ما هي مزايا الدفع الصاروخي بالهيدروجين السائل والأكسجين السائل؟
الهيدروجين السائل والأكسجين السائل هما غازان صناعيان سائلان شائعان، ولكل منهما خصائصه الخاصة من حيث الخصائص الكيميائية والتطبيقات والتخزين والمعالجة
الهيدروجين السائل (LH2):
الخاصية الكيميائية:
يتحول غاز الهيدروجين إلى سائل عند درجات حرارة منخفضة للغاية (-253 درجة مئوية).
إنه أخف عنصر في الكون، عديم اللون والرائحة، وذو قيمة احتراق حرارية عالية للغاية.
غاية:
يتم استخدام الهيدروجين السائل بشكل أساسي كوقود للصواريخ، وخاصة في صناعة الطيران، حيث يتم دمجه مع الأكسجين السائل كوقود.
في أبحاث الفيزياء التجريبية، يمكن استخدام الهيدروجين السائل كمبرد.
حاملات الطاقة المحتملة التي يمكن استخدامها في اقتصاد طاقة الهيدروجين.
التخزين والمناولة:
تتطلب الحاويات المعزولة بشكل كبير الحفاظ على حالة درجة الحرارة المنخفضة، وعادةً ما يتم ذلك باستخدام مواد فائقة الامتصاص.
نظرًا لكون الهيدروجين غازًا قابلًا للاشتعال، فإن هناك حاجة إلى تدابير صارمة لمنع الحرائق والانفجارات أثناء التخزين والمناولة.
الأكسجين السائل (LOX):
الخاصية الكيميائية:
يتحول الأكسجين إلى سائل عند درجات حرارة منخفضة للغاية (-183 درجة مئوية).
وهو عبارة عن سائل أزرق فاتح ذو خصائص مؤكسدة قوية.
غاية:
يستخدم بشكل أساسي كمؤكسد للصواريخ، ويمزج مع الوقود (مثل الهيدروجين السائل) لتوليد الدفع.
في المجال الطبي، يتم استخدام الأكسجين السائل لعلاج الأكسجين ودعم الجهاز التنفسي.
في صناعة الصلب، يتم استخدام الأكسجين السائل لزيادة درجة حرارة الاحتراق لتعزيز ذوبان المعادن.
التخزين والمناولة:
وتُعد الحاويات المعزولة بشكل جيد ضرورية أيضًا للحفاظ على درجات الحرارة المنخفضة.
على الرغم من أن الأكسجين السائل لا يحترق بحد ذاته، إلا أنه يمكنه دعم الاحتراق بقوة، لذا يجب التعامل معه بحذر لتجنب خطر الحريق والانفجار.
الاستخدام المشترك للهيدروجين السائل والأكسجين السائل:
غالبًا ما يتم استخدام الهيدروجين السائل والأكسجين السائل معًا كوقود للصواريخ لأنهما يمكن أن يولدا نبضًا محددًا عاليًا للغاية (مؤشر على كفاءة الوقود) عند دمجهما، مما يوفر قوة دفع قوية. يُطلق على هذا المزيج "نظام دفع الهيدروجين السائل والأكسجين السائل" أو "نظام دفع مكون من مكونين". يستخدم الهيدروجين السائل كوقود ويستخدم الأكسجين السائل كمؤكسد. يختلطان ويحترقان في غرفة الاحتراق، مما ينتج عنه كمية كبيرة من الطاقة الحرارية وبخار الماء لدفع الصاروخ لأعلى. تتمثل مزايا هذا النظام في الكفاءة العالية والود البيئي (منتج الاحتراق هو الماء بشكل أساسي)، ولكن العيب هو أن متطلبات تخزين ومعالجة الهيدروجين السائل والأكسجين السائل مرتفعة، والتكلفة مرتفعة نسبيًا.
ما هي مزايا الدفع الصاروخي بالهيدروجين السائل والأكسجين السائل؟
يتمتع نظام الدفع الصاروخي بالهيدروجين السائل والأكسجين السائل بالمزايا التالية:
نبضة نوعية عالية:
يعد الدفع النوعي مؤشرا رئيسيا لقياس كفاءة الوقود الصاروخي، ويتميز مزيج الهيدروجين السائل والأكسجين السائل بقيمة دفع نوعي عالية للغاية، مما يعني أنهما يمكن أن يوفرا قوة دفع أقوى واستهلاك وقود أكثر كفاءة.
كثافة الطاقة العالية:
يتمتع الهيدروجين السائل بقيمة حرارية احتراق عالية جدًا، والطاقة المنبعثة لكل وحدة كتلة من احتراق الهيدروجين أعلى بكثير من أنواع الوقود الشائعة الأخرى، مما يمكّن أنظمة دفع الهيدروجين السائل والأكسجين السائل من توفير كمية كبيرة من الطاقة.
حماية البيئة
المنتج الرئيسي لاحتراق الهيدروجين السائل والأكسجين السائل هو بخار الماء، مع عدم وجود أي انبعاثات ضارة أخرى تقريبًا، وبالتالي فإن تأثيره على البيئة صغير نسبيًا.
تأثير التبريد:
يتمتع الهيدروجين السائل بالقدرة على امتصاص كمية كبيرة من الحرارة أثناء التبخر، مما يجعله مناسبًا كمبرد لمحركات الصواريخ ويساعد في خفض درجة حرارة غرفة الاحتراق.
الموثوقية والسلامة:
يعتبر كل من الهيدروجين السائل والأكسجين السائل من المواد المستقرة نسبيًا. ورغم أن الهيدروجين السائل قابل للاشتعال، إلا أنه لن يشتعل تلقائيًا في غياب الأكسجين، في حين أن الأكسجين السائل نفسه لا يحترق ولا يدعم الاحتراق إلا عند مزجه بالوقود.
إمكانية إعادة الاستخدام:
مع تقدم التكنولوجيا، تتحسن إمكانية إعادة استخدام أنظمة الدفع الصاروخي بالهيدروجين السائل والأكسجين السائل، مما يساعد على تقليل التكاليف على المدى الطويل.
مناسبة للصواريخ الكبيرة:
بالنسبة لمهام الفضاء العميق التي تتطلب كمية كبيرة من الوقود، فإن أنظمة الدفع بالهيدروجين السائل والأكسجين السائل هي الخيار الأمثل بسبب كثافتها العالية من الطاقة والنبض النوعي.
على الرغم من مزايا أنظمة الدفع الصاروخي بالهيدروجين السائل والأكسجين السائل، إلا أن هناك أيضًا بعض التحديات والقيود، مثل:
صعوبة التخزين والنقل: يجب تخزين كل من الهيدروجين السائل والأكسجين السائل في درجات حرارة منخفضة للغاية، مما يتطلب حاويات معزولة للغاية وتكنولوجيا درجات حرارة منخفضة معقدة.
التكلفة: تعتبر تكاليف إنتاج وتخزين ونقل الهيدروجين السائل مرتفعة نسبيًا، مما يزيد من التكلفة الإجمالية لإطلاق الصواريخ.
الحجم والوزن: لتخزين الوقود السائل، هناك حاجة إلى خزانات تخزين أكبر، مما قد يؤدي إلى زيادة حجم ووزن الصاروخ.
بشكل عام، تتمتع أنظمة الدفع الصاروخي بالهيدروجين السائل والأكسجين السائل بمزايا كبيرة من حيث الأداء والود البيئي، لكنها تواجه تحديات من حيث الاقتصاد والتعقيد التكنولوجي. ومع تطور التكنولوجيا، يتم التغلب على هذه التحديات تدريجيًا.
