Rzeczywistość koncepcji jednego paliwa
Aby uprościć operacje paliwowe, Departament Obrony (DOD) przyjął koncepcję jednego paliwa (SFC), która wymaga od sił zbrojnych USA używania tylko jednego paliwa podczas rozmieszczenia. Choć koncepcja ta ma swoje zalety, ma też wady. Wyzwaniem jest opracowanie polityki, która najlepiej zaspokoi wszystkie wojskowe potrzeby paliwowe.
Ewolucja SFC
Problemy z woskowaniem i możliwością filtrowania paliwa ze standardowym olejem napędowym Organizacji Traktatu Północnoatlantyckiego (NATO), F54, podczas zimnej pogody stworzyły poważne problemy dla silników głównych czołgów M1 Abrams i innego sprzętu zasilanego turbiną benzynową, gdy zostały one wprowadzone do sił amerykańskich w Niemczech w 1981 roku. ymczasowe rozwiązanie tych problemów polegało na zmieszaniu oleju napędowego F54 z lotniczym naftowym paliwem turbinowym (JP5 lub JP8) w celu obniżenia zarówno tendencji do woskowania, jak i lepkości oleju napędowego. Mieszanka ta, znana jako „mieszanka paliwowa M1”, była stosowana we wszystkich urządzeniach zasilanych olejem napędowym w rejonach wysuniętych od listopada do kwietnia każdego roku. Inne kraje NATO wkrótce przyjęły tę mieszankę (50% F54 i 50% JP8 lub JP5), która następnie otrzymała numer kodowy NATO F65. Te poprawki do problemów operacyjnych w niskich temperaturach operabilitymore niż prawdopodobnie służył jako geneza SFC.
Późniejszy wymóg mieszania paliw spowodował problemy logistyczne, które skłoniły armię do przyjęcia JP8 jako alternatywy dla oleju napędowego w 1986 r., omijając konieczność mieszania innych paliw z olejem napędowym. DOD wydał dyrektywę w sprawie standaryzacji paliw w marcu 1988 r., która określiła JP8 jako podstawowe paliwo dla sił powietrznych i lądowych.
Testowanie i próby terenowe
Użytkownicy wyrazili obawy dotyczące stosowania JP8 jako substytutu oleju napędowego. Obawy te obejmowały, czy JP8 będzie spalać gorętsze, czy zwiększy zużycie paliwa, i czy będzie to zgodne z istniejącymi systemami. W rezultacie, armia przeprowadziła wiele testów w laboratorium i na dynamometrach silnikowych, oprócz testów terenowych i flotowych, w celu zatwierdzenia stosowania paliw lotniczych nafta turbinowa w silnikach wysokoprężnych i rozwiać obawy. pośród wielu udanych testów flotowych jeden był szczególnie godny uwagi. Test trwałości wynoszący 10 000 mil przeprowadzono na kilku pojazdach użytkowych (CUCV) w General Motors Desert Proving Ground w Mesa, Arizona, gdzie były one narażone na całodobową eksploatację w stale gorącym klimacie. Test nie wykazał znaczącego wpływu na osiągi pojazdu lub zużycie pompy wtryskowej, nie odnotowano również żadnych zmierzonych różnic w temperaturach pracy silnika, co rozwiało obawy o przegrzewanie się silników z powodu rzekomo cieplejszego spalania paliw.
Żołnierz 1-9 Batalionu Artylerii Polowej z Fort Stewart, Georgia, przygotowuje się do tankowania 155-milimetrowej haubicy podczas ćwiczenia „tankowania w ruchu” w Kuwejcie.
Jednym z bardziej znaczących i wszechstronnych testów JP8 była demonstracja terenowa przeprowadzona w Fort Bliss w Teksasie od października 1988 do lipca 1991 roku. Ta demonstracja w terenie objęła około 2800 pojazdów i urządzeń napędzanych silnikami wysokoprężnymi, które zużyły ponad 4,7 mln galonów JP8. Demonstracja zakończyła się sukcesem: JP8 nie spowodował żadnej katastrofalnej awarii. W rzeczywistości nie stwierdzono żadnych istotnych różnic w kosztach zaopatrzenia, zużyciu paliwa, częstotliwości wymiany oleju lub wymiany podzespołów w porównaniu z danymi historycznymi dla tej samej floty pojazdów i sprzętu wykorzystującego olej napędowy.
Wdrażanie SFC od 1990 r.
Po zatwierdzeniu przez dowódcę sił zbrojnych, podstawowym paliwem wykorzystywanym przez siły powietrzne i lądowe na zamorskich terytoriach będzie jedno paliwo na bazie nafty. SFC zostało po raz pierwszy wdrożone w grudniu 1989 roku, kiedy to JP5 zostało użyte jako jedyne paliwo podczas operacji „Just Cause” w Panamie. sierpniu 1990 roku DOD wdrożyło SFC dostarczając Jet A1 (JP8 bez trzech obowiązkowych dodatków) dla sił amerykańskich w operacjach Desert Shield i DesertStorm. Podczas tych operacji niektóre jednostki Sił Powietrznych znajdowały się w bazach, gdzie dostępny był jedynie JP4, który nie mógł być stosowany w pojazdach i sprzęcie naziemnym.Niektóre jednostki wojskowe zażądały oleju napędowego zamiast JP8, ponieważ JP8 nie wytwarzał akceptowalnego dymu w generatorach dymu systemu wydechowego M1 Abrams. Dodatkowym utrudnieniem był brak szkoleń dla jednostek naziemnych, które zmniejszyłyby ich początkowe obawy przed stosowaniem paliw lotniczych w pojazdach i sprzęcie naziemnym. Mimo tych problemów SFC uznano za sukces.
SFC został następnie wdrożony do działań bojowych w Somalii, na Haiti i na wschodnich Bałkanach z takim samym powodzeniem, jakie odniósł podczas operacji Pustynna Tarcza i Pustynna Burza.
Specjalista ds. paliwa ze 127 Batalionu Wsparcia Terenowego, Dowództwa Zaopatrzenia Dywizji, 1 Dywizji Pancernej, sygnalizuje operatorowi ciężarówki z pompą, aby zatrzymał przepływ, podczas gdy inny specjalista ds. paliwa przygotowuje się do odłączenia przewodu paliwowego od śmigłowca UH-60 Black Hawk na międzynarodowym lotnisku w Bagdadzie.
Drobne problemy
Podczas operacji „Pustynna tarcza” i „Pustynna burza” w niektórych rodzinach silników, w których zastosowano smarowane paliwem pompy z rotacyjnym rozdziałem paliwa, wystąpiły pewne problemy operacyjne, które skutkowały trudnościami z gorącym rozruchem i stopniową utratą mocy. (Termin „gorący rozruch” odnosi się do ponownego uruchomienia pojazdu, gdy silnik jest jeszcze gorący.) Zwykle silniki, z którymi było najwięcej problemów, to 6,2- i 6,5-litrowe silniki General Motors, w których zastosowano produkowaną w handlu pompę wtryskową Stanadyne. Silniki te napędzają mniejsze taktyczne pojazdy kołowe, takie jak CUCV i wielozadaniowe pojazdy kołowe o wysokiej mobilności (HMMWV). Pompa wtryskowa Stanadyne jest używana w wielu innych systemach silnikowych, które zapewniają zasilanie dla sprzętu wsparcia bojowego i obsługi bojowej.
Przyczyny problemów z silnikami były następujące:
– Trwała praca w wysokich temperaturach.
– Niedopełnienie obowiązku doposażenia pompy wtryskowej Stanadyne w elastomerowe zespoły mocujące ciężarki regulatora obrotów.
– Niewłaściwie wyprodukowane części zamienne.
– Korozja. epkość paliwa Jet A1 dostarczanego przez Arabię Saudyjską w ramach umowy o wsparciu państwa przyjmującego była bardzo niska, podobnie jak zawartość siarki, co dodatkowo potęgowało problemy z gorącym rozruchem.
Jak na ironię, żaden z tych problemów nie wystąpił podczas szeroko zakrojonych testów w Fort Bliss. Z perspektywy czasu, test w Fort Bliss wykorzystał JP8, który ma wyższą lepkość niż paliwo Jet A1 zazwyczaj rafinowane na Bliskim Wschodzie, a temperatury w Fort Bliss były o co najmniej 15 stopni Fahrenheita niższe niż te spotykane w południowo-zachodniej Azji.
Pompa wtryskowa paliwa
Z wielu rodzajów pomp wtryskowych produkowanych komercyjnie, takich jak pompy jednocylindrowej, pompy rzędowej i pompy rozdzielacza, obrotowy-rozdzielczy, pompa wtryskowa jest najbardziej wrażliwy na smarowanie jakości paliwa.Ta pompa jest niedroga i jest stosowany w szerokiej gamie komercyjnych i wojskowych urządzeń zazwyczaj napędzane lekkich silników wysokoprężnych. W tych pompach, paliwo zapewnia potrzebne smarowanie wewnętrznych elementów ruchomych. Whenthe smarowność (smarowanie jakość) paliwa staje się marginalne lub niewystarczające, elementy pompy będzie nosić.
Jeśli lepkość paliwa jest wystarczająco wysoki, paliwo będzie fizycznie oddzielić układu wtryskowego elementów ślizgowych, zapobiegając zużyciu. Przy niższej lepkości, potencjał zużycia znacznie wzrasta, ponieważ powierzchnie części ślizgowych mogą zacząć oddziaływać. Jednak niektóre dodatki do paliwa wytwarzają warstwy powierzchniowe, które zapewniają potrzebną ochronę przed zużyciem. Lepkość paliwa zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury paliwa, zmniejszając w ten sposób zdolność paliwa do smarowania układu wtryskowego i zwiększając zależność użytkowników od smarnych warstw powierzchniowych w celu kontrolowania zużycia części. American Society for Testingand Materials (ASTM) D 975, Standard Specification for Diesel Fuel Oils, setsthe current industry standard for the minimum viscosity of grades 1-D and low sulfur 1-D diesel fuel at 1.3 square millimeters per second (mm2/s)at 40 degrees Celsius. Chociaż lepkość JP8 w temperaturze 40 stopni Celsjusza nie jest określona w specyfikacji JP8 (MIL-DTL-83133E), zaobserwowany zakres lepkości waha się od 1,0 do 1,7 mm2/s w temperaturze 40 stopni Celsjusza. Jest oczywiste, że stosowanie paliwa o lepkości niższej niż 1,3 mm2/s przyspieszy potencjalne zużycie podzespołów. Spośród czterech głównych producentów pomp wtryskowych z rotacyjnym rozdziałem paliwa, Stanadyne Automotive Corporation jest jedynym, który dostarcza fabryczne zestawy modernizacyjne zmniejszające ryzyko zużycia i problemów z gorącym rozruchem przy stosowaniu paliwa o niskiej lepkości.
Kolejnym niekorzystnym skutkiem stosowania paliw o niskiej lepkości w pompach paliwowych z rozdziałem obrotowym i wtryskiem paliwa jest zwiększony potencjał wycieków wewnętrznych. Połączenie paliwa o niskiej lepkości i zwiększonych odstępów między powierzchniami w wyniku zużycia (wynikającego z niewystarczającej smarowności) może skutkować zwiększonym wewnętrznym wyciekiem paliwa, który zmniejsza ilość paliwa dostarczanego do komory spalania. Niektóre z tych problemów ujawniły się w końcowych etapach operacji Pustynna Tarcza i Pustynna Burza.
Główne problemy od 11 września 2001 r.
Podczas ostatnich dużych operacji bojowych w Afganistanie i Iraku problemy związane z paliwem znacznie się nasiliły w wyniku stosowania paliw o niskiej lepkości jako jedynego paliwa. W Afganistanie większość początkowo zamawianej nafty lotniczej stanowiła rosyjska nafta lotnicza TS1, ponieważ sąsiednie rafinerie produkują naftę lotniczą w postaci TS1, a nie Jet A1 lub JP8. Rosyjska nafta lotnicza TS1 jest podobna do Jet A1, ale jest bardziej lotna, ponieważ ma niższą temperaturę zapłonu i niższą lepkość.
Specjalista ds. paliwa ze 127 Batalionu Wsparcia Terenowego, Dowództwa Zaopatrzenia Dywizji, 1 Dywizji Pancernej, pobiera próbkę paliwa do testów na Międzynarodowym Lotnisku w Bagdadzie.
Paliwo używane w Iraku to JP8. Jednak zarówno w Afganistanie, jak i w Iraku, pojazdy i sprzęt naziemny są wykorzystywane znacznie intensywniej niż w normalnej służbie. Biorąc pod uwagę to dodatkowe wykorzystanie, gorące temperatury, które zazwyczaj panują na Bliskim Wschodzie, oraz rosnące zapotrzebowanie na moc silnika, narzucone przez zwiększoną wagę zestawów uzbrojenia, nie dziwi fakt, że pojazdy i sprzęt naziemny, które posiadają pompy z rotacyjnym rozdziałem paliwa i wtryskiem, mają wiele problemów z silnikami związanymi z paliwem. rtykuł w lipcowym numerze magazynu National Defense, „Army PondersNew Diesel Engine for Humvee Trucks” (Armia rozważa nowy silnik Diesla dla ciężarówek Humvee), zauważa, że w Iraku doświadczono koszmaru konserwacji, ponieważ silniki regularnie się psują i często muszą być wymieniane po przejechaniu zaledwie 1000 do 2000 mil. W dużej mierze winę za to ponosi przykręcana ochrona przeciwpancerna, która zwiększa wagę pojazdów. Co ciekawe, pompy wtryskowe w wielu, jeśli nie we wszystkich pojazdach HMMWV operujących w Azji Południowo-Zachodniej, zostały zmodernizowane przy użyciu zestawu do przeróbki paliwa arktycznego Stanadyne. Zestaw ten najwyraźniej w niewielkim stopniu zrekompensował znaczny wzrost obsługi technicznej, jaki ostatnio odnotowano.
Przemyślenie SFC
Działania bojowe, które mają miejsce w środowisku o wyższej temperaturze, z pewnością spotęgują problemy operacyjne i obsługowe pojazdów i sprzętu napędzanego silnikami Diesla z pompami wtryskowymi smarowanymi paliwem. Ponieważ prawie połowa pojazdów i sprzętu wojskowego z silnikami wysokoprężnymi jest wyposażona w pompy wtryskowe z rotacyjnym rozdziałem paliwa, pilnie potrzebne jest rozwiązanie tego problemu.
Mimo problemów z utrzymaniem i gotowością, jakie stwarza SFC, przyniósł on wiele korzyści. Jedno paliwo jest znacznie łatwiejsze w zarządzaniu niż wiele paliw. Funkcje magazynowania, transportu i dystrybucji paliwa mogą być dostosowane do maksymalnej wydajności. Stosowanie jednego paliwa zmniejsza prawdopodobieństwo wydania niewłaściwego paliwa. Wykorzystanie JP8 jako pojedynczego paliwa zwiększyło długoterminową stabilność przechowywania, poprawiło działanie pojazdu w niskich temperaturach, zmniejszyło zużycie elementów spalania silnika i zmniejszyło problemy związane z korozją układu paliwowego.
Najnowsza wersja dyrektywy DOD 4140.25, DOD Management Policy for Energy Commodities and Related Services, stanowi, że „… konieczne jest, aby pojazdy i sprzęt wsparcia bojowego i wsparcia usług bojowych były zdolne do otrzymywania wsparcia (tj. armatura, dysze, itp.), osiągania i utrzymywania akceptowalnych osiągów operacyjnych przy użyciu zarówno paliwa turbinowego na bazie nafty, jak i oleju napędowego w maksymalnym możliwym zakresie.”. Dyrektywy polityczne nie zawsze odpowiadają rzeczywistości, co ma miejsce w przypadku dużej liczby pojazdów i urządzeń zużywających olej napędowy, wyposażonych w pompy z rotacyjnym rozdziałem paliwa i wtryskiem.
Z pewnością znaczny wzrost wymagań konserwacyjnych, którego doświadczono w Afganistanie i Iraku, nadweręża indywidualne rozumienie wyrażenia „utrzymanie akceptowalnych osiągów operacyjnych”. Nie oznacza to, że doktryna SFC jest wadliwa, ale pewne zmiany są pilnie potrzebne.
Jak na ironię, projekt badań strategicznych ukończony w kwietniu 1996 roku w Army War College zidentyfikował pewne możliwe problemy z SFC i przedstawił kilka zaleceń. Dwa z bardziej znaczących zaleceń były-
– Pompy paliwowe na wszystkich nowych urządzeń musi być kompatybilny z JP8.
– Wszystkie przyszłe urządzenia wojskowe muszą być zaprojektowane do korzystania JP8 jako podstawowego źródła paliwa.
Oba te zalecenia są tak samo istotne dzisiaj, jak były w 1996.
DOD dyrektywa 4140.25 wymaga, że akceptowalne wyniki operacyjne mogą być osiągnięte z obu paliw turbinowych na bazie nafty i olejów napędowych. Jednakże, jeden rodzaj paliwa musi przeważać nad drugim, a ponieważ silniki o zapłonie samoczynnym są zasadniczo zaprojektowane i wyprodukowane do zużycia oleju napędowego, dominującym paliwem będzie oczywiście olej napędowy. Pompa paliwowa silnika musi być kompatybilna z JP8 we wszystkich warunkach eksploatacyjnych, nie tylko w środowiskach o temperaturach od niskich do umiarkowanych.
Z uwagi na dużą liczbę istniejących pojazdów i sprzętu, w których stosuje się smarowane paliwem pompy z rotacyjnym rozdziałem i wtryskiem paliwa, jednym z podejść byłoby uelastycznienie doktryny SFC poprzez wprowadzenie wymogu stosowania oleju napędowego, gdy systemy działają przez dłuższy czas w środowisku o wysokiej temperaturze. Zmiana ta w najmniejszym stopniu dotknęłaby Siły Powietrzne, ponieważ zazwyczaj operują one ze stałych miejsc, które są oddalone od bezpośrednich działań bojowych, a więc łatwiej jest wdrożyć dwa systemy dystrybucji i przechowywania paliwa. W większym stopniu dotknęłoby to Armię i Korpus Piechoty Morskiej, ponieważ wymagają one jednego systemu dystrybucji paliwa dla sprzętu naziemnego i drugiego dla śmigłowców, a oba systemy wymagają intensywnej ochrony i wsparcia. Innym, aczkolwiek bardziej skomplikowanym podejściem byłoby wymaganie zastąpienia pomp z rotacyjnym rozdziałem paliwa i wtryskiem na pompy mniej wrażliwe na lepkość i smarność paliwa, takie jak systemy common rail lub systemy dyszowe typu pump-line.
Nierozpoznanie i niepodjęcie działań w związku z problemami nierozerwalnie związanymi ze stosowaniem paliwa na bazie nafty w pompach wtryskowych z rotacyjnym rozdziałem paliwa będzie z czasem prowadzić jedynie do obniżenia gotowości operacyjnej i zwiększenia kosztów utrzymania. ALOG
Maurice E. Le Pera jest prezesem firmy Le Pera and Associates z Harrisonburga w stanie Wirginia. Jest absolwentem University of Delaware i ma za sobą 36 lat służby w administracji rządowej.
Autor pragnie podziękować Emilio S. Alfaro z Air Force Petroleum Office i Edwinowi C. Owensowi z Southwest Research Institute za pomoc w opracowaniu tego artykułu.
Dziękuję.