مزيج وقود أكسيد النيتروز

تعتبر مواد الدفع المصنوعة من مزيج وقود أكسيد النيتروز فئة من مواد الدفع الصاروخية السائلة التي كان من المفترض في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين أن تحل محل الهيدرازين كمادة دفع صاروخية قياسية قابلة للتخزين في بعض التطبيقات.

في مزيج وقود أكسيد النيتروز، يُخلط الوقود والمؤكسد ويُخزنان؛ ويُشار إلى هذا المزيج أحيانًا باسم الوقود الأحادي المختلط . عند الاستخدام، يُسخن الوقود أو يُمرر فوق طبقة من المحفز، فيتحلل أكسيد النيتروز إلى غازات غنية بالأكسجين، ثم يحدث الاحتراق. يتطلب الأمر عناية خاصة في التركيبة الكيميائية وتصميم المحرك لمنع انفجار الوقود المخزن.

يلعب الوقود المستخدم في محرك الصاروخ دورًا هامًا في تصميم المحرك وفي تصميم مركبة الإطلاق والمعدات الأرضية اللازمة لصيانتها. فالوزن، وكثافة الطاقة ، والتكلفة، والسمية، وخطر الانفجارات، وغيرها من المشكلات، تجعل من الضروري للمهندسين تصميم صواريخ باستخدام أنواع الوقود المناسبة. وتشمل الفئات الرئيسية لوقود الصواريخ ما يلي:

يُعدّ الهيدرازين وقودًا شائعًا في المحركات النفاثة الصغيرة المُخصصة للمناورة . وهو سائل في درجة حرارة الغرفة، وبفضل إنثالبي تكوينه الموجب ، يُمكن استخدامه كوقود أحادي لتبسيط تصميم النظام بشكل كبير. إلا أنه شديد السمية وله درجة تجمد عالية نسبيًا تبلغ +1 درجة مئوية. كما أنه غير مستقر، وهي خاصية متأصلة في أي مادة ذات إنثالبي تكوين موجب.

يمكن استخدام أكسيد النيتروز كمؤكسد مع أنواع مختلفة من الوقود، وهو شائع الاستخدام بشكل رئيسي في الصواريخ الهجينة . يتميز بسمية أقل بكثير من الهيدرازين، ونقطة غليان أقل بكثير، مع إمكانية تسييله في درجة حرارة الغرفة تحت الضغط. ومثل الهيدرازين، يتمتع أكسيد النيتروز بمحتوى حراري موجب للتكوين، مما يجعله غير مستقر ظاهريًا، ولكنه في الوقت نفسه وقود أحادي فعال. يمكن تحليله باستخدام عامل مساعد لإنتاج خليط ساخن من النيتروجين والأكسجين. ^{[ 1 ]} عند مزجه مع الوقود وتخزينه قبل الاستخدام، يصبح وقودًا أحاديًا مختلطًا.

بدأ علماء الصواريخ الألمان تجاربهم على مزيج وقود أكسيد النيتروز منذ عام 1937. واستمرت هذه التجارب طوال الحرب العالمية الثانية . وقد حفزت وعود الأداء العالي والمدى الأطول وأنظمة التغذية الأخف وزنًا على إجراء تجارب على مزيج من أكسيد النيتروز والأمونيا، مما أسفر عن العديد من الانفجارات وتدمير المحركات. ^{[ 2 ]} وقد شكلت التعقيدات التي ينطوي عليها بناء أنظمة دفع قادرة على التعامل بأمان مع وقود أكسيد النيتروز الأحادي عائقًا أمام التطوير الجاد.

استؤنف تطوير مزيج وقود أكسيد النيتروز في العقد الأول من الألفية الثانية، وفي عام 2011، خُطط لمهمة تجريبية في الفضاء . إلا أن هذه المهمة أُلغيت. وكانت شركة أنظمة الدفع الفضائي المبتكرة قد أعلنت عن خطط لاختبار وقود NOFBX الأحادي على متن الجزء التابع لوكالة ناسا من محطة الفضاء الدولية ، مع تحديد موعد مبدئي للرحلة في عام 2012 على الأقل. ^{[ 3 ]} ووافقت ناسا رسميًا على المهمة إلى محطة الفضاء الدولية في مايو 2012، ضمن موعد إطلاق محدد في عام 2013. ^{[ 4 ]} وكان من المقرر أن تنطلق المهمة إلى محطة الفضاء الدولية في حجرة الشحن غير المضغوطة لمركبة دراغون الفضائية التابعة لشركة سبيس إكس، وذلك خلال إحدى مهمات إعادة تزويد الشحنات المتعاقد عليها مع ناسا في منتصف عام 2013. سيستخدم مشروع "ISPS NOFBX Green Propellant Demonstration" محركًا صاروخيًا يعمل بالوقود NOFBX بقوة دفع 100 رطل (440 نيوتن) مع تحكم عميق في قوة الدفع ، وسيتم تركيبه على الجزء الخارجي من وحدة كولومبوس الأوروبية على محطة الفضاء الدولية، وكان من المتوقع أن يبقى في المدار لمدة عام تقريبًا أثناء خضوعه لـ "سلسلة من اختبارات الأداء في الفضاء". ^{[ 5 ]} 

كان NOFBX اسمًا تجاريًا لوقود أحادي الدفع مُركّب من أكسيد النيتروز والوقود والمستحلب ، طوّرته شركة فايرستار تكنولوجيز. ^{[ 6 ]} ادّعت براءة اختراع NOFBX استخدام مزيج من أكسيد النيتروز كمؤكسد مع الإيثان أو الإيثين أو الأسيتيلين كوقود. ^{[8] يتميز NOFBX} بدفع نوعي أعلى ( Isp ) وسمية أقل من أنواع الوقود الأحادي الدفع الأخرى المستخدمة حاليًا في التطبيقات الفضائية، مثل الهيدرازين . كان من المخطط إجراء اختبارات طيران لمحركات NOFBX على متن محطة الفضاء الدولية، ^{[ 7 ]} ولكن لم يتم ذلك في نهاية المطاف _.

استُخدم وقود NOFBX سابقًا لتشغيل محرك ترددي يُستخدم في طائرات بدون طيار عالية الارتفاع وطويلة المدى بموجب عقد مع وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) . ^{[ 1 ]} روّجت الشركة لوقود NOFBX آنذاك باعتباره تقنية "ثورية" ^{[ 3 ]} لما يتمتع به من خصائص عديدة تُبرز أهمية الوقود الأحادي الأكثر أمانًا في هذا القطاع.

• المكونات متوفرة على نطاق واسع من موردي المواد الكيميائية، وهي غير مكلفة وآمنة في التعامل معها ^{[ 3 ]}
• يمكن نقلها والتعامل معها دون اتخاذ احتياطات أو مخاطر لا داعي لها ^{[ 3 ]}
• منتجاتها النهائية ( N)₂ ، CO،H₂ O،H₂ وCO₂ ) ^{[ 8 ]} جميعها أقل سمية بشكل كبير منالمواد الدافعة الأحادية التقليدية طويلة الأمد القابلة للتخزينولا تنتج أي رواسب متراكمة أو تلوث؛ ^{[ 3 ]} بينما ينبعث الأمونيا من الهيدرازين ^{[ 8 ]}
• يبلغ زمن التحلل (I _sp) للهيدرازين حوالي 230  ثانية؛ وقد أفيد أن NOFBX لديه زمن تحلل (I _sp) يبلغ 300  ثانية ^{[ 8 ].}
• يتمتع بكثافة طاقة أفضل ، تزيد عن ثلاثة أضعاف كثافة طاقة الهيدرازين ^{[ 8 ]}
• يتحمل نطاقًا حراريًا واسعًا؛ ويمكن تخزينه في درجة حرارة الغرفة على الأرض وكذلك في درجات الحرارة الموجودة في الفضاء الخارجي ^{[ 7 ].}
• كان من المتوقع أن تكون تكلفتها أقل مقارنة بأنظمة الدفع الحالية ذات الأداء المماثل ^{[ 3 ].}
• وهو وقود أحادي الدفع، مما يقلل بشكل كبير من الحاجة إلى المعدات المساعدة، مما يوفر التكلفة والحجم والكتلة لأنظمة الإطلاق.
• يستخدم محركات دفع تعمل بدرجة حرارة أقل، مما يقلل من تحديات التصميم الحراري ^{[ 7 ]}

أثارت ورقة بحثية صادرة عن المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية (AIAA) عام 2008 حول تحلل أكسيد النيتروز مخاوف بشأن مخاطر السلامة الناجمة عن خلط الهيدروكربونات مع أكسيد النيتروز. فبإضافة الهيدروكربونات، ينخفض ​​حاجز الطاقة اللازم لحدوث انفجار تحلل بشكل ملحوظ. ^{[ 9 ]}

• أكسيد النيتروز

• ساتون، جورج ب.؛ بيبلارز، أوسكار (2001). عناصر دفع الصواريخ (  الطبعة السابعة). جون وايلي وأولاده . ص  6. ISBN 0-471-32642-9.

• دوغ موهني (17 مايو 2012). بروك نيومان (محرر). "تجربة الدفع الأخضر تجتاز مراجعة سلامة محطة الفضاء" . أخبار الأقمار الصناعية .(يتحدث عن مراجعة السلامة التي كانت ستجريها وكالة ناسا آنذاك)
• شميدت، إيكارت دبليو. (2023). "مواد الدفع الأحادية لأكسيد النيتروز". موسوعة مواد الدفع الأحادية . دي جرويتر. ص 1215-1436 . doi : 10.1515/9783110751390-009 . ISBN  978-3-11-075139-0.

• طلب براءة اختراع NOFBX
• براءة اختراع أمريكية رقم 20090133788: وقود أحادي الدفع من مزيج أكسيد النيتروز