کاربرد اسید نیتریک در صنعت هوا و فضا

مقدمه

اسید نیتریک (HNO₃) یک ماده بسیار خورنده و اکسیدکننده قوی است که به طور گسترده در صنایع مختلف استفاده می ‌شود. در صنعت هوا فضا این اسید معدنی نقش‌ های مهمی در حوزه‌ های گوناگون ایفا می ‌کند از پیشرانش راکتی گرفته تا فراوری مواد پیشرفته. خواص اکسیدکنندگی شدید و واکنش‌ پذیری بالای آن ، اسید نیتریک را برای تولید مواد پرانرژی و پرداخت آلیاژهای ویژه ارزشمند ساخته است. این مقاله نگاهی جامع به چگونگی بهره ‌گیری از اسید نیتریک در حوزه هوافضا دارد ، از سوخت ‌رسانی به موشک‌ ها تا ساخت قطعات.

استفاده از اسید نیتریک به عنوان اکسیدکننده سوخت راکت

اسید نیتریک به طور گسترده ‌ای به عنوان اکسیدکننده سوخت مایع راکت به کار رفته است به ویژه در دهه ‌های اولیه اکتشاف فضا. در راکت‌ های دو جزئی ، یک اکسیدکننده برای احتراق و سوختن سوخت در نبود اکسیژن جوی مورد نیاز است. اسید نیتریک تغلیظ ‌شده که اغلب به صورت دود‌کننده به کار می ‌رود این نقش را به خوبی ایفا کرده است. خریداسید نیتریک کارون بشکه 220 لیتری می ‌تواند احتراق سریع انواع سوخت ‌ها را پشتیبانی کند و حتی با برخی ترکیبات سوختی به صورت خودبه ‌خودی مشتعل شود. اکسیدکننده ‌های بر پایه اسید نیتریک به صورت مایع در دمای معمول قابل نگهداری هستند که این یک مزیت بزرگ نسبت به اکسیدکننده ‌های کرایوژنیک مانند اکسیژن مایع است. این قابلیت نگهداری در دمای محیط ، آن‌ ها را برای موشک‌ های بالستیک و پرتابگرهایی که ممکن است برای مدت طولانی در وضعیت آماده ‌باش باشند جذاب می ‌ساخت. علاوه بر این ، چگالی بالای اسید نیتریک (حدود ۱٫۵ گرم بر سانتی ‌متر مکعب) به معنای نیاز به مخازن کوچک‌ تر نسبت به اکسیدکننده‌ های کم‌ چگالی ‌تر است. در مجموع اسید نیتریک به عنوان یک اکسیدکننده کلیدی در بسیاری از کاربردهای اولیه هوافضا به کار گرفته شد که ترکیبی از قدرت اکسیدکنندگی قوی و قابلیت انبارش را ارائه می ‌داد.

نقش تاریخی اسید نیتریک در راکت ‌ها

در دوران جنگ سرد و آغاز عصر فضا اسید نیتریک نقشی محوری در توسعه راکت ‌ها داشت. بسیاری از نسل اول موشک ‌های هدایت ‌شونده و حامل ‌های فضایی در سراسر جهان بر اکسیدکننده ‌های مشتق از اسید نیتریک متکی بودند. برای مثال نخستین راکت‌ تحقیقاتی ارتفاع ‌بالای آمریکا مانند موشک WAC Corporal (که اولین پرتاب آن در سال ۱۹۴۵ بود) از اسید نیتریک دودکننده قرمز و سوخت مبتنی بر آنیلین استفاده می‌ کرد. در دهه ۱۹۵۰ راکت ‌های کاوشی ورونیک فرانسه با بهره ‌گیری از اسید نیتریک و سوخت تربانتین (نوعی نفت) به پرواز درآمدند و ورود اروپا به فناوری راکتی را نشان دادند. همزمان اتحاد جماهیر شوروی از اکسیدکننده‌ های سری AK (ترکیبی از اسید نیتریک با تتراکسید دی نیتروژن و افزودنی ‌ها) در موشک‌ های بالستیک و ماهواره‌ برهای مداری استفاده کرد. قابلیت ذخیره ‌سازی و اشتعال خودکار (هایپرجولیک) برخی ترکیبات سوختی اسید نیتریک ، آن ‌ها را برای موشک‌ های نظامی که نیاز به آمادگی لحظه ‌ای داشتند ، بسیار مناسب می ‌ساخت. همان ‌طور که در جدول زیر نشان داده شده است ، تعداد زیادی از راکت‌ ها و موشک‌ های شاخص در کشورهای مختلف از پیشران‌ های مبتنی بر اسید نیتریک در سیستم‌ های پیشرانش خود استفاده کردند که اهمیت تاریخی آن را در صنعت هوا فضا برجسته می ‌کند:

پیشران‌ های هایپرجولیک با اسید نیتریک

یکی از مزایای مهم اسید نیتریک در راکت ‌ها توانایی آن در تشکیل ترکیبات پیشران هایپرجولیک است. یک جفت پیشران هایپرجولیک بدون منبع جرقه خارجی به محض تماس سوخت و اکسیدکننده به صورت خود‌به ‌خودی مشتعل می ‌شود. اسید نیتریک با تعدادی از سوخت ‌ها خصوصا سوخت ‌های آمینی هایپرجولیک است. برای مثال اسید نیتریک دودکننده قرمز در تماس با موادی مانند آنیلین ، UDMH و هیدرازین خود‌به‌ خود مشتعل می ‌شود. این ویژگی طراحی و عملکرد موتورهای راکتی را بسیار ساده‌ تر کرد : احتراق فوری و قابل اطمینان بود که برای موشک ‌های نظامی و طبقات بالایی ماهواره‌ برها (که ممکن بود نیاز به روشن ‌سازی مجدد در فضا داشته باشند) حیاتی به شمار می ‌رفت. زوج‌ های هایپرجولیک مبتنی بر اسید نیتریک در دهه ‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ به طور گسترده ‌ای به کار گرفته شدند. موتور موشک اسکاد شوروی به عنوان نمونه از RFNA مهارشده و نفت سفید با یک مایع آتش‌ زای اضافه‌ شونده استفاده می ‌کرد تا اشتعال آنی را ممکن سازد. به طور مشابه در طرح ‌های ابتدایی موشک تایتان II آمریکا نیز پیشران ‌های هایپرجولیک با اسید نیتریک آزمایش شدند ، هرچند در نهایت به استفاده از N₂O₄ روی آوردند. با وجود مزایای این سوخت‌ ها ، آن ‌ها بسیار سمی و خورنده بودند. کار با ترکیبات سوختی اسید نیتریک هایپرجولیک نیازمند احتیاط فوق ‌العاده بود ، اما اشتعال مطمئن و قابلیت نگهداری در دمای محیط ، آن‌ ها را به سنگ بنای فناوری موشکی در اوایل عصر فضا و کاربردهای نظامی تبدیل کرد.

اسید نیتریک در پیشرانش مدرن راکتی

با پیشرفت فناوری راکتی استفاده از اسید نیتریک در پیشرانش به نفع اکسیدکننده ‌های دیگر که عملکرد و ایمنی بهتری داشتند کاهش یافت. تا دهه ۱۹۶۰ مهندسان دریافتند که استفاده از تتراکسید دی ‌نیتروژن خالص (N₂O₄) عملکرد و پایداری بهتری نسبت به مخلوط ‌های اسید نیتریک ارائه می ‌دهد. در نتیجه اکثر سامانه ‌های جدید موشکی مانند تایتان II در آمریکا و پروتون در شوروی برای پیشران ‌های مایع قابل‌ ذخیره به N₂O₄ به عنوان اکسیدکننده روی آوردند و آن را با سوخت ‌های هیدرازینی به کار گرفتند. پیشران ‌های مبتنی بر اسید نیتریک به تدریج کمتر رایج شدند ، هرچند برخی سامانه ‌ها تا دهه‌ ها به کار خود ادامه دادند. ماهواره ‌بر سبک روسی کاسموس-۳ام تا دهه ۲۰۱۰ همچنان از ترکیب HNO₃/N₂O₄ موسوم به AK27I) همراه با سوخت UDMH استفاده می ‌کرد. به همین ترتیب تعداد کمی موشک تاکتیکی که در سال‌ های بعد توسعه یافتند (مانند موشک پریتوی هند در دهه ۱۹۹۰) هنوز از اکسیدکننده اسید نیتریک بهره می ‌بردند که دلیل آن سادگی توسعه یا در دسترس بودن فناوری بود. اما در عصر مدرن اسید نیتریک به ندرت برای طرح‌ های جدید موشک انتخاب می‌ شود. ملاحظات ایمنی و زیست‌ محیطی همراه با عملکرد برتر گزینه ‌های جایگزین موجب شده است که کاربرد HNO₃ به طور عمده به تاریخ بپیوندد. صنعت هوافضا اکنون اکسیدکننده‌ های کرایوژنیک مثل اکسیژن مایع را برای عملکرد بالا یا N₂O₄ را برای سوخت‌ های قابل ‌ذخیره ترجیح می ‌دهد و این بدان معناست که نقش اسید نیتریک در سامانه ‌های پیشران مدرن بسیار محدود شده است.

اسید نیتریک در ساخت پیشران ‌های جامد راکتی

افزون بر پیشران‌ های مایع ، اسید نیتریک در تولید پیشران ‌های جامد راکتی و ترکیبات تشکیل ‌دهنده‌ ی آن ‌ها نیز اهمیت دارد. بسیاری از پیشران‌ های جامد بر اساس استرهای نیتراتی و سایر ترکیبات پرانرژی ساخته می ‌شوند که از طریق واکنش‌ های نیتراسیون فرایندهای شیمیایی که در آن ‌ها گروه‌ های نیترو توسط اسید نیتریک وارد مولکول می ‌شود ، تولید می ‌شوند. به عنوان مثال نیتروسلولز (پنبه باروت) و نیتروگلیسیرین مواد پرانرژی کلیدی در پیشران ‌های دوپایه و ترکیبی هستند. نیتروسلولز با تیمار سلولز توسط مخلوطی از اسید نیتریک و اسید سولفوریک تولید می ‌شود که یک پلیمر به ‌شدت آتش‌ گیر ایجاد می‌ کند و به سرعت می ‌سوزد و در برخی از پیشران‌ های قدیمی راکت‌ ها و باروت‌ های بی ‌دود به کار می ‌رود. به طور مشابه نیتروگلیسیرین با نیتراسیون گلیسرول توسط اسید نیتریک ساخته می‌ شود. این دو ماده اساس بسیاری از خرج ‌های پرتابه و پیشران ‌های راکتی دوپایه را تشکیل می ‌دهند و نیروی رانش برخی موشک ‌ها و سیستم ‌های تقویتی را فراهم می‌ کنند. علاوه بر این نیترات آمونیوم یک اکسیدکننده شیمیایی که در برخی فرمولاسیون ‌های پیشران جامد استفاده می‌ شود ، از واکنش آمونیاک با اسید نیتریک به دست می ‌آید. اگرچه در موشک‌ های مدرن با عملکرد بالا معمولا از پرکلرات آمونیوم به عنوان اکسیدکننده استفاده می ‌شود ، پیشران ‌های مبتنی بر نیترات آمونیوم نیز در برخی موشک ‌های تاکتیکی و راکت ‌های آماتوری به کار رفته ‌اند.

تولید مواد پرانرژی از طریق نیتراسیون

صنایع هوافضا و دفاعی برای تولید طیف گسترده ‌ای از مواد پرانرژی مانند مواد منفجره و پیشران ‌ها به اسید نیتریک وابسته هستند. این اسید در واکنش‌ های نیتراسیون برای ساخت مواد منفجره قدرتمندی مانند RDX ، HMX و TNT استفاده می ‌شود. برای مثال RDX از نیتراسیون هگزامین با اسید نیتریک تولید شده و به ‌طور گسترده در کلاهک ‌های انفجاری کاربرد دارد. HMX نیز به روش مشابهی اما با ترکیب اسید نیتریک و انیدرید استیک ساخته می‌ شود و انرژی بالاتری نسبت به RDX دارد. TNT نیز با نیتراسیون تولوئن تولید شده و در خرج ‌های انفجاری مورد استفاده است. به ‌این ‌ترتیب اسید نیتریک به دلیل توانایی ویژه‌ اش در افزودن گروه‌ های نیترو همچنان نقشی کلیدی در سنتز صنعتی مواد منفجره و پرانرژی در کاربردهای نظامی و هوافضایی ایفا می ‌کند.

پرداخت سطوح و تمیزکاری فلزات در هوافضا

اسید نیتریک در صنایع هوافضا کاربرد وسیعی برای پرداخت و تمیزکاری سطوح فلزی دارد. به دلیل خاصیت اکسیدکنندگی قوی ، این اسید به ‌طور موثری آلاینده ‌ها و لایه‌ های اکسیدی را از روی فلزات ، خصوصا فولاد زنگ ‌نزن ، تیتانیوم و آلومینیوم برمی ‌دارد. فرایند اسیدشویی (پیکلینگ) که اغلب ترکیبی از اسید نیتریک و اسیدهای دیگر است، برای رفع زنگار و پوسته‌ های اکسیدی پس از جوشکاری یا عملیات حرارتی استفاده می ‌شود. برای نمونه مخلوط اسید نیتریک و هیدروفلوئوریک برای تمیزکاری آلیاژهای تیتانیوم و فولاد زنگ ‌نزن به‌ کار می‌ رود. همچنین این اسید برای حذف پوسته‌ های اکسیدی در مجاری خنک‌ کننده موتورها و آماده ‌سازی قطعات برای آبکاری و رنگ‌آمیزی کاربرد دارد. بدین ترتیب اسید نیتریک نقشی اساسی در حفظ تمیزی و دوام سطوح فلزی در ساخت و نگهداری تجهیزات هوافضایی ایفا می‌ کند.

غیرفعال ‌سازی شیمیایی (پسیواسیون) قطعات هوافضایی

در صنعت هوافضا بسیاری از قطعات فولاد زنگ ‌نزن و آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی تحت فرایند پسیواسیون با اسید نیتریک قرار می ‌گیرند. پسیواسیون عملیاتی شیمیایی است که طی آن ناخالصی ‌ها و ذرات آهن از سطح فلز حذف شده و لایه ‌ای اکسیدی و محافظ تشکیل می ‌شود. این لایه که غنی از کروم است ، مقاومت بالایی در برابر خوردگی فراهم کرده و دوام قطعاتی مانند پیچ ‌ها ، شیرآلات و اجزای سیستم ‌های سیال را افزایش می ‌دهد. استانداردهای هوافضایی محلول‌ های مبتنی بر اسید نیتریک را به دلیل کارایی بالا در حذف آلودگی ‌ها توصیه کرده‌ اند. هرچند اسید نیتریک به دلیل تولید گازهای سمی (NOx) نیازمند احتیاطات ایمنی است ، اما همچنان به دلیل عملکرد موثرش به طور گسترده استفاده می ‌شود و نقش مهمی در افزایش قابلیت اطمینان و عمر قطعات هوافضایی ایفا می‌ کند.

ماشین‌ کاری شیمیایی در ساخت هوافضا

ماشین ‌کاری شیمیایی فرایندی است که در آن مواد شیمیایی نظیر اسید نیتریک برای حذف کنترل ‌شده مواد از سطح قطعات فلزی در تولید قطعات پیچیده هوافضایی استفاده می ‌شوند. در این روش قسمت ‌هایی از سطح فلز با پوشش ‌های محافظ پوشیده شده و سایر نواحی در حمام اسیدی اچ می‌ شوند. اسید نیتریک معمولا در محلول‌ هایی مانند معرف Keller برای آلیاژهای آلومینیوم یا نیتال برای قطعات فولادی استفاده می‌ شود. این تکنیک به تولیدکنندگان اجازه می ‌دهد مجاری ظریف ، حفره‌ های کاهش وزن و ساختارهای یکپارچه را بدون ایجاد تنش مکانیکی یا تغییر شکل تولید کنند. سطح نهایی صاف و بدون پلیسه بوده و فرایند شیمیایی به آسانی قابل کنترل است. در نتیجه ماشین ‌کاری شیمیایی به کمک اسید نیتریک نقش حیاتی در ساخت قطعات پیشرفته و سبک هوافضا ایفا می ‌کند.

نقش اسید نیتریک در فرآوری مواد کامپوزیتی

مواد کامپوزیتی پیشرفته در صنایع هوافضا کاربرد گسترده ‌ای دارند و اسید نیتریک در فرآوری آن ‌ها نقش مهمی ایفا می ‌کند. یکی از کاربردهای برجسته این اسید ، اکسیداسیون سطح الیاف کربن است که باعث افزایش زبری میکروسکوپی و ایجاد گروه ‌های عاملی مانند کربوکسیل و هیدروکسیل بر سطح الیاف می ‌شود. این تغییرات خیس ‌خورندگی الیاف کربن را بهبود بخشیده و موجب تقویت اتصال بین الیاف و ماتریس رزین در کامپوزیت ‌ها می‌ گردد. با این حال کنترل دقیق زمان و غلظت اسید ضروری است تا از آسیب به الیاف جلوگیری شود. علاوه بر این اسید نیتریک در فرآیند بازیافت مواد کامپوزیتی نیز کاربرد دارد و می ‌تواند رزین اپوکسی را بدون آسیب جدی به الیاف کربن تجزیه کند. همچنین در ساخت چسب ‌ها و پلیمرهای خاص برای صنعت هوافضا از نیتراسیون توسط اسید نیتریک استفاده می ‌شود. به این ترتیب اسید نیتریک به بهبود کارایی و پایداری سازه‌ های هوافضایی کمک فراوانی می ‌کند.