing, NASA's Glenn Research Center, MTU Aero Engines (Germany), and the U. S. Air Force Research Laboratory is working on development of jet fuel blends containing a substantial percentage of biofuel. British Airways and Velocys have entered into a partnership in the UK to design a series of plants that convert household waste into jet fuel. 24 commercial and military biofuel flights have taken place using Honeywell “Green Jet Fuel,” including a Navy F/A 18 Hornet. In 2011, United Continental Holdings was the first United States airline to fly passengers on a commercial flight using a blend of sustainable, advanced biofuels and traditional petroleum derived jet fuel. Solazyme developed the algae oil, which was refined utilizing Honeywell's UOP process technology, into jet fuel to power the commercial flight. Solazyme produced the world's first 100 percent algae derived jet fuel, Solajet, for both commercial and military applications. Oil prices increased about fivefold from 2003 to 2008, raising fears that world petroleum production is becoming unable to keep up with demand. The fact that there are few alternatives to petroleum for aviation fuel adds urgency to the search for alternatives. Twenty five airlines were bankrupted or stopped operations in the first six months of 2008, largely due to fuel costs. In 2015 ASTM approved a modification to Specification D1655 Standard Specification for Aviation Turbine Fuels to permit up to 50 ppm (50 mg/kg) of FAME (fatty acid methyl ester) in jet fuel to allow higher cross contamination from biofuel production.

Мировое потребление реактивного топлива

С 1980 года мировой спрос на авиационный керосин неуклонно растет. Потребление увеличилось более чем в три раза за 30 лет – с 1 837 000 баррелей в сутки в 1980 году до 5 220 000 в 2010 году. Примерно 30% мирового потребления авиационного керосина приходится на США (1 398 130 баррелей в сутки в 2012 году).

Налогообложение

Статья 24 Чикагской конвенции о международной гражданской авиации от 7 декабря 1944 года предусматривает, что при перелете из одного договаривающегося государства в другое керосин, уже находящийся на борту воздушного судна, не может облагаться налогом государством, в котором приземляется воздушное судно, или государством, через воздушное пространство которого судно пролетело. Это сделано для предотвращения двойного налогообложения. Иногда предполагают, что Чикагская конвенция исключает налогообложение авиационного топлива, однако это неверно. Чикагская конвенция не исключает введение налога на керосин для внутренних рейсов или при дозаправке перед международными рейсами. Также иногда утверждают, что статья 15 Чикагской конвенции запрещает налоги на топливо. Статья 15 гласит: "Никакие сборы, пошлины или другие платежи не взимаются каким-либо договаривающимся государством исключительно за право транзита над его территорией, въезда в нее или вылета из нее любым воздушным судном договаривающегося государства или лицами или имуществом на борту". Однако ИКАО различает сборы и налоги, и статья 15 не запрещает взимание налогов без оказания соответствующей услуги. Государства-члены ЕС могут облагать авиационное топливо налогом посредством двусторонних соглашений, но таких соглашений в настоящее время не существует. Керосиновые углеводородные топлива – это сложные смеси, которые могут содержать более 260 алифатических и ароматических углеводородных соединений, включая токсичные вещества, такие как бензол, н-гексан, толуол, ксилол, триметилпентан, метоксиэтанол, нафталин, вызывающие иммунные и гематологические расстройства, неврологические эффекты, нарушения зрения и слуха, заболевания почек и печени, сердечно-сосудистые заболевания, расстройства желудочно-кишечного тракта, генотоксические и метаболические эффекты.