Введение
Авиационное топливо
Avgas (авиационный бензин, также известный как авиационный спирт в Великобритании) – это авиационное топливо, используемое в самолетах с двигателями внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Avgas отличается от обычного бензина (моторного топлива), используемого в автомобилях, который в авиационном контексте называется mogas (моторным бензином). В отличие от бензина, который с 1970-х годов производится без содержания свинца для возможности использования каталитических нейтрализаторов с целью снижения выбросов, наиболее распространенные марки avgas по-прежнему содержат тетраэтилсвинец – токсичную присадку, содержащую свинец, используемую для повышения октанового числа и предотвращения детонации (преждевременного воспламенения). Ведутся постоянные работы по сокращению или полному исключению использования свинца в авиационном бензине. Реактивное топливо на основе керосина разработано для соответствия требованиям турбинных двигателей, которые не нуждаются в октановом числе и работают в гораздо более широком диапазоне условий полета, чем поршневые двигатели. Керосин также используется большинством дизельных поршневых двигателей, разработанных для авиации, таких как двигатели SMA Engines, Austro Engine и Thielert.
Свойства
Основным компонентом нефти, используемым в смешивании авибензина, является алкилат, представляющий собой смесь различных изооктанов. Некоторые нефтеперерабатывающие заводы также используют реформат. Все марки авибензина, соответствующие требованиям CAN 2–3, 25 M82, имеют плотность at (6 фунтов/галлон США обычно используется в Америке для расчёта веса и баланса). Плотность увеличивается до at и уменьшается примерно на 0,1% при каждом увеличении температуры. Авибензин имеет коэффициент (или фактор) выбросов, равный CO2, или около 3,07 единиц массы, образующейся на единицу массы использованного топлива. Авибензин менее летуч, с диапазоном давления паров Рида от 5,5 до 7 psi, чем автомобильный бензин, с диапазоном от 8 до 14 psi. Минимальное значение обеспечивает достаточную летучесть для запуска двигателя. Верхние пределы связаны с атмосферным давлением на уровне моря – 14,7 psi для автотранспорта и окружающим давлением на высоте 22 000 футов – 6,25 psi для самолётов. Меньшая летучесть авибензина снижает вероятность образования паровых пробок в топливопроводах на высотах до 22 000 футов. Используемые сегодня смеси те же, что и при их первой разработке в 1940-х годах, и применялись в авиационных и военных авиационных двигателях с высоким уровнем наддува; в частности, в двигателе Rolls Royce Merlin, использовавшемся в истребителях Spitfire и Hurricane, истребителях-бомбардировщиках Mosquito и тяжелых бомбардировщиках Lancaster (для Merlin II и более поздних версий требовалось 100-октановое топливо), а также в двигателе Allison V 1710 с жидкостным охлаждением и радиальных двигателях с воздушным охлаждением от Pratt & Whitney, Wright и других производителей по обе стороны Атлантики. Высокие октановые числа традиционно достигались добавлением тетраэтилсвинца – высокотоксичного вещества, которое к концу XX века было постепенно исключено из автомобильного использования в большинстве стран. В настоящее время свинцовый авибензин доступен в нескольких марках с различными максимальными концентрациями свинца. (Также доступен и безсвинцовый авибензин.) Поскольку тетраэтилсвинец является токситивной добавкой, используется минимальное количество, необходимое для достижения требуемого октанового числа; фактические концентрации часто ниже допустимого максимума. Исторически сложилось так, что многие разработанные после Второй мировой войны маломощные 4- и 6-цилиндровые поршневые авиационные двигатели были рассчитаны на использование свинцового топлива; для этих двигателей разрабатывается и сертифицируется бессвинцовое заменительное топливо. Некоторые самолёты с поршневыми двигателями по-прежнему требуют свинцового топлива, но некоторые не нуждаются в нём, а некоторые могут использовать безсвинцовый бензин при добавлении специальной присадки к маслу.
Потребление
Годовое потребление авиационного бензина в США в 2008 году составляло примерно 0,14% от общего потребления автомобильного бензина. С 1983 по 2008 год использование авиационного бензина в США последовательно снижалось примерно на [значение] каждый год. В Европе авиационный бензин остается наиболее распространенным топливом для поршневых двигателей. Однако цены на него настолько высоки, что предпринимаются усилия по переходу на дизельное топливо, которое более доступно, дешевле и обладает преимуществами для авиационного применения.
91UL (или UL91)
Hjelmco Oil впервые представила безсвинцовые марки Avgas в Европе в 2003 году, после успеха с 80UL. Эта марка Avgas производится в соответствии со стандартом ASTM D7547. Это топливо может использоваться на любом воздушном судне в Европе или Соединенном Королевстве, если двигатель сертифицирован для его применения, независимо от того, сертифицирован ли планер самолета для использования этого топлива.
93UL (безэтанольный бензин 93AKI для автомобилей)
Компания Airworthy AutoGas в 2013 году провела испытания высокооктанового автогаза 93 (AKI) без содержания этанола на двигателе Lycoming O-360 A4M. Топливо сертифицировано в соответствии с инструкцией по обслуживанию Lycoming 1070 и стандартом ASTM D4814.
UL94 (ранее 94UL)
Безсвинцовое 94-октановое топливо для авиационных двигателей (UL94) по сути является 100LL без свинца. В марте 2009 года Teledyne Continental Motors (TCM) объявила об испытаниях топлива 94UL, которое может стать лучшей заменой для 100LL. Это 94UL соответствует спецификации авиационного бензина, включая давление паров, но не было полностью протестировано на детонационные свойства во всех двигателях Continental и в любых условиях. Летные испытания проводились на двигателе IO 550 B, установленном на самолете Beechcraft Bonanza, а наземные – на двигателях Continental O 200, 240, O 470 и O 520. В мае 2010 года TCM заявила, что, несмотря на скептицизм в отрасли, они продолжают работу над 94UL и ожидают сертификацию в середине 2013 года. В июне 2010 года Lycoming Engines выразила свое несогласие с 94UL. Генеральный директор компании, Майкл Крафт, заявил, что владельцы самолетов не осознают, какую потерю производительности повлечет за собой использование 94UL, и назвал решение о продолжении разработки 94UL ошибкой, которая может обойтись авиационной отрасли в миллиарды долларов потерянной прибыли. Lycoming считает, что отрасль должна стремиться к 100UL. Позицию Lycoming поддерживают клубы владельцев самолетов, чьи самолеты не смогут работать на топливе с более низким октановым числом. В июне 2010 года такие клубы, как American Bonanza Society, Malibu Mirage Owners and Pilots Association и Cirrus Owners and Pilots Association, объединились в Clean 100 Octane Coalition для представления своих интересов и продвижения использования 100-октанового авиационного бензина без свинца. В ноябре 2015 года UL94 был добавлен в качестве вторичного сорта авиационного бензина без свинца в спецификацию ASTM D7547, которая регулирует UL91. UL91 в настоящее время продается в Европе. UL94 соответствует всем предельным значениям свойств спецификации 100LL, за исключением более низкого октанового числа двигателя (минимум 94,0 для UL94 против минимума 99,6 для 100LL) и сниженного максимального содержания свинца. UL94 – это топливо без свинца, но, как и во всех спецификациях ASTM International для бензина без свинца, допускается минимальное количество непреднамеренно добавленного свинца. С мая 2016 года UL94, теперь продукт Swift Fuels, доступен для продажи в десятках аэропортов в Соединенных Штатах. Swift Fuels имеет соглашение о дистрибуции в Европе. UL94 не предназначен для полной замены 100LL, а скорее для использования в самолетах с двигателями, рассчитанными на топливо с более низким октановым числом, например, для двигателей, одобренных для работы на авиационном бензине класса 80 (или ниже), UL91 или mogas. По оценкам, до 65% существующего парка поршневых самолетов общей авиации могут работать на UL94 без каких-либо модификаций двигателя или планера. Однако для некоторых самолетов требуется приобретение одобренного FAA дополнительного сертификата типа (STC) для использования UL94. UL94 имеет минимальное моторное октановое число (MON, используемое для оценки авиационного бензина) 94,0. 100LL имеет минимальное MON 99,6. В августе 2016 года FAA пересмотрела SAIB HQ 16-05, включив аналогичную формулировку относительно допустимости использования UL94 в самолетах и двигателях, одобренных для работы на авиационном бензине с минимальным моторным октановым числом 80 или ниже, включая класс 80/87. Публикация SAIB, особенно редакция от августа 2016 года, устранила необходимость во многих STC на UL94, продаваемых Swift Fuels, поскольку большинство самолетов, указанных в списке одобренных моделей STC, сертифицированы для использования авиационного бензина с октановым числом 80 или ниже. 6 апреля 2017 года Lycoming Engines опубликовала Инструкцию по обслуживанию 1070V, которая добавляет UL94 в качестве одобренного сорта топлива для десятков моделей двигателей, 60% из которых – карбюраторные. Двигатели объемом 235, 320, 360 и 540 кубических дюймов составляют почти 90% моделей, одобренных для UL94. Компания также запатентовала несколько альтернативных видов топлива на неалкогольной основе, которые могут быть получены путем ферментации биомассы. В течение следующих нескольких лет компания стремилась построить пилотный завод для производства достаточного количества топлива для проведения испытаний в большем масштабе и представила топливо в FAA для испытаний. В 2008 году статья технического обозревателя и авиационного энтузиаста Роберта Крингли привлекла широкое внимание к топливу, как и перелет через всю страну на самолете, заправленном Swift Fuel, пилотом Дэйвом Хиршманом из AOPA. Заявления Swift Enterprises о том, что топливо в конечном итоге можно будет производить значительно дешевле, чем 100LL, обсуждались в авиационной прессе. FAA установила, что моторное октановое число Swift Fuel составляет 104,4, что составляет 96,3% энергии на единицу массы и 113% энергии на единицу объема по сравнению с 100LL, и что оно соответствует большинству требований стандарта ASTM D910 для свинцового авиационного топлива. После испытаний на двух двигателях Lycoming FAA пришла к выводу, что топливо превосходит 100LL по детонационной стойкости и обеспечит экономию топлива в 8% на единицу объема, хотя оно и тяжелее 100LL. Анализ GC–FID показал, что топливо состоит в основном из двух компонентов – один составляет около 85% по весу, а другой – около 14% по весу. Вскоре после этого AVweb сообщила, что Continental начала процесс сертификации нескольких своих двигателей для использования нового топлива. С 2009 по 2011 год 100SF был одобрен ASTM International в качестве тестового топлива, что позволило компании проводить сертификационные испытания. Успешно протестировано FAA, испытано Университетом Пердью и одобрено в соответствии со спецификацией ASTM D7719 для высокооктанового Grade UL102, что позволило компании проводить более экономичные испытания на неэкспериментальных самолетах. В 2012 году Swift Fuels LLC была создана для привлечения опыта в нефтегазовой отрасли, увеличения производства и вывода топлива на рынок. К ноябрю 2013 года компания построила свой пилотный завод и получила разрешение на производство топлива на нем. Ее последний патент, одобренный в 2013 году, описывает методы производства топлива из ферментируемой биомассы. FAA запланировала двухлетнее тестирование UL102 во второй фазе своей инициативы PAFI, начиная с лета 2016 года.
G100UL
В феврале 2010 года компания General Aviation Modifications Inc. (GAMI) объявила о разработке замены 100LL под названием G100UL («безэтилбензольное»). Это топливо производится путем смешивания существующих продуктов нефтепереработки и обеспечивает запас устойчивости к детонации, сопоставимый с 100LL. Новое топливо немного плотнее 100LL, но имеет на 3,5% более высокую термодинамическую эффективность. G100UL совместим с 100LL и может смешиваться с ним в топливных баках самолета для использования. Экономическая целесообразность производства этого нового топлива пока не подтверждена, но ожидается, что его стоимость будет не ниже, чем у 100LL. В ходе демонстраций, проведенных в июле 2010 года, G100UL показал результаты лучше, чем 100LL, соответствующий минимальным требованиям спецификации, и на уровне средней партии 100LL. Безэтилбензольное топливо G100UL компании GAMI было одобрено Федеральным авиационным управлением (FAA) с выдачей дополнительного сертификата типа (STC) на выставке AirVenture в июле 2021 года. Первоначально STC распространяется только на модели Cessna 172 с двигателями Lycoming, но планируется быстрое расширение перечня типов воздушных судов. Компания заявила, что розничная стоимость, предположительно, будет на 0,60–0,85 доллара США за галлон выше, чем у 100LL. В сентябре 2022 года FAA неожиданно одобрило STC для использования этого топлива во всех поршневых самолетах и с любыми типами двигателей. В феврале 2023 года компания начала продажу дополнительных сертификатов типа, позволяющих владельцам самолетов использовать топливо после его появления в продаже. По прогнозам, поставки топлива в США начнутся в Калифорнии в середине 2023 года, а в остальной части страны – к 2026 году.
Непрокаженное топливо без свинца
В декабре 2013 года Shell Oil объявила о разработке бесприсадного 100-октанового топлива и намерении представить его на испытания в FAA, с ожиданием сертификации в течение двух-трех лет. Топливо создано на основе алкилата с использованием пакета присадок, включающих ароматические углеводороды. Информация о его характеристиках, возможности промышленного производства и цене пока не опубликована. Отраслевые аналитики полагают, что стоимость этого топлива, вероятно, будет сопоставима или выше, чем у существующего 100LL.
Экологическое регулирование
ТЭЛ, содержащийся в свинцовом авиабензине (авогазе) и продуктах его сгорания, является мощным нейротоксином, который, как показали научные исследования, нарушает развитие мозга у детей. Дети, проживающие или посещающие детские учреждения вблизи аэропортов с умеренным или высоким трафиком поршневых самолетов, подвергаются особенно высокому риску повышенного уровня свинца в крови. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) отметило, что даже очень низкие уровни загрязнения свинцом однозначно связаны с потерей IQ в результатах тестов функции мозга у детей, что является серьезной мотивацией для устранения свинца и его соединений из окружающей среды. cquote|Хотя концентрация свинца в воздухе снизилась, научные исследования показали, что неврологическое развитие детей нарушается даже при уровнях воздействия свинца, значительно более низких, чем считалось ранее. Низкий уровень воздействия свинца четко связан с потерей IQ при тестировании. Даже средняя потеря IQ в 1–2 балла у детей оказывает существенное влияние на страну в целом, поскольку это приведет к увеличению числа детей, классифицируемых как имеющих интеллектуальные нарушения, а также к пропорциональному снижению числа детей, считающихся "одаренными". В соответствии с постановлением федерального суда установить новый стандарт к 15 октября 2008 года, EPA снизило допустимые пределы содержания свинца в атмосфере с предыдущего значения 1,5 мкг/м3 до 0,15 мкг/м3. Это было первое изменение стандарта с 1978 года и представляет собой снижение на порядок величины по сравнению с предыдущими уровнями. Новый стандарт требует от 16 000 оставшихся источников свинца в США, включая свинцово-цинковые заводы, авиационное топливо, военные объекты, добычу и переработку металлов, производство железа и стали, промышленные котлы и нагреватели, сжигание опасных отходов и производство аккумуляторов, сократить свои выбросы к октябрю 2011 года. В собственных исследованиях EPA показало, что для предотвращения измеримого снижения IQ у наиболее уязвимых детей стандарт необходимо установить значительно ниже – до 0,02 мкг/м3. EPA определило авиабензин как один из наиболее "значительных источников свинца". На общественных слушаниях EPA, проведенных в июне 2008 года по новым стандартам, Энди Себула, исполнительный вице-президент Ассоциации владельцев и пилотов самолетов по вопросам государственной политики, заявил, что общая авиация играет важную роль в экономике США, и любые изменения в стандартах содержания свинца, которые изменят текущий состав авиабензина, окажут "прямое влияние на безопасность полетов и будущее легкой авиации в стране". В декабре 2008 года AOPA представила официальные комментарии к новым правилам EPA. AOPA попросила EPA учесть стоимость и вопросы безопасности, связанные с удалением свинца из авиабензина. Они указали, что в авиационном секторе США работает более 1,3 миллиона человек, а общий прямой и косвенный экономический эффект "превышает 150 миллиардов долларов в год". AOPA интерпретирует новые правила как не затрагивающие общую авиацию в их нынешнем виде. В апреле 2010 года в Федеральном реестре США было опубликовано предварительное уведомление о предлагаемом правиле EPA США. EPA указало: "В этом документе будет описан учет свинца, связанный с использованием свинцового авиабензина, информация о качестве воздуха и воздействии, дополнительная информация, которую Агентство собирает в отношении влияния выбросов свинца от поршневых самолетов на качество воздуха, и будут запрошены комментарии по этой информации". Несмотря на сообщения в СМИ о том, что свинцовый авиабензин будет полностью исключен из использования в США к 2017 году, EPA подтвердило в июле 2010 года, что даты прекращения использования нет и что ее установление является ответственностью FAA, поскольку EPA не имеет полномочий в отношении авиабензина. Администратор FAA заявил, что регулирование содержания свинца в авиабензине является ответственностью EPA, что вызвало широкую критику обеих организаций за создание путаницы и задержку решений. В апреле 2011 года на выставке Sun 'n Fun Пит Банс, глава Ассоциации производителей авиационной техники общего назначения (GAMA), и Крейг Фуллер, президент и генеральный директор Ассоциации владельцев и пилотов самолетов, заявили, что они уверены, что свинцовый авиабензин не будет исключен из использования до тех пор, пока не будет найдена подходящая замена. "Нет оснований полагать, что авиабензин 100LL станет недоступным в обозримом будущем", – заявил Фуллер. Результаты моделирования выбросов свинца EPA на аэродроме Санта-Моника показали уровни за пределами аэродрома ниже текущих 150 нг/м3 и возможные будущие уровни 20 нг/м3. На пятнадцати из семнадцати аэродромов, которые EPA отслеживала в течение года, выбросы свинца значительно ниже текущего Национального стандарта качества атмосферного воздуха (NAAQS) для свинца.
Другие применения
Авгаз иногда применяется в любительских гоночных автомобилях, поскольку его октановое число выше, чем у автомобильного бензина, что позволяет двигателям работать при более высокой степени сжатия.