وقود زيب

يُعرف وقود زيب ، أو الوقود عالي الطاقة ، بأنه أي نوع من أنواع وقود الطائرات النفاثة التي تحتوي على إضافات على شكل مركبات هيدروبورون، أو البوران . يوفر وقود زيب كثافة طاقة أعلى من أنواع الوقود التقليدية، مما يُسهم في زيادة مدى الطائرات النفاثة. في خمسينيات القرن الماضي، عندما كان المدى القصير للطائرات النفاثة يُمثل مشكلة رئيسية للمخططين العسكريين، كان وقود زيب موضوعًا لدراسات مُكثفة.

صُممت عدة طائرات لاستخدام وقود الطائرات النفاثة، بما في ذلك طائرات XB-70 فالكيري و XF-108 رابير ، بالإضافة إلى طائرة بومارك ، وحتى برنامج الطائرات التي تعمل بالطاقة النووية . وقد فكرت البحرية في تحويل جميع محركاتها النفاثة إلى وقود الطائرات النفاثة، وبدأت دراسات لتحويل حاملات طائراتها لتخزينه بأمان.

أظهرت الاختبارات أن أنواع الوقود تعاني من عدة مشاكل خطيرة، وتم إلغاء المشروع بأكمله في النهاية عام 1959.

يُعدّ الهيدروجين الوقود ذو أعلى كثافة طاقة (بالوزن) في تركيبات الوقود الشائعة . مع ذلك، يتميز الهيدروجين الغازي بكثافة منخفضة جدًا (حجميًا)؛ أما الهيدروجين المسال فيتميز بكثافة أعلى، لكن تخزينه معقد ومكلف. عند دمجه مع الكربون، يُمكن تحويل الهيدروجين إلى وقود هيدروكربوني سهل الاحتراق . تحتوي عناصر أخرى، مثل الألومنيوم والبريليوم ، على طاقة أعلى من الكربون، لكنها لا تمتزج جيدًا لتكوين وقود مستقر سهل الاحتراق. ^{[ 1 ]}

من بين جميع العناصر منخفضة الكتلة، يتميز البورون بمزيج من الطاقة العالية والوزن الخفيف والتوافر الواسع، مما يجعله وقودًا محتملاً واعدًا. ^{[ 1 ]} تتمتع البورانات بطاقة نوعية عالية ، تبلغ حوالي 70,000  كيلوجول/كيلوجرام (30,000  وحدة حرارية بريطانية/رطل). وهذا يُقارن بشكل إيجابي مع وقود الكيروسين التقليدي ، مثل JP-4 أو RP-1 ، الذي يوفر حوالي 42,000  كيلوجول/كيلوجرام (18,000  وحدة حرارية بريطانية/رطل). ^{[ 2 ]} ومع ذلك، فهي غير مناسبة للاحتراق كوقود بمفردها، لأنها غالبًا ما تكون عرضة للاشتعال الذاتي عند ملامستها للهواء، مما يجعل التعامل معها خطيرًا. ^{[ 3 ]}

عند مزجها مع وقود الطائرات التقليدي، تزيد هذه المواد من محتواها من الطاقة مع زيادة استقرارها نوعًا ما. وبشكل عام، توفر أنواع الوقود المعززة بالبورون كثافة طاقة أعلى بنسبة تصل إلى 40% من وقود JP-4 العادي، سواءً من حيث الوزن أو الحجم. ^{[ 3 ] [ 4 ]} في الولايات المتحدة، خضعت مجموعة كاملة من أنواع الوقود للدراسة، وأُطلق عليها عمومًا الأسماء التي خُصصت لها خلال مشروع HEF التابع لسلاح الجو: HEF-1 (إيثيل ثنائي البوران)، وHEF-2 (بروبيل خماسي البوران)، وHEF-3 (إيثيل ديكابوران)، وHEF-4 (ميثيل ديكابوران)، وHEF-5 (إيثيل أسيتيلين ديكابوران). ^{[ 4 ]}

تُعاني أنواع الوقود غير التقليدية من عدة عيوب. أولها، أن هذا الوقود سام، وكذلك عادمه. لم يكن هذا الأمر مصدر قلق كبير أثناء الطيران، ولكنه كان مصدر قلق بالغ لأطقم الصيانة الأرضية التي تُجري الصيانة للطائرة. يحترق هذا الوقود مُنتجًا مواد صلبة لزجة ومُسببة للتآكل، بينما تُعدّ كربيدات البورون الصلبة مواد كاشطة. وقد تسبب هذا في مشاكل خطيرة لشفرات التوربينات في المحركات النفاثة، حيث تراكم العادم على الشفرات وقلل من كفاءتها، وفي بعض الأحيان تسبب في عطل كارثي للمحرك. ^{[ 5 ] [ 6 ]} أخيرًا، يمتلئ عمود العادم بالجسيمات، كما هو الحال مع دخان الفحم، مما يسمح برصد الطائرة بصريًا من مسافة بعيدة.

في النهاية، تبيّن أن مشكلة احتراق وقود الديزل عالي الطاقة (HEF) في جميع أنحاء المحرك عصية على الحل. كان إزالة التراكمات أمرًا صعبًا، وكان التآكل الناتج عنها مشكلةً عجز علم المواد عن معالجتها. كان من الممكن حرقه بسهولة نسبية في غرفة احتراق لاحقة ، لكن هذا لن يكون فعالًا إلا في الطائرات التي تستخدم غرفة الاحتراق اللاحق لفترات طويلة. وبالإضافة إلى التكلفة الباهظة لإنتاج الوقود ومشكلات السمية، انخفضت قيمة وقود الديزل عالي الطاقة بشكل كبير.

بعد تراجع الاهتمام بالبوران كوقود للطائرات النفاثة، استمرت بعض الأبحاث الصغيرة النطاق حول استخدامه كوقود للصواريخ. وقد ثبت أيضاً أن هذا الطريق مسدود: إذ تداخلت أكاسيد البورون الصلبة في نواتج الاحتراق مع الديناميكا الحرارية المتوقعة، ولم يكن من الممكن تحقيق مزايا الدفع. ^{[ 7 ]}

أُجريت العديد من الدراسات على أنواع الوقود المُعالجة بالبورون على مر السنين، بدءًا من مشروع هيرميس التابع للجيش الأمريكي والمتعلق بالصواريخ في أواخر الأربعينيات، ومشروع زيب التابع لمكتب الطيران التابع للبحرية الأمريكية عام 1952، ^{[ 3 ]} ومشروع إتش إي إف (وقود عالي الطاقة) التابع للقوات الجوية الأمريكية عام 1955. ^{[ 8 ]} وخلال معظم فترة الخمسينيات، اعتُبر وقود زيب بمثابة "التقنية الرائدة القادمة"، وأُنفقت مبالغ طائلة على هذه المشاريع في محاولة لإدخاله حيز الاستخدام. وقد ترسخ اسم "وقود زيب" في البحرية، وأصبح يُعرف باسم جميع أنواع الوقود المُعالجة بالبورون، على الرغم من أن تسمية القوات الجوية لهذا النوع من الوقود أصبحت شائعة.

استندت الركيزة الأساسية لبرنامج القوات الجوية على وقود HEF-3، الذي بدا المرشح الأنسب للتطبيق السريع. أصبح وقود HEF جزءًا من جهود برنامج WS-110 لبناء قاذفة قنابل جديدة بعيدة المدى تحل محل قاذفة B-52 ستراتوفورتريس، بتصميم قادر على الانطلاق بسرعات تصل إلى ضعف سرعة الصوت (ماخ 2). استخدمت التصاميم الأولية من بوينغ ونورث أمريكان أفييشن (NAA) أنواع الوقود التقليدية للإقلاع والتحليق، ثم تحولت إلى وقود HEF أثناء الانطلاق بسرعات عالية، حيث تم حرقه فقط في أقسام الاحتراق اللاحق. ^{[ 9 ]} وقد تجنب هذا النهج المشاكل الرئيسية لوقود HEF؛ فبحرقه فقط في أقسام الاحتراق اللاحق، تم التخلص من مشكلة تراكم الرواسب على التوربين، وبما أن أقسام الاحتراق اللاحق كانت تُستخدم فقط للإقلاع والطيران بسرعات عالية، فقد انخفضت مشاكل العادم السام بشكل كبير.

عندما تبيّن أن التصاميم الأولية باهظة التكلفة لدرجة لا تبرر التحسن الطفيف نسبيًا في الأداء، عاد كلا المصممين إلى مرحلة التصميم، وابتكرا تصاميم جديدة قادرة على الطيران بسرعات تفوق سرعة الصوت خلال معظم المهمة القتالية. استندت هذه التصاميم إلى محركات جديدة مصممة للطيران المستمر بسرعات عالية، حيث وصل كل من محركي NAA B-70 Valkyrie و General Electric J93 إلى مرحلة النموذج الأولي. في هذه الحالات، استُخدمت الحارقات اللاحقة لفترة أطول، مما زاد من فوائد وقود HEF. كانت هناك خطط لإدخال نسخة لاحقة من محرك J93 تستخدم وقود HEF-4 بشكل مستمر. في الوقت نفسه، أُجريت دراسات حول استخدام وقود HEF-3 في محركات BOMARC النفاثة، ^{[ 10 ]} بالإضافة إلى دراسات حول نقله إلى أسطول حاملات الطائرات التابع للبحرية الأمريكية لتشغيل الطائرات المستقبلية، إلا أن هذين البرنامجين توقفا.

نظرًا لتفاقم المشاكل، ألغى سلاح الجو الأمريكي برنامجه عام 1959، وتلاشى الاهتمام بالطائرات بدون طيار بشكل شبه كامل. في ذلك الوقت، كان التصميم الوحيد الذي لا يزال يفكر في استخدام وقود الطائرات عالي الطاقة هو طائرة XB-70 ومحركها J93. استجابت شركة NAA وجنرال إلكتريك بإعادة تصميم المحرك ليعمل بنوع جديد من وقود الطائرات عالي الكثافة، وهو JP-6، وملء أحد حجرتي القنابل بخزان وقود جديد. ونتيجة لذلك، انخفض المدى بشكل كبير من حوالي 7700 إلى 5500 ميل بحري (14300 إلى 10200 كم) . ^{[ 4 ]} قلل هذا من خيارات الأهداف التي يمكن مهاجمتها من الولايات المتحدة، وتطلب التزود بالوقود في الجو لكل مهمة، وهي مشكلة أخرى أدت في النهاية إلى تحويل المشروع إلى طائرة تجريبية بحتة. 

تشير التقديرات إلى أن الولايات المتحدة أنفقت حوالي مليار دولار على البرنامج، بالأسعار المعدلة وفقًا للتضخم لعام 2001. ^{[ 8 ]} تم بناء خمسة مصانع على الأقل لإنتاج وقود الهيدروجين عالي الطاقة في الولايات المتحدة، وقُتل عاملان في انفجار دمر أحد المصانع في نيويورك. ^{[ 8 ] [ 11 ]} صُنّف معظم البرنامج سريًا للغاية أثناء تنفيذه، ومع ذلك فقد حظي بتغطية واسعة في كل من الصحافة المتخصصة والصحف المدنية. ^{[ 12 ]}

قامت كل من الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي بشكل مستقل برفع السرية عن أبحاثهما في عام 1964.

أدت أبحاث وقود Zip إلى استخدام ثلاثي إيثيل البوران كعامل إشعال لوقود JP-7 المستخدم في طائرة SR-71 بلاكبيرد. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

من الآثار المتبقية المحتملة لبرنامج وقود الهيدروجين عالي الطاقة (HEF) مهبط طائرات ترابي مهجور خارج مدينة بورون بولاية كاليفورنيا . يُشار إليه على الخرائط الطبوغرافية لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية باسم "مصنع القوات الجوية رقم 72"، ولم يُبنَ في الموقع سوى مدرج الطائرات وخزان مياه. يُعتقد أن هذا الموقع كان مصنعًا لوقود الهيدروجين عالي الطاقة، مستفيدًا من رواسب البوراكس الكبيرة القريبة (التي استمدت المدينة اسمها منها)، حيث كان من السهل شحنه إلى قاعدة إدواردز الجوية . ^{[ 4 ]}