مادة دافعة
المادة الدافعة (أو الوقود ) هي كتلة تُقذف أو تتمدد بطريقة تُولّد قوة دفع أو أي قوة دافعة أخرى وفقًا لقانون نيوتن الثالث للحركة ، وتُحرّك مركبة أو قذيفة أو حمولة سائلة . في المركبات، يُطلق على المحرك الذي يقذف المادة الدافعة اسم محرك التفاعل . على الرغم من أن المادة الدافعة هي، من الناحية الفنية، كتلة التفاعل المستخدمة لتوليد قوة الدفع، إلا أن مصطلح "المادة الدافعة" يُستخدم غالبًا لوصف مادة تحتوي على كلٍ من كتلة التفاعل والوقود الذي يحمل الطاقة اللازمة لتسريع كتلة التفاعل. على سبيل المثال، يُستخدم مصطلح "المادة الدافعة" غالبًا في تصميم الصواريخ الكيميائية لوصف مزيج من الوقود والمادة الدافعة، مع ضرورة عدم الخلط بين المواد الدافعة والوقود الذي يستخدمه المحرك لإنتاج الطاقة اللازمة لقذف المادة الدافعة. حتى وإن كانت نواتج المواد المستخدمة كوقود تُستخدم أيضًا في كثير من الأحيان ككتلة تفاعل لتوليد قوة الدفع، كما هو الحال في محرك الصاروخ الكيميائي، فإن المادة الدافعة والوقود مفهومان مختلفان.
تستخدم المركبات مواد دافعة للتحرك عن طريق قذفها للخلف، مما يُولّد قوة معاكسة تدفعها للأمام. أما المقذوفات، فتستخدم مواد دافعة عبارة عن غازات متمددة تُوفّر القوة الدافعة اللازمة لتحريكها. وتستخدم عبوات الرذاذ مواد دافعة عبارة عن سوائل مضغوطة، فعند تحرير صمام، تُطلق الطاقة المُخزّنة في الضغط المادة الدافعة خارج العبوة، دافعةً معها حمولة الرذاذ. كما يُمكن استخدام السوائل المضغوطة كوقود بسيط للمركبات، حيث تُستخدم الطاقة الكامنة المُخزّنة فيها لدفع السائل. وتُضاف هذه الطاقة إلى النظام عند ضغط السائل، كما هو الحال في الهواء المضغوط. وتُخزّن الطاقة المُطبّقة على المضخة أو النظام الحراري المُستخدم لضغط الهواء حتى يتم إطلاقها بقذف المادة الدافعة. يمكن أيضًا استخدام السائل المضغوط فقط كمخزن للطاقة جنبًا إلى جنب مع بعض المواد الأخرى كوقود دافع، كما هو الحال مع صاروخ الماء ، حيث تكون الطاقة المخزنة في الهواء المضغوط هي الوقود والماء هو الوقود الدافع.
في المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الكهربائية ، تُستخدم الكهرباء لتسريع الوقود. ويمكن استخدام قوة كهروستاتيكية لطرد الأيونات الموجبة، أو قوة لورنتز لطرد الأيونات السالبة والإلكترونات كوقود. أما المحركات الكهروحرارية فتستخدم القوة الكهرومغناطيسية لتسخين الغازات ذات الوزن الجزيئي المنخفض (مثل الهيدروجين والهيليوم والأمونيا) وتحويلها إلى بلازما، ثم طرد هذه البلازما كوقود. وفي حالة محرك الصاروخ المقاوم ، يُسخّن الوقود المضغوط ببساطة باستخدام التسخين المقاوم أثناء طرده لتوليد قوة دفع أكبر.
في الصواريخ والطائرات الكيميائية، تُستخدم أنواع الوقود لإنتاج غاز عالي الطاقة يُوجّه عبر فوهة ، مما يُولّد قوة الدفع. في الصواريخ، ينتج عن احتراق وقود الصاروخ عادم، وعادةً ما تُقذف المادة المُحترقة كوقود دافع تحت ضغط عبر فوهة . قد تكون مادة العادم غازًا أو سائلًا أو بلازما أو مادة صلبة . في الطائرات ذات المحركات غير المزودة بمراوح، مثل الطائرات النفاثة ، يكون الوقود الدافع عادةً ناتجًا عن احتراق الوقود مع أكسجين الغلاف الجوي، بحيث يكون للوقود الناتج كتلة أكبر من كتلة الوقود المحمول على متن المركبة.
تستغل الصواريخ الفوتونية المقترحة الزخم النسبي للفوتونات لتوليد قوة الدفع. ورغم أن الفوتونات لا تمتلك كتلة، إلا أنها قادرة على العمل كوقود دافع لأنها تتحرك بسرعة نسبية، أي سرعة الضوء. في هذه الحالة، لا يكفي قانون نيوتن الثالث للحركة لنمذجة الفيزياء المعنية، بل يجب استخدام الفيزياء النسبية .
في الصواريخ الكيميائية، تُستخدم التفاعلات الكيميائية لإنتاج الطاقة التي تُحرك سائلاً يُستخدم بدوره لطرد نواتج هذا التفاعل (وأحيانًا مواد أخرى) كوقود دافع. على سبيل المثال، في محرك بسيط يعمل بالهيدروجين والأكسجين، يُحرق الهيدروجين (يتأكسد) لإنتاج الماء ( H₂O ) ، وتُستخدم الطاقة الناتجة عن التفاعل الكيميائي لطرد الماء (البخار) لتوليد قوة الدفع. غالبًا ما تُضاف مادة ذات كتلة جزيئية أعلى إلى وقود محركات الصواريخ الكيميائية لتوفير كتلة تفاعل أكبر.
يمكن طرد وقود الصواريخ من خلال فوهة تمدد كغاز بارد، أي بدون خلط واحتراق نشطين، لتوفير تغييرات طفيفة في سرعة المركبة الفضائية باستخدام دافعات الغاز البارد ، وعادة ما تكون دافعات للمناورة.
لتحقيق كثافة مفيدة للتخزين، يتم تخزين معظم المواد الدافعة إما في صورة صلبة أو سائلة.
وقود المركبات
مادة دافعة الصاروخ هي كتلة تُقذف من مركبة، كالصاروخ، لتوليد قوة دفع وفقًا لقانون نيوتن الثالث للحركة ، ودفع المركبة للأمام. يُطلق على المحرك الذي يقذف هذه المادة اسم محرك التفاعل . على الرغم من أن مصطلح "الوقود الدافع" يُستخدم غالبًا في تصميم الصواريخ الكيميائية لوصف مزيج من الوقود والوقود الدافع، إلا أنه لا ينبغي الخلط بين الوقود الدافع والوقود الذي يستخدمه المحرك لإنتاج الطاقة اللازمة لقذفه. حتى وإن كانت نواتج المواد المستخدمة كوقود تُستخدم أيضًا ككتلة تفاعل لتوليد قوة الدفع، كما هو الحال في محرك الصاروخ الكيميائي، فإن الوقود الدافع والوقود مفهومان مختلفان.
في المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الكهربائية ، تُستخدم الكهرباء لتسريع الوقود. ويمكن استخدام قوة كهروستاتيكية لطرد الأيونات الموجبة، أو قوة لورنتز لطرد الأيونات السالبة والإلكترونات كوقود. أما المحركات الكهروحرارية فتستخدم القوة الكهرومغناطيسية لتسخين الغازات ذات الوزن الجزيئي المنخفض (مثل الهيدروجين والهيليوم والأمونيا) وتحويلها إلى بلازما، ثم طرد هذه البلازما كوقود. وفي حالة محرك الصاروخ المقاوم ، يُسخّن الوقود المضغوط ببساطة باستخدام التسخين المقاوم أثناء طرده لتوليد قوة دفع أكبر.
في الصواريخ والطائرات الكيميائية، تُستخدم أنواع الوقود لإنتاج غاز عالي الطاقة يُوجّه عبر فوهة ، مما يُولّد قوة الدفع. في الصواريخ، ينتج عن احتراق وقود الصاروخ عادم، وعادةً ما تُقذف المادة المُحترقة كوقود دافع تحت ضغط عبر فوهة . قد تكون مادة العادم غازًا أو سائلًا أو بلازما أو مادة صلبة . في الطائرات ذات المحركات غير المزودة بمراوح، مثل الطائرات النفاثة ، يكون الوقود الدافع عادةً ناتجًا عن احتراق الوقود مع أكسجين الغلاف الجوي، بحيث يكون للوقود الناتج كتلة أكبر من كتلة الوقود المحمول على متن المركبة.
قد يكون الوقود أو المادة الدافعة مجرد سائل مضغوط، حيث تُستخدم الطاقة الكامنة فيه لدفع السائل. تُضاف هذه الطاقة إلى النظام عند ضغط السائل، كما هو الحال في الهواء المضغوط . تُخزن الطاقة المُطبقة على المضخة أو النظام الحراري المستخدم لضغط الهواء حتى يتم إطلاقها بالسماح للمادة الدافعة بالخروج. كما يمكن استخدام السائل المضغوط كمخزن للطاقة فقط مع مادة أخرى كمادة دافعة، كما هو الحال في صاروخ الماء ، حيث تُستخدم الطاقة الكامنة في الهواء المضغوط كوقود، والماء كمادة دافعة.
تستغل الصواريخ الفوتونية المقترحة الزخم النسبي للفوتونات لتوليد قوة الدفع. ورغم أن الفوتونات لا تمتلك كتلة، إلا أنها قادرة على العمل كوقود دافع لأنها تتحرك بسرعة نسبية، أي سرعة الضوء. في هذه الحالة، لا يكفي قانون نيوتن الثالث للحركة لنمذجة الفيزياء المعنية، بل يجب استخدام الفيزياء النسبية .
في الصواريخ الكيميائية، تُستخدم التفاعلات الكيميائية لإنتاج الطاقة التي تُحرك سائلاً يُستخدم بدوره لطرد نواتج هذا التفاعل (وأحيانًا مواد أخرى) كوقود دافع. على سبيل المثال، في محرك بسيط يعمل بالهيدروجين والأكسجين، يُحرق الهيدروجين (يتأكسد) لإنتاج الماء ( H₂O ) ، وتُستخدم الطاقة الناتجة عن التفاعل الكيميائي لطرد الماء (البخار) لتوليد قوة الدفع. غالبًا ما تُضاف مادة ذات كتلة جزيئية أعلى إلى وقود محركات الصواريخ الكيميائية لتوفير كتلة تفاعل أكبر.
يمكن طرد وقود الصواريخ من خلال فوهة تمدد كغاز بارد، أي بدون خلط واحتراق نشطين، لتوفير تغييرات طفيفة في سرعة المركبة الفضائية باستخدام دافعات الغاز البارد ، وعادة ما تكون دافعات للمناورة.
لتحقيق كثافة مفيدة للتخزين، يتم تخزين معظم المواد الدافعة إما في صورة صلبة أو سائلة.
يمكن تنشيط المواد الدافعة بواسطة تفاعلات كيميائية لطرد مواد صلبة أو سائلة أو غازية. ويمكن استخدام الطاقة الكهربائية لطرد الغازات أو البلازما أو الأيونات أو المواد الصلبة أو السائلة. كما يمكن استخدام الفوتونات لتوفير قوة الدفع عبر الزخم النسبي.
الطاقة الكيميائية
وقود صلب
- المواد الدافعة المركبة مصنوعة من مؤكسد صلب مثل بيركلورات الأمونيوم أو نترات الأمونيوم ، ومطاط صناعي مثل HTPB أو PBAN أو البولي يوريثان (أو بوليمرات نشطة مثل نترات البولي جليسيديل أو نترات البولي فينيل لمزيد من الطاقة)، ووقود شديد الانفجار اختياري (مرة أخرى، لمزيد من الطاقة) مثل RDX أو النيتروجليسرين ، وعادةً ما يكون وقودًا معدنيًا مسحوقًا مثل الألومنيوم .
- تستخدم بعض المواد الدافعة للهواة نترات البوتاسيوم ، ممزوجة بالسكر أو الإيبوكسي أو أنواع أخرى من الوقود ومركبات الربط.
- تم استخدام بيركلورات البوتاسيوم كمؤكسد، مقترنًا بالأسفلت والإيبوكسي والمواد الرابطة الأخرى.
لا تُستخدم المواد الدافعة التي تنفجر أثناء التشغيل عمليًا إلا نادرًا في الوقت الراهن، على الرغم من إجراء تجارب على محركات التفجير النبضي . كما أن المركبات المُصنّعة حديثًا والمبنية على أساس ثنائي الهوموكوبان قيد الدراسة في مرحلة البحث العلمي لاستخدامها كمواد دافعة صلبة وسائلة في المستقبل. [ 1 ] [ 2 ]
قمح
تُستخدم المواد الصلبة الدافعة في شكل حبيبات . الحبيبة هي أي جسيم منفرد من الوقود/المادة الدافعة بغض النظر عن حجمه أو شكله. يحدد شكل الحبيبة وحجمها مدة الاحتراق، وكمية الغاز، ومعدل الطاقة الناتجة عن احتراق الوقود، وبالتالي، منحنى الدفع مع الزمن.
هناك ثلاثة أنواع من الحروق التي يمكن الحصول عليها باستخدام أنواع مختلفة من الحبيبات.
- حرق تدريجي
- عادة ما تكون حبة ذات ثقوب متعددة أو قطع نجمي في المنتصف مما يوفر مساحة سطح كبيرة.
- احتراق متراجع
- عادة ما تكون حبة صلبة على شكل أسطوانة أو كرة.
- احتراق محايد
- عادة ما يكون هناك ثقب واحد؛ ومع انخفاض السطح الخارجي، يزداد السطح الداخلي بنفس المعدل.
تعبير
توجد أربعة أنواع مختلفة من تركيبات الوقود الصلب/المواد الدافعة:
- وقود/مادة دافعة أحادية القاعدة
- يحتوي الوقود/الدافع أحادي القاعدة على النيتروسليلوز كمكون رئيسي متفجر. وتُستخدم المثبتات والمواد المضافة الأخرى للتحكم في الاستقرار الكيميائي وتحسين خصائصه.
- وقود/مادة دافعة مزدوجة القاعدة
- تتكون أنواع الوقود/الوقود الدافعة ثنائية القاعدة من نيتروسليلوز مضاف إليه نيتروجليسرين أو متفجرات نترات عضوية سائلة أخرى. كما تُستخدم مواد مثبتة ومواد مضافة أخرى. يقلل النيتروجليسرين من الدخان ويزيد من الطاقة الناتجة. تُستخدم أنواع الوقود/الوقود الدافعة ثنائية القاعدة في الأسلحة الصغيرة والمدافع وقذائف الهاون والصواريخ.
- وقود/مادة دافعة ثلاثية الأساس
- تتكون المواد الدافعة/الوقود ثلاثي القاعدة من النيتروسليلوز، أو النيتروجوانيدين، أو النيتروجليسرين، أو غيرها من المتفجرات العضوية السائلة المحتوية على النترات. وتُستخدم هذه المواد في المدافع .
- مركب
- لا تستخدم المواد المركبة النيتروسليلوز أو النيتروجليسرين أو النيتروجوانيدين أو أي نترات عضوية أخرى كمكون أساسي. تتكون هذه المواد عادةً من وقود مثل الألومنيوم المعدني، ومادة رابطة قابلة للاحتراق مثل المطاط الصناعي أو HTPB ، ومؤكسد مثل بيركلورات الأمونيوم. تُستخدم المواد المركبة كوقود/دافع في محركات الصواريخ الكبيرة. في بعض التطبيقات، مثل صاروخ ترايدنت 2 الباليستي العابر للقارات الذي يُطلق من الغواصات، يُضاف النيتروجليسرين إلى مركب الألومنيوم وبيركلورات الأمونيوم كمُلدّن عالي الطاقة.
وقود سائل
في الصواريخ، تُستخدم ثلاثة تركيبات رئيسية من الوقود السائل الثنائي: الأكسجين والهيدروجين المبردين، والأكسجين المبرد والهيدروكربون، والوقود القابل للتخزين. [ 3 ]
- أنظمة الأكسجين والهيدروجين المبردة
- يُستخدم هذا المزيج في المراحل العليا، وأحيانًا في مراحل التعزيز، لأنظمة إطلاق الصواريخ الفضائية. وهو مزيج غير سام، يوفر قوة دفع نوعية عالية ، مما يجعله مثاليًا للمهام عالية السرعة.
- نظام وقود هيدروكربوني مبرد بالأكسجين
- يُستخدم هذا المزيج من الوقود والمؤكسد في العديد من مراحل الدفع لمركبات الإطلاق الفضائية ، بالإضافة إلى عدد أقل من المراحل الثانية . يتميز هذا المزيج بكثافة عالية، مما يسمح بتصميم أكثر إحكامًا لمرحلة الدفع.
- تركيبات الوقود القابلة للتخزين
- تُستخدم هذه المحركات في معظم محركات الصواريخ ثنائية الوقود ذات الدفع المنخفض، سواءً كانت مساعدة أو للتحكم في رد الفعل ، بالإضافة إلى بعض محركات الصواريخ الكبيرة للمرحلتين الأولى والثانية من الصواريخ الباليستية. وهي تتميز بالتشغيل الفوري وملاءمتها للتخزين طويل الأمد.
تشمل تركيبات الوقود المستخدمة في صواريخ الوقود السائل ما يلي:
- الأكسجين السائل والهيدروجين السائل [ 4 ]
- الأكسجين السائل والكيروسين أو RP- 1 [ 5 ]
- الأكسجين السائل والإيثانول
- الأكسجين السائل والميثان
- بيروكسيد الهيدروجين والكحول المذكور أعلاه أو RP-1
- حمض النيتريك الأحمر المدخن (RFNA) والكيروسين أو RP-1
- RFNA وثنائي ميثيل هيدرازين غير متماثل (UDMH)
- رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين وUDMH و MMH و/أو الهيدرازين
تشمل أنواع الوقود الأحادي الشائعة المستخدمة في محركات الصواريخ السائلة ما يلي:
- بيروكسيد الهيدروجين
- الهيدرازين
- حمض النيتريك الأحمر المدخن (RFNA)
تعمل بالطاقة الكهربائية
تستخدم المحركات التفاعلية التي تعمل بالطاقة الكهربائية مجموعة متنوعة من المواد الدافعة المتأينة عادةً، بما في ذلك الأيونات الذرية والبلازما والإلكترونات أو القطرات الصغيرة أو الجسيمات الصلبة كوقود دافع.
الكهرباء الساكنة
إذا كان التسارع ناتجًا بشكل أساسي عن قوة كولوم (أي تطبيق مجال كهربائي ساكن في اتجاه التسارع)، يُعتبر الجهاز كهرساكنًا. أنواع المحركات الكهروستاتيكية وموادها الدافعة:
- دافع أيوني شبكي - يستخدم الأيونات الموجبة كوقود، ويتم تسريعه بواسطة شبكة مشحونة كهربائياً
- برنامج ناسا لتطبيقات تكنولوجيا الطاقة الشمسية (NSTAR) - تسريع الأيونات الموجبة باستخدام أقطاب كهربائية عالية الجهد
- HiPEP – باستخدام الأيونات الموجبة كوقود دافع، يتم إنشاؤها باستخدام الموجات الدقيقة
- دافع أيوني بترددات الراديو – تعميم لتقنية HiPEP
- تستخدم محركات الدفع ذات تأثير هول ، بما في ذلك أنواعها الفرعية مثل محرك الدفع البلازمي الثابت (SPT) ومحرك الدفع ذي طبقة الأنود (TAL)، تأثير هول لتوجيه الإلكترونات لتكوين أيونات موجبة للوقود.
- دافع أيوني غرواني – التسارع الكهروستاتيكي لقطرات الملح السائل كوقود دافع
- الدفع الكهربائي بالانبعاث الميداني – استخدام الأقطاب الكهربائية لتسريع المعدن السائل المتأين كوقود دافع
- دافع استخراج الجسيمات النانوية - يستخدم أنابيب الكربون النانوية الأسطوانية المشحونة كوقود دافع
الطاقة الكهروحرارية
هذه محركات تستخدم المجالات الكهرومغناطيسية لتوليد بلازما تُستخدم كوقود دافع. وتستخدم فوهة لتوجيه هذا الوقود المُنشَّط. وقد تتكون الفوهة نفسها من مجال مغناطيسي. وتُفضَّل الغازات ذات الوزن الجزيئي المنخفض (مثل الهيدروجين والهيليوم والأمونيا) كوقود دافع لهذا النوع من الأنظمة. [ 6 ]
- ريزستوجيت - يستخدم وقودًا مضغوطًا خاملًا عادةً يتم تنشيطه عن طريق التسخين المقاوم البسيط
- يستخدم محرك القوس الكهربائي (عادةً) الهيدرازين أو الأمونيا كوقود دافع يتم تنشيطه بواسطة قوس كهربائي
- الميكروويف – نوع من أنواع دافعات الأيونات بترددات الراديو
- صاروخ البلازما المغناطيسي ذو الدفع النوعي المتغير (VASIMR) - يستخدم البلازما المتولدة بواسطة الموجات الدقيقة كوقود دافع والمجال المغناطيسي لتوجيه عملية طردها
الكهرومغناطيسية
تستخدم المحركات الكهرومغناطيسية الأيونات كوقود دافع، والتي يتم تسريعها بواسطة قوة لورنتز أو بواسطة المجالات المغناطيسية، وكلاهما يتم توليده بواسطة الكهرباء:
- دافع البلازما عديم الأقطاب الكهربائية – نظام معقد يستخدم البلازما الباردة كوقود يتم تسريعه بواسطة القوة الدافعة
- دافع مغناطيسي بلازمي ديناميكي – تشمل المواد الدافعة الزينون، والنيون، والأرجون، والهيدروجين، والهيدرازين، أو الليثيوم؛ يتم طردها باستخدام قوة لورنتز
- المحرك الاستقرائي النبضي – نظرًا لأن هذا المحرك التفاعلي يستخدم مجالًا مغناطيسيًا شعاعيًا، فإنه يؤثر على الجسيمات الموجبة والسالبة على حد سواء، وبالتالي يمكنه استخدام مجموعة واسعة من الغازات كوقود دافع، بما في ذلك الماء والهيدرازين والأمونيا والأرجون والزينون وغيرها الكثير.
- دافع البلازما النبضي - يستخدم بلازما التفلون كوقود دافع، يتم توليدها بواسطة قوس كهربائي ويتم طردها باستخدام قوة لورنتز
- محرك هيليكون ذو الطبقة المزدوجة - يتم توليد وإثارة وقود البلازما من غاز باستخدام هيليكون مُستحث بواسطة موجات راديوية عالية التردد تُشكل فوهة مغناطيسية في أسطوانة
كول
يمكن استخدام التفاعلات النووية لتوليد الطاقة اللازمة لدفع المواد الدافعة. وقد استُخدمت/اقتُرح استخدام أنواع عديدة من المفاعلات النووية لتوليد الكهرباء اللازمة للدفع الكهربائي كما هو موضح أعلاه. يعتمد الدفع النبضي النووي على سلسلة من الانفجارات النووية لتوليد كميات كبيرة من الطاقة لدفع نواتج التفاعل النووي كوقود دافع. تستخدم الصواريخ الحرارية النووية حرارة التفاعل النووي لتسخين الوقود الدافع. عادةً ما يكون الهيدروجين هو الوقود الدافع لأن القوة تعتمد على الطاقة بغض النظر عن كتلة الوقود، وبالتالي فإن أخف أنواع الوقود (الهيدروجين) يُنتج أكبر دافع نوعي .
الفوتونيات
يستخدم المحرك التفاعلي الضوئي الفوتونات كوقود دافع وطاقتها النسبية المنفصلة لإنتاج قوة الدفع.
مواد دافعة للمقذوفات
مواد دافعة سائلة مضغوطة
يتم ضغط الوقود المضغوط ، سواء كان سائلاً أو غازاً، فيزيائياً بواسطة ضاغط، وليس عن طريق تفاعل كيميائي. ورغم أن الضغوط وكثافات الطاقة التي يمكن تحقيقها غير كافية للصواريخ والأسلحة النارية عالية الأداء، إلا أنها مناسبة لمعظم التطبيقات، وفي هذه الحالة، توفر السوائل المضغوطة مصدراً أبسط وأكثر أماناً وعملية لضغط الوقود.
قد يكون دافع السائل المضغوط مجرد غاز مضغوط، أو مادة غازية عند الضغط الجوي، ولكنها مخزنة تحت الضغط كسائل.
وقود الغاز المضغوط
في التطبيقات التي تستخدم كمية كبيرة من الوقود الدافع، مثل الغسيل بالضغط العالي والرش بالهواء المضغوط ، يمكن ضغط الهواء بواسطة ضاغط واستخدامه فورًا. إضافةً إلى ذلك، يمكن استخدام مضخة يدوية لضغط الهواء لبساطتها في التطبيقات البسيطة مثل البخاخات ، وأجهزة رش النباتات، وصواريخ المياه . ومن أبسط الأمثلة على هذا النظام زجاجات الضغط لسوائل مثل الكاتشب والشامبو.
ومع ذلك، فإن الغازات المضغوطة غير عملية كمواد دافعة مخزنة إذا لم تتحول إلى سائل داخل حاوية التخزين، لأن تخزين أي كمية كبيرة من الغاز يتطلب ضغوطًا عالية جدًا، كما أن أسطوانات الغاز عالية الضغط ومنظمات الضغط باهظة الثمن وثقيلة الوزن.
وقود الغاز المسال
مبدأ
تُعدّ الغازات الدافعة المسالة غازات عند الضغط الجوي، لكنها تتحول إلى سائل عند ضغط معتدل. هذا الضغط مرتفع بما يكفي لتوفير قوة دفع فعّالة للحمولة (مثل بخاخات الطلاء، مزيلات العرق، مواد التشحيم)، ولكنه منخفض بما يكفي لتخزينها في علبة معدنية رخيصة الثمن، ولا يُشكّل خطراً على السلامة في حال تمزق العلبة.
يحافظ مزيج الوقود السائل والغازي داخل العلبة على ضغط ثابت، يُسمى ضغط بخار السائل . ومع نفاذ الحمولة، يتبخر الوقود ليملأ الحجم الداخلي للعلبة. عادةً ما تكون كثافة السوائل أعلى من كثافة الغازات المقابلة لها بمقدار 500 إلى 1000 مرة عند الضغط الجوي؛ وحتى مع الضغط العالي داخل العلبة، لا يلزم سوى جزء صغير من حجمها ليكون وقودًا لإخراج الحمولة واستبدالها بالبخار.
يتطلب تحويل الوقود السائل إلى غاز طاقةً تُعرف باسم حرارة التبخر ، والتي تُبرّد النظام. عادةً ما تكون هذه الطاقة ضئيلة، مع أنها قد تُصبح أحيانًا أثرًا غير مرغوب فيه عند الاستخدام المكثف (حيث ينخفض ضغط بخار الوقود مع انخفاض درجة حرارة النظام). مع ذلك، في حالة رذاذ التجميد ، يُساهم هذا التبريد في تحقيق التأثير المطلوب (مع العلم أن رذاذ التجميد قد يحتوي أيضًا على مكونات أخرى، مثل كلوروإيثان ، ذات ضغط بخار أقل ولكن حرارة تبخر أعلى من الوقود).
مركبات الوقود الدافعة
كانت مركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs) تُستخدم بكثرة كوقود دافع، [ 7 ] ولكن منذ دخول بروتوكول مونتريال حيز التنفيذ عام 1989، تم استبدالها في جميع دول العالم تقريبًا نظرًا لآثارها السلبية على طبقة الأوزون . وتُعدّ مخاليط الهيدروكربونات المتطايرة ، وخاصة البروبان والبيوتان العادي والأيزوبيوتان ، من أكثر البدائل شيوعًا لمركبات الكلوروفلوروكربون . [ 8 ] كما يُستخدم ثنائي ميثيل الإيثر (DME) وميثيل إيثيل الإيثر . إلا أن جميع هذه المواد قابلة للاشتعال . ويُستخدم أكسيد النيتروز وثاني أكسيد الكربون أيضًا كوقود دافع لتوصيل المواد الغذائية (مثل الكريمة المخفوقة وبخاخات الطبخ ). تستخدم البخاخات الطبية، مثل بخاخات الربو، مركبات الهيدروفلورو ألكان (HFA): إما HFA 134a (1,1,1,2-رباعي فلورو الإيثان) أو HFA 227 (1,1,1,2,3,3,3-سباعي فلورو البروبان) أو مزيجًا منهما. ومؤخرًا، أصبح استخدام دافعات الهيدروفلورو أوليفين السائل (HFO) أكثر شيوعًا في أنظمة البخاخات نظرًا لانخفاض ضغط بخارها نسبيًا، وانخفاض قدرتها على إحداث الاحتباس الحراري ، وعدم قابليتها للاشتعال. [ 9 ]
الحمولات
تتيح سهولة استخدام الغازات الدافعة المسالة إمكانية استخدام مجموعة واسعة من المواد. تشمل بخاخات الأيروسول ، التي يُقذف فيها سائل على شكل رذاذ، الدهانات، ومواد التشحيم، ومزيلات الشحوم، والطلاءات الواقية؛ ومزيلات العرق وغيرها من منتجات العناية الشخصية؛ وزيوت الطهي. لا تُرش بعض المواد السائلة بسبب انخفاض ضغط الغاز الدافعة و/أو لزوجة المادة، كما هو الحال مع الكريمة المخفوقة وكريم الحلاقة أو جل الحلاقة. أما البنادق منخفضة الطاقة، مثل بنادق الخرز وبنادق كرات الطلاء وبنادق الأيرسوفت ، فتستخدم مقذوفات صلبة. وبشكل فريد، في حالة بخاخات الغاز (الهواء المضغوط)، فإن المادة الدافعة الوحيدة هي سرعة بخار الغاز الدافعة نفسه.
انظر أيضاً
مراجع
- ^ لال ، سوهان. راجكومار، سوندارام؛ تاري، أميت؛ ريشمي، ساسيدهاراكروب؛ شودري، أريندراجيت؛ نامبوثيري، آيريشي إن إن (ديسمبر 2014). "Bishomocubanes المستبدلة بالنيترو: التوليف والتوصيف والتطبيق كمواد حيوية" . الكيمياء: مجلة آسيوية . 9 (12): 3533–3541 . دوى : 10.1002/asia.201402607 . بميد 25314237 .
- ^ لال ، سوهان. ماليك جميل. راجكومار، سوندارام؛ أومين، أومين P.؛ ريشمي، ساسيدهاراكروب؛ كومبهاكارنا، نيراج؛ شودري، أريندراجيت؛ نامبوثيري، آيريشي (2015). "التوليف والخصائص النشطة للبيشوموكوبانات المستبدلة بالنيتروجين العالي" . جي ماتر. الكيمياء. أ . 3 (44): 22118-22128 . دوى : 10.1039 / C5TA05380C .
- ^ ساتون، جورج. بيبلارز، أوسكار (2001). عناصر الدفع الصاروخي . ويلي. رقم ISBN 9781601190604. OCLC 75193234 .
- ↑ هاتشينسون، لي (14 أبريل 2013). "محرك صاروخي جديد من طراز F-1B يُحسّن تصميمًا من عصر أبولو بقوة دفع تبلغ 1.8 مليون رطل" . ARS technica . تاريخ الاسترجاع: 15 أبريل 2013.
وتابع كوتس: "إن أكثر توليفة وقود ومؤكسد كفاءةً، والتي تُستخدم اليوم على نطاق واسع في الصواريخ الكيميائية السائلة، هي الهيدروجين (وقود) والأكسجين (مؤكسد). هذان العنصران بسيطان نسبيًا، ويحترقان بسهولة عند دمجهما، والأفضل من ذلك، أن ناتج تفاعلهما هو الماء."
- ↑ هاتشينسون، لي (14 أبريل 2013). "محرك صاروخي جديد من طراز F-1B يُحسّن تصميم عصر أبولو بقوة دفع تبلغ 1.8 مليون رطل" . ARS technica . ص 2. تاريخ الاسترجاع: 15 أبريل 2013.
لا يُعدّ البترول المكرر الوقود الأكثر كفاءة في توليد قوة الدفع للصواريخ، لكن ما ينقصه في قوة الدفع يعوّضه بكثافته. يتطلب الأمر كمية أقل من RP-1 لتوليد نفس قوة الدفع على المركبة، والكمية الأقل تعني حجمًا أصغر للمرحلة. ... تعني مرحلة التعزيز الأصغر مقاومة هوائية أقل بكثير عند إقلاع المركبة من مستوى سطح البحر تقريبًا وتسارعها صعودًا عبر الجزء الأكثر كثافة (سمكًا) من الغلاف الجوي بالقرب من الأرض. نتيجةً لذلك، تسمح مرحلة التعزيز الأصغر بصعود أكثر كفاءة عبر الجزء الأكثر سمكًا من الغلاف الجوي، مما يُساعد على تحسين الكتلة الصافية المرفوعة إلى المدار.
- ↑ "محركات الدفع الكهربائية المحلية اليوم" (باللغة الروسية). نوفوستي كوسمونافتيكي. 1999. مؤرشف من الأصل في 6 يونيو 2011.
- ↑ "إخماد الحرائق بسرعة بواسطة غاز الفريون "الكسول"" . مجلة Popular Mechanics . المجلد 87. مجلات هيرست . أبريل 1947. ص 115. تم الاطلاع عليه في 7 يونيو 2019. وقد وُجد أن
مركبات الفريون الكيميائية في الثلاجات المنزلية وأنظمة تبريد الهواء، وكناقل
لمادة
DDT
في
قنابل مبيدات الحشرات
الهوائية ،أكثر فعالية في إخماد الحرائق من ثاني أكسيد الكربون.
- ↑ يومان، آمبر م.؛ لويس، ألاستير س. (22 أبريل 2021). "الانبعاثات العالمية للمركبات العضوية المتطايرة من منتجات الهباء الجوي المضغوط" (ملف PDF) . إليمينتا: علم الأنثروبوسين . 9 (1): 00177. doi : 10.1525/elementa.2020.20.00177 . ISSN 2325-1026 .
- ↑ "نشرة فنية عن مادة الدفع Solstice®" (ملف PDF) . هانيويل . 2017.
فهرس
- كلارك، جون د. (1972). الاشتعال! تاريخ غير رسمي للوقود السائل للصواريخ . مطبعة جامعة روتجرز. ISBN 0-8135-0725-1.
روابط خارجية
- وقود الصواريخ
- عناصر الدفع الصاروخي، ساتون، جورج بي، بيبلارز، أوسكار الطبعة السابعة
- فهم وتوقع تآكل سبطانات البنادق - قسم أنظمة الأسلحة، منظمة العلوم والتكنولوجيا الدفاعية، بقلم إيان أ. جونستون. مؤرشف بتاريخ 10 يوليو 2013 على موقع Wayback Machine.
- مركز أبحاث وتطوير وهندسة الأسلحة - تصميمات محسّنة للوقود الدافع وعلب الخراطيش
- الذخيرة
- علم المقذوفات
- المواد الدافعة
- الألعاب النارية
- الغازات الصناعية