سوخت جت: از فرمول شیمیایی تا عملکرد موتور جت و انواع آن

سوخت جت و نفت سفید

کروزن (Kerosene) برشی از نفت خام است که گسترۀ جوش آن بلافاصله بعد از بنزین قرار گرفته است و شامل هیدروکربن های C₁₀ تا C₁₄ می­‌باشد. فاصلۀ جوش این برش نفتی تقریباً بین 190˚C تا 270˚C می‌­باشد. سوخت جت و نفت سفید هر دو از زیر مجموعه ها و فرآورده های کروزن هستند. این ترکیبات بی رنگ هستند و می ­توانند کاربرد های مختلفی داشته باشند.

از جمله کاربرد های نفت سفید که در گذشته بسیار رایج بود، استفاده به عنوان سوخت بخاری های نفتی و وسایل روشنایی است. امروزه با گسترش استفاده از گاز شهری و برق، این گونه کاربردها کمتر قابل توجه هستند. همچنین نفت سفید سوخت مورد استفاده در تراکتورها و بعضی ماشین آلات کشاورزی می‌­باشد که از تصفیه نفت خام در پالایشگاه ها به دست می آید.

موتورهای جت در انواع هواپیما ها، هلی کوپترها و کلیۀ وسایل هواگرد، از سوختی به نام سوخت جت (Jet fuel) استفاده می‌­کنند که این سوخت باید دارای شرایط ویژه ای باشد و توسط مخزن های سوخت مختلفی سوخت گیری می شوند. موتور هواپیماها دارای ساختار متفاوتی با موتورهای سیلندر پیستونی خودرو است. در این موتورها با ایجاد شتاب در هوا نیرویی به نام تراست (Trust) ایجاد می‌­شود و این نیرو در حقیقت پیش‌ رانش لازم در هواپیما را موجب می­‌شود. از این رو سوخت جت باید دارای ساختار ویژه ای باشد که در ادامۀ مطلب به آن اشاره خواهد شد.

نحوی عملکرد موتور جت

در موتور جت، هوا از طریق فن ورودی مکیده شده و در کمپرسور متراکم می­‌شود. به علت بالا بودن سرعت هوای ورودی، نمی‌­توان آن­را مستقیماً برای اشتعال استفاده کرد. چرا که در این صورت مقدار زیادی از هوا بدون سوخته شدن از محفظۀ احتراق خارج می­‌گردد.

به منظور پایین آوردن سرعت هوای ورودی، هوا پس از کمپرسور وارد دیفیوزر شده و در آن جا ضمن کاهش سرعت، فشارش افزایش می­‌یابد. در ادامه هوا وارد محفظۀ احتراق (Combustion Chamber) شده و در آنجا با سوخت ترکیب می­‌گردد. هوای ترکیب شده با سوخت محترق می­‌شود و در اثر نیروی حاصل از احتراق، توربین های قرار گرفته در خروجی محفظۀ احتراق شروع به چرخش و تولید کار می­‌کنند.

همچنین بخشی دیگر از نیروی حاصل از احتراق سوخت، با عبور گاز خروجی از نازل و افزایش سرعت و مومنتوم صرف ایجاد نیروی رانش (Trust) هواپیما م‌ی­شود. شکل زیر شمای کلی یک موتور جت را نشان می­ دهد.

انواع سوخت جت

سوخت جت دارای انواع متنوعی هستند که بر حسب کاربرد نظامی و یا مسافربری، دارای اسامی متفاوتی در کشورهای مختلف هستند. فراورده ای که بیشترین کاربرد را دارد توربوراکتور (TRO) یا (JP8) است که اتحادیۀ ناتو از نام F34 و F35 برای آن استفاده می­‌کند.

سوخت مشابه در آمریکا JetA1 نام دارد. در ارتش از سوخت های فرار تری به نام TR4، JP4 ، Jet B ، F45 و F40 استفاده می­‌شود. اسامی مختلف این سوخت ها به علت تفاوت جزئی در ساختار آن­ها است. همچنین نوع دیگری از سوخت جت سنگین تر و با فراریت کمتر به نام TRS یا JPS ( که ایمنی بیشتری هنگام ذخیره شدن تأمین می‌­کند) وجود دارد. پرکاربرد ترین سوخت جت در سطح جهان، TRO یا JetA1 است که تقریباً برای تمامی هواپیماهای ناوگان مسافربری به کار می‌­رود. در ادامه مشخصات مربوط به این سوخت بیان خواهد شد.

مشخصات سوخت جت

بر خلاف موتور های پیستونی، موتور های جت از جریان مداوم گاز استفاده می­‌کنند. با توجه به این­که هواپیما در ارتفاع بالایی پرواز می­‌کند و دمای هوا در ارتفاعات بالا کمتر است. سوخت جت باید قابلیت سیالیت خود را در دما های خیلی کم هم حفظ کند. همچنین در هواپیما های مافوق صوت، سوخت جت و نفت سفید باید از پایداری حرارتی بالایی برخوردار باشد. در ادامه مشخصات مربوط به سوخت جت مطرح خواهد شد.

1. چگالی

برای دست یابی به حداکثر انرژی در حجم معینی از مخزن و کاهش حجم راکتور های داخل هواپیما، استفاده از سوخت با چگالی بالا ترجیح داده می‌­شود. این افزایش چگالی سوخت نباید توسط ترکیبات خیلی سنگین که باعث کاهش بازده احتراق و ایجاد رسوب های کربنی می­‌شوند، تأمین شود. اصولاً چگالی سوخت جت در محدودۀ بین 0.775 تا 0.84 Kh/lit قرار دارد که کمی پایین تر از چگالی گازوئیل است.

2. فشار بخار

فشار بخار، بیشتر در مورد هواپیماهای نظامی و خصوصاً برای سوخت JP4 مطرح است. فشار بخار این سوخت باید بین 14 تا 21 کیلو پاسکال باشد تا در ارتفاعات زیاد که فشار هوا کم است، سوخت تبخیر نشود. تبخیر سوخت می­‌تواند سبب ایجاد سدی از بخار شده و باعث از کار افتادن پمپ ها و تجهیزات و اتلاف در مخازن شود. با این حال برای روشن کردن موتور هواپیما در سطح زمین یا استارت مجدد در ارتفاعات، وجود ترکیبات سبک در سوخت ضروری است.

3. تقطیر

محدودۀ تقطیر سوخت جت تقریباً برابر با برش کروزن در برج تقطیر می‌­باشد. به صورتی که در دمای 204 C˚ بیش از 10% سوخت تقطیر شده و و دمای نهایی تقطیر آن 288 C˚ می­‌باشد.

4. نقطۀ انجماد سوخت

به علت کارکرد هواپیما در ارتفاعات زیاد، سوخت جت در معرض هوا با دمای -40 C˚ تا -50 C˚ قرار می ­گیرد. تحت این شرایط سوخت باید قادر باشد سیالیت خود را حفظ کند. بنابراین حداکثر نقطه انجماد سوخت جت دمای -50 C˚ می‌­باشد.

از جمله مواردی که موجب اشکال در سوخت جت می­‌شود، وجود آب در آن است. از آن­جایی که آب در دمای صفر درجۀ سانتی گراد یخ می‌­زند، وجود آب در سوخت موجب تشکیل بلورهای یخ شده و کارکرد موتور هواپیما مختل می‌شود. جهت رفع این مشکل از مواد ضدیخ در سوخت استفاده می­‌کنند تا علاوه بر جذب آب، نقطۀ انجماد سوخت را نیز کاهش دهد. این مواد افزودنی به سوخت ها معمولاً از نوع اتر الکل ها مانند متوکسی اتانول می ­باشند که به غلظت حداکثر 1500 ppm به سوخت افزوده می­‌شوند.

5. ساختار شیمیایی سوخت جت

به منظور کاهش رسوب های کربنی و تأمین شعلۀ مناسب، دو پارامتر نقطۀ دود و میزان مواد آروماتیک در مورد سوخت جت بسیار حائز اهمیت است. نقطۀ دود یک سوخت، حداکثر ارتفاع شعله بدون ایجاد دود در یک چراغ آزمایشگاهی استاندارد است. محدودۀ نقطه دود معمولاً بین 10 تا 40 میلی متر است که در مورد سوخت جت 25 میلی متر در نظر گرفته می‌­شود. نقطۀ دود پارافین های زنجیری بالا بوده و با شاخه دار شدن ساختار پارافین، نقطه دود کاهش می­‌یابد. همچنین ترکیبات حلقوی نفتنی و آروماتیک ها دارای نقطه دود بسیار پایین تری می­‌باشند. اما از طرفی هرچه میزان آروماتیک ها در سوخت بیشتر باشد، رسوب های کربنی در آن بیشتر است. به همین علت باید میزان آروماتیک ها در سوخت محدود شود. میزان مجاز آروماتیک ها در سوخت جت حدود 20% قرار داده شده است.

6. پایداری حرارتی

در سرعت های بالای حرکت هواپیما دمای سوخت جت هنگام عبور از مناطق داغ موتور بالا می­رود. برای بررسی میزان پایداری حرارتی سوخت در این شرایط، آزمایش اکسیداسیون حرارتی سوخت جت (Jet Fuel Thermal Oxidation Test) انجام می­‌گردد. این آزمایش نشان دهنده­ی میزان رسوب تشکیل شده توسط سوخت بر یک سطح فلزی با دمای بالاست. هرچه مقدار رسوب تشکیل شده کمتر باشد، سوخت از پایداری بهتری برخوردار بوده و کیفیت آن مناسب تر است.

فرمول شیمیایی سوخت جت: ترکیبات اصلی و ساختار مولکولی

سوخت جت عمدتاً از هیدروکربن‌های زنجیره متوسط C10 تا C14 تشکیل می‌شود. این مقیاس کربن تضمین‌ کننده ترکیب بهینه برای احتراق مداوم و یکنواخت در موتور جت است. فرمول شیمیایی کلی این سوخت شبیه به C11H21 تا C12H24 متغیر است تا دمای اشتعال و سیالیت را در شرایط مختلف جوی حفظ کند.

پارافین‌ها (خطی و شاخه‌دار)

پارافین‌ها حدود 50–65٪ از ساختار مولکولی سوخت جت را تشکیل می‌دهند. ساختار خطی پارافین‌ها شعله‌ای یکنواخت و پایدار ایجاد می‌کند. شاخه‌دار بودن مولکول پارافین نقطه دود را کاهش می‌دهد و از تشکیل رسوب کربنی جلوگیری می‌کند. وجود پارافین‌های شاخه‌دار، پایداری حرارتی و اکسیداسیون را افزایش می‌دهد.

نفتن‌ها (حلقوی)

نفتن‌ها نزدیک 20–35٪ از سوخت جت را می‌سازند. این ترکیبات حلقوی مقاومت بالایی در برابر اکسیداسیون و تجزیه حرارتی دارند. حضور نفتن‌ها به افزایش پایداری حرارتی و کاهش رسوب کمک می‌کند. سطح مناسب نفتن در سوخت جت، عمر مفید قطعات موتور را بالا می‌برد.

آروماتیک‌ها

مقدار آروماتیک‌ها در سوخت جت نباید بیش از 20٪ باشد. آروماتیک‌ها نقطه دود را کاهش می‌دهند و سوخت را با کیفیت‌تر می‌کنند. اما درصد بالای آروماتیک موجب افزایش رسوب کربنی و کاهش کارایی احتراق می‌شود. محدود کردن آروماتیک‌ها به زیر 20٪، تعادل بین کیفیت احتراق و پایداری حرارتی را تأمین می‌کند.

نسبت H/C و انرژی حجمی

نسبت هیدروژن به کربن (H/C) یکی از شاخص‌های کلیدی فرمول شیمیایی سوخت جت است. هرچه نسبت H/C بالاتر باشد، انرژی حجمی بیشتری آزاد می‌گردد. برای سوخت‌های جت معمولی، این نسبت بین 1.85 تا 2.02 قرار دارد تا حداکثر انرژی و حداقل دی‌اکسیدکربن تولید شود.

معرفی انواع سوخت جت

در صنعت هوافضا، سوخت‌های جت بر اساس کاربری، شرایط عملیاتی و استانداردهای بین‌المللی به چند دسته اصلی تقسیم می‌شوند. هر یک از این سوخت‌ها فرمولاسیون، محدوده دمایی و افزودنی‌های خاص خود را دارند تا عملکرد بهینه در موتورهای توربو‌فن، توربوپراپ و توربوجت تضمین شود. در ادامه با چهار نوع پرکاربرد آشنا می‌شویم:

Jet A1

Jet A1 رایج‌ترین سوخت جت در خطوط هوایی مسافربری جهان است و استاندارد ASTM D1655 را پاس می‌کند. این سوخت دارای نقطه انجماد −47 °C است که امکان استفاده در پروازهای بلند‌مدت و ارتفاعات بالا را فراهم می‌کند. محدوده جوش Jet A1 بین 205 تا 300 °C است که ترکیبی از پارافین‌ها و نفتن‌های پایدار را تأمین می‌کند و در عین حال نقطه دود قابل قبولی دارد.
Jet A1 فاقد افزودنی‌های ضدیخ یا آنتی‌اکسیدان نظامی است و معمولاً ارزان‌تر از سوخت‌های نظامی مانند JP8 است. از آن‌جا که درصد آروماتیک آن حدود 18٪ است، احتراق پاک و ثابتی ایجاد می‌کند و نگهداری موتور را ساده‌تر می‌نماید. این سوخت در اغلب هواپیماهای مسافری و کارگو کاربرد دارد و در فرودگاه‌های بین‌المللی به‌راحتی در دسترس است.

JP 8

JP 8 سوخت نظامی استاندارد ناتو (DEF STAN 9191 & MILDTL83133) است و نوعی از Jet A1 محسوب می‌شود که با افزودنی‌های آنتی‌یخ، آنتی‌اکسیدان و ضدزنگ تقویت شده است. نقطه انجماد JP 8 نیز −50 °C است و محدوده جوش آن حدود 220 تا 360 °C می‌باشد. این افزودنی‌ها مانع یخ‌زدگی در شرایط بسیار سرد و تجمع رسوب در خطوط سوخت‌رسانی نظامی می‌شوند.
از آن‌جا که JP 8 درصد آروماتیک تقریباً 18–20٪ دارد، ترکیبی مناسب برای توربین‌های پیشرفته نظامی و بلندپرواز است. قیمت آن به‌دلیل فرآیند افزودن مواد ویژه بالاتر از Jet A1 است، اما پایداری حرارتی و شیمیایی بهتری ارائه می‌دهد. در مأموریت‌های نظامی زمینی، هوابرد و دریایی، JP 8 به دلیل ایمنی ذخیره‌سازی و قابلیت عملکرد در شرایط سخت بسیار محبوب است.

JP 5

سوخت JP 5 نیز یکی از انواع سوخت‌های نظامی ناتو است که استاندارد DEF STAN 9191 را دارد و نقطه اشتعال بسیار بالایی (حدود 60 °C) برای استفاده در ناوهای هواپیمابر و سایر ناوگان دریایی طراحی شده است. محدوده جوش JP 5 حدود 260 تا 360 °C است تا در دماهای بالا عملکرد پایداری داشته باشد و از تبخیر سریع در مخازن گرم جلوگیری کند.

به دلیل درصد بالای نفتن (حدود 34٪)، پایداری حرارتی و مقاومت به اکسیداسیون JP 5 بسیار بالاست. این سوخت به‌طور خاص برای شرایط دریایی طراحی شده تا خطر اشتعال تصادفی در محیط‌های بسته و مرطوب کاهش یابد. با توجه به کاربرد محدود و افزودنی‌های تخصصی، قیمت آن معمولاً از Jet A1 و JP 8 بیشتر است.

RP 1

RP 1 (Rocket Propellant 1) سوخت موشکی است که فرمولی بسیار غنی از پارافین‌های سنگین و درصد آروماتیک بسیار کم (حدود 3٪) دارد. نقطه انجماد این سوخت تا −60 °C کاهش یافته و محدوده جوش آن بین 180 تا 270 °C است. RP 1 عمدتاً در موتورهای راکتی مرحله اول به‌کار می‌رود تا بیشترین تراکم انرژی حجمی تأمین شود.

میزان گوگرد بسیار پایین (حدود 20 ppm) و درصد نفتن بالا (بیش از 50٪) باعث می‌شود در احتراق، کمترین رسوب و دود تولید شود. هرچند این سوخت برای موتورهای جت کاربرد ندارد، اما از نظر ترکیب شیمیایی شباهت‌هایی با سوخت‌های جت سنگین دارد و در صنعت فضایی جایگاه ویژه‌ای دارد.

جدول تفاوت‌های انواع سوخت جت

با در نظر گرفتن نیاز عملیاتی، شرایط محیطی و استانداردهای فنی، می‌توانید بهترین گزینه سوخت جت را برای هواپیمای مسافربری، ناوگان نظامی یا مأموریت‌های فضایی انتخاب کنید.

مقایسۀ ساختار چند نوع سوخت جت

با توجه به این که سوخت جت از فرآورده های نفتی بسیار پر تقاضا در بازار است، میزان تولید آن در پالایشگاه ها نسبتاً زیاد می‌­باشد. این سوخت می­‌تواند فرآوردۀ حاصل از تقطیر مستقیم نفت خام بوده و یا از برش های میان تقطیر فرآیند هیدروکراکینگ باشد. بسته به نوع کاربرد سوخت جت در وسایل مختلف هواگرد، این سوخت می‌­تواند دارای انواع مختلفی باشد که هر کدام مشخصات مخصوص به خود را دارند. جدول زیر نشان دهندۀ مشخصات چند نوع مختلف از سوخت جت و نفت سفید می­‌باشد.

جدول مقایسۀ ساختار چند نوع سوخت جت

همانطور که از جدول بالا ملاحظه می­‌گردد، سوخت JP – 4 که مخصوص هواپیما های نظامی است از نقطه انجماد پایینی برخوردار است و در عوض به علت بالا بودن میزان ترکیبات پارافینی نقطه دود آن بالا است. سوخت RP – 1  بیشتر مخصوص راکت ها است و به علت میزان بسیار کم ترکیبات آروماتیک نقطه دود آن بسیار پایین است.

به طور کلی هرکدام از انواع سوخت جت بسته به نوع وسیلۀ هواگردی که در آن استفاده می‌­شوند، باید دارای بهینه ترین خواص باشند تا هواپیمای مورد نظر بتواند عملکرد مناسبی از خود نشان دهد. در این مقاله سعی شد تا سوخت جت به طور کامل شرح و انواع سوخت جت به همراه مشخصات فنی بررسی گردد.