الوقود المفرط

الوقود فائق الاشتعال هو مزيج من الوقود الصاروخي يستخدم في محرك الصواريخ ، حيث تشتعل مكوناته تلقائيًا عند ملامستها لبعضها البعض.

يتكون مكونا الوقود عادة من وقود ومؤكسد . تتمثل المزايا الرئيسية للوقود فائق الاشتعال في أنه يمكن تخزينه على شكل سوائل في درجة حرارة الغرفة وأن المحركات التي تعمل به يسهل إشعالها بشكل موثوق ومتكرر. يصعب التعامل مع الوقود فائق الاشتعال الشائع بسبب سميته الشديدة أو قدرته على التآكل .

في الاستخدام المعاصر، عادةً ما تعني مصطلحا "هايبرغول" و"الدافع الفائق" التركيبة الأكثر شيوعًا للدافع: رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين بالإضافة إلى الهيدرازين . ^[1]

في عام 1935، اكتشف هلموت والتر أن هيدرات الهيدرازين شديدة الاشتعال مع بيروكسيد عالي الاختبار بنسبة 80-83٪. ربما كان أول من اكتشف هذه الظاهرة، وبدأ العمل على تطوير وقود. ساعد البروفيسور أوتو لوتز شركة والتر في تطوير C-Stoff الذي يحتوي على 30٪ هيدرات الهيدرازين، و 57٪ ميثانول ، و 13٪ ماء، ويشتعل تلقائيًا ببيروكسيد الهيدروجين عالي القوة . ^{[2] : 13} طورت شركة BMW محركات تحرق مزيجًا شديد الاشتعال من حمض النيتريك مع مجموعات مختلفة من الأمينات والزيليدينات والأنيلينات . [ ^3]

تم اكتشاف الوقود الزائد بشكل مستقل، للمرة الثانية، في الولايات المتحدة من قبل باحثي GALCIT والبحرية أنابوليس في عام 1940. لقد طوروا محركات تعمل بالأنيلين وحمض النيتريك الأحمر المدخن (RFNA). ^{[4] عمل} روبرت جودارد ورياكشن موتورز وكيرتس رايت على محركات الأنيلين / حمض النيتريك في أوائل الأربعينيات من القرن العشرين، للصواريخ الصغيرة والإقلاع بمساعدة الطائرات النفاثة ( JATO ). أسفر المشروع عن الإقلاع المساعد الناجح للعديد من قاذفات مارتن PBM و PBY، لكن المشروع لم يُعجب به بسبب الخصائص السامة لكل من الوقود والمؤكسد، بالإضافة إلى نقطة التجمد العالية للأنيلين. تم حل المشكلة الثانية في النهاية عن طريق إضافة كميات صغيرة من كحول الفورفوريل إلى الأنيلين. ^{[2] : 22-23}

في ألمانيا من منتصف ثلاثينيات القرن العشرين وحتى الحرب العالمية الثانية ، تم تصنيف الوقود الصاروخي على نطاق واسع على أنه مونيرغول ، وهايبرغول، وغير هايبرغول وليثرغول . والكلمة الأخيرة إرغول هي مزيج من الكلمة اليونانية إرغون أو العمل، والكلمة اللاتينية أوليوم أو الزيت، والتي تأثرت لاحقًا باللاحقة الكيميائية -ol من الكحول . ^{[ملاحظة 1]} كانت مونيرغول وقودًا أحاديًا ، بينما كانت غير هايبرغول وقودًا ثنائيًا يتطلب اشتعالًا خارجيًا، وكانت الليثرغول هجينة صلبة/سائلة. كانت الوقود هايبرغولي (أو على الأقل الاشتعال هايبرغولي) أقل عرضة للانطلاق الصعب من الاشتعال الكهربائي أو الألعاب النارية. صاغ الدكتور فولفجانج نوجيرات مصطلح "هايبرغول" في الجامعة التقنية في برونزويك ، ألمانيا. ^[5]

كانت المقاتلة الوحيدة التي تعمل بالصواريخ والتي تم نشرها على الإطلاق هي Messerschmitt Me 163 B Komet . كان لدى Komet محرك صاروخي HWK 109-509 يستهلك الميثانول / الهيدرازين كوقود وبيروكسيد الاختبار العالي T-Stoff كمؤكسد. تمتع محرك الصاروخ فائق السرعة بميزة الصعود السريع وتكتيكات الضرب السريع على حساب كونه متقلبًا للغاية وقادرًا على الانفجار بأي درجة من عدم الانتباه. كان من المفترض أن تستخدم مقاتلات الصواريخ القتالية الأخرى المقترحة مثل Heinkel Julia وطائرات الاستطلاع مثل DFS 228 سلسلة Walter 509 من محركات الصواريخ، ولكن إلى جانب Me 163، لم يتم اختبار الطيران إلا لمقاتلة Bachem Ba 349 Natter ذات الإطلاق العمودي القابلة للتصرف بنظام الدفع الصاروخي Walter كنظام دفع مستدام أساسي للطائرات ذات الأغراض العسكرية.

استخدمت الصواريخ الباليستية الأولى ، مثل الصاروخ السوفييتي R-7 الذي أطلق سبوتنيك 1 والصاروخين الأميركيين أطلس وتيتان -1 ، الكيروسين والأكسجين السائل . وعلى الرغم من تفضيلهما في قاذفات الفضاء، فإن صعوبات تخزين مادة مبردة مثل الأكسجين السائل في صاروخ كان لابد من إبقاؤه جاهزًا للإطلاق لشهور أو سنوات في كل مرة أدت إلى التحول إلى الدوافع شديدة الاشتعال في صاروخ تيتان 2 الأميركي وفي معظم الصواريخ الباليستية العابرة للقارات السوفييتية مثل R-36 . لكن صعوبات مثل هذه المواد المسببة للتآكل والسامة، بما في ذلك التسريبات المسببة للإصابة وانفجار صاروخ تيتان 2 في صومعته، ^[6] أدت إلى استبدالها عالميًا تقريبًا بمعززات الوقود الصلب ، أولاً في الصواريخ الباليستية الغربية التي تطلق من الغواصات ثم في الصواريخ الباليستية العابرة للقارات الأميركية والسوفييتية البرية. ^{[2] : 47}

استخدمت وحدة أبولو القمرية ، التي استُخدمت في هبوط المركبة على القمر ، وقودًا فائق الاشتعال في محركات الصواريخ الخاصة بالنزول والصعود. واستخدمت مركبة أبولو الفضائية نفس التركيبة لنظام الدفع الخدمي . واستخدمت تلك المركبات الفضائية ومكوك الفضاء (من بين مركبات أخرى) وقودًا فائق الاشتعال لأنظمة التحكم في التفاعل الخاصة بها .

يتجه الاتجاه بين وكالات إطلاق الفضاء الغربية بعيدًا عن محركات الصواريخ الضخمة نحو محركات الهيدروجين / الأكسجين أو الميثان / الأكسجين ومحركات RP-1 / الأكسجين لمزايا وعيوب مختلفة . تم إيقاف تشغيل Ariane 1 إلى 4، بمرحلتيها الأولى والثانية المفرطة الاشتعال (ومعززات مفرطة الاشتعال الاختيارية على Ariane 3 و 4) واستبدالها بـ Ariane 5، والتي تستخدم مرحلة أولى تعمل بالهيدروجين السائل والأكسجين السائل. كما تم إيقاف تشغيل Titan II و III و IV، بمرحلتيها الأولى والثانية المفرطة الاشتعال، لـ Atlas V (RP-1 / الأكسجين) و Delta IV (الهيدروجين / الأكسجين). لا تزال الدوافع المفرطة الاشتعال تستخدم في المراحل العليا، عندما تكون هناك حاجة إلى فترات احتراق متعددة، وفي أنظمة الهروب من الإطلاق .

عادةً ما تكون محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الفائق بسيطة وموثوقة لأنها لا تحتاج إلى نظام إشعال. على الرغم من أن المحركات الفائقية الأكبر حجمًا في بعض مركبات الإطلاق تستخدم مضخات توربينية ، إلا أن معظم المحركات الفائقية تعمل بالضغط. يتم تغذية الغاز، عادةً الهيليوم ، إلى خزانات الوقود تحت الضغط من خلال سلسلة من صمامات الفحص والأمان . تتدفق الوقود بدورها عبر صمامات التحكم إلى غرفة الاحتراق؛ هناك، يمنع اشتعالها الفوري خليطًا من الوقود غير المتفاعل من التراكم ثم الاشتعال في بداية صعبة كارثية محتملة .

نظرًا لأن الصواريخ شديدة الاشتعال لا تحتاج إلى نظام إشعال، فيمكنها إطلاق أي عدد من المرات ببساطة عن طريق فتح وإغلاق صمامات الوقود حتى يتم استنفاد الوقود وبالتالي فهي مناسبة بشكل فريد لمناورة المركبات الفضائية ومناسبة بشكل جيد، وإن لم يكن بشكل فريد، كمراحل علوية لقاذفات الفضاء مثل دلتا 2 وأريان 5 ، والتي يجب أن تؤدي أكثر من عملية احتراق واحدة. ومع ذلك، توجد محركات صاروخية غير شديدة الاشتعال قابلة لإعادة التشغيل، ولا سيما محرك RL-10 المبرد بالتبريد (الأكسجين / الهيدروجين) على Centaur و J-2 على Saturn V. يمكن أيضًا إعادة تشغيل محرك RP-1 / LOX Merlin على Falcon 9. ^[7]

الوقود المفرط الاشتعال الأكثر شيوعًا، الهيدرازين ، ومونوميثيل هيدرازين، وثنائي ميثيل هيدرازين غير متماثل ، والمؤكسد، رباعي أكسيد النيتروجين ، كلها سائلة في درجات الحرارة والضغوط العادية. لذلك يطلق عليها أحيانًا اسم الوقود السائل القابل للتخزين . وهي مناسبة للاستخدام في مهام المركبات الفضائية التي تستمر لسنوات عديدة. لقد حدت خاصية التبريد العميق للهيدروجين السائل والأكسجين السائل حتى الآن من استخدامها العملي في مركبات الإطلاق الفضائية حيث لا يلزم تخزينها إلا لفترة وجيزة. ^[8] نظرًا لأن أكبر مشكلة في استخدام الوقود المبرد في الفضاء بين الكواكب هي الغليان، والذي يعتمد إلى حد كبير على حجم المركبة الفضائية، فإن هذه المشكلة أقل أهمية بالنسبة للمركبات الأكبر مثل ستارشيب .

ميزة أخرى للوقود فائق الاشتعال هي كثافته العالية مقارنة بالوقود المبرد. تبلغ كثافة LOX 1.14 جم / مل، بينما من ناحية أخرى، فإن المؤكسدات مفرطة الاشتعال مثل حمض النيتريك أو رباعي أكسيد النيتروجين لها كثافة 1.55 جم / مل و 1.45 جم / مل على التوالي. يوفر وقود LH2 أداءً عاليًا للغاية، ومع ذلك فإن كثافته تبرر استخدامه فقط في أكبر مراحل الصواريخ، في حين أن مخاليط الهيدرازين و UDMH لها كثافة أعلى بعشر مرات على الأقل. ^[9] هذا له أهمية كبيرة في المسبارات الفضائية ، حيث تسمح كثافة الوقود الأعلى بتقليل حجم خزان الوقود بشكل كبير، مما يسمح بدوره للمسبار بالتناسب مع غطاء حمولة أصغر .

بالنسبة لكتلتها، تمتلك الوقودات الدافعة شديدة الاشتعال التقليدية قيمة حرارية أقل من مجموعات الوقود الدافعة المبردة مثل LH2 / LOX أو LCH4 / LOX . ^[10] لذلك، يجب أن تحمل مركبة الإطلاق التي تستخدم الوقود الدافع شديد الاشتعال كتلة وقود أكبر من تلك التي تستخدم هذه الوقود المبردة.

تتطلب قابلية التآكل والسمية والسرطان للمواد شديدة الانفجار التقليدية اتخاذ احتياطات أمان باهظة الثمن. ^{[11] [12] أدى الفشل} في اتباع إجراءات السلامة الكافية مع خليط الوقود UDMH-nitric acid الخطير للغاية الملقب بـ "سم الشيطان" ، على سبيل المثال ، إلى وقوع أخطر حادث صاروخي في التاريخ ، كارثة نيدلين . ^[13]

تشمل تركيبات الوقود المفرط الشائعة ما يلي: ^[14]

• أيروزين 50 + رباعي أكسيد النيتروجين (NTO) – يستخدم على نطاق واسع في الصواريخ الأمريكية التاريخية، بما في ذلك تيتان 2 ؛ وجميع المحركات في وحدة أبولو القمرية . أيروزين 50 عبارة عن خليط من 50% من يو دي إم إتش و50% من الهيدرازين المستقيم (N ₂ H ₄ ). ^{[2] : 45}
• مونوميثيل هيدرازين (MMH) + رباعي أكسيد النيتروجين (NTO) - محركات أصغر ومحركات دفع للتحكم في التفاعل: وحدة القيادة والخدمة أبولو RCS ، ^[15] مكوك الفضاء OMS و RCS ؛ ^[16] أريان 5 EPS؛ ^{[17] محركات الدفع} دراكو التي تستخدمها مركبة الفضاء سبيس إكس دراغون . ^[18]
• ثلاثي إيثيل البوران / ثلاثي إيثيل الألومنيوم (TEA-TEB) + الأكسجين السائل – يستخدم أثناء عملية اشتعال بعض محركات الصواريخ التي تستخدم الأكسجين السائل، والتي تستخدمها عائلة محركات ميرلين من سبيس إكس وروكيتداين إف-1 .
• ثنائي ميثيل هيدرازين غير متماثل (UDMH) + رباعي أكسيد النيتروجين (NTO) - يستخدمه بشكل متكرر روسكوزموس ، كما هو الحال في بروتون (عائلة الصواريخ) ، ويتم توريده من قبلهم إلى فرنسا للمرحلتين الأولى والثانية من صاروخ أريان 1 (تم استبداله بـ UH 25 )؛ صواريخ ISRO تستخدم محرك فيكاس . ^[19]

تشمل الدوافع فائقة الاشتعال الأقل شيوعًا أو القديمة ما يلي:

• أنيلين + حمض النيتريك (غير مستقر، متفجر)، يستخدم في WAC Corporal ^[20]
• أنيلين + بيروكسيد الهيدروجين (حساس للغبار، متفجر)
• كحول الفورفوريل + IRFNA (أو حمض النيتريك المدخن الأحمر ) – محرك SPECTRA لمدارات كوبنهاجن الفرعية ^{[21] [2] : 27}
• كحول الفورفوريل + WFNA (أو حمض النيتريك المدخن الأبيض ) ^{[2] : 27}
• الهيدرازين + حمض النيتريك (سام ولكنه مستقر)، تم التخلي عنه بسبب عدم وجود اشتعال موثوق به. لم يتم إنتاج أي محرك بهذا المزيج على نطاق واسع. ^[22]
• الكيروسين + ( بيروكسيد عالي الاختبار + محفز) – جاما ، حيث يتحلل البيروكسيد أولاً بواسطة محفز. بيروكسيد الهيدروجين البارد والكيروسين ليسا مفرطي الاشتعال، لكن بيروكسيد الهيدروجين المركز (يشار إليه باسم بيروكسيد عالي الاختبار أو HTP) الذي يمر فوق محفز ينتج أكسجين حر وبخار عند أكثر من 700 درجة مئوية (1300 درجة فهرنهايت) وهو مفرط الاشتعال مع الكيروسين. ^[23]
• تونكا (TG-02، حوالي 50% من ثلاثي إيثيل أمين و50% من زيليدين ) مؤكسد عادةً بحمض النيتريك أو مشتقاته من أكسيد النيتريك اللامائي (مجموعة AK-2x في الاتحاد السوفييتي) على سبيل المثال AK-20F (80% HNO3 _{و 20} % N2O4 مع _مثبط ) . [ ^{2] : 14-15، 116}
• T-Stoff (مستقر >80% بيروكسيد) + C-Stoff (ميثانول، هيدرازين، ماء، محفز) – طائرة مقاتلة صاروخية ألمانية من طراز Messerschmitt Me 163 في الحرب العالمية الثانية، لمحركها Walter 109-509A . ^{[2] : 13}
• زيت التربنتين + IRFNA (تم الطيران به في المرحلة الأولى من Diamant A الفرنسية) ^[24]
• UDMH + IRFNA – نظام صواريخ MGM-52 Lance ، ^{[25] المرحلتان العلويتان} Agena و Able ، محركات المناورة التي بناها إيساييف. ^[26]

• ثلاثي فلوريد الكلور (ClF ₃ ) + جميع أنواع الوقود المعروفة - يُعتبر لفترة وجيزة مؤكسدًا نظرًا لارتفاع فرط الاشتعال به مع جميع أنواع الوقود القياسية، ولكن تم التخلي عنه في النهاية في السبعينيات بسبب صعوبة التعامل مع المادة بأمان. من المعروف أن ثلاثي فلوريد الكلور يحرق الخرسانة والحصى. ^{[2] : 74} يُقدم خماسي فلوريد الكلور (ClF ₅ ) نفس المخاطر، ولكنه يوفر نبضًا محددًا أعلى من ClF ₃ .
• خماسي البوران (9) وثنائي البوران + رباعي أكسيد النيتروجين - خماسي البوران (9) ، وهو ما يسمى بالوقود المضغوط ، قام عالم الصواريخ السوفييتي في بي جلوشكو بدراسة استخدامه مع رباعي أكسيد النيتروجين في محرك الصاروخ RD-270M . كان من شأن هذا المزيج من الوقود أن يؤدي إلى زيادة كبيرة في الأداء، ولكن تم التخلي عنه في النهاية بسبب مخاوف السمية. ^[27]
• رباعي ميثيل إيثيلين ديامين + IRFNA – بديل أقل سمية إلى حد ما من الهيدرازين ومشتقاته.

تُستخدم المواد القابلة للاشتعال تلقائيًا ، والتي تشتعل تلقائيًا في وجود الهواء، أحيانًا أيضًا كوقود للصواريخ أو لإشعال أنواع أخرى من الوقود. على سبيل المثال، تم استخدام خليط من ثلاثي إيثيل البوران وثلاثي إيثيل الألومنيوم (وهما كلاهما قابلان للاشتعال بشكل منفصل، بل وأكثر من ذلك معًا)، لبدء تشغيل المحرك في طائرة SR-71 Blackbird وفي محركات F-1 على صاروخ Saturn V ، ويُستخدم في محركات Merlin على صواريخ SpaceX Falcon 9 .

الاستشهادات

فهرس

• "التفاعلات المفرطة". الجدول الدوري للفيديوهات . جامعة نوتنغهام . 2009.