航空燃料的变迁

 

最近在教《火灾动力学原理》中的燃料安全性，顺道温习了一下美国航空燃料的安全性（主要是闪点），把自己的思路整理一下，就是一篇科普短文。

当石油被从宾州的地下开挖出来，最早的用途是什么？药。美国的“老中医”们，看中了石油的忽悠功能，所以最早石油是灌瓶被人当可乐喝的。不过很快，石油的燃料功能被发现，于是石油最早的功能之一是照明。当时最常见的蜡烛是鲸脂，大约5美元一磅，而石油中提炼的煤油，只需要8美分一磅，于是美孚牌煤油，畅销全球。

图1. 煤油的最早用途：照明。

 那么，石油中那些轻烃成分到哪里去了？在汽车工业被发明之前，汽油是被倒入大海，因为汽油太危险，让人担心保存的安全性。所以，汽车工业被发明，是替石油工业的下脚料汽油，找到一项应用领域而已。不过，随着电灯的普及，畅销了一个世纪的煤油作为照明用油的地位也就岌岌可危了。所幸的是，航空工业开始使用煤油，于是石油工业又高兴了。

早期的航空工业使用汽油内燃机，怀特弟兄之所以能够发明飞机，取决于他们的两项英明决定：第一，增加机翼的灵活性，改进了飞机的可操作性；第二，采纳了当时先进的内燃机，改烧汽油。后者看起来很简单，可是在当时，蒸汽机和内燃机竞争，内燃机胜出颇为偶然。

喷气发动机是在二战中被英国和德国分别研制的。据说，当时采纳煤油作航空燃料，是为了避免与军方竞争汽油，后者是军需品，受到严格的管控。不过，比较专业的看法是，汽油中的添加剂（抗爆剂）含铅，后者对喷气发动机的部件有害，而柴油又不能抗冻，所以不得不选用不需要抗爆但较为抗冻的煤油。

通常选用一种燃料，有三种考量，第一是经济性或可用性（Availability），你当然不会希望100吨原油只提炼出一千克汽油，你也不希望由于油箱开放，因为挥发损失大量的燃油；第二是地域的适应性，主要担心北方低温下的抗冻性能，你当然不会希望燃料冻结在油箱里；第三，是燃料的安全性，你肯定不希望燃料输运过程中动不动失火，也不希望坠机之后立即爆炸，飞行员损失惨重。燃料的安全性对环境温度很敏感，环境温度超过闪点，就需要采取绝对控制点火源的措施（比如防静电的鞋子衣物等），以防燃料爆炸。上述考量，一旦定型，就不会再随意改动了，毕竟炼油厂的调节和输运环节的考量很多，改动一次，需要更新所有的安全手册，颇为劳民伤财。

首先推出的航空煤油是JP-1，闪点110F（44C），冰点-76F，与汽油持平。由于过高的抗冻指标，导致JP-1的原油提炼提取率只有区区3%。对此，陆军提出JP-2，不过其粘性不合理（对输送燃料的燃料泵要求高），而且在20到80华氏度范围内的油箱上层空间的混合气体在可燃的范围内（意味着一粒火星或弹药可以引爆油箱）。所以JP-2从未投入正式的使用。

1946年，NACA（NASA的前身）推出两种燃料Fuel A和Fuel B，前者是航空汽油和煤油的混合物，但石油提取率约为48%，后者是100F闪点的煤油，提取率只有13%。前者被命名为JP-3，不过其蒸气压过高（7psi），意味着飞机位于高空时，挥发分的损失大。因为飞机需要在不同高度，不同气压的范围内工作，所以飞机的油箱是不能密封的，否则有可能抽不出燃料。不能密封的油箱就有一部分油气混合空间存在，带来爆炸的风险，所以对燃料的闪点非常挑剔。而且飞机一旦升高，环境气压降低，JP-3开始沸腾冒泡，造成大量的燃料挥发损失。最终决定，降低JP-3的蒸汽压力到3Psi，从而降低高空的挥发损失。这种宽挥发分（WIDE-CUT，可以增加石油提取率）的燃料，就是JP-4。在1951年时，一桶原油可以提取60%的JP-3，和40%的JP-4。所以早期燃料选择是基于经济性，原油提取率越高越好，挥发损失越低越好，冰点越低越好。

美国海军最早使用航空汽油作燃料，很快意识到汽油中的铅对发动机有害，于是采取了折中意见，使用汽油与煤油的混合物，但闪点提高到140F，这是基于船上安全性的考量，因为船只的使用范围广，从两级到赤道，需要考虑环境温度变化对燃料安全性的影响。 为了扩大JP-5的提取率，JP-5的抗冰点只有-50F。对于水面弹射的飞机是足够的，因为这些飞机的滞空时间短（燃料来不及结冰就烧光了），而且大洋的蓄热性强大，环境温度不会很低，因此没有陆上基地常见的极端低温。

当超音速飞机时代来临之后，又推出了JP-6，与JP-5一样的煤油燃料，但冰点很低，并改进了燃料稳定性。JP-6 的蒸汽压只有0.5psi，因此高空挥发份损失更小。不过，JP-6的提取率只有JP-4的30%，所以当XB-70项目终止之时，JP-6的研究也终止了。

超高空间谍飞机SR-71的推出（马赫数大于3，超高空飞行），导致了特种燃料的研制。JP-7是一种煤油，蒸气压很低，优异的热氧化稳定性，并高热值。这项要求把JP-7限制在Paraffins（烷烃），芳烃只有3%以下，导致冰点只有-46F。不过对于超音速飞行的SR-71来说，这不是一个问题，因为气体分子的高速撞击导致气动加热很严重，所以油箱抗冻对于超音速飞机来说，不是一个问题。

越南战场的空战经验表明，空军的高挥发性的JP-4和海军的煤油型JP-5相比，带来更多的战场损失。坠机后的JP-4飞机发生火灾的概率接近100%，大大高于使用JP-5或商用Jet A燃料的飞机。 而且，煤油的闪点高，所以地面操作的事故率也大大低于闪点低的JP-4。于是，空军推出了一种高闪点的煤油型燃料JP-8（类似于商用煤油Jet A-1）。全面的转换开始于1979年，到1994年结束。所以，美国军方中期的燃料选择是基于安全性，闪点越高越安全。

图2. 航空燃料之变迁

由于燃料预热有提高燃烧温度，增加发动机出力的好处。可是，燃料在高温下开始不稳定，加速分解成含碳物质。燃料中溶解的氧气也可是发生反应，加速燃料的炭化。 这些炭化物质沉淀在发动机燃烧室的表面，对喷嘴、阀门和燃料控制元件带来损害。所以，燃料系统的设计者，通常把燃料的预热温度限制在325F以下，带来较低的维护成本。超高速飞机需要特殊燃料，更换燃料对整个队伍来说不是便宜的选择。所以，美国军方最新的研究是推出JP8+100，这不是新燃料，而是JP8加上抗氧化、提高燃料稳定性的添加剂，这样燃料的入口温度就可以从原来的325F提高到希望的425F。这种微量的添加剂，可以换来增加发动机出力的效果。所以，美国军方长期的燃料选择是基于性能和出力，燃料越稳定越好，添加剂越便宜越好。

 

顺便说一下，俄国国土靠北，对极端低温的担心要高于美国，因此俄国航空燃料最常见的TS-1，只有闪点28C（82.4F），大大低于商用航空燃料的38C（100F）（见图3），所以俄国燃料的安全规范、运输要求是非常严格的。而且，坠机以后必然大火，坠机的生存率不高，这是燃料本质所决定的，与管理手段没有什么关联。

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