انواع پیشران های موشکی

ویژگی های کلی پیشرانه های موشکی
پیشران های شیمیایی در استفاده متداول، مقادیر تکانه خاصی را از حدود 175 تا حدود 300 ثانیه ارائه می دهند. پرانرژی‌ترین پیشرانه‌های شیمیایی از نظر تئوری قادر به انجام تکانه‌های خاص تا حدود 400 ثانیه هستند.
مقادیر بالای ضربه خاص از دمای بالای گاز خروجی و از گاز خروجی با وزن مولکولی بسیار کم به دست می آید. بنابراین، برای اینکه یک پیشرانه کارآمد باشد، باید گرمای احتراق زیادی داشته باشد تا دماهای بالا تولید کند، و باید محصولات احتراق حاوی مولکول‌های ساده و سبک حاوی عناصری مانند هیدروژن (سبک‌ترین)، کربن، اکسیژن، فلوئور و فلزات سبک‌تر تولید کند. (آلومینیوم، بریلیم، لیتیوم).
عامل مهم دیگر چگالی یک پیشرانه است. وزن معینی از پیشرانه متراکم را می توان در یک مخزن کوچکتر و سبکتر از همان وزن یک پیشرانه با چگالی پایین حمل کرد. برای مثال هیدروژن مایع پرانرژی است و گازهای حاصل از احتراق آن سبک هستند. با این حال، این یک ماده بسیار حجیم است که به مخازن بزرگ نیاز دارد. وزن خالص این مخازن تا حدودی باعث خنثی شدن تکانه ویژه بالای پیشرانه هیدروژنی می شود.
معیارهای دیگری نیز در انتخاب پیشرانه ها باید در نظر گرفته شود. برخی از مواد شیمیایی که تکانه ویژه عالی ایجاد می کنند، در عملکرد موتور مشکل ایجاد می کنند. برخی از آنها به عنوان خنک کننده برای دیواره های محفظه رانش گرم کافی نیستند. برخی دیگر ویژگی هایی در احتراق نشان می دهند که استفاده از آنها را دشوار یا غیرممکن می کند. برخی از آنها به درجات مختلف ناپایدار هستند و نمی توان آنها را به طور ایمن ذخیره یا نگهداری کرد. چنین ویژگی هایی از استفاده از آنها برای رانش راکت جلوگیری می کند.
متأسفانه، تقریباً هر پیشرانه‌ای که عملکرد خوبی داشته باشد، می‌تواند یک ماده شیمیایی بسیار فعال باشد. از این رو، بیشتر پیشران ها خورنده، قابل اشتعال یا سمی هستند و اغلب هر سه مورد را دارا هستند. یکی از قابل حمل ترین پیشرانه های مایع، بنزین است. اما در حالی که استفاده از آن نسبتاً ساده است، البته بنزین بسیار قابل اشتعال است و باید با احتیاط از آن استفاده کرد. بسیاری از پیشران ها حتی از بسیاری از گازهای جنگی بسیار سمی هستند. برخی از آنها به قدری خورنده هستند که فقط می توان از چند ماده خاص برای مهار آنها استفاده کرد. برخی ممکن است در تماس با هوا، یا در تماس با هر ماده آلی، یا در موارد خاص در تماس با اکثر فلزات، خود به خود بسوزند.
همچنین برای انتخاب پیشران موشک، در دسترس بودن آن ضروری است. در برخی موارد، برای به دست آوردن مقادیر کافی از یک پیشران، باید یک کارخانه شیمیایی جدید ساخته شود. و از آنجایی که برخی از پیشران ها در مقادیر بسیار زیاد استفاده می شوند، در دسترس بودن مواد اولیه باید در نظر گرفته شود.
پیشرانه های شیمیایی جامد
دو نوع کلی پیشران جامد در حال استفاده هستند. اولی، به اصطلاح پیشرانه دو پایه، شامل نیتروسلولز و نیتروگلیسیرین، به علاوه مواد افزودنی در مقادیر کم است. هیچ سوخت و اکسید کننده جداگانه ای وجود ندارد. مولکول ها ناپایدار هستند و با احتراق از هم جدا می شوند و خود را دوباره مرتب می کنند و مقادیر زیادی گرما آزاد می کنند. این پیشرانه ها به خوبی برای موتورهای موشکی کوچکتر مناسب هستند. آنها اغلب با روش های اکستروژن پردازش و تشکیل می شوند، اگرچه ریخته گری نیز به کار گرفته شده است.
نوع دیگر پیشران جامد کامپوزیت است. در اینجا، سوخت جداگانه و مواد شیمیایی اکسید شده استفاده می شود که به طور کامل در دانه بندی جامد مخلوط شده اند. اکسید کننده معمولاً نیترات آمونیوم، کلرات پتاسیم یا کلرات آمونیوم است و اغلب به اندازه چهار پنجم یا بیشتر از کل مخلوط پیشران را شامل می شود. سوخت های مورد استفاده هیدروکربن ها مانند ترکیبات آسفالتی یا پلاستیک هستند. از آنجایی که اکسید کننده استحکام ساختاری قابل توجهی ندارد، سوخت نه تنها باید عملکرد خوبی داشته باشد، بلکه باید فرم و استحکام لازم را نیز به دانه بندی مواد بدهد. بیشتر تحقیقات در مورد پیشرانه های جامد به بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی سوخت اختصاص دارد.
معمولاً در پردازش پیشرانه های جامد، اجزای سوخت و اکسیدکننده به طور جداگانه برای اختلاط آماده می شوند، اکسید کننده پودر و سوخت سیال با غلظت متفاوت است. سپس آنها را تحت شرایط به دقت کنترل شده با هم مخلوط کرده و به عنوان یک نیمه جامد چسبناک در محفظه موشک آماده شده ریخته می شوند. سپس تحت دما و فشار کنترل شده در محفظه های پخت قرار می گیرند.
پیشرانه های جامد مزیت حداقل تعمیر و نگهداری و آمادگی فوری را دارند. با این حال، مواد جامد پرانرژی تر ممکن است به شرایط ذخیره سازی به دقت کنترل شده نیاز داشته باشند، و ممکن است مشکلاتی را برای جابجایی در اندازه های بسیار بزرگ ایجاد کنند، زیرا موشک باید همیشه با بار کامل حمل شود. محافظت در برابر ضربه های مکانیکی یا تغییرات ناگهانی دما ضروری است.
 
پیشرانه های شیمیایی مایع
اکثر موشک های شیمیایی مایع از دو پیشران جداگانه استفاده می کنند: سوخت و اکسید کننده. سوخت های معمولی شامل نفت سفید، الکل، هیدرازین و مشتقات آن و هیدروژن مایع است. بسیاری دیگر آزمایش و استفاده شده اند. اکسید کننده ها عبارتند از اسید نیتریک، تتروکسید نیتروژن، اکسیژن مایع و فلوئور مایع. برخی از بهترین اکسید کننده ها گازهای مایع هستند، مانند اکسیژن و فلوئور که به صورت مایع فقط در دماهای بسیار پایین وجود دارند. این امر به شدت به دشواری استفاده از آنها در راکت ها می افزاید. بیشتر سوخت ها، به استثنای هیدروژن، در دمای معمولی مایع هستند.
برخی ترکیبات پیشرانه هایپرگولیک هستند. یعنی با تماس سوخت و اکسید کننده خود به خود مشتعل می شوند. برخی دیگر به یک جرقه زن برای شروع سوختن نیاز دارند، اگرچه وقتی به شعله محفظه احتراق تزریق می شوند به سوختن ادامه می دهند.
به طور کلی، پیشرانه‌های مایع در مصارف رایج، تکانه‌های خاصی را نسبت به مواد جامد موجود ایجاد می‌کنند. از سوی دیگر، آنها به سیستم های موتور پیچیده تری برای انتقال پیشرانه های مایع نیاز دارند
لیستی که عملکرد سوخت جامد و مایع را نشان می دهد در زیر آورده شده است.
ترکیبات پیشرانه........................................................................................... محدوده Isp (ثانیه)
تک پیشرانه (مایع):
تک پیشرانه های کم انرژی ______________________ 160 تا 190.
هیدرازین، اکسید اتیلن، آب اکسیژنه

تک پیشرانه های پرانرژی:
نیترومتان _________________________________ 190 تا 230

دو پیشرانه (مایع):
دو پیشرانه های کم انرژی _________________________ 200 تا 230.
پرکلریل فلوراید-سوخت موجود
آنالین-اسید
JP-4-اسید
پراکسید هیدروژن-JP-4

دو پیشرانه با انرژی متوسط______________________ 230 تا 260.
هیدرازین-اسید
آمونیاک-تتروکسید نیتروژن

دو پیشرانه های پر انرژی ________________________ 250 تا 270.
اکسیژن مایع-JP-4
اکسیژن مایع - الکل
هیدرازین-کلر تری فلوراید

دو پیشرانه های بسیار پرانرژی ______________________ 270 تا 330.
اکسیژن مایع و فلوئور-JP-4
اکسیژن مایع و ازن-JP-4
اکسیژن مایع-هیدرازین

دو پیشرانه های پر انرژی ______________________ 300 تا 385.
فلوئور-هیدروژن
فلوئور-آمونیاک
ازن-هیدروژن
فلوئور-دیبوران

ترکیبات اکسیدکننده و اتصال دهنده (جامد):
پرکلرات پتاسیم:
تیوکول یا آسفالت_________________________________ 170 تا 210.

پرکلرات آمونیوم:
تیوکول _________________________________ 170 تا 210.
لاستیک_________________________________ 170 تا 210.
پلی اورتان _________________________________ 210 تا 250.
نیترو پلیمر_________________________________ 210 تا 250.

آمونیوم:
پلی استر_________________________________ 170 تا 210.
لاستیک_________________________________ 170 تا 210.
نیترو پلیمر_________________________________ 210 تا 250.
پایه دو نفره___________________________________ 170 تا 250.
اجزای فلزی بور و اکسیدان _____________________ 200 تا 250.
اجزای فلزی لیتیوم و اکسیدان__________________ 200 تا 250.
اجزای فلزی آلومینیوم و اکسیدان_________________ 200 تا 250.
اجزای فلزی منیزیم و اکسیدان ________________ 200 تا 250.
پیشرانه های پرفلوئورو ____________________________ 250 و بالاتر.
 
اکسیژن مایع اکسید کننده استانداردی است که در بزرگترین موتورهای موشکی ایالات متحده استفاده می شود. از نظر شیمیایی پایدار و غیرخورنده است، اما دمای بسیار پایین آن پمپاژ، شیرآلات و ذخیره سازی را دشوار می کند. اگر در تماس با مواد آلی قرار گیرد، ممکن است باعث آتش سوزی یا انفجار شود.
اسید نیتریک و تتروکسید نیتروژن از مواد شیمیایی رایج صنعتی هستند. اگرچه آنها برای برخی از مواد خورنده هستند، اما موادی در دسترس هستند که به طور ایمن حاوی این مایعات هستند. تتروکسید نیتروژن، از آنجایی که در دمای نسبتاً پایین می جوشد، باید تا حدی محافظت شود.
فلوئور مایع یک ماده با دمای بسیار پایین است که با اکسیژن مایع قابل مقایسه است و همچنین بسیار سمی و خورنده است. علاوه بر این، محصولات احتراق آن بسیار خورنده و خطرناک هستند. از این رو، استفاده از فلوئور مشکلاتی را در آزمایش و کارکرد موتورهای موشک ایجاد می کند.
بیشتر سوخت های مایع، به استثنای هیدروژن، از نظر عملکرد و جابجایی بسیار شبیه به هم هستند. آنها معمولاً مواد کاملاً قابل حمل هستند. هیدروژن، با این حال، به عنوان یک مایع تنها در دمای بسیار پایین وجود دارد - حتی کمتر از اکسیژن مایع. از این رو نگهداری و حمل آن بسیار دشوار است. همچنین، اگر اجازه داده شود به هوا فرار کند، می تواند یک مخلوط بسیار انفجاری تشکیل دهد. این ماده بسیار حجیم است و چگالی آن حدود یک چهاردهم آب است. با این وجود، بهترین عملکرد را در بین هر یک از سوخت های مایع ارائه می دهد.

تک پیشرانه های مایع-شیمیایی
برخی از مواد شیمیایی ناپایدار و مایع که در شرایط مناسب تجزیه می شوند و انرژی آزاد می کنند، به عنوان پیشران موشک مورد آزمایش قرار گرفته اند. با این حال، عملکرد آنها از پیشرانه‌های دو پیشرانه یا پیشرانه‌های جامد مدرن پایین‌تر است و در کاربردهای نسبتاً تخصصی، مانند موشک‌های کنترلی کوچک، بیشترین علاقه را دارند. نمونه های برجسته این نوع پیشرانه پراکسید هیدروژن و اکسید اتیلن هستند.

ترکیبی از سه یا بیشتر پیشرانه شیمیایی
استفاده از بیش از دو ماده شیمیایی به عنوان پیشران در موشک هرگز مورد توجه زیادی قرار نگرفته است و در حال حاضر به صرفه نیست. گاهی اوقات از یک پیشران جداگانه برای کارکرد مولد گاز استفاده می شود که گاز را برای به حرکت درآوردن توربوپمپ های موشک های مایع تامین می کند. به عنوان مثال، در V-2، پراکسید هیدروژن برای تامین گاز داغ برای توربوپمپ های اصلی تجزیه شد، اگرچه پیشرانه اصلی موشک الکل و اکسیژن مایع بود.

پیشرانه های رادیکال آزاد
اگر مولکول های خاصی از هم جدا شوند، پس از ترکیب مجدد، مقدار زیادی انرژی از دست می دهند. پیشنهاد شده است که چنین قطعات ناپایداری به نام رادیکال های آزاد به عنوان پیشران موشک مورد استفاده قرار گیرند. با این حال، مشکل این است که این گونه ها به محض شکل گیری تمایل به ترکیب مجدد دارند. از این رو، یک مشکل اصلی در استفاده از آنها، توسعه یک روش تثبیت است. هیدروژن اتمی یکی از این مواد است. استفاده از هیدروژن اتمی ممکن است یک تکانه خاص در حدود 1200 تا 1400 ثانیه ایجاد کند.
 
سیالات کار برای راکت های غیر شیمیایی
دستگاه‌هایی مانند موشک هسته‌ای باید از مقداری ماده شیمیایی به عنوان سیال کار یا پیشران استفاده کنند، اگرچه هیچ گونه واکنش شیمیایی به موشک انرژی نمی‌دهد. تمام گرما از راکتور می آید. از آنجایی که هدف اصلی به حداقل رساندن وزن مولکولی گاز خروجی است، هیدروژن مایع بهترین ماده ای است که تاکنون در نظر گرفته شده است. بعید به نظر می رسد که بتوان ماده ای با عملکرد برتر یافت. مشکلات جابجایی هیدروژن مایع برای موشک هسته ای مانند موشک شیمیایی است.
ماده دیگری که برای استفاده به عنوان پیشران در موشک هسته ای ذکر شده است آمونیاک است. در حالی که به دلیل وزن مولکولی بیشتر، تنها نیمی از تکانه های هیدروژن را برای همان دمای راکتور ارائه می دهد، اما در دماهای معقول یک مایع است و به راحتی قابل کنترل است. چگالی آن نیز بسیار بیشتر از هیدروژن است و تقریباً مشابه چگالی بنزین است.
پیشران هایی که برای استفاده در دستگاه های پیشران الکتریکی مناسب هستند، فلزاتی هستند که به راحتی یونیزه می شوند. موردی که بیشتر مورد توجه قرار می گیرد سزیم است. بهترین های بعدی روبیدیم، پتاسیم، سدیم و لیتیوم هستند.

بسته بندی غیر متعارف پیشرانه
برخی از رویکردهای غیر متعارف در زمینه پیشرانه شامل موارد زیر است:
استفاده از اکسید کننده مایع با سوخت جامد، اکسید کننده از طریق سوراخ سوخت جامد برای سوزاندن پمپ می شود.
آب بندی پیشرانه مایع در کپسول های کوچک، به طوری که یک بار مایع را می توان به عنوان توده ای از "قرص های پیشران" خشک جابجا کرد.