صاروخ أحادي الوقود

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. Find sources: "Monopropellant rocket" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (August 2011) (Learn how and when to remove this message)

الصاروخ أحادي الوقود (أو " الصاروخ أحادي الكيمياء ") هو صاروخ يستخدم مادة كيميائية واحدة كوقود له . ^[1] تُستخدم الصواريخ أحادية الوقود عادةً كصواريخ صغيرة للتحكم في الاتجاه والمسار في الأقمار الصناعية والمراحل العليا للصواريخ والمركبات الفضائية المأهولة والطائرات الفضائية. [ ^2]

تعتمد أبسط الصواريخ أحادية الوقود على التحلل الكيميائي للوقود القابل للتخزين بعد تمريره فوق فراش المحفز. ^[3] تأتي قوة الدافع من الغاز عالي الضغط الناتج أثناء تفاعل التحلل الذي يسمح لفوهة الصاروخ بتسريع الغاز لإنشاء الدفع.

الوقود الأحادي الأكثر استخدامًا هو الهيدرازين ( N ₂ H ₄ أو H ₂ N−NH ₂ )، وهو مركب غير مستقر في وجود محفز وهو أيضًا عامل اختزال قوي . المحفز الأكثر شيوعًا هو أكسيد الألومنيوم الحبيبي (أكسيد الألومنيوم، Al ₂ O ₃ ) المغلف بالإيريديوم . تكون هذه الحبيبات المطلية عادةً تحت العلامات التجارية Aerojet S-405 (التي صنعتها سابقًا شركة Shell ) ^[4] أو WC Heraeus H-KC 12 GA (التي صنعتها سابقًا شركة Kali Chemie). ^[5] لا يوجد مشعل به هيدرازين. Aerojet S-405 هو محفز تلقائي، أي أن الهيدرازين يتحلل عند ملامسته للمحفز. التحلل طارد للحرارة بدرجة عالية وينتج غازًا بدرجة حرارة 1000 درجة مئوية (1830 درجة فهرنهايت) وهو عبارة عن خليط من النيتروجين والهيدروجين والأمونيا . العامل المحدد الرئيسي للصاروخ أحادي الدفع هو عمره الافتراضي، والذي يعتمد بشكل أساسي على عمر المحفز. قد يتعرض المحفز للتسمم الحفزي والتآكل الحفزي مما يؤدي إلى فشل المحفز. هناك نوع آخر من الوقود الأحادي وهو بيروكسيد الهيدروجين ، والذي عند تنقيته إلى تركيز 90٪ أو أعلى، يتحلل ذاتيًا في درجات حرارة عالية أو عند وجود محفز.

تتكون معظم أنظمة الصواريخ أحادية الدفع التي تعمل بالتفاعل الكيميائي من خزان وقود ، وهو عادةً عبارة عن كرة من التيتانيوم أو الألومنيوم ، مع حاوية مطاطية من الإيثيلين والبروبيلين أو جهاز إدارة الدفع بالتوتر السطحي مملوء بالوقود. ثم يتم ضغط الخزان بالهيليوم أو النيتروجين ، مما يدفع الوقود إلى المحركات. ويمتد أنبوب من الخزان إلى صمام قفاز ، ثم إلى غرفة التحلل في محرك الصاروخ. وعادةً ما يكون للقمر الصناعي محرك واحد، بل من محركين إلى اثني عشر محركًا، ولكل منها صمام خاص به.

غالبًا ما تكون محركات الصواريخ التي تتحكم في الاتجاه للأقمار الصناعية والمسبارات الفضائية صغيرة جدًا، يبلغ قطرها 25 مم (0.98 بوصة) أو نحو ذلك ، ويتم تركيبها في مجموعات تشير إلى أربعة اتجاهات (داخل المستوى).

يتم إطلاق الصاروخ عندما يرسل الكمبيوتر تيارًا مستمرًا عبر مغناطيس كهربائي صغير يفتح صمام القفاز. غالبًا ما يكون الإطلاق قصيرًا جدًا، بضعة مللي ثانية ، وإذا تم تشغيله في الهواء، فسيصدر صوتًا مثل حصاة تم إلقاؤها على سلة قمامة معدنية؛ وإذا استمر لفترة طويلة، فسيصدر صوت هسهسة حادة.

إن الوقود الأحادي الناتج عن التفاعل الكيميائي ليس بنفس كفاءة بعض تقنيات الدفع الأخرى. يختار المهندسون أنظمة الوقود الأحادي عندما تكون الحاجة إلى البساطة والموثوقية أكبر من الحاجة إلى نبضات عالية التوصيل. إذا كان لزامًا على نظام الدفع أن ينتج كميات كبيرة من الدفع، أو أن يكون لديه نبضة نوعية عالية ، كما هو الحال في المحرك الرئيسي للمركبة الفضائية بين الكواكب، يتم استخدام تقنيات أخرى.

اقترح مفهوم لتوفير مستودعات وقود في مدار أرضي منخفض يمكن استخدامها كمحطات توقف للمركبات الفضائية الأخرى للتوقف والتزود بالوقود في طريقها إلى مهام أبعد من مدار أرضي منخفض أن الهيدروجين الغازي المهدر - وهو منتج ثانوي لا مفر منه لتخزين الهيدروجين السائل طويل الأمد في بيئة الحرارة الإشعاعية في الفضاء - يمكن استخدامه كوقود أحادي في نظام دفع حراري شمسي . سيتم استخدام الهيدروجين المهدر بشكل منتج لكل من الحفاظ على المحطة المدارية والتحكم في الموقف، بالإضافة إلى توفير وقود ودفع محدودين لاستخدامهما في المناورات المدارية للالتقاء بشكل أفضل بالمركبات الفضائية الأخرى التي ستكون في طريقها لتلقي الوقود من المستودع. ^[6]

كما تشكل المحركات الدافعة أحادية الدفع بالطاقة الشمسية الحرارية جزءًا لا يتجزأ من تصميم صاروخ المرحلة العلوية المبرد من الجيل التالي الذي اقترحته شركة United Launch Alliance (ULA) الأمريكية. تهدف المرحلة المتقدمة المشتركة المتطورة (ACES) إلى أن تكون مرحلة علوية أقل تكلفة وأكثر قدرة ومرونة من شأنها أن تكمل، وربما تحل محل، مركبات المرحلة العلوية الحالية ULA Centaur وULA Delta Cryogenic Second Stage (DCSS). يعمل خيار سوائل المركبات المتكاملة ACES على التخلص من كل الهيدرازين والهيليوم من المركبة الفضائية - والتي تُستخدم عادةً للتحكم في الاتجاه والحفاظ على المحطة - وتعتمد بدلاً من ذلك على المحركات الدافعة أحادية الدفع بالطاقة الشمسية الحرارية التي تستخدم الهيدروجين المهدر. [ ^7]

بدأ المصممون السوفييت في إجراء التجارب على الصواريخ أحادية الوقود منذ عام 1933. ^[8] كانوا يعتقدون أن خلطاتهم أحادية الوقود من رباعي أكسيد النيتروجين مع البنزين أو التولوين والكيروسين ستؤدي إلى نظام أبسط بشكل عام؛ ومع ذلك، واجهوا مشاكل مع الانفجارات العنيفة مع الوقود المختلط مسبقًا والمؤكسد الذي يعمل كوقود أحادي مما دفع المصممين إلى التخلي عن هذا النهج. ^[8]

كان هيلموت والتر مهندسًا ألمانيًا ورائدًا مبكرًا في الصواريخ أحادية الوقود باستخدام بيروكسيد الهيدروجين كوقود. ^[9] على الرغم من أن عمله الأولي كان على الدفع بالغواصات، إلا أن نفس نفاثات الأكسجين الناتجة عن الاحتراق في توربينات الغاز يمكن توجيهها عبر فوهة لتوليد الدفع. ^[9] تم استخدام الصاروخ الذي طوره والتر في طائرة المقاتلة الألمانية ME-163 في عام 1944، وهي أول طائرة تكسر سرعة 1000 كم / ساعة (635 ميلاً في الساعة). ^[9]  

بعد الحرب العالمية الثانية، استمر البريطانيون في إجراء التجارب على الوقود الأحادي بيروكسيد الهيدروجين. ^[9] وقد طوروا صاروخ دي هافيلاند سبرايت، وهو صاروخ بيروكسيد الهيدروجين الذي يمكنه إنتاج 5000 رطل من الدفع على مدار 16 ثانية. لم يكن الصاروخ مخصصًا لرحلات الفضاء، بل كان سيوفر قدرة إقلاع عالية وساخنة لطائرة دي هافيلاند كوميت 1، أول طائرة ركاب تجارية. ^[9]

في الولايات المتحدة، عندما بدأت وكالة ناسا في دراسة الوقود الأحادي في مختبر الدفع النفاث (JPL)، كانت خصائص الوقود الموجودة تتطلب أن تكون الدوافع كبيرة بشكل غير عملي. ^[10] أدى إضافة محفز ووقود تسخين مسبق إلى جعلها أكثر كفاءة، لكنه أثار مخاوف بشأن سلامة ومعالجة الوقود الخطير مثل الهيدرازين اللامائي . ^[10] ومع ذلك، فإن بساطة الدوافع المصممة حول الوقود الأحادي المبكر قدمت العديد من التبسيطات وتم اختبارها لأول مرة في عام 1959 في مهمة Able-4 . ^[11] سمح هذا الاختبار لمهمتي Ranger و Mariner باستخدام دافع مماثل لمناورات التصحيح ^[11] وفي الإدخال المداري لـ Telstar ، الذي يعتبره المتحف الوطني للطيران والفضاء أهم قمر صناعي للاتصالات في بداية سباق الفضاء. ^[12]

في عام 1964، بدأت وكالة ناسا استخدام مركبة أبحاث الهبوط على القمر لتدريب رواد فضاء أبولو على قيادة وحدة الرحلة القمرية (LEM) باستخدام نظام التحكم في الاتجاه الذي يتكون من 16 محركًا أحادي الدفع من بيروكسيد الهيدروجين لتوجيه وحدة الرحلة القمرية إلى سطح القمر. ^[13]

بدأت مركبات المرحلة العليا في استخدام الدوافع أحادية الوقود كجهاز تحكم ملائم في أوائل الستينيات عندما اقترحت شركة جنرال ديناميكس المرحلة العليا من صاروخ سنتور على القوات الجوية الأمريكية [ ^14] والتي لا تزال إصداراتها قيد الاستخدام في صواريخ أطلس وفولكان التابعة لشركة United Launch Alliance . ^[15]

تعمل وكالة ناسا على تطوير نظام دفع أحادي الوقود جديد للمركبات الفضائية الصغيرة منخفضة التكلفة التي تتطلب سرعة تتراوح بين 10 و150 مترًا في الثانية. يعتمد هذا النظام على مزيج أحادي الوقود من نترات هيدروكسي الأمونيوم (HAN) والماء والوقود، وهو مزيج كثيف للغاية وغير ضار بالبيئة ويعد بأداء جيد وبساطة. ^[16]

أنتجت شركة EURENCO Bofors LMP-103S كبديل 1 إلى 1 للهيدرازين عن طريق إذابة 65٪ من دينيتراميد الأمونيوم ، NH ₄ N (NO ₂ ) ₂ ، في محلول مائي بنسبة 35٪ من الميثانول والأمونيا. يتمتع LMP-103S بنبضة نوعية أعلى بنسبة 6٪ وكثافة نبضة أعلى بنسبة 30٪ من أحادي الدفع الهيدرازين. بالإضافة إلى ذلك، فإن الهيدرازين سام للغاية ومسبب للسرطان، في حين أن LMP-103S سام بدرجة معتدلة فقط. LMP-103S هو فئة الأمم المتحدة 1.4S مما يسمح بالنقل على الطائرات التجارية، وقد تم عرضه على قمر Prisma الصناعي في عام 2010. لا يتطلب مناولة خاصة. يمكن أن يحل LMP-103S محل الهيدرازين باعتباره أحادي الدفع الأكثر استخدامًا. ^{[17] [18]}

• الوقود الأحادي
• الوقود المفرط
• صاروخ يعمل بالوقود السائل
• مسبار استكشاف المريخ
• عجلة رد الفعل
• مزيج وقود أكسيد النيتروز
• تقنيات الدفع الصاروخي (توضيح)

• التقارير الفنية عن بيروكسيد الهيدروجين كوقود أحادي للصواريخ
• USPAT 20090133788 الوقود الأحادي المخلوط بأكسيد النيتروز ^{[ رابط معطل ]}