وتعتمد محركات الصواريخ الحديثة اعتمادا كبيرا على استخدام الأكسجين السائل [LOX] ] و]RP-1 (وهو شكل من أشكال الكيروزن ذاتي عالي الدقة) كمواد للوقود، وهذه المواد حاسمة في تحقيق الكفاءة العالية والتوجه اللازمين لاستكشاف تاريخ الفضاء ونشره بواسطة السواتل.

The Significance of Liquid Oxygen and RP-1 in Rocket Propulsion

(أ) الأكسدة السائلة هي الأوكسيدر في تركيبة الوقود، حيث توفر الأكسجين اللازم للحرق.

ومن المزايا الرئيسية للمجموعة LOX/RP-1، قدرتها على التخزين عند درجة حرارة مأمونة لعنصر RP-1، الذي يبسط مناولة الأرض مقارنة بالهيدروجين المبرد، بالإضافة إلى أن مجموعة RP-1 لا تعاني من مشاكل الاختزال الهيدروجينية التي تصيب النظم ذات الوقود الهيدروجيني، كما أن تركيبة الوقود التي تستخدم الكيروسين تمثل أيضاً ارتفاعاً في الازدحام، مما يعني زيادة في التر

وفيما عدا مركبات الإطلاق، تستخدم الطائرة LOX/RP-1 أيضا في المراحل العليا التي يلزم فيها ساحل طويل الأجل، مثل المرحلة العليا للقنتور (على الرغم من أن سنتور يستخدم الهيدروجين)، غير أن مستقبل الدفع بالصواريخ قد يرى تحولات نحو الميثان أو الهيدروجين، ولكن لا يزال LOX/RP-1 يشكلان أداة عمل لتطبيقات المرحلة الأولى التي بنيت على أساس موثوقيتها الثابتة وفعالية تكاليفها.

معالجة تعقيدات الأوكسجين السائل

ويطرح تناول الأكسجين السائل تحديات فريدة بسبب طابعه المسبب للبكاء، ويجب تخزينه في درجات حرارة منخفضة للغاية (-183 درجة مئوية)، مما يتطلب صهاريجاً متخصصة ومعدات نقل، كما أن السائل المنوي يسبب تفاعلاً كبيراً ويمكن أن يتسبب في أن تصبح المواد رشوة، ويزيد من خطر التسرب أو الفشل، وبالإضافة إلى ذلك، فإن السائل المسيّج (LOX) هو مادة قوية، مما يعني أنه يمكن أن يتسبب في نقل مواد قابلة للتشغيلة إلى حدّة.

التخزين ونقل المواد الكيميائية

ويُخزن الأكسجين السائل عادة في خزانات مزودة بمزدوجات ذات عجلات مزدوجة (ديوار) للتقليل إلى أدنى حد من المغلي، وحتى مع العزل الممتاز، فإن بعض المواد الصنعية لا مفر منها، بحيث تُفتح الصهاريج لمنع تراكم الضغط، وتُفتح المضخة عادة أمام الغلاف الجوي، ولكن في عمليات أكبر، يمكن استخلاصها وإعادة ضبطها.

وقبل أن يُؤجّر النظام بأكمله يجب أن يكون مكيفاً ] بتدفق كميات صغيرة من الـ LOX ببطء لتبريد الأنابيب والدبابات، ومنع الصدمة الحرارية التي يمكن أن تسبب فشلاً هيكلياً، ثم يرتفع معدل التدفق تدريجياً إلى المستوى المرغوب فيه، وعند التحميل، يرصد المشغلون مستوى الصهاريج والضغط ودرجة الحرارة عن كثب.

المقارنات المادية والاختلاط الوطيد

وفي - 183 درجة مئوية، يصبح الكثير من المواد الهندسية المشتركة منتشراً للغاية، فالفولاذ الكربوني، مثلاً، سيكسر تحت تأثيره، وبالتالي فإنه محظور تماماً في نظم الأشعة فوق البنفسجية، بل يجب اختيار الفولاذ غير القابل للصدأ من أجل محتوى النيكل (عادة ما يكون 8-10 في المائة من النيكل) للحفاظ على مقاومة التأثير، كما أن التلوث باللونات الخماسية هو مصدر قلق بالغ.

إن مسألة التوافق بين الـ والأوكسجين ] تمتد إلى جدران الصهريج نفسها، ويجب أن تكون داخل خزانات الـ (LOX) خالية من أي هيدروكربونات يمكن أن تشتعل، فمعايير الفضاء مثل طبقة الـ (ناسا-STD-6001) تفصل عمليات التنظيف والتفتيش بالإضافة إلى أي فرك أو تأثير أو احتكاك داخل الصه

بروتوكولات السلامة والعمليات الأرضية

ونظراً إلى رد الفعل المفرط للذخائر غير المتفجرة، فإن بروتوكولات الأمان من بين أشدها صرامة في صناعة الفضاء الجوي، ويجب على جميع الموظفين الذين يتعاملون مع هذه المادة أن يرتدوا معدات حماية كاملة من الأجسام المضادة للدبابات ومقاومة للإحصائيات، وتصمم مجمعات الإطلاق بأفران التحكم عن بعد ونظم فتحات الطوارئ ونظم إبطال الماء لتعطيل أي أكسجين مفرج عنه، وتُطَّر المنطقة المحيطة بمنطقة تحميل غير مأمونة.

وثمة خطر محدد يتمثل في تشكيل أجواء مثرية من الأوكسجين .

وعلاوة على ذلك، كثيراً ما تكون المادة (LOX) مكرَّسة (مخصَّصة) لزيادة الكثافة والحد من الغليان، وهذا ينطوي على تبريد المادة (LOX) دون نقطة الغليان العادية إلى حوالي - 189 درجة مئوية، مما يزيد الكثافة بنسبة 10 في المائة، وفي حين أن الفائدة على الأداء، فإنَّ الأشعة المكثيفة لليدوكس أكثر صعوبة في التعامل معها لأنَّ فروقات في الحرارة والسائل أقرب إلى نقطة التجمُّد (219 درجة مئوية).

معالجة تعقيدات المسؤولية عن الحماية

أما RP-1، لكونها من نوع الكيروسين المحسن، فهي قابلة للاشتعال وتتطلب معالجة دقيقة لمنع الحرائق أو التفجيرات، ويجب تصميم خزانات التخزين لمنع تسرب البخار، وتخضع إجراءات الوقود للرقابة بعناية للتقليل إلى أدنى حد من المخاطر، وخلافاً للتكفير، فإن RP-1 يخزن في درجات حرارة المحيط، مما يجعل من السهل التعامل معها إلى حد ما، غير أن قابلية ارتطامها تتطلب تدابير أمان صارمة وتدريباً مناسباً للموظفين.

تركيب الوقود وتخزينه

أما RP-1 فهي درجة عالية من الصقل من الكيروسين مع نطاق تفكك محكم ونقطة واقية عالية (تزيد من 38 درجة مئوية) وهي تحتوي على مستويات منخفضة جدا من الهيدروكربونات العائمة التي لا يمكن أن تكون مجهزة بالغاز المجهزة والفولاذية في حجرة التربص والحرق التابعة للمحرك.

ويطرح التخزين الطويل الأجل لل RP-1 تحديات أمام ]تشكيلات لغم ] ويمكن أن يؤدي التعرض للهواء على مدى أشهر أو سنوات إلى تأكسد وتشكيل رواسب ثابتة تُرشّح أجهزة التنظيف والقذف، ومن أجل التصدي لذلك، تُضاف المواد المؤثرة (مثل غطاء الفينيلين) إلى الوقود.

عمليات النقل والوقود

إن ضخ صاروخ مع RP-1 عملية مصممة بدقة، ويضخ الوقود من خزانات التخزين من خلال خطوط أنابيب مخصصة إلى مركبة الإطلاق، ويمكن أن تكون معدلات الانفجار مرتفعة للغاية (بآلاف لترات في الدقيقة) لملء خزانات كبيرة بسرعة، وتزيل نظم التصوير أي تلوث جسيم يمكن أن يلحق الضرر بالمحرك، وقبل أن تغذي معدات الدعم الأرضية مطروحة بأجهزة النيتروجين لمنع أي خليط من خطوط الوقود.

فالكهرباء الثابتة تشكل خطرا كبيرا، لأن RP-1 سائل غير موصل (نقص السلوك الكهربائي)، ويمكن أن تتراكم رسوم ثابتة عندما تتدفق من الأنابيب، وإذا كانت الشحنات تعمل على شرارة، فإنها يمكن أن تشعل بخار الوقود، وبدلا من ذلك، تكون جميع معدات الوقود مثبتة ومربوطة، ويقتصر معدل التدفق على الحد من التوليد الدقيق للمحركات.

وثمة تعقيد تشغيلي آخر يتمثل في ضرورة إزالة الغازات المذوبة، وعندما يضخ رشاش من طراز RP-1 إلى صهريج، يمكن أن يخلق رغاوي وهواء فخ، ومن الناحية النموذجية، يُستغنى عن الوقود ثم يسمح له بالاستيطان، وتستخدم بعض مواقع الإطلاق إجراء [(FLT:0]) للتنقية حيث يتم تعميم الوقود من خلال مبادلات حرارية لإزالة المكونات المتطايرة قبل التحميل.

الوقاية من الحرائق ومكافحة الحرائق

وفي حين أن RP-1 لديها نقطة وميض عالية نسبيا، فإنها لا تزال تشتعل إذا كان مصدر حرارة موجودا، وتخلق الطلقات من صهاريج ملئ أو تمزقات خرافية مجمعات من الوقود يمكن أن تنتشر بسرعة، كما أن احتواء الرغاوي يتم عن طريق تطهير المنطقة بالبذور وضمان أن يكون لدى مهبط الإطلاق نظام صرف يُوجه الانسكابات من المعدات الحيوية.

ويُرصد إطلاقات البخار، وفي المناطق المغلقة، يُستخدم التهوية القسرية لإبقاء تركيزات البخار تحت الحد الأدنى من المتفجرات (اللتر المميت) التي تبلغ حوالي 0.6 في المائة بالحجم، ويشمل التدريب كيفية التصدي لانسكاب الوقود وكيفية إغلاق الصمامات، ومتى يُخلي سبيلها.

مقارنة التحديات الماثلة ومتآزرة

وفي حين أن الأشعة المقطعية والبروتينية - 1 تستخدمان معاً، فإن تحديات مناولةهما متمايزة وتتطلب في كثير من الأحيان مناطق وإجراءات مستقلة للسلامة، ويهيمن على مناولة الأشعة فوق البنفسجية بدرجات حرارة مبردة وخطر الأكسدة؛ ويركز المناولة على قابلية الارتحال والكهرباء الثابتة، وفي الممارسة العملية، يتم تحميل المروحين في درجات حرارة - 1 نظراً إلى درجة حرارة عالية، ويحد أقصى حد، ويتبعها ارتفاع حرارة الارتفاع - صفر - 1

وينشأ تآزر مثير للاهتمام في عملية الحرق ، وعلى المحرك نفسه أن يبدأ تدفق RP-1 و LOX بمعدلات خاضعة للرقابة الدقيقة، وإذا دخل الوقود إلى الغرفة قبل الأكسيد، هناك خطر انفجار غني بالوقود، وعلى العكس من ذلك، إذا دخل الساتل LOX أولا، فإنه يمكن أن يخلق بيئة غنية بالأكسجين تلحق أضراراً بالهشاشة.

وثمة تآزر آخر هو خطر التلوث ]. وإذا كان هناك قدر صغير من RP-1 يتسرب إلى نظام LOX، فإن النتيجة يمكن أن تكون انفجارا كارثيا، وبالتالي فإن نظم تخزين ونقل الوقود مفصولة ماديا، ويجري إجراء عمليات فحص صارمة لضمان عدم تطهيرها، ويقسم موقع الإطلاق إلى مناطق LOX وجميع المعدات الجاهزة.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات المتطورة

ولا تزال معالجة السائل المنوي المسيّر والقاذف الرئوي (LOX) تتطور مع التقدم في المواد والمجسّسات والتشغيل الآلي، وتعود المواد المركبة الجديدة للدبابات المسببة للبكاء بتقليل الوزن وتحسين العزلة، مما قد يقلل من المبيعات ويبسط مناولة المناولة، وتصبح نظم الوقود الآلية أكثر موثوقية، مع رصد درجة الحرارة والضغط والتدفق في الوقت الحقيقي لمنع حدوث حالات الاضطرابات.

وهناك أيضا اتجاه نحو كثافة حرارة السائل المحتوي على السائل المسيل، كما هو رائد في شركة " ساكس " ، ولا يزيد التكثيف من الكتلة المدافعة فحسب، بل يقلل أيضا من الحاجة إلى صهاريج عالية الضغط لأن السائل المحتوي على السائل أقل احتمالا بأن يلوح إلى بخار في الخطوط، غير أن ذلك يتطلب هياكل أساسية إضافية للتبريد ومراقبة دقيقة لدرجات السائل المحتوي على السائل المي أثناء التحميل.

وبالنسبة للنقطة RP-1، تواصل البحوث المتعلقة بتطوير متغيرات مستقرة حرارياً أكثر يمكن أن تكون مبردات متجددة في درجات حرارة أعلى، مما يمكن أن يتيح للمحركات العمل في ضغطات أعلى من الغرف دون أن تختلط قنوات التبريد، وتستكشف بعض الجهود مزيجاً من RP-1 مع كميات صغيرة من المواد المضافة للحد من تكوين الفول السوداني.

وربما كان أهم اتجاه هو التحول نحو الميثان كوقود للصواريخ، كما يُنظر إليه في مركبي سباكس وشركة أزرق أوريغين بي-4، حيث أن الميثان يقدم أداء أفضل من RP-1 ويسهل مناولة الهيدروجين، ولكنه لا يزال يتطلب مرافق مسببة للبكاء، غير أن البنية التحتية الواسعة التي بنيت حول LOX/RP-1 لن تصبح متقادمة بين عشية وضحاها.

خاتمة

إن الجمع بين الأكسجين السائل و RP-1 أساسي في الدفع بالصواريخ الحديثة، مما يتيح إطلاقات عالية الأداء، وعلى الرغم من مزاياهما، فإن كلا الدافعين يتطلبان بروتوكولات مناولة وسلامة دقيقة بسبب خصائصهما القصوى، وسيستمر التقدم في تكنولوجيا التخزين وعلوم المواد وتدابير السلامة في تحسين موثوقية وسلامة عمليات الوقود الصاروخي، حيث أن الأوساط الفضائية الجوية تضغط على إعادة الاستخدام وانخفاض التكاليف، وهي الدروس المستفادة من جيل - 1