RP-1

يُعدّ وقود RP-1 ( وقود الصواريخ-1 أو البترول المكرر-1 ) وأنواع الوقود المشابهة له مثل RG-1 و T-1 تركيبات كيروسين عالية التكرير تُستخدم كوقود للصواريخ . ^{[ 1 ] [ 2 ]} تُعرف الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل وتستخدم RP-1 باسم صواريخ الكيروسين والأكسجين السائل (kerolox ). في محركاتها، يُرشّ RP-1 ويُخلط مع الأكسجين السائل (LOX) ويُشعل لتوليد قوة الدفع. طُوّر RP-1 في خمسينيات القرن الماضي، وهو يُشبه ظاهريًا أنواع الوقود الأخرى القائمة على الكيروسين مثل Jet A و JP-8 المستخدمة في المحركات التوربينية، ولكنه يُصنّع وفقًا لمعايير أكثر صرامة. على الرغم من أن RP-1 يُستخدم على نطاق واسع عالميًا، فإن تركيبات الكيروسين الرئيسية للصواريخ في روسيا ودول الاتحاد السوفيتي السابق الأخرى هي RG-1 وT-1، والتي تتميز بكثافة أعلى قليلًا.

بالمقارنة مع أنواع وقود الصواريخ الأخرى، يوفر وقود RP-1 العديد من المزايا مع بعض العيوب. فمقارنةً بالهيدروجين السائل ، يتميز RP-1 بانخفاض دافعيته النوعية ، ولكنه قابل للتخزين في درجات حرارة الغرفة، كما أنه أقل عرضةً للانفجار، وعلى الرغم من انخفاض طاقته النوعية ، إلا أن كثافته العالية تُنتج كثافة طاقة أكبر . وبالمقارنة مع الهيدرازين ، وهو وقود سائل آخر قابل للتخزين في درجات حرارة الغرفة، يُعد RP-1 أقل سميةً وسرطانيةً بكثير .

يُستخدم وقود RP-1 في معززات المرحلة الأولى لصواريخ إلكترون ، وسويوز ، وزينيت ، ودلتا 1-3 ، وأطلس ، وفالكون ، وأنتاريس ، وترونادور 2. كما يُستخدم أيضًا في المراحل الأولى لصواريخ إنرجيا ، وتيتان 1 ، وساتورن 1 و1B ، وساتورن 5. وتعمل منظمة أبحاث الفضاء الهندية (ISRO) على تطوير محرك يعمل بوقود RP-1 يُسمى SE-2000 لصواريخها المستقبلية. ^{[ 4 ]}

يشبه وقود RP-1 ظاهرياً أنواع الوقود الأخرى القائمة على الكيروسين، ولكنه يُصنّع وفقاً لمعايير أكثر صرامة. وتشمل هذه المعايير نطاقات أضيق للكثافة والتقلب، بالإضافة إلى محتوى أقل بكثير من الكبريت والأوليفينات والمركبات العطرية . ^{[ 6 ]}

يهاجم الكبريت ومركبات الكبريت المعادن في درجات الحرارة العالية، وحتى الكميات الصغيرة جدًا من الكبريت تساعد في عملية البلمرة التي يمكن أن تؤدي إلى تصلب الأختام والأنابيب، لذلك يتم الحفاظ على الكبريت ومركبات الكبريت عند الحد الأدنى .

تُحفظ المركبات غير المشبعة ( الألكينات ، والألكاينات ، والمركبات العطرية ) بمستويات منخفضة، نظرًا لميلها إلى التبلمر عند درجات الحرارة العالية وفترات التخزين الطويلة. في السابق، كان يُعتقد أن الصواريخ التي تعمل بالكيروسين قد تبقى مخزنة لسنوات في انتظار تشغيلها. نُقلت هذه الوظيفة لاحقًا إلى صواريخ الوقود الصلب ، مع بقاء مزايا الهيدروكربونات المشبعة في درجات الحرارة العالية. وبسبب انخفاض مستويات الألكينات والمركبات العطرية، يُعدّ وقود RP-1 أقل سمية من أنواع وقود الطائرات والديزل المختلفة، وأقل سمية بكثير من البنزين.

تم اختيار أو تصنيع المتصاوغات الأكثر ملاءمة ، مع تقليل عدد الألكانات الخطية لصالح زيادة عدد الألكانات الحلقية والمتفرعة. وكما تُحسّن الجزيئات الحلقية والمتفرعة رقم الأوكتان في البنزين ، فإنها تزيد أيضًا بشكل ملحوظ من الثبات الحراري عند درجات الحرارة العالية. وتُعدّ المتصاوغات متعددة الحلقات، مثل الألكانات السلمية ، من أكثر المتصاوغات المرغوبة .

في المقابل، فإن التطبيقات الرئيسية للكيروسين (الطيران والتدفئة والإضاءة) أقل اهتمامًا بالتحلل الحراري، وبالتالي لا تتطلب تحسينًا صارمًا لنظائرها.

أثناء الإنتاج، تُعالج هذه الأنواع بدقة لإزالة الشوائب والكسور الجانبية. كان يُخشى أن تتسبب الرماد في انسداد خطوط الوقود وممرات المحرك، وتآكل الصمامات ومحامل مضخة التوربو ، نظرًا لتزييتها بالوقود. تؤثر الكسور الثقيلة أو الخفيفة جدًا على قدرات التزييت، ومن المرجح أن تنفصل أثناء التخزين وتحت الحمل. تبلغ كتلة الهيدروكربونات المتبقية أو تقارب كتلة C12 _. نظرًا لقلة الهيدروكربونات الخفيفة، يتميز وقود RP-1 بنقطة اشتعال عالية ، وهو أقل خطورة من البنزين.

بالمجمل، يُعدّ المنتج النهائي أغلى بكثير من الكيروسين العادي. يمكن لأي نوع من البترول إنتاج RP-1 مع التكرير الكافي، مع العلم أن الكيروسين المستخدم في صناعة الصواريخ يُستخرج من عدد محدود من حقول النفط ذات المخزون الأساسي عالي الجودة، أو يمكن تصنيعه صناعيًا . هذا، بالإضافة إلى الطلب المحدود نسبيًا في سوق متخصصة مقارنةً بمستخدمي البترول الآخرين، يُفسّر ارتفاع سعر RP-1. تُغطّى المواصفات العسكرية لـ RP-1 في المواصفة MIL-R-25576، ^{[ 7 ]} وتُوصَف خصائصه الكيميائية والفيزيائية في المواصفة NISTIR 6646. ^{[ 8 ]}

في روسيا ودول الاتحاد السوفيتي السابق الأخرى، يُعدّ كل من T-1 وRG-1 التركيبتين الرئيسيتين لوقود الصواريخ. وتكون كثافتهما أعلى قليلاً.من 0.82 إلى 0.85 جم / مل  ، مقارنة بـ RP-1 عند0.81  جم/مل .

اكتشف السوفيت أيضًا إمكانية تحقيق كثافة أعلى للكيروسين بتبريده قبل تحميله في خزانات وقود الصاروخ، مع أن هذا يُقلل جزئيًا من جدوى استخدام الكيروسين بدلًا من أنواع الوقود الأخرى فائقة التبريد. ومع ذلك، كانت هناك بالفعل مرافق جاهزة لإدارة الأكسجين السائل والنيتروجين السائل المبردين في المركبة ، وكلاهما أبرد بكثير من الكيروسين. يُحاط خزان الكيروسين المركزي للصاروخ من جوانبه الأربعة وسطحه بخزانات الأكسجين السائل، بينما يوجد خزان النيتروجين السائل في الأسفل. أما خزانات الكيروسين في الصواريخ المعززة الأربعة فهي صغيرة الحجم نسبيًا، وتقع أيضًا بين خزان الأكسجين السائل وخزان النيتروجين السائل. وبالتالي، بمجرد تبريد الكيروسين مبدئيًا، يبقى باردًا لفترة وجيزة لازمة لإتمام تجهيزات الإطلاق.

بينما تخلى السوفييت في نهاية المطاف عن تبريد الكيروسين، أعادت شركة سبيس إكس النظر في الفكرة بعد عقود لصاروخ فالكون 9. استخدمت جميع الإصدارات منذ فالكون 9 فول ثرست وقود RP-1 المبرد إلى درجة حرارة -7 درجة مئوية (20 درجة فهرنهايت) ، مما يعطي  زيادة في الكثافة بنسبة 2.5%–4% . ^{[ 9 ]}

من الناحية الكيميائية، يعتبر الوقود الهيدروكربوني أقل كفاءة من حيث الكتلة من الهيدروجين، على الرغم من أنه يحقق عادةً كثافة أعلى ومعالجته أسهل من الهيدروجين.

في محركات الصواريخ، يختلف الدفع النوعي ( Isp ₎ عن كفاءة المحركات الأخرى ( التوربينات أو المكابس ): فبحسب معادلة الصاروخ ، تُستمد الكفاءة من سرعة العادم، لا من الطاقة الكلية. ولذلك، قد يكون من المفيد استخدام طاقة أقل إجمالاً مقابل عادم ذي كتلة جزيئية أقل ، ما يعني أن محركات الصواريخ الكيميائية تصل إلى ذروة كفاءتها عند نسب غير متكافئة . على وجه الخصوص، ولأن الأكسجين أثقل من الكربون أو الهيدروجين، فإن جميع محركات الصواريخ الاحتراقية تعمل بوقود غني لتقليل الكتلة الجزيئية للعادم، ما يزيد من سرعة العادم وبالتالي الدفع النوعي (وكفائدة جانبية، تنخفض درجة الحرارة والتبريد أيضاً). هذا التأثير يُفضل العناصر الأخف وزناً كالهيدروجين النقي. مع ذلك، فإن قوة الدفع الكلية مهمة أيضاً، خاصة في أعماق بئر الجاذبية ، وكثافة الكيروسين تُمكّن من توليد طاقة ودفع أعلى بكثير من الهيدروجين (مقارنة بكتلة المحرك).

وبشكل عام، وبفضل ارتفاع الطاقة لكل وحدة كتلة وانخفاض الكتلة الجزيئية، تحقق محركات الهيدروجينمن 370 إلى 465  ثانية ، بينما تولد محركات الكيروسين _تيارًا ذاتيًا في نطاقمن ٢٧٠ إلى ٣٦٠ ثانية  ؛ في المقابل، يتميز الكيروسين بسهولة التعامل معه، وكثافته، ونسبة الدفع إلى الوزن. أحد الحلول الشائعة هو استخدام صاروخ متعدد المراحل، حيث تستخدم المرحلة الأولى الكيروسين عندما يكون الدفع هو الأهم، بينما تستخدم المراحل العليا الهيدروجين عندما يكون الدفع النوعي هو الأهم. من أمثلة هذا التصميم ثنائي الوقود صاروخ ساتورن ٥ المستخدم في رحلات القمر، وصاروخ أطلس ٥ العملي.

يُعدّ الميثان خيارًا وسطًا بين الهيدروجين والكيروسين، إذ يتميز بكتلة جزيئية وكفاءة متوسطتين، وسهولة في التعامل، وخصائص متوسطة فيما يتعلق بتكوين الفحم/التراكم، وكثافة أقل بقليل من الكيروسين. ونظرًا لأن صعوبات التعامل مع الميثان، وإن كانت أسوأ من الكيروسين، تُقارب صعوبات التعامل مع الأكسجين السائل، فإن ذلك يعني أن صاروخ الميثالوكس سهل التعامل تقريبًا مثل صاروخ الكيرولوكس، ولكنه يتميز بكفاءة ونظافة أفضل (مع بقاء هذه الأخيرة أقل من الهيدروجين). علاوة على ذلك، فإن هذا التوازن بين الكفاءة والطاقة يجعل الميثان أكثر ملاءمة للصواريخ أحادية الوقود، والتي أثبتت أنها أكثر اقتصادية من الصواريخ ثنائية الوقود (نظرًا لبساطتها). ونتيجة لذلك، عاد الميثالوكس ليحظى بشعبية متزايدة في صواريخ القرن الحادي والعشرين، على حساب الهيدرولوكس (الذي يتميز بكفاءة أفضل) والكيرولوكس (الذي يتميز بسهولة التعامل). ومن الأمثلة على ذلك: ستار شيب ، ونيو غلين ، والمرحلة الأولى من فولكان ، وزوك-2 .

أثناء إيقاف تشغيل المحرك، يتوقف تدفق الوقود بسرعة، بينما لا يزال المحرك ساخنًا. قد يتصلب الوقود المتبقي والمحتبس أو حتى يتفحم في النقاط الساخنة أو في المكونات الساخنة. حتى بدون وجود نقاط ساخنة، يمكن للوقود الثقيل أن يُخلّف رواسب بترولية، كما هو الحال في خزانات البنزين أو الديزل أو وقود الطائرات التي ظلت في الخدمة لسنوات. تتميز محركات الصواريخ بدورة تشغيل تُقاس بالدقائق أو حتى الثواني، مما يمنع تراكم الرواسب الثقيلة. مع ذلك، تُعد الصواريخ أكثر حساسية للرواسب، كما ذُكر سابقًا. لذا، تتطلب أنظمة الكيروسين عادةً عمليات تفكيك وإصلاح أكثر، مما يزيد من تكاليف التشغيل والعمالة. تُعد هذه مشكلة للمحركات المستهلكة، وكذلك للمحركات القابلة لإعادة الاستخدام، لأن المحركات يجب أن تُشغّل أرضيًا عدة مرات قبل الإطلاق. حتى اختبارات التدفق البارد، التي لا يتم فيها إشعال الوقود، قد تُخلّف رواسب.

من ناحية أخرى، عند ضغط أقل من 1000 رطل لكل بوصة مربعة (7 ميجا باسكال) في غرفة الاحتراق، قد يُنتج الكيروسين رواسب دخانية على السطح الداخلي للفوهة وبطانة غرفة الاحتراق. تعمل هذه الرواسب كطبقة عازلة مهمة، مما يُقلل من تدفق الحرارة إلى الجدار بمقدار النصف تقريبًا. مع ذلك، تعمل معظم محركات الهيدروكربون الحديثة فوق هذا الضغط، لذا لا يُعد هذا التأثير ذا أهمية كبيرة بالنسبة لمعظم المحركات.  

شهدت محركات الهيدروكربونات الثقيلة الحديثة تعديلات في مكوناتها ودورات تشغيلها، سعيًا منها لتحسين إدارة الوقود المتبقي، وتحقيق تبريد تدريجي، أو كليهما. ومع ذلك، لا تزال مشكلة مخلفات البترول غير المتفككة قائمة. وقد حاولت محركات جديدة أخرى تجاوز هذه المشكلة تمامًا، بالتحول إلى استخدام هيدروكربونات خفيفة مثل غاز الميثان أو البروبان . وكلاهما مواد متطايرة، لذا تتبخر مخلفات المحرك ببساطة. ويمكن، عند الضرورة، تمرير مذيبات أو مواد تنظيف أخرى عبر المحرك لإتمام عملية التشتيت. يصعب كسر السلسلة الكربونية القصيرة للبروبان (جزيء C3)؛ أما الميثان، بذرة كربون واحدة (C1 _{) ،} فهو ليس سلسلة بالمعنى الدقيق. كما أن نواتج تحلل كلا الجزيئين غازات، مما يقلل من مشاكل انفصال الطور، ويقلل بشكل كبير من احتمالية البلمرة والترسب. ومع ذلك، يعيد الميثان (وإلى حد أقل البروبان) إحياء صعوبات التعامل التي دفعت إلى استخدام الكيروسين في المقام الأول. 

يُوفر انخفاض ضغط بخار الكيروسين أمانًا لأطقم الصيانة الأرضية. مع ذلك، يحتاج خزان الكيروسين أثناء الطيران إلى نظام ضغط منفصل لتعويض كمية الوقود المُستنفدة. عادةً ما يكون هذا النظام عبارة عن خزان منفصل مملوء بسائل أو غاز خامل عالي الضغط ، مثل النيتروجين أو الهيليوم . يُضيف هذا النظام تكلفة ووزنًا إضافيين. لا تحتاج المواد الدافعة المبردة أو المتطايرة عمومًا إلى نظام ضغط منفصل؛ فبدلًا من ذلك، يتم تمديد جزء من الوقود (غالبًا باستخدام حرارة المحرك) ليتحول إلى غاز منخفض الكثافة، ثم يُعاد توجيهه إلى خزانه. بعض تصميمات الوقود شديد التطاير لا تحتاج حتى إلى دائرة الغاز؛ إذ يتبخر جزء من السائل تلقائيًا لملء خزانه الخاص. تستخدم بعض الصواريخ غازًا من مولد غاز لضغط خزان الوقود؛ وعادةً ما يكون هذا الغاز هو غاز العادم من مضخة توربينية . على الرغم من أن هذا يوفر وزن نظام الغاز المنفصل، إلا أن الدائرة ستتعامل الآن مع غاز ساخن متفاعل بدلًا من غاز بارد خامل.

بغض النظر عن القيود الكيميائية، يواجه وقود RP-1 قيودًا في الإمداد نظرًا لصغر حجم صناعة مركبات الإطلاق مقارنةً بمستهلكي البترول الآخرين. ورغم أن سعر هذا الهيدروكربون عالي التكرير لا يزال أقل من العديد من أنواع وقود الصواريخ الأخرى، إلا أن عدد موردي RP-1 محدود. وقد حاولت بعض المحركات استخدام منتجات بترولية أكثر شيوعًا وانتشارًا، مثل وقود الطائرات أو حتى الديزل (على سبيل المثال، يمكن لمحرك E2 التابع لشركة ABL Space Systems العمل إما بوقود RP-1 أو وقود الطائرات Jet-A ). وباستخدام طرق تبريد بديلة أو إضافية، يمكن لبعض المحركات تحمل التركيبات غير المثلى.

ينتج عن احتراق أي وقود هيدروكربوني تلوث هوائي أكبر من احتراق الهيدروجين وحده. ينتج عن احتراق الهيدروكربونات انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ وأول أكسيد الكربون (CO) والهيدروكربونات (HC)، بينما يتفاعل الهيدروجين (H₂ ₎ مع الأكسجين (O₂ ₎ لإنتاج الماء (H₂O) فقط _، مع انطلاق كمية من الهيدروجين غير المتفاعل _. ينتج عن كل من الوقود الهيدروكربوني ووقود الهيدروجين ملوثات أكاسيد النيتروجين (NOₓ ₎ ، لأن درجات حرارة عادم الصواريخ التي تتجاوز 1600 درجة مئوية (2900 درجة فهرنهايت) ستؤدي إلى دمج حراري لبعض النيتروجين (N₂ ₎ والأكسجين (O₂ ₎ الموجودين أصلاً في الغلاف الجوي، لتكوين أكاسيد النيتروجين.  

استخدمت الصواريخ الأولية التي صممها روبرت إتش. جودارد البنزين.

أثناء تطوير مواصفات RP-1، كانت شركة روكيتداين تجري تجارب على ثنائي إيثيل سيكلوهكسان . ورغم تفوقه على RP-1، لم يُعتمد للاستخدام قط ، إذ لم تكتمل تركيبته قبل تطوير صاروخي أطلس وتيتان 1 (المصممين بناءً على RP-1)، مما أدى إلى أن يصبح RP-1 وقود الصواريخ الهيدروكربوني القياسي. ^{[ 11 ]} 

تمت مناقشة التركيبات السوفيتية أعلاه. بالإضافة إلى ذلك، استخدم السوفيت لفترة وجيزة مادة سينتين ( بالروسية: синтин )، وهي تركيبة ذات طاقة أعلى، تُستخدم في المراحل العليا . سينتين هو 1-ميثيل-1،2-ثنائي سيكلوبروبيل سيكلوبروبان ( C₁₀ ساعات₁₆ ). تعمل روسيا أيضاً على تحويل مركبةسويوز-2من وقود RP-1 إلى وقود "نفتيل" ^{[ 12 ]} أو "نفثيل". ^{[ 13 ] [ 14 ]}

بعد معيار RP-1، تم تطوير معيار RP-2. ويكمن الاختلاف الرئيسي في انخفاض محتوى الكبريت فيه. ومع ذلك، ولأن معظم المستخدمين يقبلون معيار RP-1، لم يكن هناك حافز يُذكر لإنتاج وتخزين تركيبة ثانية، حتى وإن كانت أندر وأكثر تكلفة.

أطلقت مجموعة OTRAG مركبات تجريبية باستخدام مزيجات وقود أكثر شيوعًا. وفي حالة واحدة على الأقل، تم دفع صاروخ بوقود الديزل . ومع ذلك، لم يقترب أي صاروخ تابع لمجموعة OTRAG من المدار.

• شميدت، إيكارت دبليو (2022). "كيروسين من فئة الصواريخ RP-1". الكيروسينات . موسوعة الوقود السائل . دي جرويتر. ص 3642 – 3683. دوى : 10.1515 / 9783110750287-031 . رقم ISBN  978-3-11-075028-7.

• وقود دافع من نوع لوكس/كيروسين
• وقود الصواريخ