Waarom gebruiken vliegtuigen kerosine (vliegtuigbrandstof)?

Tegenwoordig gaan we ervan uit dat straalvliegtuigen kerosine verbranden. Maar in de begindagen van de luchtvaart reden vliegtuigen op dezelfde benzine als jouw auto. Waarom is het menu zo compleet veranderd? Deze geschiedenis is niet alleen een verhaal over brandstoftechnologie-het is een verhaal over veiligheid, prestaties en technische afwegingen-.

Deel 1: Het zuigertijdperk (1903–1940) - Het korte bewind van benzine
De eerste vlucht van de gebroeders Wright gebruikte benzine. De eerste vliegtuigen gebruikten allemaal zuigermotoren, vergelijkbaar met automotoren, dus benzine was de logische keuze.

Er kwamen al snel problemen:

Kloppende motor (detonatie): Om het vermogen te vergroten hadden piloten hogere compressieverhoudingen nodig, maar gewone benzine zou zelf-ontbranden en ontploffen. Dit kan het vermogen verminderen of zelfs cilinders doen versplinteren.

Hoge vluchtigheid: Benzine verdampt gemakkelijk bij kamertemperatuur, waardoor brandbare dampen ontstaan. Tijdens de Eerste en Tweede Wereldoorlog vlogen veel vliegtuigen in brand of explodeerden tijdens het tanken op de grond als gevolg van statische vonken.

Bevriezing van de carburateur op hoogte: Waterdamp in de inlaatlucht bevriest op grote hoogte in de carburateur, waardoor de motor blokkeert. Vroege piloten moesten soms handmatig antivries in de carburateur druppelen.

In de jaren dertig werd een oplossing gevonden in de vorm van Aviation Gasoline, ook wel bekend als Avgas. Door een chemische stof genaamd tetraethyllood aan de brandstof toe te voegen, werd het octaangetal verhoogd van 40 naar 100/130 of zelfs hoger. Deze nieuwe brandstof, Avgas, werd gebruikt om enkele van de meest iconische vliegtuigen uit de Tweede Wereldoorlog aan te drijven, waaronder de P-51 Mustang-jager en de B-29 Superfortress-bommenwerper. Naarmate de tijd verstreek, werden de toxische effecten van lood echter een groot probleem en werden de grenzen van het octaangetal bereikt, wat ingenieurs ertoe aanzette naar alternatieve oplossingen te zoeken.

Deel 2: De straalrevolutie (jaren 40) – Benzine is veroordeeld
De straalmotor werd geboren in de jaren veertig (de Duitse He 178, de Britse Gloster E.28/39). De verbrandingskamer had een brandstof nodig die:

Wordt onder hoge druk geïnjecteerd en brandt stabiel.

Het kan gemakkelijk stromen, zelfs als het heel erg koud is - we hebben het over -50 graden of -58 graden F, wat het soort temperatuur is dat je ervaart als je je op kruishoogte bevindt.

Smeer de plunjer van de hogedrukbrandstofpomp.

Benzine slaagde niet voor alle drie de tests.

Eigendom Vereiste benzinestraalmotor
Vlampunt ~ -43 graden (-45 graden F) - Extreem brandbaar > 38 graden (100 graden F) voor de veiligheid
Lage-Temperatuurstroom wordt vast rond -40 graden (-40 graden F) Moet stromen onder -50 graden (-58 graden F)
Smering Zeer slecht (droog) Heeft enige smering nodig voor de brandstofpomp
Dieselbrandstof werd ook niet als een goede optie beschouwd. Eén reden is dat het erg dik is en niet gemakkelijk afbreekt, waardoor het moeilijk te gebruiken is in motoren. Bovendien wordt dieselbrandstof, als het koud is, nog dikker en stroomt langzaam, een beetje zoals honing. En tot overmaat van ramp kan het vieze koolstofafzettingen achterlaten die de motor na verloop van tijd kunnen beschadigen.

Ingenieurs richtten hun aandacht op kerosine, die vaak wordt beschouwd als de perfecte middenweg - niet te licht als benzine, niet te zwaar als diesel.

Deel 3: De triomf van kerosine (1950-1960) – De norm bepalen
Groot-Brittannië liep voorop: eind jaren veertig ontwikkelde De Havilland een hoog-zuivere kerosine voor het straalvliegtuig "Comet" en noemde het Avtur (Aviation Turbine Fuel). Toen de komeet in 1952 voor het eerst vloog, verbrandde hij kerosine.

De Verenigde Staten hebben met vallen en opstaan ​​de juiste brandstof gevonden. Aanvankelijk gebruikte de Amerikaanse luchtmacht een 'wide-cut'-brandstof genaamd JP-1, die vergelijkbaar was met zware benzine. Deze brandstof veroorzaakte echter veel problemen, waaronder cokesafzettingen en veelvuldig brandgevaar door lekkages. Later, tijdens de Koreaanse oorlog, gebruikte de F-86 Sabre-straaljager JP-4, een mengsel van benzine en kerosine. Hoewel de kans kleiner was dat de JP-4 bevroor, was hij licht ontvlambaar, wat tot veel ongelukken op de grond leidde.

De uiteindelijke oplossing:

Militair: JP-8 (overgenomen vanaf de jaren zeventig) – hoofdzakelijk kerosine met kleine hoeveelheden anti- additieven tegen statische elektriciteit en ijsvorming.

Voor vliegtuigen zijn er twee hoofdtypen brandstof: Jet A en Jet A-1. Jet A wordt gebruikt in de VS en heeft een hoog vriespunt, terwijl Jet A-1 in andere landen wordt gebruikt en zeer koude temperaturen aankan, zo laag als -47 graden of -53 graden F. In de loop van de tijd werden deze twee soorten brandstof de standaard voor de hele wereld.

We gebruiken elk jaar een enorme hoeveelheid vliegtuigbrandstof - ongeveer 300 miljard liter. En begrijp dit: bijna alle straalvliegtuigen, maar liefst 99%, draaien op brandstoffen gemaakt van kerosine.

Deel 4: Waarom Kerosine heeft gewonnen – Een technisch overzicht
Wanneer het vlampunt van een brandstof hoog is, boven de 38 graden of 100 graden F, betekent dit dat deze niet in brand kan vliegen door een open vlam als deze op kamertemperatuur is. Dit is erg belangrijk omdat het de risico's op brand verkleint wanneer brandstof op de grond wordt gehanteerd of als er tijdens een vlucht een lek ontstaat.

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

Thermische stabiliteit: Ontbindt niet gemakkelijk en vormt geen koolstofafzettingen in brandstof{0}}olie-warmtewisselaars (werkzaam boven 150 graden / 302 graden F), waardoor precisiebrandstofsproeiers zouden kunnen verstoppen.

Gunstige energiedichtheid: heeft een ongeveer 12% hogere volumetrische energiedichtheid dan benzine, wat zich vertaalt in een groter bereik.

Geschikte smering: Biedt net voldoende smering voor plunjers van brandstofpompen onder hoge- druk (hoewel moderne kerosine met ultra-laag- zwavelgehalte soms extra smeringsverbeteraars vereist).

Deel 5: De toekomst – Hoe lang zal kerosine nog domineren?
Uitdager 1: Duurzame vliegtuigbrandstof (SAF)
Duurzame vliegtuigbrandstof, of SAF, wordt gemaakt van zaken als afgewerkte olie, afval uit steden of restjes van boerderijen. Het lijkt erg op de kerosine die we uit fossielen halen, dus we kunnen het nu tot de helft en de helft met die brandstof mengen. Het grote plan is om in 2050 helemaal geen CO2-uitstoot meer te hebben.

Uitdager 2: Vloeibare waterstof (LH₂)
Airbus is van plan tegen 2035 waterstof{0}}aangedreven vliegtuigen te introduceren. Waterstof heeft geen CO2-uitstoot en een zeer hoge gravimetrische energiedichtheid. De volumetrische dichtheid is echter extreem laag, waardoor grote, zware cryogene tanks nodig zijn. Uitdagingen zoals waterstofverbrossing en explosierisico's blijven bestaan.

Uitdager 3: Batterij-Elektrisch
Alleen haalbaar voor kleine regionale vliegtuigen die minder dan 500 km (310 mijl) vliegen. De energiedichtheid van batterijen is ongeveer 50 keer lager dan die van kerosine, waardoor dit onmogelijk is voor grote vliegtuigen voor lange afstanden-.

Nog lange tijd, waarschijnlijk tot 2050, zullen grote vliegtuigen nog steeds kerosine of een soortgelijke brandstof gebruiken die in een laboratorium wordt gemaakt. Dit type brandstof bestaat al een tijdje, maar het is echt goed in wat het doet en het is moeilijk om iets beters te vinden. Het is als de standaardtaal van het vliegen, oud maar nog steeds de beste keuze.

Epiloog: een veelbetekenend detail
Frank Whittle, een Britse ingenieur, patenteerde de straalmotor in 1930. Aanvankelijk gebruikte hij benzine in zijn testopstellingen, maar het werkte niet helemaal zoals gepland. De motor trilde hevig en de vlambussen verbrandden. Gefrustreerd besloot Whittle kerosine eens te proberen - en het was een gamechanger-. De motor begon meteen soepel te lopen. Vanaf dat moment was het duidelijk dat benzine niet de beste keuze was voor grote vliegtuigen. Het was gewoon te vluchtig, te snel en te gevaarlijk. Aan de andere kant bleek kerosine een betrouwbare partner voor het vliegen. Het langzame en gestage tempo maakte het de perfecte keuze voor het luchtruim.