Tại sao máy bay sử dụng dầu hỏa (nhiên liệu phản lực)?

Ngày nay, chúng ta coi việc máy bay phản lực đốt dầu hỏa là điều hiển nhiên. Nhưng trong những ngày đầu của ngành hàng không, máy bay chạy bằng loại xăng giống như ô tô của bạn. Tại sao thực đơn lại thay đổi hoàn toàn như vậy? Lịch sử này không chỉ là câu chuyện về công nghệ nhiên liệu-mà còn là câu chuyện về sự cân bằng giữa an toàn, hiệu suất và kỹ thuật-.

Phần 1: Kỷ nguyên Piston (1903–1940) – Triều đại ngắn gọn của xăng
Chuyến bay đầu tiên của anh em nhà Wright sử dụng xăng. Các máy bay thời kỳ đầu đều sử dụng động cơ piston, tương tự như động cơ ô tô nên xăng là lựa chọn đương nhiên.

Các vấn đề sớm xuất hiện:

Kích nổ động cơ (Kích nổ): Để tăng công suất, phi công cần có tỷ số nén cao hơn, nhưng xăng thông thường sẽ tự-tự bốc cháy và phát nổ. Điều này có thể làm giảm công suất hoặc thậm chí làm vỡ xi lanh.

Độ biến động cao: Xăng dễ bay hơi ở nhiệt độ phòng, tạo ra hơi dễ cháy. Trong Thế chiến I và Thế chiến thứ hai, nhiều máy bay bốc cháy hoặc phát nổ trên mặt đất trong quá trình tiếp nhiên liệu do tia lửa tĩnh điện.

Bộ chế hòa khí đóng băng ở độ cao: Hơi nước trong khí nạp sẽ đóng băng trong bộ chế hòa khí ở độ cao, làm tắc nghẽn động cơ. Các phi công ban đầu đôi khi phải nhỏ chất chống đông vào bộ chế hòa khí theo cách thủ công.

Vào những năm 1930, một giải pháp đã được tìm ra đó là Aviation Gasoline hay còn gọi là Avgas. Bằng cách thêm một hóa chất gọi là chì tetraethyl vào nhiên liệu, chỉ số octan đã tăng từ 40 lên 100/130 hoặc thậm chí cao hơn. Loại nhiên liệu mới này, Avgas, được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một số máy bay mang tính biểu tượng nhất của Thế chiến II, bao gồm máy bay chiến đấu P-51 Mustang và máy bay ném bom B-29 Superfortress. Tuy nhiên, theo thời gian, tác động độc hại của chì trở thành mối lo ngại lớn và mức chỉ số octan đã đạt đến giới hạn, khiến các kỹ sư phải tìm kiếm giải pháp thay thế.

Phần 2: Cuộc cách mạng phản lực (thập niên 1940) – Xăng dầu bị lên án
Động cơ phản lực ra đời từ những năm 1940 (He 178 của Đức, Gloster E.28/39 của Anh). Buồng đốt của nó cần một loại nhiên liệu có thể:

Được tiêm ở áp suất cao và đốt cháy ổn định.

Nó có thể chảy dễ dàng ngay cả khi trời rất lạnh - chúng ta đang nói đến -50 độ hoặc -58 độ F, đó là loại nhiệt độ bạn sẽ trải qua khi ở độ cao hành trình.

Bôi trơn pít tông bơm nhiên liệu áp suất cao.

Xăng đã thất bại cả ba cuộc thử nghiệm.

Thuộc tính Động cơ phản lực xăng Yêu cầu
Điểm chớp cháy ~ -43 độ (-45 độ F) - Cực kỳ dễ cháy > 38 độ (100 độ F) để đảm bảo an toàn
Thấp-Nhiệt độ dòng chảy đông đặc ở khoảng -40 độ (-40 độ F) Phải chảy dưới -50 độ (-58 độ F)
Độ bôi trơn Rất kém (khô) Cần một ít dầu bôi trơn cho bơm nhiên liệu
Nhiên liệu diesel cũng không được coi là một lựa chọn tốt. Một lý do là nó rất dày và không dễ bị hỏng nên khó sử dụng trong động cơ. Ngoài ra, khi trời lạnh, nhiên liệu diesel thậm chí còn đặc hơn và chảy chậm, giống như mật ong. Và tệ hơn nữa, nó có thể để lại cặn carbon có thể làm hỏng động cơ theo thời gian.

Các kỹ sư chuyển sự chú ý sang dầu hỏa, loại dầu thường được coi là chất nền hoàn hảo - không quá nhẹ như xăng, không quá nặng như dầu diesel.

Phần 3: Chiến thắng của dầu hỏa (1950–1960) – Thiết lập tiêu chuẩn
Nước Anh dẫn đầu: Vào cuối những năm 1940, de Havilland đã phát triển-dầu hỏa có độ tinh khiết cao cho máy bay phản lực "Sao chổi", đặt tên nó là Avtur (Nhiên liệu tua bin hàng không) . Khi sao chổi bay lần đầu tiên vào năm 1952, nó đã đốt cháy dầu hỏa.

Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp thử và sai để tìm ra loại nhiên liệu phù hợp. Lúc đầu, Không quân Hoa Kỳ sử dụng loại nhiên liệu "rộng{1}}" có tên là JP-1, tương tự như xăng nặng. Tuy nhiên, loại nhiên liệu này gây ra nhiều vấn đề, bao gồm cặn cốc và nguy cơ cháy nổ thường xuyên do rò rỉ. Sau này, trong Chiến tranh Triều Tiên, máy bay phản lực F-86 Sabre sử dụng JP-4, hỗn hợp xăng và dầu hỏa. Mặc dù JP-4 ít có khả năng bị đóng băng nhưng lại rất dễ cháy, dẫn đến nhiều vụ tai nạn trên mặt đất.

Giải pháp cuối cùng:

Quân sự: JP{2}}8 (được áp dụng từ những năm 1970 trở đi) – về cơ bản là dầu hỏa với một lượng nhỏ chất phụ gia chống tĩnh điện và chống đóng băng.

Đối với máy bay, có hai loại nhiên liệu chính: Jet A và Jet A-1. Jet A được sử dụng ở Mỹ và có điểm đóng băng cao, trong khi Jet A-1 được sử dụng ở các quốc gia khác và có thể xử lý nhiệt độ rất lạnh, thấp tới -47 độ hoặc -53 độ F. Theo thời gian, hai loại nhiên liệu này đã trở thành tiêu chuẩn cho toàn thế giới.

Chúng tôi sử dụng một lượng lớn nhiên liệu máy bay mỗi năm - khoảng 300 tỷ lít. Và có được điều này, hầu hết tất cả các máy bay phản lực, con số khổng lồ là 99%, đều chạy bằng nhiên liệu làm từ dầu hỏa.

Phần 4: Tại sao Kerosene thắng – Đánh giá kỹ thuật
Khi điểm bốc cháy của nhiên liệu cao, trên 38 độ hoặc 100 độ F, điều đó có nghĩa là nhiên liệu không thể bắt lửa từ ngọn lửa trần khi ở nhiệt độ phòng. Điều này thực sự quan trọng vì nó làm giảm nguy cơ hỏa hoạn khi nhiên liệu được xử lý trên mặt đất hoặc nếu có rò rỉ trong chuyến bay.

Điểm đóng băng thấp (< -47°C / -53°F): Remains fluid at typical intercontinental cruise altitudes (around -50°C / -58°F).

Tính ổn định nhiệt: Không dễ dàng phân hủy hoặc hình thành cặn cacbon trong bộ trao đổi nhiệt-dầu nhiên liệu (hoạt động trên 150 độ / 302 độ F), có thể làm tắc vòi phun nhiên liệu chính xác.

Mật độ năng lượng thuận lợi: Có mật độ năng lượng thể tích cao hơn khoảng 12% so với xăng, nghĩa là phạm vi hoạt động dài hơn.

Độ bôi trơn thích hợp: Cung cấp vừa đủ chất bôi trơn cho pít tông bơm nhiên liệu áp suất cao-(mặc dù dầu hỏa có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp-hiện đại đôi khi yêu cầu bổ sung thêm chất cải thiện độ bôi trơn).

Phần 5: Tương lai – Dầu hỏa sẽ thống trị bao lâu nữa?
Thách thức 1: Nhiên liệu hàng không bền vững (SAF)
Nhiên liệu hàng không bền vững, hay SAF, được tạo ra từ những thứ như dầu thải, rác thải từ các thành phố hoặc thức ăn thừa từ các trang trại. Nó rất giống với dầu hỏa mà chúng ta thu được từ hóa thạch, vì vậy chúng ta có thể trộn nó với nhiên liệu đó ngay bây giờ - cho tới một nửa rưỡi. Kế hoạch lớn là không còn phát thải carbon vào năm 2050.

Thử thách 2: Hydro lỏng (LH₂)
Airbus có kế hoạch giới thiệu-máy bay chở khách chạy bằng hydro vào năm 2035. Hydro không có lượng khí thải carbon và mật độ năng lượng trọng lượng rất cao. Tuy nhiên, mật độ thể tích của nó cực kỳ thấp nên cần có bể đông lạnh lớn và nặng. Những thách thức như hiện tượng giòn hydro và nguy cơ cháy nổ vẫn còn.

Thử thách 3: Pin-Điện
Chỉ khả thi đối với máy bay khu vực nhỏ bay dưới 500 km (310 dặm). Mật độ năng lượng của pin thấp hơn khoảng 50 lần so với dầu hỏa nên không thể sử dụng máy bay phản lực lớn, đường dài-.

Trong một thời gian dài sắp tới, có lẽ cho đến năm 2050, các máy bay lớn vẫn sẽ sử dụng dầu hỏa hoặc loại nhiên liệu tương tự được sản xuất trong phòng thí nghiệm. Loại nhiên liệu này đã xuất hiện được một thời gian nhưng nó thực sự có tác dụng rất tốt và rất khó để tìm được loại nhiên liệu nào tốt hơn. Nó giống như ngôn ngữ tiêu chuẩn của việc bay, tuy cũ nhưng vẫn là sự lựa chọn tốt nhất.

Phần kết: Một chi tiết kể lại
Frank Whittle, một kỹ sư người Anh, đã được cấp bằng sáng chế cho động cơ phản lực vào năm 1930. Ban đầu, ông sử dụng xăng trong các thiết bị thử nghiệm của mình, nhưng nó không hoạt động như kế hoạch. Động cơ sẽ rung lắc dữ dội và các lon lửa sẽ bị cháy. Chán nản, Whittle quyết định dùng thử dầu hỏa - và đó là một yếu tố thay đổi cuộc chơi. Động cơ bắt đầu chạy trơn tru ngay lập tức. Từ đó trở đi, rõ ràng xăng không phải là lựa chọn tốt nhất cho máy bay lớn. Nó quá biến động, quá nhanh và quá nguy hiểm. Mặt khác, dầu hỏa tỏ ra là một đối tác đáng tin cậy cho việc bay. Tốc độ chậm và ổn định của nó khiến nó trở nên hoàn hảo cho bầu trời.