Paliwa lotnicze 2017r.

Kraków 14.11.2017r.

Paliwa lotnicze

Dla osób ciekawych

Paliwo lotnicze JET A-1. Zdjęcie LAC

O lotniskowych stacjach paliw, samochodach cysternach-dystrybutorach paliw i tankowaniu samolotów, na naszej stronie zamieściliśmy już dużo informacji. Podobnie o silnikach lotniczych; tłokowych i turboodrzutowych, w których to paliwo zamieniane jest na energię. Dlatego teraz przytoczymy kilka informacji o samym paliwie lotniczym.

Aktualnie paliwo lotnicze występuje w dwóch podstawowych typach: paliwo do silników turboodrzutowych (turbo-śmigłowych) i paliwo do silników tłokowych. Jednak obecnie podstawą jest paliwo do silników turboodrzutowych i na nim opiera się komercyjny transport lotniczy i lotnictwo wojskowe. 

Dokładniejszy podział jest następujący:

Silniki tłokowe z zapłonem iskrowym są zasilane wyłącznie benzyną lotniczą.

Silniki tłokowe z zapłonem samoczynnym (wysokoprężne) są zasilane olejem napędowym.

Silniki turbinowe mogą być zasilane: ciężką benzyną, paliwami szeroko-frakcyjnymi, naftami lotniczymi, olejem napędowym, wodorem, paliwami syntetycznymi.

Paliwo do silników turboodrzutowych

Zdecydowana większość paliw lotniczych pochodzi z ropy naftowej, która początkowo była nazywana olejem skalnym. Najstarszy na świecie istniejący szyb naftowy znajduje się w Polsce we wsi Siary koło Gorlic. Szyb został wykopany ręcznie w 1852 roku i dał początek wydobyciu ropy naftowej w kopalni założonej przez Stanisława Jabłonowskiego. Pierwsza Polska kopalnia ropy naftowej powstała w 1854 roku z inicjatywy Ignacego Łukasiewicza w Bóbrce koło Krosna. Pierwszy Polski zakład destylacji ropy naftowej powstał w 1856 roku w Ulaszowicach koło Jasła, a dzisiaj jest w granicach miasta. Jedna z najstarszych rafinerii na świecie, uruchomiona w 1884 roku znajduje się w Gorlicach.

Warto dodać, że powstanie przemysłu naftowego na terenach Rzeczypospolitej przyczyniło się również do uruchomienia połączenia lotniczego z Lwowem. 

Na początku ery naftowej z ropy naftowej uzyskiwano tylko naftę, którą powszechnie wykorzystywano do lamp naftowych, czyli oświetlenia. Pozostała część ropy naftowej była bezużyteczna. Dopiero później naukowcy zainteresowali się tematem; Co można uzyskać z tego co zostało? Z ropy naftowej podczas destylacji zaczęto uzyskiwać różne frakcje, które postanowiono wykorzystywać w różnych dziedzinach światowej gospodarki. 

Pierwsze germańskie silniki turboodrzutowe, na przykład Junkers Jumo 004 pracowały na paliwie syntetycznym określanym jako „J2”. Ten zabieg wynikał nie z konieczności posiadania super paliwa, ale po prostu z braku ropy naftowej do produkcji paliw. Okazało się, że turbiny gazowe mogą pracować z szeroką gamą paliw. Pracują na benzynie, oleju napędowym, nafcie, gazie, wodorze i wielu innych paliwach. Problem rozwinął się w kwestii bezpieczeństwa. Dlatego do silników turboodrzutowych zaczęto wykorzystywać paliwa o wyższej temperaturze zapłonu, które są mniej łatwopalne, a zatem bezpieczniejsze w transporcie i obsłudze. Drugą kwestią okazał się wynik ekonomiczny, czyli koszt-efekt. Silniki turboodrzutowe zasilane benzyną okazały się drogie w eksploatacji. W efekcie większość silników turboodrzutowych około 1945 roku pracowała już na nafcie lub mieszaninie nafty i benzyny. Silnik sowieckiego samolotu Jak-15 był uruchamiany na benzynie, a następnie przełączano zasilanie na naftę. W UK oparto się na standardach wypracowanych dla lam naftowych, czyli dla nafty oświetleniowej, znanej także, jako parafina ciekła. W USA sięgnięto po praktyki stosowane dla benzyn lotniczych. Ścisła współpraca UK i USA wymusiła pierwsze standardy dotyczące paliwa dla silników turboodrzutowych. 

Zdobyte kolejne doświadczenia, a przede wszystkim odkrycie, że paliwo może zamarznąć i spowodować obcięcie silnika, wymusiło wprowadzenie kolejnych norm. Ustalono minimalne punkty zamarzania dla poszczególnych rodzajów paliw. 

W 50-latach w USA nastąpiło rozdzielenie norm dla paliw przeznaczonych dla samolotów komercyjnych i dla samolotów wojskowych. Dla lotnictwa komercyjnego i całego cywilnego lotnictwa ogólnego w USA normy ustala organizacja ASTM International. Dla lotnictwa wojskowego normy ustala Departament Obrony Stanów Zjednoczonych, z tym, że normy te dotyczą wszystkich paliwa zasilających silniki turboodrzutowe, także te w samolotach komercyjnych. Nie oznacza to jednak, że ASTM International została zepchnięta tylko do benzyn lotniczych. Organizacja opracowała wiele metod, procedur i urządzeń przeznaczonych do badania wszystkich paliw i normy te obowiązują w Wolnym Świecie.  

W UK przez wiele lat opracowywano własne normy, które w rzeczywistości są spójne z normami stosowanymi w USA. Uprawnienia do wydawania norm w UK ma tylko Brytyjskie Ministerstwo Obrony. 

W CCCP i państwach satelickich do 1980 roku nie było żadnych norm. Paliwo do silników turboodrzutowych nazywano naftą lotniczą, która była produkowana w rafineriach CCCP i nie podlegała żadnej kontroli. Mimo to w Polsce, przez cały okres PRL, udało się utrzymać laboratoria chemiczne przy składach paliw i paliwa lotnicze poddawano nie najgorszej kontroli. Zwłaszcza pod kątem zawartości wody i zanieczyszczeń stałych. W 1980 roku w związku z olimpiadą w Moskwie wprowadzono pewne normy i standardy tyczące paliw lotniczych w CCCP. Normy zostały ujęte w dokumentach GOST. Ich podstawowe nafty lotnicze oznaczono RT i TS.

W Wolnym Świecie paliwo do silników turboodrzutowych jest nazywane ATF (Aviation Turbine Fuel) lub AVTUR, a najczęściej Jet fuel. 

Cechy paliwa lotniczego

Paliwo do silników turbinowych powinno mieć następujące cechy: niski koszt wytwarzania, łatwość dostępu, małe ryzyko pożaru, niskie ciśnienie parowania, wysoką stabilność termiczną, dużą wartość opałową, duże ciepło właściwe. Paliwo to powinno być także: łatwe do przetaczania (pompowania), nie powinno blokować filtrów woskiem, lodem i innymi chemicznymi zanieczyszczeniami, powinno wykazywać się brakiem blokowania przewodów parami paliwa, dobrze, aby miały własności smarne dla pomp, powinno dobrze rozpylać się we wtryskiwaczach, wytrącać mało sadzy. 

Wśród parametrów paliwa do silników turboodrzutowych wymienia się; skład chemiczny, ciepło spalania, wartość opałową, temperaturę krystalizacji, temperaturę zapłonu, gęstość, lepkość, lotność, teoretyczne zapotrzebowania powietrza (tlenu), stabilność termiczną i chemiczną. 

Głównymi składnikami wszystkich typowych paliw są związki: naftaleny, parafiny, aromaty i olefiny. Te ostatnie są niepożądane, bo są źródłem osadów i żywic. Powinno ich być jak najmniej. 

Pod względem wagowym, najlżejsze są benzyny lotnicze, potem: benzyny ciężkie, paliwa szeroko frakcyjne, nafta lotnicza i olej napędowy, który jest najcięższy. Nafta lotnicza jest o około 10 % cięższa od benzyn. Wynika to z mniejszej zawartości lotnych frakcji. 

Ciepło spalania i wartość opałowa są podstawowymi parametrami energetycznymi paliwa. Wylicza się je na podstawie składu chemicznego paliwa lub wyznacza doświadczalnie. Wartości te są także podane w tablicach cieplnych.

Wartość opałowa paliwa jest to ilość ciepła, która wydzieli się podczas zupełnego i całkowitego spalenia jednostki objętości danego paliwa, przy czym woda pozostanie w postaci pary. Z kolei ciepło spalania to ilość ciepła, która wydzieli się podczas zupełnego i całkowitego spalenia jednostki objętości danego paliwa, przy czym woda pozostanie w postaci cieczy. Wartość opałowa jest zawsze mniejsza od ciepła spalania.  

Ponieważ podstawowe rodzaje paliwa (benzyna lotnicza, benzyna ciężka, paliwa szeroko frakcyjne, nafta lotnicza i olej napędowy), mają różny ciężar właściwy i różną wartość opałową, dlatego jest trudno wskazać, że to paliwo jest lepsze, a tamto gorsze. Generalnie są do siebie podobne. Bo te, które mają większą wartość opałowa są cięższe, więc mniej zabierzemy go do statku powietrznego. Różnice jednak nie są aż tak ogromne. Dlatego o stosowaniu danego paliwa decydują inne czynniki: cena, łatwość w produkcji, dostępność, bezpieczeństwo, temperatura zapłonu, temperatura krystalizacji. Generalnie jest tak, że czym cięższe paliwa tym temperatura zapłonu jest wyższa i to znacznie. Benzyna lotnicza zapala się w temperaturach ujemnych (od -42 stopnie C do -32 stopnie C), a olej napędowy w dodatnich (od 61 stopni C do 75 stopni C). 

W zależności od temperatury destylacji ropy naftowej uzyskujemy różne paliwo. Benzyna lotnicza destyluje w temperaturze 40-180 stopni C, paliwa szeroko frakcyjne 60-290 stopni C, nafta lotnicza 130-280 stopni C, olej napędowy 190-315 stopni C. Jednak trzeba pamiętać, że są różne ropy naftowe i składy procentowe poszczególnych frakcji się różne. Dlatego reżimy temperatur destylacji mogą być zawężone lub przesunięte w górę. 

Paliwo do silników turboodrzutowych jest uzyskiwane z destylacji ropy naftowej, jest frakcją nafty destylującą od 180°C do około 300°C. Nafta jest głównym komponentem paliwa lotniczego. Paliwo ma kolor od bezbarwnego do słomkowego.  

Warto wspomnieć jeszcze o stabilności termiczne, która jest skłonnością paliwa do wydzielania smół i innych stałych osadów pod wpływem wyższych temperatur. Jest to szczególnie ważne dla samolotów naddźwiękowych z uwagi na silne nagrzewanie aerodynamiczne płatowca. 

Jest także stabilność chemiczna paliwa, zwana odpornością paliwa na starzenie się, zwłaszcza w czasie magazynowania albo w zbiornikach samolotu pod wpływem podwyższonej temperatury, obecności tlenu lub pierwiastków metali katalizujących.

Ponieważ zapotrzebowanie lotnictwa wzrosło do ponad 5% wszystkich rafinowanych produktów otrzymywanych z ropy naftowej, konieczne było, aby rafinerie zoptymalizowały procesy wytwarzania nafty lotniczej. Powstały kolumny rafineryjne specjalnie przystosowane do produkcji paliwa lotniczego. 

Jakość paliwa lotniczego w dużej mierze zależy do pochodzenia ropy naftowej. Generalnie lepsze paliwo można uzyskać z ropy naftowej pochodzącej z krajów arabskich. Ta ropa naftowa jest mniej zasiarczona niż ropa naftowa z państwa moskiewskiego, czy z Morza Północnego. Dużą rolę, w jakości paliwa odgrywa zawarta w nim siarka. Jest ona generalnie szkodliwa dla silników lotniczych. Jednak ma nie najgorsze własności smarne. 

Postępowanie z paliwem lotniczym

Wymogi techniczne i sposób postępowania z paliwem lotniczym opisany jest w międzynarodowych standardach JIG. (JIG - ang. Joint Inspection Group). Do tego dochodzą wytycznych linii lotniczych (IATA – ang. The International Air Transport Association). Zgodność w zakresie przechowywania i postępowania jest bardzo często weryfikowana poprzez różnego rodzaju audyty wewnętrzne i zewnętrzne.

W teorii magazynowanie i transport paliwa lotniczego nie różni się wiele od postępowania z paliwami samochodowymi, jako substancjami niebezpiecznymi. Infrastruktura musi być dostosowana do kontaktu z paliwem lotniczym i do wielkości zapotrzebowania. Pracownicy muszą mieć odpowiednie certyfikaty i szkolenia. W bliskim otoczeniu zbiorników magazynowych, instalacji, cystern oraz samego paliwa należy bezwzględnie nosić odzież antyelektrostatyczną, natomiast terminowość dostaw zapewniają, odpowiednie planowanie i koordynacja działań logistyki.

Najczęściej stosowanymi paliwami dla lotnictwa komercyjnego są JET A i JET A-1, które są produkowane zgodnie ze znormalizowaną specyfikacją międzynarodową. Jedynym innym paliwem lotniczym powszechnie stosowanym w lotnictwie cywilnym napędzanym silnikiem turbinowym jest JET B, które jest wykorzystywane do zwiększonej wydajności w niskich temperaturach. Paliwo to jest stosowane w Kanadzie i na Alasce.

JET A

Paliwo JET A jest stosowane w USA od 50-lat XX wieku. Można je spotkać także na kilku lotniskach w Kanadzie, takich jak Toronto i Vancouver. W innych częściach świata jest niedostępne. Paliwo JET A spełnia specyfikację ASTM D1655 (Jet A).

Podstawowe dane paliwa JET A: Temperatura zamarzania -40 stopni C, ciężar właściwy 0,820 kg/l (6.84 lb/US gal) (jest zwykle nieco cięższe od JET A-1), energia właściwa 43,02 MJ/kg (11.95 kWh / kg) (jest nieco wyższa od JET A-1), gęstość energii 35.3 MJ/L (9.8 kWh / L) (jest nieco wyższa od JET A-1).

JET A-1

Paliwo lotnicze typu JET A-1 to podstawowe paliwo stosowane w silnikach turboodrzutowych. Jest dostępne niemal na całym świecie, w tym na wszystkich lotniskach w USA i Kanadzie. Paliwo lotnicze JET A-1 jest trudno dostępne w państwie moskiewskim, gdzie standardowo jest oferowane paliwo typu TS-1. 

W paliwie JET A-1 współczynnik temperatury krystalizacji nie może być wyższy niż -47 stopni C. −47 °C (−53 °F; 226 K), temperatura zapłonu 38 °C (100 °F; 311 K), wrze w temperaturze 176 °C (349 °F; 449 K), temperatura samozapłonu 210 °C (410 °F; 483 K), gęstość 775,0-840,0 g/l (czyli jest zdecydowanie lżejsze od wody). Zarówno JET A, jak i JET A-1 mają temperaturę zapłonu wyższą niż 38 ° C (100 ° F), z temperaturą samozapłonu 210 ° C (410 ° F). 

Paliwo do turbinowych silników lotniczych JET A-1 produkowane jest z komponentów uzyskiwanych w określonym reżimie technologicznym w procesach hydroodsiarczania, hydrokrakingu i destylacji. Paliwo jest uszlachetniane dodatkami (antyutleniającym i antyelektrostatycznym). 

W Polsce spełnia wymagania Normy Zakładowej ZN-ORLEN-18 “Paliwo do turbinowych silników lotniczych JET A-1”, która jest opracowana na podstawie:

  1. ​Wymagań Jakościowych Paliwa Lotniczego w zakresie Połączonych Systemów Operacyjnych (Aviation Fuel Quality Requirements for Jointly Operated System – AFQRJOS), Product Specifications Biulletin, Biuletyn 96. Aviation Fuel Quality Requirements, wydanie 29. z października 2016 roku, Joint Inspection Group (JIG). 
  2. Brytyjskiej Normy Obronnej, Dokument British Ministry of Defence, Defence Standard 91-091 (DEF STAN 91-091),  wydanie 9. z dnia 3 października 2016 roku „Turbine Fuel, Aviation Kerosine Type, JET A-1. NATO Code: F-35”, Join Service Designation: AVTUR.
  3. Normy ASTM D 1655-16a Standard Specification dla Aviation Turbine Fuels.
  4. Musi mieć materiał informacyjny IATA (typ nafty).

Podstawową różnicą między paliwem JET A, a JET A-1 to temperatura krystalizacji. JET A ma -40 stopni C, a JET A-1 to -47 stopni C. Inną różnicą jest obowiązkowe dodanie dodatku antystatycznego do paliwa JET A-1. Oczywiście zbiorniki i cysterny mają inne piktogramy. 

Podstawową zaletą stosowania paliwa JET A-1 jest możliwość jego używania przez cały rok, bez konieczności śledzenia warunków pogodowych. Paliwo JET A już takiej kontroli wymaga. 

JET B

JET B jest to paliwo lotnicze, które ma bardzo niską temperaturę zamarzania. Wynosi ona -60 stopni C, (-76 ° F). Paliwo to jest używane w niektórych samolotach wojskowych, a także w północnych rejonach Kanady i na Alasce. W rzeczywistości paliwo to jest mieszaniną 30 % nafty lotniczej i 70 % benzyny. Paliwo to ma także niską temperaturę zapłonu. Z uwagi na dużą zawartość lotnych frakcji jest ono niebezpieczne w obsłudze. W państwie moskiewskim, dla lotnictwa wojskowego także jest stosowane podobne paliwa, właśnie z uwagi na niską temperaturę zamarzania. 

Wojskowe nafty lotnicze

W Wolnym Świecie wojska lotnicze stosują kwalifikację paliw oznaczoną, jako JP, czyli "Jet Propellant". Niektóre z tych paliw są niemal identyczne z paliwami cywilnymi. Mogą się jednak różnić dodatkami. Na przykład JP-8 to niemal to samo, co JET A-1. JP-4 to niemal to samo, co JET B. Z kolei inne są wysoko wyspecjalizowanymi paliwami. Są mieszaninami różnych związków chemicznych połączonych ze specyficznymi dodatkami. Te paliwa są już z pogranicza paliw kosmicznych. 

W lotnictwie wojskowym, według kodów NATO stosuje się paliwa F-35 (czyli JET A-1), F-34 (JP-8), F-40 (JP-4), F 44 (JP-5). Dawniej stosowano jeszcze JP-1, JP-2 i JP-3.

JP-1

JP-1 to pierwsze paliwo do silników turboodrzutowych, na które specyfikację wydano z końcem 1944 roku, która została zatwierdzona przez Administrację USA. Inne oznaczenie paliwa JP-1 to AN-F-32. Popularnie było nazywane Avtur. Cechowało się temperaturą krzepnięcia -60 ° C (-76 ° F). Niska, wymagana temperatura zamarzania ograniczyła dostępność paliwa i wkrótce został ono zastąpione przez inne.

JP-2 i JP-3

JP-2 i JP-3 okazały się paliwami nieudanymi. Były opracowane w 1945 roku. Miały być łatwiejsze w produkcji od JP-1. Przede wszystkim miały wyższą temperaturę krzepnięcia. Jednak były niestabilne z uwagi na dużą część składników wysoce lotnych. Podczas składowania duża ilość paliwa odparowywała. Nie znalazły szerokiego zastosowania.

JP-4

JP-4 było znane pod nazwą F-40 oraz AVTAG. Było mieszaniną 50 % nafty i 50 % benzyny. W paliwie było kilka dodatków. Miało niższy punkt zapłonu niż JP-1, ale był preferowany ze względu na większą dostępność. Było to główne paliwo lotnicze Sił Powietrznych USA w latach 1951-1995.

JP-5

JP-5 nosi także oznaczenie AVCAT oraz F-44. Zostało opracowane w 1952 roku specjalnie dla lotnictwa US NAVY, a zwłaszcza dla samolotów bazujących na lotniskowcach, gdzie ryzyko pożaru jest największe. Dlatego temperaturę zapłonu ma, co najmniej 60 stopni C (140 stopni F). Temperatura krzepnięcia wynosi -46 stopni C. W paliwie jest kilka dodatków. Aby nie dysponować dwoma różnymi paliwami, całe lotnictwo morskie przyjęło paliwo JP-5. 

JP-6

JP-6 jest to rodzaj paliwa lotniczego opracowanego dla silnika turboodrzutowego General Electric YJ93 samolotu naddźwiękowego XB-70 Valkyrie. JP-6 był idealny dla bombowca o dużym pułapie lotu. Było podobne do JP-5, ale o niższej temperaturze zamarzania i ulepszonej stabilności termicznej. Temperatura zamarzania -65 stopni C. Po anulowaniu programu XB-70 specyfikacja JP-6, MIL-J-25656 również została anulowana. 

JP-7

Dla silnika Pratt & Whitney J58, który napędza samoloty Lockheed SR-71 Blackbirds, opracowano nowe paliwo, które oznaczono JP-7. Paliwo JP-7 zostało opracowane przez firmę Shell Oil w 1955 roku na zamówienie Centralnej Agencji Wywiadowczej dla samolotów strategicznego rozpoznania Lockheed U-2. Paliwo dla samolotów U-2 oznaczono JPTS.

Paliwa JP-7 produkuje się kilkaset tysięcy litrów w ciągu roku na specjalnej linii produkcyjnej zakładów Shell w USA. Główną cechą paliwa jest jego stabilność spalania i minimalne parowanie na dużych wysokościach lotu, gdzie cały płatowiec znacznie się nagrzewa. Historia opowiedziana przez Ben Rich w jego książce „Skunk Works” jest taka, że zapaloną świecę można włożyć do wiadra z paliwem JP-7 i paliwo nie zapali się, a ogień świecy zgaśnie. W samolocie SR-71 paliwo chłodzi powierzchnię płatowca, wewnętrzne agregaty i urządzenia oraz wykorzystywane jest, jako smar silników i innych urządzeń. Na koniec, mając temperaturę około 550 stopni C, podawane jest do silnika.  

JP-7 to nie jest typowe paliwo, które powstaje z destylacji ropy naftowej. JP-7 to mieszanka składająca się głównie z węglowodorów, w tym alkanów, cyklo-alkanów, alkilo-benzenów, indany / tetraliny i benzen, z dodatkiem fluoro-węglowodorów, aby zwiększyć jego właściwości smarne, środek utleniający, aby go spalić lepiej, a cezu zawierający związek znany, jako A-50, który pomagał w maskowaniu samolotu przed falami radiolokatorów oraz zmniejszający ślad podczerwieni. JP-7 praktycznie nie zawiera siarki, tlenu i azotu, które zanieczyszczają typowe paliwo. Lotnych substancji jest poniżej 3 %. Paliwo musi działać w szerokim zakresie temperatur; od niskich temperatur, które powodują zamarzanie wody na dużych wysokościach do + 600 stopni Celsjusza. SR-71 Blackbirds zużywa około 36,000-44,000 pounds (16 000-20 000 kg) paliwa na godzinę lotu. „Zimny” SR-71 zatankowany paliwem JP-7 przecieka jak nieszczelny grat. Dlatego nie tankuje się go do pełna. Po starcie samolot SR-71 szybko się nagrzewa i uszczelnia oraz spotyka latającą cysternę i jest do-tankowany do pełna.

Bardzo niska lotność JP-7 powoduje jego trudność w procesie zapłonu. Aby je zapalić w silniku (komora spalania i dopalacz) J58 stosuje się zapłon chemiczny. Wykorzystuje się do tego celu tri-etylo-boro-wodór (TEB), podawany poprzez wtryskiwacze. Samolot SR-71 ma na pokładzie zbiornik około 600 litrów (20,7 uncji) dla TEB. Zapewnia on około 16-krotnego uruchomienie silników i ich dopalaczy. Na jeden wrzut zapłonu zużywa się około 50 litrów (1,7 uncji) TBE. Związek TBE w temperaturze powyżej -5 stopni C zapala się samorzutnie w kontakcie z powietrzem. Przestrzeń nad zbiornikiem TBE jest wypełniona azotem. Zresztą azot w samolocie SR-71 odgrywa ważna rolę. Nawet jego opony są pompowane azotem. 

W związku ze stosowaniem TBE samolot SR-71 ma pewne ograniczenia eksploatacyjne. Chodzi o wytrzymałość płatowca, a także ilość pobierania paliwa w locie, bo wówczas samolot musi mieć wyłączone dopalacze silników J58. Samo tankowanie TBE jest niezwykle niebezpieczne. Obsługa pracuje w srebrnych, trudnopalnych kombinezonach. Z kolei tankowanie paliwa JP-7 jest bardzo bezpieczne i dozwolona jest równoczesna obsługa samolotu.

Silnik J58 może pracować także na paliwach JP-4 i JP-5, ale wówczas prędkość max lotu nie przekracza 1,5 Ma. Takie zasilanie samolotu traktowane jest, jako awaryjne i praktycznie z każdej latającej cysterny.

JP-8

JP-8 jest paliwem lotniczym używanym powszechnie przez wojsko w USA. Jest określone przez normy MIL-DTL-83133 i British Defense Standard 91-87. Zostało ono po raz pierwszy wprowadzone do baz NATO w 1978 roku. Jego kod NATO to F-34. JP-8 to paliwo, które ma pozostać w użyciu przynajmniej do 2025 roku. 

JP-9

JP-9 jest paliwem specjalnym, przeznaczonym do turbin gazowych do pocisków, a w szczególności do Tomahawk. Paliwo to opracowano pod koniec 60-lat XX wieku. Zawierającym dimer TH TetraHydro Methyl Cycle-pentadien wytwarzany przez katalityczne uwodornienie dimeru metylowo-pentadienowego.

JP-10

JP-10 to paliwo do turbin gazowych do pocisków rakietowych, w szczególności do ALCM.  Zawiera mieszaninę endo-tetrahydrodicyklopentadienu, egzo-tetrahydrodicyklopentadienu i adamantanu. Jest wytwarzany przez katalityczne uwodornienie dicyklopentadienu. Zastąpiło ono paliwo JP-9, osiągając niższy limit pracy w niskiej temperaturze -54 ° C (-65 ° F). 

Dodatki do paliw

Silniki turboodrzutowe są coraz to bardzie ekonomiczne, zużywają mniej paliwa dając więcej energii. Równocześnie wzrastają naciski na ochronę środowiska, co wymusza ograniczenia w emisji szkodliwych związków powstających w procesach spalania. Ze względu na liczbę i powagę zastosowanych procesów, często konieczne i czasami obowiązkowe jest stosowanie dodatków. Dodatki te mogą, na przykład, zapobiegać tworzeniu szkodliwych związków chemicznych lub poprawiać właściwości paliwa, aby zapobiec szybszemu zużyciu silnika.

Specyfikacje DEF STAN 91-91 (UK) i ASTM D1655 (międzynarodowe) pozwalają na dodanie niektórych dodatków do paliwa lotniczego, w tym;

Przeciwutleniacze dodawane dla zapobiegania gumowaniu, zwykle oparte na alkilowanych fenolach, np. AO-30, AO-31 lub AO-37. Środki antystatyczne, aby rozproszyć elektryczność statyczną i zapobiec iskrzeniu; Przykładem jest Stadis 450 z kwasem dinonylonaftylosulfonowym (DINNSA). Inhibitory korozji, np. DCI-4A stosowane w paliwach cywilnych i wojskowych, oraz DCI-6A stosowane w paliwach wojskowych. Środki hamujące oblodzenie układu paliwowego (FSII), np. Di-EGME; FSII jest często mieszany już w punkcie sprzedaży, aby użytkownicy z ogrzewanymi przewodami paliwowymi nie musieli ponosić dodatkowych kosztów. Biocydy mają na celu likwidację rozwoju mikroorganizmów (tj. bakterii i grzybów) obecnych w systemach paliwowych statków powietrznych. Obecnie dwa biocydy są zatwierdzone do użytku przez większość producentów oryginalnych urządzeń lotniczych i silników turbinowych (OEM); Kathon FP1.5 Microbiocide i Biobor JF. Dezaktywator metalu można dodać, aby skorygować szkodliwe działanie śladowych ilości metali na stabilność termiczną paliwa. Jedynym dopuszczalnym dodatkiem jest 1,2-propanodiamina N, N'-disalicylidenu.

Woda w paliwie

Bardzo ważne jest, aby paliwo lotnicze było wolne od zanieczyszczeń wodą. Podczas lotu temperatura paliwa w zbiornikach spada, ze względu na niskie temperatury w górnych warstwach atmosfery. Powoduje to wytrącanie rozpuszczonej wody z paliwa. Wytrącona woda następnie opada na dno zbiornika, ponieważ jest cięższa od paliwa. Ponieważ woda nie jest już w roztworze, może tworzyć krople, które mogą przechodzić w stan stały, czyli staje się lodem. Historia lotnictwa zna przypadki katastrof spowodowanych lodem w przewodach paliwowych.

Usunięcie całej wody z paliwa jest nieekonomiczne; w związku z tym stosuje się podgrzewacze paliwa w komercyjnych samolotach, aby zapobiec zamarzaniu wody w paliwie.

Istnieje kilka metod wykrywania wody w paliwie do silników turboodrzutowych. Kontrola wzrokowa może wykryć wysokie stężenia wody w paliwie, ponieważ powoduje ona zmętnienie paliwa. W standardowym dla przemysłu teście chemicznym, do wykrywania wolnej wody w paliwie do silników turboodrzutowych, stosuje się wrażliwą na wodę wkładkę filtra, która zmienia kolor na zielony, jeśli paliwo przekracza limit specyfikacji wynoszący 30 ppm (części na milion) wody. Testem oceniającym zdolność paliwa do uwalniania zemulgowanej wody po przejściu przez filtry koalescencyjne, jest standardowa metoda testowa ASTM D3948 do określania charakterystyk separacji wody lotnych paliw turbinowych za pomocą przenośnego separatora.

Dostępność paliw lotniczych

Światowe zapotrzebowanie na paliwo lotnicze wzrasta nieprzerwanie od wielkiej wojny światowej. Po wielkim kryzysie paliwowym z 1973 roku notuje się systematyczny wzrost zapotrzebowania na paliwa lotnicze. W ciągu ostatnich 30-lat zużycie wzrosło ponad trzykrotnie. W 1980 roku było to 1 887 000 baryłek dziennie, a w 2010 roku już 5 220 000 baryłek dziennie. Około 30 % światowego zużycia paliwa lotniczego pochodzi z USA (1 398 130 baryłek dziennie w 2012 roku).

Przepisy ochron środowiska wiele lat temu, zakazały stosowania paliwa samochodowego z zawartością ołowiu, gdyż uwolniony do atmosfery ołów i wchłonięty przez organizm ludzki sprzyja rozwojowi chorób nowotworowych. Dlatego dla lotnictwa ogólnego General Aviation zaczęto poszukiwać innych alternatywnych paliw i silników. Dostrzeżono, że nafta lotnicza jest bardzo zbliżona do oleju napędowego. W pewnych warunkach nafta lotnicza może być spalana w silnikach typu Diesla. W rezultacie kilku producentów silników lotniczych, w szczególności Thielert i Austro Engine, zaczęło oferować lotnicze silniki wysokoprężne napędzane naftą lotniczą. Problem w tym, że niewiele silników typu Diesla uzyskało certyfikaty lotnicze. Silniki wysokoprężne są dziś w lotnictwie rzadkością, mimo że silniki tego typu (np. Junkers Jumo 205) były używane podczas II wojny światowej. 

Przejście lotnictwa ogólnego (silniki tłokowe) na olej napędowy pozwoliłoby na ograniczenie asortymentu paliw lotniczych, a przez to zwiększyło dostępność tych, które pozostałyby w użyciu. Jednak trzeba pamiętać, że silniki wysokoprężne są droższe w produkcji, eksploatacji i naprawach. Oprócz tego w to wszystko wkracza wielka polityka. Większe jest prawdopodobieństwo, że statki powietrzne lotnictwa ogólnego przejdą na paliwa samochodowe, czyli benzyny bezołowiowe. 

Nafta lotnicza jest bardzo często wykorzystywana w pojazdach obsługi naziemnej na lotniskach, zamiast oleju napędowego. Tak na przykład czynią wojska USAF stosując paliwo JP-8. Jednak to paliwo ma słabe zdolności smarne w porównaniu z olejem napędowym. Nafta lotnicza ma niską liczbę cetanową około 45, wymaganie dla oleju napędowego jest minimum 51.  Dlatego częściej występują awarie tego sprzętu.

Generalnie nafta lotnicza jest droższa od oleju napędowego. Nie wynika to bezpośrednio z technologii produkcji, ale z rygorystycznych norm, procedur, badań, wielokrotnych kontroli itp. Niekiedy z powodów logistycznych zastępuje się jedno paliwo drugim, ale nie w statkach powietrznych. 

Shell Aviation to lider w sprzedaży produktów dla lotnictwa oraz w zarządzaniu infrastrukturą do tankowania na lotniskach. Każdego dnia Shell Aviation dostarcza ponad 87 milionów litrów paliw lotniczych do około 20 000 samolotów na ponad 800 lotniskach w 90 krajach całego świata.

Paliwa syntetyczne i biopaliwa

Historia paliw syntetycznych w lotnictwie jest tak stara jak historia awiacji. 

W ostatnich latach pojawiło się syntetyczne paliwo określane, jako Fischer-Tropsch (FT). W pewnych warunkach paliwo to może powstawać z wody morskiej i zawartych w nim alg. Prace laboratoryjne potwierdziły możliwość uzyskania takiego paliwa. W USA wojsku zależało na jego certyfikacji. Paliwo FT byłoby mieszane z JP-8 w stosunku 50 % do 50 %. 

Generalnie paliwa syntetyczne są używane, jako dodatki do paliw klasycznych. Zauważono, bowiem ich dobry wpływ na redukcję zanieczyszczeń, takich jak SOx, NOx, cząstki stałe, a czasami redukcję węgla. Podejrzewa się, że jego zastosowanie obniży poziom szkodliwych związków w atmosferze w pobliżu lotnisk. 

Biopaliwa są także alternatywą dla paliw pochodzących bezpośrednio z ropy naftowej. Dla reklamy często nazywa się je zielonym paliwem "Green Jet Fuel", co nie jest do końca prawdą. Paliwa te uzyskiwano z alg morskich, orzechów bambusu, kokosa, słonecznika, rzepaku i wielu innych roślin oleistych. Biopaliwa były i są stasowane eksperymentalnie. Stosowano je, jako dodatki od około 20 % do 80 % do normalnej nafty lotniczej. Głównym celem było znalezienie alternatywnych paliw w razie konfliktu zbrojnego. 

Paliwa lotnicze w Polsce

Generalnie na Polskich lotniskach możemy skorzystać z dwóch paliw: JET A-1 dla silników turbinowych oraz AVGAS 100 LL dla silników tłokowych z zapłonem iskrowym. 

Zdecydowanie w Polsce rośnie popyta na paliwo lotnicze, co obserwujemy z roku na rok. Należy jednak pamiętać, że wysoka dynamika wynika z niskiego stopnia rozwoju rynku lotniczego w Polsce.

Paliwa dla silników tłokowych

Użytkownicy małych statków powietrznych z silnikami tłokowymi wielokrotnie zadawali pytania - Czy można wlać benzyny samochodowe do samolotu? Nigdy nie zadają pytania - Czy to jest bezpieczne? Względy formalne nie pozostawiają wątpliwości. Są one określone odpowiednimi przepisami oraz instrukcjami eksploatacji środków transportu. Instrukcje eksploatacji są ściśle związane z uwarunkowaniami technicznymi i z nich też wynikają. Więc pytanie wydaje się bezzasadne. Ale przecież nie ma głupich pytań. Są tylko głupie odpowiedzi. Dlatego należy stwierdzić, że paliwa lotnicze nie zawierają związków tlenowych (alkoholi i eterów), w odróżnieniu od benzyny samochodowej, która takie składniki może zawierać. Poza tym paliwa lotnicze zawierają takie dodatki, które mają zapewnić bezawaryjną i możliwie długotrwałą pracę lotniczego silnika w każdych warunkach. Dla paliw lotniczych są ścisłe, rygorystyczne normy i specyfikacje, których dla benzyn nie ma. 

Istnieją różne gatunki paliwa AVGAS, jednak do obliczeń niewymagających dużej dokładności, przyjmuje się, że AVGAS ma gęstość 0,721 kg/dm³. 

Specyfikacje obecnie produkowanych gatunków AVGAS nie zmieniły się od 40-lat XX wieku, kiedy zarówno wojsko jak i linie lotnicze używały silników z doładowaniem o dużej wrażliwości na spalanie detonacyjne i przed-zapłonie. Obecnie użycie czteroetylku ołowiu jest ograniczane do minimum wymaganego specyfikacją danego paliwa ze względu na szkodliwość i wysoki koszt produkcji tego związku. Większość silników Lycoming i Continental została zaprojektowana w 50/60-latach XX wieku z założeniem ówczesnych specyfikacji paliw lotniczych, z tego powodu nie jest możliwe bezpieczne zastąpienie AVGAS paliwami bezołowiowymi. Przynajmniej do czasu opracowania zamiennika spełniającego te same normy.

Mało tego. Do benzynowych silników samochodowych, niezależnie od producenta, możemy lać Etylinę 95 lub Etylinę 98, a jeszcze w 80-latach Etylinę 76. W lotnictwie jest trochę inaczej. Z różnych względów, istnieje kilka rodzajów tłokowych silników lotniczych. Pociąga to za sobą istnienie kilku handlowych gatunków benzyny lotniczej. 

Gatunki benzyn lotniczych

1. Niskoołowiowa (grade 80/87, grade 80, AVGAS 80), o liczbie oktanowej na mieszance ubogiej >80 i liczbie oktanowej na mieszance bogatej >87. Benzyna ta jest barwiona na czerwono. 

2. Niskoołowiowa (grade 100 LL, grade 100/130 LL, AVGAS 100 LL), o liczbie oktanowej na mieszance ubogiej >100 (>99,5) i współczynniku wyczynowym >130. Benzyny te zawierają odpowiednio max. 0,56 g ołowiu/litr, przy czym jeden gram czteroetylku ołowiu zawiera 0,6 grama ołowiu. Obecnie to najpopularniejsze paliwo. Jego nazwa to skrót od angielskiego „low lead”, czyli „niskoołowiowa”. Skład określa norma ASTM D 910 i DEF STAN 91-90. AVGAS 100LL jest barwiony na niebiesko. 

3. Ołowiowa (grade 91/98, AVGAS 91), o liczbie oktanowej na mieszance ubogiej >91 i liczbie oktanowej na mieszance bogatej >98. Benzyna ta jest barwiona na brązowo. 

4. Ołowiowa (grade 100, grade 100/130, AVGAS 100), o liczbie oktanowej na mieszance ubogiej > 100 (99,5) i współczynniku wyczynowym >130. Skład AVGAS 100 (zwanego czasem również 100/130) wynika z normy ASTM D 910, podobnie jak 100LL. Norma zawartości czteroetylku ołowiu dla AVGAS 100 wynosi 1,12 g/l a więc dwukrotnie więcej niż dla 100LL, dlatego też obecnie został przez niego praktycznie wyparty. Z uwagi na wysoką zawartość ołowiu może również powodować przyspieszoną akumulację zanieczyszczeń w cylindrach silników. AVGAS 100 jest barwiony na zielono.

5. Bezołowiowa (grade 82 UL (82 UL) - unlea-ded aviation gasoline), o liczbie oktanowej na mieszance ubogiej >82,0. Benzyna ta jest barwiona na purpurowo. 

6. Ołowiowa benzyna lotnicza B 91/115 przeznaczona jest do silników gwiazdowych ASz-62IR oraz Ivchenko AI-14. Właściwości benzyny lotniczej B 91/115 określa norma ruska GOST 1012-72. Liczba oktanowa motorowa wynosi min. 91, a liczba wyczynowa min. 115. Benzyna ta ma wyjątków dużą zawartość ołowiu. Zawartość ołowiu wynosi maks. 1,6 g/l, a zawartość czteroetylku ołowiu wynosi maks. 2,5 g/kg. Barwiona jest na zielono.

7. Bezołowiowa benzyna lotnicza UL 91 (91 UL) produkowana jest zgodnie z normą ASTM D 7547. Stosowana jest w silnikach Rotax i Lycoming wymienionych w Instrukcji Serwisowej Lycominga SI1070R Benzyna ta jest bezbarwna, wolna od etanolu, zawiera dodatki przeciwutleniające i antyelektrostatyczne. 

8. Bezołowiowa benzyna lotnicza UL 85 (85 UL) jest stosowana do napędu lotniczych silników tłokowych w samolotach ultralekkich. Produkt spełnia wymagania normy PN-EN 228 i nie zawiera związków tlenowych. Liczba oktanowa motorowa wynosi min. 85, a badawcza min. 95.

W USA i Europie były produkowane także inne benzyny lotnicze, ale są już niedostępne na rynku. 

AVGAS –Nazwa pochodzi z języka angielskiego, od połączenia słów aviation gasoline („benzyna lotnicza”).

W Polsce ze względów logistycznych dostępne jest powszechnie tylko paliwo AVGAS 100 LL, tak zwana niebieska, o kodzie NATO F-18. Jest to benzyna o stosunkowo małej zawartości ołowiu, przy jednocześnie dobrej odporności na spalanie stukowe, zarówno w normalnych jak i ekstremalnie wysilonych warunkach pracy silnika lotniczego. Może być stosowana we wszystkich silnikach za wyjątkiem tych, gdzie producent nakazuje używanie tylko paliwa bezołowiowego. 

Jednym z najważniejszych parametrów rodzajów benzyn silnikowych jest liczba oktanowa, definiowana, jako wskaźnik odporności benzyny na spalanie detonacyjne w silnikach z zapłonem iskrowym. Przyczyną detonacji w silniku jest zbyt gwałtowny proces spalania. Detonacje prowadzą do uszkodzenia silnika. Najpierw uszkodzeniu ulegają panewki i wał korbowy. Później zawory, tłoki i korbowody. Umownie przyjęto odporność detonacyjną n-heptanu równą 0, a odporność detonacyjną izooktanu (2,2,4-tójmetylopentanu) za równą 100. Liczbę oktanową oznacza się w znormalizowanych, jednocylindrowych silnikach ze zmiennym stopniem sprężania.

Dodatkowym parametrem antydetonacyjnym benzyny lotniczej w odróżnieniu od benzyny samochodowej jest tzw. liczba wyczynowa („performance numer”). Liczba wyczynowa jest wskaźnikiem odporności benzyny lotniczej na zjawisko detonacji w silnikach z zapłonem iskrowym pracujących na bogatej mieszance. Pozwala ona określić procentowo, wielkość mocy rozwijanej przez silnik lotniczy.

AVGAS ma również niższą prężność par niż paliwo samochodowe z uwagi na konieczność zachowywania stanu ciekłego w obniżonym ciśnieniu atmosferycznym na dużych wysokościach, na jakich latają samoloty, w przeciwnym przypadku istnieje ryzyko wystąpienia zjawiska znanego, jako korek parowy. 

Oprócz odpowiednich wartości liczb oktanowych benzyny lotnicze muszą spełniać kilkanaście innych parametrów fizykochemicznych charakteryzujących lotność, wartość energetyczną, właściwości niskotemperaturowe, odporność na starzenie w czasie magazynowania, brak zanieczyszczeń czy działanie korodujące na metale. Lotność benzyn decyduje o procesie jej odparowania, tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej oraz procesie spalania i określana jest składem frakcyjnym oraz prężnością par. 

Nie zapominajmy o ważnym parametrze, jakim jest temperatura zamrazania. Dla paliwa lotniczego nie może ona być wyższa od -58 stopni C. Poniżej tej temperatur rozpoczyna się proces wytrącania kryształków lodu z benzyny, a to grozi zatkaniem przewodów paliwowych.

Do tego wszystkiego dochodzi obecność wody w paliwie i oddziaływania benzyny z parą wodną. Zawartość alkoholi w benzynie lotniczej (głównie etanolu) jest niedopuszczalna ze względu na niebezpieczeństwo rozdziału faz w obecności wody. Objętość warstwy wodnej nie może być wyższa niż 2 ml na 100 ml paliwa. Benzyny zawierające wodę lub zanieczyszczenia stałe wykazują skłonność do gromadzenia ładunków elektryczności statycznej. Może to powodować wystąpienie wyładowań elektrycznych i wybuchu oparów paliwa. Jest to szczególnie niebezpieczne w lotnictwie. W związku z tym do paliw lotniczych dodaje się dodatki antyelektrostatyczne i kontroluje przewodność elektryczną paliwa. Ilość tych dodatków i wartość przewodności elektrycznej jest ściśle określona w normach.

Benzyny samochodowe, współcześnie użytkowane w krajach UE, nie zawierają związków ołowiu. Konieczność eliminacji ze składu benzyny samochodowej związków ołowiu, z uwagi na sprzyjanie rozwojowi chorób nowotworowych, spowodowała potrzebę zastąpienia ich innymi składnikami poprawiającymi odporność na spalanie stukowe. Te inne dodatki spowodowały pogorszenie niektórych właściwości Etyliny: niższą wartością energetyczną, reagowanie z wodą, szkodliwe spęcznianie uszczelek, pogorszenie warunków smarowania gniazd zaworowych i szybsze ich wypalanie oraz pogorszeniem stabilności paliwa w trakcie magazynowania. Benzyn samochodowych od lotniczych różnią się zarówno składem, jak i szeregiem parametrów fizykochemicznych. Skład chemiczny benzyny samochodowej jest tak dobrany, aby zapewnić poprawną, bezawaryjną i możliwie długotrwałą pracę silnika samochodowego. 

Poza tym silniki lotnicze różnią się bardzo od silników samochodowych, choć działają na identycznej zasadzie. Pracują na wyższych obrotach, z wyższymi obciążeniami i w wyższych temperaturach niż silnik samochodowe. Zaledwie 2-5 % ich czasu pracy to obroty jałowe. 

Całościowo, koszty produkcji paliw lotniczych do silników tłokowych jest wyższy od paliw samochodowych. Wynika to między innymi z mniejszego popytu na te paliwa. Na przykład w Polsce rynek benzyn lotniczych to zaledwie 0,1 %. Z tego powodu benzyny lotnicze nie są produkowane w większości rafinerii. W Europie jest tylko czterech producentów, a wśród nich w Polsce - OBR SA w Płocku

Co najważniejsze - przeznaczenie paliwa i skala skutków najmniejszych odchyleń parametrów fizykochemicznych paliwa od norm, nakładają ogromną odpowiedzialność na producentów i dostawców paliw lotniczych, co przekłada się na rozbudowanie i restrykcyjne stosowanie procedur bezpieczeństwa postępowania z tymi produktami.

Opracował Karol Placha Hetman