제트 연료
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1. 개요
제트 연료는 제트 엔진에 사용되는 연료로, 등유를 기반으로 하는 연료와 와이드 컷 기반 연료로 나뉜다. 제트 연료는 제트 A, 제트 A-1, 제트 B, TS-1 등 다양한 종류가 있으며, 민간용과 군사용으로 구분된다. 제트 연료는 원유 정제를 통해 생산되며, 품질 관리를 위해 엄격한 기준이 적용된다. 제트 연료는 환경 문제와 대체 연료 개발의 필요성으로 인해 바이오 제트 연료, 합성 제트 연료 등 대체 연료 연구가 활발히 진행 중이다.
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| 제트 연료 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 항공 터빈 연료 |
| 다른 이름 | 항공 터빈 연료 (ATF) AVTUR |
| 식별 정보 | |
| CAS 등록번호 1 | 8008-20-6 (등유, 연료유 1호라고도 함) |
| CAS 등록번호 2 | 64742-47-8 (항공 등유) |
| UNII | 1C89KKC04E |
| ChemSpider ID | 해당 없음 |
| 성질 | |
| 외관 | 짚색 액체 |
| 밀도 | 775-840 g/L |
| 녹는점 | -47 °C |
| 끓는점 | 176 °C |
| 용해도 | 해당 없음 |
| 위험성 | |
| 주요 위험 | 해당 없음 |
| 인화점 | 38 °C |
| 자연 발화점 | 210 °C |
| NFPA 704 | 건강: 2 화재: 2 반응성: 0 |
| 물질안전보건자료 (SDS) | Jet A-A1 MSDS World Jet Fuel Specifications 2005 |
| 기타 | |
| 설명 | 항공 연료의 종류 |
| 관련 링크 | 항공 연료 |
2. 역사
융커스 유모 004를 사용한 초기 제트 엔진은 다양한 종류의 연료를 사용할 수 있었지만, 제2차 세계 대전 이후 대부분의 제트 연료는 등유 기반으로 만들어졌다. 메서슈미트 Me 262A 전투기와 아라도 Ar 234B 제트 정찰 폭격기에는 특수 합성 "J2" 연료 또는 디젤 연료가 사용되었고, 가솔린은 높은 연료 소비로 인해 세 번째 선택이었다.[4]
제트 연료는 크게 등유 기반 연료와 와이드 컷(나프타-등유 혼합) 기반 연료의 두 가지로 분류된다.[83] 등유계 연료는 등유 유분을 주성분으로 하며, 와이드 컷 계 연료는 등유 유분에 가솔린의 원료가 되는 중질 및 경질 납사 유분을 포함한다. 제트 연료는 유엔 번호 1863 (터빈 엔진용 항공 연료) 제3분류 인화성 액체 포장 등급 I, II, III의 위험물로 분류된다.
영국과 미국의 제트 연료 표준은 제2차 세계 대전 말에 처음 제정되었다. 영국 표준은 등유 표준에서, 미국 표준은 항공 가솔린 관행에서 파생되었다. 이후 연료 성능 요구 사항과 가용성의 균형을 맞추기 위해 세부 사양이 조정되었다. 매우 낮은 온도의 녹는점은 연료 가용성을 감소시키고, 항공모함용으로 더 높은 인화점을 가진 제품은 생산 비용이 더 많이 든다.[3]
미국에서는 ASTM International이 민간 연료, 미국 국방부가 군사용 표준을 제정한다. 영국 국방부는 민간 및 군사용 제트 연료 표준을 모두 제정하며, 상호 운용성을 위해 영국과 미국의 군사 표준은 어느 정도 조화를 이루고 있다.[3] 러시아와 CIS 회원국에서는 제트 연료 등급이 국가 표준(GOST) 번호 또는 기술 조건 번호로 관리되며, 주요 등급은 TS-1이다.
3. 종류
대부분의 국가에서는 등유나 경유와 다른 세금이 부과되며, 일본에서는 급유한 항공기의 소유자 또는 사용자가 추후 신고를 통해 항공기 연료세를 납부한다.
제트 엔진 (터보프롭 엔진, 터보샤프트 엔진 등 포함)용 연료가 기본이지만, 등유와 성질이 비슷하고 항공용 가솔린보다 저렴한 제트 연료를 사용하도록 조정된 항공용 디젤 엔진도 있다. 미국군에서는 보급 효율화를 위해 가스터빈 엔진이나 디젤 엔진을 탑재한 차량의 연료로도 제트 연료를 사용한다.
3. 1. 민간용
민간 항공기에서 주로 사용되는 제트 연료는 다음과 같다.[5]
| 연료명 | 설명 | 특징 | 사용 지역 |
|---|---|---|---|
| 제트 A | 1950년대부터 미국에서 사용된 표준적인 등유 계열 제트 연료이다. 응고점은 -40℃로 제트 A-1과 유사하다. | 응고점 -40℃ | 미국 |
| 제트 A-1 | 전 세계적으로 표준적인 등유 계열 제트 연료이다. 응고점은 -47℃이다. NATO 코드 F-35. | 응고점 -47℃, 인화점 38°C 이상, 자연 발화 온도 210°C 비중: 0.7753 - 0.8398 (60℉), 진 발열량: 18,400 BTU/lb, 총 유황분: 0.3중량%, 연점: 최소 25mm | 전 세계 (미국, 러시아, CIS 회원국 제외) |
| 제트 B | 등유 30%, 가솔린 70%로 구성된 와이드 컷 계열 제트 연료이다. | 응고점 -60℃로 내한 성능이 우수하나, 인화점이 낮아 취급에 주의해야 한다. | 일부 군용기, 캐나다, 알래스카 등 한랭지의 혹한기 |
제트 A, 제트 A-1, 제트 B의 규격은 미국 ASTM(American society for testing materials)의 D-1655 규격으로 규정되어 있다. 일본에서의 규격도 이를 그대로 준용한 일본 산업 규격의 JIS K 2209에 의해 1호(제트 A-1), 2호(제트 A), 3호(제트 B)가 규정되어 있다.
3. 2. 군용
군용 항공기는 작전 환경 및 목적에 따라 다양한 종류의 제트 연료를 사용한다. 전 세계 군사 조직은 JP("Jet Propellant"의 약자) 번호로 분류 체계를 사용한다. 일부는 민간용과 거의 동일하며 몇 가지 첨가제의 양만 다르다. JP-8은 제트 A-1과 유사하고, JP-4는 제트 B와 유사하다.[23] 이 외에도 매우 구체적인 용도로 개발된 고도로 특화된 군용 연료들이 있다.
군용 규격으로는 미국군의 MIL-5624로 규정된, JP로 시작하는 공업 규격명이 일반적이다.
- JP-1
: 1944년에 미국 정부(AN-F-32)가 지정한 초기 제트 연료였다.[24] 순수 등유 연료로 높은 인화점(항공 가솔린에 비해)과 -60°C의 어는점을 가졌다. 낮은 어는점 요구 사항 때문에 연료 가용성이 제한되어, 곧 케로신-나프타 또는 케로신-가솔린 혼합물인 다른 "와이드 컷" 제트 연료로 대체되었다. '''avtur'''라고도 한다.
: 1944년에 제정된 미군의 등유계 제트 연료이다. 영국의 제트 연료를 바탕으로 개발되었지만 석출점은 약 -40.0°C에서 약 -55.0°C, 인화점은 약 37.8°C에서 약 43.3°C로 더 엄격하게 설정되었다. 그러나 원유에서 정제할 수 있는 양이 불과 3%에 불과하여 입수성이 문제가 되었다. 현재는 사용되지 않는다.
- JP-2
: 제2차 세계 대전 중에 개발된 구식 유형이다. JP-1보다 어는점이 높아 생산이 더 쉬울 것으로 예상되었지만 널리 사용되지는 않았다.[25]
: JP-1과 마찬가지로 제2차 세계 대전 중에 제정된 미군의 제트 연료이다. JP-1보다 높은 [석출점]을 완화하여 제조를 용이하게 할 목적으로 한 실험 연료이다.
- JP-3
: JP-1에 비해 컷(증류 온도 범위)을 넓히고 불순물 허용 오차를 완화하여 연료 가용성을 개선하려는 시도였다. 존 D. 클라크는 저서 ''Ignition! An Informal History of Liquid Rocket Propellants''에서 "켄터키 밀주
: JP-1보다 컷(증류 온도 범위)을 넓히고 불순물 허용도를 완화하여 공급 안정을 꾀하는 것을 목적으로 했다. 화학자이자 로켓 연료 전문가인 존 D. 클라크는 "켄터키의 밀주업자의 증류기로도 원유의 절반을 제트 연료로 만들 수 있다(정도로 헐렁한 규격)"라고 평했다. 리드 증기압이 35kPa에서 50kPa (여름용 가솔린은 60kPa)로 휘발성이 커서 비행 중 휘발로 항속 거리가 감소할 정도였다.
- JP-4
: 50-50 등유-가솔린 혼합물이었다. 인화점은 JP-1보다 낮았지만 가용성이 더 높아 선호되었다. 1951년과 1995년 사이 미국 공군의 주요 제트 연료였다. NATO 코드는 '''F-40'''이다. '''avtag'''라고도 한다.
: 1951년에 제정된 등유와 휘발유를 1:1로 혼합한 와이드 컷 계열의 제트 연료이다. JP-3의 휘발성 문제를 해결하기 위해 개발되었으며, 리드 증기압은 JP-3의 절반 정도로 개선되었다. 일본의 소방법상으로는 제4류 위험물, 제1석유류로 분류된다. 1951년부터 1995년까지 주요 미국 공군의 제트기용 연료로 사용되었으며, JP-5(후술)가 개발되기 전까지는 해군에서도 사용되었다. 육상자위대, 항공자위대, 해상자위대 일부에서는 현재도 사용하고 있지만, 21세기인 현재는 세계적인 생산량으로는 극소량이다.
- 비중: 0.751 - 0.802 (약 15.6°C), 진발열량: 18,400 BTU/lb, 전 유황분: 0.40 중량%, 연점: 최소 20 mm
- MIL 규격: MIL-J-5624E, NATO 코드 F-40.
- JP-5
: 1952년에 항공모함에 배치된 항공기에서 사용하기 위해 개발된 황색의 등유 기반 제트 연료로, 화재 위험이 특히 크다. JP-5는 알칸, 나프텐 및 방향족 탄화수소를 포함하는 탄화수소의 복잡한 혼합물로, 6.8lb/U.S.gal의 무게가 나가고 높은 인화점(60°C)을 가진다.[27] 일부 미국 해군 항공 기지, 해병대 항공 기지 및 해안 경비대 항공 기지에서는 해상 및 육상 기반 해군 항공기를 모두 수용하므로, 이러한 시설에서도 일반적으로 해안 기반 항공기에 JP-5를 연료로 공급하여 JP-5와 비 JP-5 연료에 대한 별도의 연료 시설을 유지할 필요가 없다. 중국은 해군 연료에 RP-5라는 이름도 붙였다.[28] 어는점은 이다. 정전기 방지제를 포함하지 않는다. JP-5는 NCI-C54784로도 알려져 있다. JP-5의 NATO 코드는 '''F-44'''이다. '''Av'''iation '''Ca'''rrier '''T'''urbine 연료를 의미하는 '''AVCAT''' 연료라고도 한다.[29]
: MIL-DTL-5624에 포함되고 영국 사양 DEF STAN 91-86 AVCAT/FSII (구 DERD 2452)[30]를 충족하는 JP-4 및 JP-5 연료는 항공기 가스 터빈 엔진에서 사용하도록 설계되었다. 이러한 연료에는 군용 항공기 및 엔진 연료 시스템에 필요한 고유한 첨가제가 필요하다.
: JP-5는 미국에서 개발된 등유 계열의 제트 연료로, 항공모함이나 군함에서의 안전한 보관을 위해 인화점이 약 60.0°C(60°C)까지 높여져 있으며, 상온에서의 증기압은 0이다. 일본의 소방법상 제4류 위험물의 제2석유류로 분류된다. 미 해군, 미 해병대 외에 해상자위대를 포함한 서방 동맹국의 해군에서 육상기 및 함재 헬리콥터의 연료로 사용된다.
- 비중: 0.788-0.845 (약 15.6°C), 진발열량: 18,300 BTU/lb, 총 유황분: 0.40 중량%, 연점: 최소 20 mm
- MIL 규격: MIL-PRF-5624S, NATO 코드 F-44.
- JP-6
: 노스 아메리칸 XB-70 발키리에서 마하 3의 지속적인 비행을 위해 사용된 제너럴 일렉트릭 YJ93 애프터버닝 터보제트 엔진용으로 개발되었다. JP-5와 유사하지만 어는점이 낮고 열 산화 안정성이 향상되었다. XB-70 프로그램이 취소되면서 JP-6 사양, MIL-J-25656도 취소되었다.[31]
: XB-70 초음속 폭격기에 탑재된 제너럴 일렉트릭 YJ93 엔진 전용 연료. JP-5보다 응고점이 낮고 열 산화 안정성이 향상되었다. MIL 규격: MIL-J-25656이 부여되었으나 XB-70 계획이 취소됨에 따라 규격도 폐기되었다. ZIP 연료를 첨가제로 추가하는 것도 계획되었으나, 독성 등의 문제로 중단되었다.
- JP-7
: 록히드 SR-71 블랙버드에서 마하 3+의 지속적인 비행을 위해 사용된 프랫 & 휘트니 J58 애프터버닝 터보제트 엔진용으로 개발되었다. 공기역학적 가열로 인한 비등을 방지하기 위해 높은 인화점이 필요했다. 열적 안정성이 높아 항공기 에어컨 및 유압 시스템과 엔진 부속품에 열 싱크로 사용될 때 코크 및 바니시 침전을 방지했다.[32]
: SR-71 고고도 정찰기 전용 연료. X-51에도 사용된다.
- JP-8
: 미국 군대에서 지정하고 널리 사용하는 제트 연료이다. MIL-DTL-83133 및 영국 국방 표준 91-87에 의해 지정된다. JP-8은 등유 기반 연료로, 최소 2025년까지 사용될 것으로 예상된다. 미국군은 JP-8을 터빈 동력 항공기 및 디젤 동력 지상 차량 모두에서 "범용 연료"로 사용한다. 1978년 처음 NATO 기지에 도입되었다. NATO 코드는 '''F-34'''이다.
: 2008년 현재 미국의 육군 및 공군 통합 제트 연료. 민간 규격의 Jet A와 거의 동일하다.
- JP-9
: 미사일, 특히 토마호크 순항 미사일에 사용되는 가스 터빈 연료로, 메틸펜타디엔 이합체의 촉매 수소 첨가 반응으로 생성된 TH-이합체(테트라하이드로디메틸디사이클로펜타디엔)를 포함한다.
- JP-10
: 미사일, 특히 AGM-86 ALCM 순항 미사일에 사용되는 가스 터빈 연료이다.[33] 엔도-테트라하이드로디사이클로펜타디엔, 엑소-테트라하이드로디사이클로펜타디엔(합성 연료) 및 아다만탄의 혼합물을 포함한다. 디사이클로펜타디엔의 촉매 수소 첨가 반응에 의해 생성된다. JP-9 연료를 대체하여 약 -53.9°C의 더 낮은 저온 작동 한계를 달성했다.[33] 토마호크 제트 동력 아음속 순항 미사일에서도 사용된다.[34]
- JPTS
: 공식적으로 "열적으로 안정적인 제트 연료"로 알려진 LF-1 숯 라이터 액체와 열 산화 안정성을 개선하기 위한 첨가제의 조합이었다. 록히드 U-2 정찰기를 추진한 프랫 & 휘트니 J57 엔진용으로 1956년에 개발되었다.[35]
: U-2 고고도 정찰기 전용 연료이다. 초고고도용으로 매우 높은 안정성을 가지고 있다. 이 연료는 연간 1000만달러의 유지비를 들여 미국 내 2곳의 정유소에서만 생산되며, 1갤런당 가격은 JP-8의 3배 이상이라고 한다. JP-8에 내한 성능을 높이는 첨가제를 더한 변종인 JP-8 +100LT가 저비용 대체품이 되고 있다.
- Zip fuel
: 장거리 항공기를 위한 일련의 실험적인 붕소 함유 "고에너지 연료"를 지정한다. 연료의 독성 및 바람직하지 않은 잔류물로 인해 사용하기 어려웠다. 탄도 미사일의 개발로 인해 zip 연료의 주요 용도가 제거되었다.
- Syntroleum
: 수입 석유 의존도를 줄이는 데 도움이 되는 합성 제트 연료 혼합물을 개발하기 위해 미국 공군과 협력해 왔다. 미국 최대의 연료 사용자인 미국 공군은 1999년에 대체 연료원을 탐색하기 시작했다. 2006년 12월 15일, B-52가 JP-8과 Syntroleum의 FT 연료의 50–50 혼합물로만 구동되어 에드워드 공군 기지에서 처음 이륙했다. 7시간의 비행 시험은 성공적인 것으로 간주되었다. 비행 시험 프로그램의 목표는 서비스의 B-52에서 연료 혼합물의 함대 사용 자격을 얻은 다음 다른 항공기에서 비행 시험 및 자격을 얻는 것이었다.
4. 제조 과정
제트 연료는 원유를 정제하여 생산된다. 원유를 가열하면 끓는점(비등점)이 낮은 물질이 증발하고, 이를 냉각하여 LPG, 휘발유, 나프타, 등유, 경유, 중유, 아스팔트 등의 순서로 분리한다. 이 과정에서 등유(KEROSENE)를 가공하여 항공유를 만든다.[17][18]
등유를 추출한 후에는 황과 같이 부식을 일으키거나 냄새를 유발하는 성분을 제거하는 추가 공정이 필요하다. 또한, 항공기는 자동차나 기관차와 달리 기압과 온도가 낮은 환경에서 운항하므로, 다음과 같은 첨가제를 혼합한다.
- 부식방지제(CI, Corrosion Inhibitor): 연료 탱크나 배관 등의 부식을 방지한다. 일반적으로 DCI-4A가 사용되며, 군용으로는 DCI-6A가 사용된다.
- 정전기 방지제(SDA, Static Dissipator Additive): 정전기 축적을 억제하여 불꽃 발생을 방지하고 전기 전도도를 높인다. 듀폰사의 STADIS-450 (디노닐나프틸설폰산을 활성 성분으로 함)이 첨가된다.
- 빙결방지제(FSII, Fuel System Icing Inhibitor): 연료에 포함된 미량의 물이 얼어 배관을 막는 것을 방지한다.
- 윤활성 향상제(LI, Lubricity Improver)
이 외에도 산화 방지제, 살균제, 금속 불활성제 등이 첨가된다. 산화 방지제는 알킬화된 페놀류의 산화를 방지하여 검 발생을 억제하며, AO-30, AO-31 또는 AO-37이 사용된다. 살균제는 연료 계통 내부에서 세균 등이 번식하지 않도록 한다. 금속 불활성제는 구리와 구리 화합물을 주 대상으로 하여, 함유된 유리 금속 성분이 다른 것과 반응하여 연료가 불안정해지는 것을 방지하기 위해 불활성화한다. 이러한 첨가제의 첨가량은 중량당 1 ppm에서 0.5% 정도로 매우 적으며, 각 규격에서 첨가 적합 여부와 양을 규정하고 있다.[84]
4. 1. 품질 관리
제트기 연료는 품질 관리를 매우 엄격하게 해야 하는데, 비행 중에 연료에 문제가 생기면 대형 사고로 이어지기 때문이다.ICAO에서는 국제적으로 제트기 연료의 품질을 관리하는 기준을 정해놓고 있다. 원유를 가공할 때부터 항공유 급유가 이루어지기 전까지 매 단계마다 검사를 한다. 항공유의 품질과 안전성 관리를 위해 지켜야 하는 규격 또는 항목이 30개가 넘는데, 그만큼 제트기 연료의 품질 관리 기준이 아주 엄격한 편이다. 특히 하늘에서는 기온이 매우 낮기 때문에 저온에서의 연료 안전성에 신경써야 한다.
제트 연료는 오염으로부터 깨끗해야 한다. 비행 중에는 상층 대기의 낮은 온도 때문에 연료 탱크 내의 연료 온도가 떨어진다. 이로 인해 연료에서 용해된 물이 침전된다. 분리된 물은 연료보다 밀도가 높기 때문에 탱크 바닥으로 떨어진다. 물은 더 이상 용액 상태가 아니므로 0°C 이하로 과냉각될 수 있는 물방울을 형성할 수 있다. 이러한 과냉각된 물방울이 표면에 부딪히면 얼어붙어 연료 유입 파이프를 막을 수 있다.[21] 이것이 영국항공 38편 사고의 원인이었다. 연료에서 모든 물을 제거하는 것은 비현실적이므로 연료 내의 물이 얼어붙는 것을 방지하기 위해 일반적으로 상업용 항공기에 연료 히터를 사용한다.
제트 연료 내의 물을 감지하는 방법은 여러 가지가 있다. 육안 검사로 높은 농도의 부유 물을 감지할 수 있는데, 이는 연료의 외관을 흐리게 만들기 때문이다. 제트 연료 내의 자유수를 감지하기 위한 업계 표준 화학 테스트는 연료가 30ppm (parts per million, 백만 분율)의 자유수 사양 한도를 초과하면 녹색으로 변하는 물에 민감한 필터 패드를 사용한다.[22] 응집 필터를 통과할 때 유화된 물을 방출하는 제트 연료의 능력을 평가하는 중요한 테스트는 ASTM 표준 D3948 "휴대용 분리계를 사용하여 항공 터빈 연료의 수분 분리 특성을 결정하는 표준 시험 방법"이다.
5. 물리/화학적 특성
공기 중 연소 온도: 약 1032.2°C