Керосин⁠⁠

Всем людям, хотя бы раз летавшим на самолете, знаком запах авиационного топлива - керосина. Ведь именно им пахнет около пассажирского трапа, когда вы стоите у самолета и ожидаете посадку. И не мудрено - керосином заправляется подавляющее большинство летательных аппаратов. Почему в качестве авиационного топлива выбрали именно его? Какие преимущества у керосина по сравнению с бензином и дизелем? Почему до сих пор не могут придумать аналоги этому топливу и нужны ли они?

На эти вопросы я отвечу в сегодняшней статье. Итак, начнем

Почему керосин?

Чтобы ответить на этот вопрос нужно углубиться в историю автомобилестроения (внезапно) и немного в процесс производства керосина. Все началось с печенегов с братьев Райт и их самолета на бензиновом двигателе. В 1903 году это был один из немногих способов поднять что-либо в воздух и совершить управляемый полет (еще был аэроплан Можайского, работающий на паровом двигателе). Потом авиация начала стремительно развиваться, но подавляющее число самолетов так и продолжали летать на поршневых двигателях и заправляться бензином.

Что интересно, на заре авиации, как я уже писал, были попытки полетов на паровых двигателях. Но к сожалению эта идея не развилась и не стала доминирующей ни в авиации, ни в автомобилестроении, преимущественно из-за низкой удельной мощности, большой массы, по сравнению с ДВС, и малой распространенности.

С удельной мощностью и массой все ясно, по этим параметрам паровой двигатель проигрывал ДВС, однако были и крайне интересные модели, эффективно использующие энергию пара, а не энергию сжигания топлива.

Решающим фактором в пользу выбора ДВС для ранних моделей самолетов, как мне думается, стала именно его распространенность. Ведь никто в начале 20 века не станет разрабатывать отдельный двигатель для неизведанного "летающего аппарата". Всем было не до силовой установки - намного проще было взять самый распространенный и дешевый вариант двигателя и работать с аэродинамикой и конструкцией самолета. А вот на распространение поршневых двигателей повлиял в большей степени Генри Форд со своей первой массовой моделью - Ford Model T, начавшей сходить с конвейера (первого в мире кстати) как раз на заре авиации - в 1908 году. Во многом благодаря этому факту мы сегодня ездим на машинах и люди век назад летали на самолетах, работающих на бензине.

А где бензин, там недалеко и керосин со своими качествами, во многом более подходящими для авиации и современных (начиная с 50-х годов) самолетов. Действительно, бензин и керосин - это продукты перегонки нефти. С подробным процессом переработки можете ознакомиться здесь, мы не будем сейчас в него углубляться.

Без распространения нефтедобывающих установок и нефтеперерабатывающих заводов навряд ли людям удалось бы создать газотурбинный двигатель. Ведь раньше нефть не имела такого широкого распространения, а керосин использовали только для освещения в уличных фонарях. Он мог долго поддерживать горение и был не таким летучим и взрывоопасным, по сравнению с бензином, так как являлся более тяжелой фракцией перегонки нефти. С появлением ДВС и электричества он отошел на второй план и объем его производства значительно сократился. Зато активно развивающееся производство бензина смогло дать мощный толчок нефтедобывающей промышленности и финансировало открытие новых месторождений. И поэтому, когда люди смогли создать реактивный двигатель, керосин вновь стал востребованным. Конечно, в первую очередь благодаря своим качествам, но и без развитой нефтеперерабатывающей инфраструктуры тоже не обошлось.

Керосин, как я писал выше, плавно горит и не взрывается. Это ключевые качества, необходимые для реактивных двигателей. Им начали заправлять самолеты и ракеты с этим типом двигателя. Потом на базе реактивных двигателей сконструировали газотурбинные, а уже на их базе появились современные турбореактивные и турбовинтовентиляторные изделия.

Что не так с бензином и дизелем?

Частично я уже ответил на этот вопрос в предыдущем разделе, но давайте немного углубимся в технику и обоснуем выбор именно керосина.

Итак, как говорилось выше, керосин плавно горит, не самовоспламеняется и не выделяет взрывоопасные пары. Бензин и дизель идеально подходят для поршневых двигателей, где цикл работы предполагает небольшой взрыв топлива, который толкает поршень вниз и тем самым совершает полезную работы.

Цикл сгорания топлива в газотурбинном двигателе иной - в нем как минимум не должно ничего взрываться и его работа должна быть плавной. Сгорание керосина происходит в камере сгорания (КС). Воздух в нее поступает через компрессор низкого давления (КНД) и компрессор высокого давления (КВД). Благодаря этому он сжимается и вследствие этого нагревается (см. первое начало термодинамики). Далее керосин впрыскивается в сжатый и уже горячий воздух и нагревает его еще сильнее при неизменном давлении. Потом сжатый и горячий поток воздуха проходит через турбину высокого давления (ТВД), турбину низкого давления (ТНД) и выбрасывается наружу реактивной струей. Проходя через ТВД и ТНД он расширяется и раскручивает, соответственно, КВД и КНД. Получается самоподдерживающийся процесс с выбросом реактивной струи и образованием полезной механической работы.

С бензином или дизелем такого бы просто не получилось. Они бы взрывались при таком сильном давлении, какая она есть в КС (порядка 10...40 раз выше, чем на входе в КНД) и попросту разрушали бы ее. Именно поэтому керосин был выбран в качестве авиационного топлива для турбореактивных двигателей.

Еще существует множество присадок и моделей реактивного топлива для разных погодных условий и для разных типов двигателей. В них используется огромное разнообразие присадок. Они отличаются названиями и методами получения, в зависимости от страны-производителя и в его производстве очень много нюансов. В общем, мы не будем в данной статье углубляться в получение керосина и оставим это экспертам-нефтяникам.

Есть ли какие-то аналоги? Нужны ли они?

Конечно, аналоги топлива и типа двигателя безусловно есть. Активно ведуться разработки в области водородных двигателей и электрических самолетов. Даже были проекты с ядерным реактором на борту. Но ни одна из идей не получила такое же широкое распространение, как ГТД для средней и крупной и поршневого двигателя для малой авиации. Почему не получили? Причины я думаю ясны - водород крайне опасен в эксплуатации и требует значительного переосмысления компоновки самолета из-за увеличения объема топливных баков.

Электричество очень неэффективно в первую очередь из-за своей массы. Литий-ионные батареи тяжелые и их масса не уменьшается во время полета (в отличии от керосина).

Двигатели на обогащенном уране не стали массовыми в первую очередь по соображениям безопасности. Страшно представить, если такой самолет по какой-либо причине упадет и унесет жизни не только пассажиров, но и устроит небольшой ядерный взрыв в месте падения.

Итог

Таким образом, газотурбинный двигатель остается единственным эффективным вариантом для самолетов и вертолетов, выполняющих поставленные перед ними задачи. А топливом для него является керосин, который на данный момент имеет огромное разнообразие присадок и не имеет аналогов.

Хотя, если бы не Генри Форд со своей любовью к ДВС и бензину, мы, может быть, могли бы увидеть самолеты, работающие на паровой установке, как знать...

Еще я веду телеграмм-канал Авиаконструктор. В нем я рассказываю об авиации и связанной с ней темами. Там накопилось уже немало постов, подписывайтесь чтобы не пропустить ничего нового

Прямая ссылка: https://t.me/air_craft_designer