وقود أحادي الدفع

الوقود الأحادي ^{[ 1 ]} هو وقود يتكون من مواد كيميائية تُطلق الطاقة من خلال التحلل الكيميائي الطارد للحرارة. تُطلق طاقة الرابطة الجزيئية للوقود الأحادي عادةً باستخدام عامل حفاز. وهذا يختلف عن الوقود الثنائي الذي يُطلق الطاقة من خلال التفاعل الكيميائي بين عامل مؤكسد ووقود. على الرغم من استقرار الوقود الأحادي في ظل ظروف تخزين محددة، إلا أنه يتحلل بسرعة كبيرة في ظل ظروف أخرى معينة لإنتاج كمية كبيرة من غازاته النشطة (الساخنة) اللازمة لأداء العمل الميكانيكي . مع أن المواد الصلبة القابلة للاشتعال، مثل النيتروسليلوز ، وهو أكثر أنواع الوقود استخدامًا في الأسلحة النارية، يمكن اعتبارها وقودًا أحاديًا، إلا أن هذا المصطلح يُستخدم عادةً للسوائل في الأدبيات الهندسية. ^{[ 2 ]}

يُستخدم الوقود الأحادي بشكل شائع ^{[ 3 ]} في محركات الصواريخ أحادية الوقود ذات الدفع المنخفض ^{[ 4 ]} ، مثل محركات الدفع ذات التحكم التفاعلي ، حيث يكون الوقود المستخدم عادةً هو الهيدرازين ^{[ 5 ] [ 6 ]} الذي يتحلل عادةً بتعريضه لطبقة من محفز الإيريديوم ^{[ 7 ] [ 8 ]} (يتم تسخين الهيدرازين مسبقًا للحفاظ على سيولته). ينتج عن هذا التحلل تيار الغاز الساخن المطلوب، وبالتالي قوة الدفع . وقد استُخدم بيروكسيد الهيدروجين ^{[ 9 ]} كمصدر طاقة لمضخات خزانات الوقود في صواريخ مثل صاروخ V-2 الألماني في الحرب العالمية الثانية وصاروخ ريدستون الأمريكي ^{[ 10 ]} . يُمرر بيروكسيد الهيدروجين عبر شبكة محفزة من البلاتين ^{[ 9 ]} ، أو يتلامس مع خرزات سيراميكية مشبعة بثاني أكسيد المنغنيز ، أو يُحقن محلول برمنجنات Z-Stoff بالتزامن معه، مما يؤدي إلى تحلل بيروكسيد الهيدروجين إلى بخار ساخن وأكسجين.

تُستخدم المواد أحادية الدفع أيضًا في بعض أنظمة الدفع المستقلة عن الهواء (AIP) لتزويد المحركات الترددية أو التوربينية بالوقود في البيئات التي تفتقر إلى الأكسجين الحر. وتندرج الأسلحة المصممة أساسًا للقتال بين الغواصات التي تعمل بالطاقة النووية ضمن هذه الفئة. وأكثر المواد استخدامًا في هذه الحالة هو ثنائي نترات البروبيلين جليكول المُثبَّت ( PGDN )، والذي يُشار إليه غالبًا باسم " وقود أوتو ". ومن الاستخدامات المستقبلية المحتملة للمواد أحادية الدفع، والتي لا ترتبط مباشرةً بالدفع، محطات توليد الطاقة المدمجة عالية الكثافة للبيئات المائية أو خارج الغلاف الجوي.

بُذلت جهودٌ حثيثة في الولايات المتحدة خلال خمسينيات وستينيات القرن الماضي في محاولةٍ لإيجاد وقودٍ أحاديّ أفضل وأكثر طاقة. وخلص معظم الباحثين إلى أن أي مادةٍ منفردة تحتوي على طاقةٍ كافية لمنافسة الوقود الثنائي ستكون غير مستقرةٍ للغاية بحيث يصعب التعامل معها بأمانٍ في الظروف العملية. ومع ظهور مواد جديدة، وأنظمة تحكم متطورة، ومتطلباتٍ متزايدة للمحركات عالية الأداء، يُعيد المهندسون حاليًا النظر في هذا الافتراض.

تُعدّ العديد من إسترات الكحول المُنيترة جزئيًا مناسبة للاستخدام كوقود أحادي الدفع. يُعتبر "ثنائي نترات ثلاثي ميثيلين جليكول" أو ثنائي نترات 1،3-بروبانيديول متماثلًا مع PGDN ، ويُنتج كمنتج ثانوي جزئي في جميع الظروف المختبرية باستثناء الظروف الأكثر دقة؛ ويُشير انخفاض الكثافة النوعية (وبالتالي كثافة الطاقة ) لهذا المركب بشكل طفيف إلى عدم استخدامه، ولكن قد تُثبت الاختلافات الطفيفة في التركيب الكيميائي فائدتها في المستقبل.

استُخدم مركب "ثنائي نترو ثنائي جليكول"، والذي يُطلق عليه بشكل أدق اسم ثنائي نترات ثنائي إيثيلين جليكول في التسمية الحديثة، على نطاق واسع في ألمانيا خلال الحرب العالمية الثانية، سواءً بمفرده كوقود سائل أحادي الدفع أو غروانيًا مع نيتروسليلوز كوقود صلب. وعلى الرغم من الخصائص المرغوبة لهذا المركب - فهو مستقر للغاية، وسهل التصنيع، ويتمتع بكثافة طاقة عالية جدًا - إلا أن ارتفاع درجة تجمده (-11.5 درجة مئوية) وتمدده الحراري الملحوظ، وهما عاملان يُشكلان مشكلة في المركبات الفضائية. ويُعدّ كل من "ثنائي نترو كلوروهيدرين" و"رباعي نترو ثنائي جليسرين" من المرشحين المحتملين أيضًا، على الرغم من عدم وجود استخدامات معروفة لهما حاليًا. وتكون متعددات نترات الهيدروكربونات العطرية والطويلة السلسلة مواد صلبة في درجة حرارة الغرفة، ولكن العديد منها قابل للذوبان في الكحولات أو الإيثرات البسيطة بنسب عالية، وقد يكون مفيدًا في هذه الحالة.

^{يُعدّ كلٌّ} من الهيدرازين [ ^{6 ] [ 11 ]} ، وأكسيد الإيثيلين ^{[ 12 ]} ، وبيروكسيد الهيدروجين (وخاصةً في صورته الألمانية المستخدمة خلال الحرب العالمية الثانية تحت اسم T-Stoff ) ^{[ 13 ]} ، والنيتروميثان ^{[ 14 ]} من أنواع الوقود الأحادي الشائعة في الصواريخ. وكما ذُكر ، فإنّ الدفع النوعي للوقود الأحادي أقل ^{[ 3 ] [ 15 ]} من الدفع النوعي للوقود الثنائي، ويمكن حسابه باستخدام أداة حساب الدفع النوعي للتوازن الكيميائي التابعة للقوات الجوية الأمريكية. ^{[ 16 ]}

يُعد أكسيد النيتروز أحد أنواع الوقود الأحادي الحديثة قيد التطوير ، سواءً كان نقيًا أو على شكل مزيج من وقود أكسيد النيتروز . يتميز أكسيد النيتروز بميزة الضغط الذاتي وانخفاض سميته نسبيًا، مع دافع نوعي متوسط ​​بين بيروكسيد الهيدروجين والهيدرازين. ^{[ 17 ]} يُنتج أكسيد النيتروز الأكسجين عند تحلله، ويمكن مزجه مع أنواع الوقود الأخرى لتكوين مزيج وقود أحادي بدافع نوعي يصل إلى 325  ثانية، وهو ما يُضاهي الوقود الثنائي عالي الاشتعال . ^{[ 18 ]} في عام 2018، تم ابتكار محفز جديد من المعادن النفيسة لاستخدامه مع أكسيد النيتروز - وهو أكسيد الروديوم على كرات الألومينا - والذي يتميز بثباته العالي عند درجات الحرارة المرتفعة مقارنةً بالروديوم أو الإيريديوم النقيين. ^{[ 19 ]}

تُظهر المقارنة المباشرة للخصائص الفيزيائية والأداء والتكلفة وقابلية التخزين والسمية ومتطلبات التخزين وإجراءات التعامل مع حالات التسرب العرضي لبيروكسيد الهيدروجين ونترات هيدروكسيل الأمونيوم (HAN) والهيدرازين ومختلف أنواع الوقود الأحادي الغازي البارد أن الهيدرازين هو الأعلى أداءً من حيث الدفع النوعي. ومع ذلك، يُعد الهيدرازين أيضًا الأغلى والأكثر سمية. بالإضافة إلى ذلك، يتميز كل من نترات هيدروكسيل الأمونيوم وبيروكسيد الهيدروجين بأعلى كثافة دفع (إجمالي الدفع لكل وحدة حجم معينة). ^{[ 20 ]}

• صاروخ أحادي الوقود
• مزيج وقود أكسيد النيتروز
• مهمة حقن الوقود الأخضر

• ساتون، جورج ب. (1992) [1949]. عناصر دفع الصواريخ (  الطبعة السادسة). نيويورك: جون وايلي وأولاده. ISBN 0-471-52938-9.
• يحتوي كتاب السيرة الذاتية لكلارك، جون دروري (23 مايو 2018)، بعنوان "الاشتعال!: تاريخ غير رسمي لوقود الصواريخ السائل "، الصادر عن مطبعة جامعة روتجرز، صفحة 302، على فصل كامل يتناول تاريخ تطوير الوقود أحادي الدفع. (ISBN)  978-0-8135-9918-2. OCLC 281664 . 
• كتاب "الأسلحة السرية لألمانيا في الحرب العالمية الثانية" للمؤلف روجر فورد ( ISBN) 0-7603-0847-0يحتوي (حوالي عام 2000) على بعض المعلومات المفيدة حول التنوع المذهل للوقود والمواد الدافعة التي استخدمتها ألمانيا في زمن الحرب.
• يُعد كتاب " كيمياء البارود والمتفجرات " لتيني ل. ديفيس مصدرًا ممتازًا، وإن كان قديمًا، للمعلومات حول العديد من جوانب المركبات ذات المحتوى الحراري العالي. (نُشر هذا العمل في الأصل من قِبل مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عام 1943 ككتاب دراسي. وأُعيد نشره بدعم مالي في وقت متأخر من عام 1995 من قِبل شركة بايروتك، وهي شركة لتوريد مستلزمات هواة الصواريخ. لا توجد بيانات فهرسة في هذه الطبعة. حالة النشر الحالية غير معروفة).
• ورقة بحثية لمؤتمر عام 1999 حول الاستخدامات التاريخية لبيروكسيد الهيدروجين المستخدم في صناعة الصواريخ، بما في ذلك تطبيقات الوقود الأحادي.
• شميدت، إيكارت دبليو. (2023). موسوعة المواد أحادية الدفع (  الطبعة الأولى). برلين/بوسطن: دي جرويتر. ISBN 978-3-11-075127-7. إل سي سي إن 2023930404 . 
• نصير، أحمد إي إس؛ سيرفوني، أنجيلو؛ باسيني، أنجيلو (15 يناير 2021). "مراجعة لأحدث أنواع الوقود الأحادي الأخضر: لمحللي ومصممي أنظمة الدفع" . مجلة الفضاء الجوي . 8 (1) 20. Bibcode : 2021Aeros...8...20N . doi : 10.3390/aerospace8010020 . hdl : 11572/393891 . ISSN 2226-4310 .