Pourquoi les avions utilisent-ils du kérosène (carburant d’avion) ?

Aujourd’hui, nous tenons pour acquis que les avions à réaction brûlent du kérosène. Mais aux débuts de l’aviation, les avions fonctionnaient avec la même essence que votre voiture. Pourquoi le menu a-t-il changé si complètement ? Cette histoire n'est pas seulement une histoire de technologie des carburants-c'est une saga de compromis en matière de sécurité, de performances et d'ingénierie-.

Partie 1 : L'ère du piston (1903-1940) – Le bref règne de l'essence
Le premier vol des frères Wright utilisait de l'essence. Les premiers avions utilisaient tous des moteurs à pistons, semblables aux moteurs de voiture, l'essence était donc le choix naturel.

Des problèmes sont vite apparus :

Cognement du moteur (détonation) : pour augmenter la puissance, les pilotes avaient besoin de taux de compression plus élevés, mais l'essence ordinaire s'enflammait et explosait automatiquement. Cela pourrait réduire la puissance ou même briser les cylindres.

Haute volatilité : L’essence s’évapore facilement à température ambiante, créant des vapeurs inflammables. Pendant la Première et la Seconde Guerre mondiale, de nombreux avions ont pris feu ou ont explosé au sol pendant le ravitaillement en carburant à cause d'étincelles statiques.

Givrage du carburateur en altitude : La vapeur d'eau présente dans l'air d'admission gèlerait dans le carburateur à haute altitude, bloquant ainsi le moteur. Les premiers pilotes devaient parfois verser manuellement de l'antigel dans le carburateur.

Dans les années 1930, une solution fut trouvée : l’essence d’aviation, également connue sous le nom d’Avgas. En ajoutant un produit chimique appelé plomb tétraéthyle au carburant, l'indice d'octane a été augmenté de 40 à 100/130, voire plus. Ce nouveau carburant, Avgas, a été utilisé pour alimenter certains des avions les plus emblématiques de la Seconde Guerre mondiale, notamment le chasseur P-51 Mustang et le bombardier B-29 Superfortress. Cependant, au fil du temps, les effets toxiques du plomb sont devenus une préoccupation majeure et les limites des indices d'octane ont été atteintes, incitant les ingénieurs à rechercher des solutions alternatives.

Partie 2 : La révolution des avions à réaction (années 1940) – L’essence est condamnée
Le moteur à réaction est né dans les années 1940 (He 178 en Allemagne, Gloster E.28/39 en Grande-Bretagne). Sa chambre de combustion nécessitait un carburant capable de :

Être injecté à haute pression et brûler de manière stable.

Il peut s'écouler facilement même lorsqu'il fait très très froid - nous parlons de -50 degrés ou -58 degrés F, ce qui est le genre de température que vous ressentiriez lorsque vous êtes à l'altitude de croisière.

Lubrifiez le piston de la pompe à carburant haute-pression.

L'essence a échoué aux trois tests.

Exigence relative aux moteurs à réaction à essence de propriété
Point d'éclair ~ -43 degrés (-45 degrés F) - Extrêmement inflammable > 38 degrés (100 degrés F) pour plus de sécurité
Le débit à basse température- se solidifie autour de -40 degrés (-40 degrés F). Doit s'écouler en dessous de -50 degrés (-58 degrés F).
Lubrification Très médiocre (sec) Nécessite un peu de lubrification pour la pompe à carburant
Le carburant diesel n’était pas non plus considéré comme une bonne option. L'une des raisons est qu'il est très épais et ne se décompose pas facilement, ce qui le rend difficile à utiliser dans les moteurs. De plus, lorsqu'il fait froid, le carburant diesel devient encore plus épais et s'écoule lentement, un peu comme du miel. Et pour aggraver les choses, cela peut laisser des dépôts de carbone dégoûtants qui peuvent endommager le moteur au fil du temps.

Les ingénieurs ont porté leur attention sur le kérosène, qui est souvent considéré comme le juste milieu - ni trop léger comme l'essence, ni trop lourd comme le diesel.

Partie 3 : Le triomphe du kérosène (années 1950-1960) – Établir la norme
La Grande-Bretagne a ouvert la voie : à la fin des années 1940, de Havilland a développé un kérosène de haute pureté pour l'avion de ligne "Comet", en le nommant Avtur (Aviation Turbine Fuel). Lorsque la Comet a volé pour la première fois en 1952, elle brûlait du kérosène.

Les États-Unis ont procédé par essais et erreurs pour trouver le bon carburant. Au début, l'US Air Force utilisait un carburant « à coupe large » appelé JP-1, qui était similaire à l'essence lourde. Cependant, ce carburant a causé de nombreux problèmes, notamment des dépôts de cokéfaction et de fréquents risques d'incendie dus à des fuites. Plus tard, pendant la guerre de Corée, le jet F-86 Sabre utilisait du JP-4, un mélange d'essence et de kérosène. Même si le JP-4 était moins susceptible de geler, il était hautement inflammable, ce qui a entraîné de nombreux accidents au sol.

La solution finale :

Militaire : JP-8 (adopté à partir des années 1970) – essentiellement du kérosène avec de petites quantités d'additifs anti-antistatiques et antigivrants.

Pour les avions, il existe deux principaux types de carburant : le Jet A et le Jet A-1. Le Jet A est utilisé aux États-Unis et a un point de congélation élevé, tandis que le Jet A-1 est utilisé dans d'autres pays et peut supporter des températures très froides, aussi basses que -47 degrés ou -53 degrés F. Au fil du temps, ces deux types de carburant sont devenus la norme dans le monde entier.

Nous consommons une énorme quantité de carburéacteur chaque année : - environ 300 milliards de litres. Et comprenez ceci, presque tous les avions à réaction, soit 99 %, fonctionnent avec des carburants à base de kérosène.

Partie 4 : Pourquoi le kérosène a gagné – Un examen technique
Lorsque le point d'éclair d'un carburant est élevé, supérieur à 38 degrés ou 100 degrés F, cela signifie qu'il ne peut pas s'enflammer à cause d'une flamme nue lorsqu'il est à température ambiante. C'est très important car cela réduit les risques d'incendie lors de la manipulation de carburant au sol ou en cas de fuite lors d'un vol.

Point de congélation bas (< -47°C / -53°F): Remains fluid at typical intercontinental cruise altitudes (around -50°C / -58°F).

Stabilité thermique : ne se décompose pas facilement et ne forme pas de dépôts de carbone dans les échangeurs thermiques de carburant-huile (fonctionnant au-dessus de 150 degrés/302 degrés F), ce qui pourrait obstruer les injecteurs de carburant de précision.

Densité énergétique favorable : a une densité énergétique volumétrique environ 12 % plus élevée que celle de l'essence, ce qui se traduit par une autonomie plus longue.

Lubrification appropriée : fournit juste assez de lubrification pour les pistons de pompe à carburant à haute-pression (bien que le kérosène moderne à très-faible-soufre nécessite parfois des améliorants de pouvoir lubrifiant supplémentaires).

Partie 5 : L’avenir – Combien de temps encore le kérosène dominera-t-il ?
Challenger 1 : Carburant d’aviation durable (SAF)
Le carburant d'aviation durable, ou SAF, est créé à partir d'éléments tels que les huiles usées, les déchets des villes ou les restes des fermes. Il est très similaire au kérosène que nous obtenons à partir des fossiles, nous pouvons donc le mélanger avec ce carburant dès maintenant - à hauteur de moitié-moitié. Le grand projet est de n’avoir aucune émission de carbone d’ici 2050.

Challenger 2 : Hydrogène liquide (LH₂)
Airbus prévoit d'introduire des avions de ligne-propulsés à l'hydrogène d'ici 2035. L'hydrogène n'émet aucune émission de carbone et présente une densité d'énergie gravimétrique très élevée. Cependant, sa densité volumétrique est extrêmement faible, ce qui nécessite de grands et lourds réservoirs cryogéniques. Des défis tels que la fragilisation par l’hydrogène et les risques d’explosion subsistent.

Challenger 3 : Batterie-Électrique
Réalisable uniquement pour les petits avions régionaux volant à moins de 500 km (310 miles). La densité énergétique de la batterie est environ 50 fois inférieure à celle du kérosène, ce qui la rend impossible pour les gros jets long-courriers-.

Pendant encore longtemps, probablement jusqu’en 2050, les gros avions utiliseront encore du kérosène ou un carburant similaire fabriqué en laboratoire. Ce type de carburant existe depuis un certain temps, mais il est vraiment efficace dans ce qu'il fait et il est difficile de trouver quelque chose de mieux. C'est comme le langage standard du vol, ancien mais toujours le meilleur choix.

Épilogue : un détail révélateur
Frank Whittle, un ingénieur britannique, a breveté le moteur à réaction en 1930. Il a d'abord utilisé de l'essence dans ses bancs d'essai, mais cela n'a pas fonctionné comme prévu. Le moteur vibrerait violemment et les flammes seraient brûlées. Frustré, Whittle a décidé d'essayer le kérosène - et cela a changé la donne-. Le moteur a immédiatement démarré sans problème. Dès lors, il est devenu clair que l’essence n’était pas le meilleur choix pour les gros avions. C'était tout simplement trop volatile, trop rapide et trop dangereux. En revanche, le kérosène s’est révélé être un partenaire fiable pour voler. Son rythme lent et régulier en faisait la solution idéale pour le ciel.