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Fuel-Bound Oxygen Penalty and System-Level Screening of Oxygenated Fuels for LOX Rocket Propulsion: A NASA CEA Thermochemical Assessment

यह नासा CEA-आधारित सैद्धांतिक अध्ययन LOX रॉकेट प्रणोदन के लिए RP-1 के विरुद्ध विभिन्न ऑक्सीजन युक्त ईंधनों के थर्मोकेमिकल प्रदर्शन का मूल्यांकन करता है, और यह निष्कर्ष निकालता है कि जबकि डाइमिथाइल ईथर और इथेनॉल लगभग आदर्श प्रदर्शन बनाए रखते हैं, इथेनॉल फ्यूल-बाउंड ऑक्सीजन प्रभावों, घनत्व और हैंडलिंग संबंधी बाधाओं को संतुलित करते हुए सबसे व्यावहारिक मध्यम-दंड (moderate-penalty) उम्मीदवार के रूप में उभरता है।

मूल लेखक: Anik Chawdhury

प्रकाशित 2026-07-01

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Anik Chawdhury

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप दुनिया का सबसे बेहतरीन रॉकेट इंजन बनाने की कोशिश कर रहे हैं। रॉकेट को उड़ाने के लिए, आपको दो मुख्य सामग्रियों की आवश्यकता होती है: एक ईंधन (ऊर्जा का स्रोत) और एक ऑक्सीडाइज़र (आमतौर पर लिक्विड ऑक्सीजन या LOX, जो ईंधन को जलने में मदद करता है)।

दशकों से, मानक ईंधन RP-1 रहा है, जो एक परिष्कृत मिट्टी का तेल (केरोसिन) है। RP-1 को एक शुद्ध, हाई-ऑक्टेन "पेट्रोल" की तरह समझें जो रॉकेट के लिए काम करता है। यह ऊर्जा से भरपूर है और इसका एक लंबा इतिहास रहा है कि यह अच्छी तरह से काम करता है।

लेकिन क्या होगा अगर हम ऑक्सीजन को सीधे ईंधन के अणु (molecule) के भीतर ही मिला दें? इन्हें ऑक्सीजेनेटेड फ्यूल्स (oxygenated fuels) कहा जाता है। विचार यह है कि जैसे आप अपने ईंधन टैंक के अंदर अपना खुद का ऑक्सीजन टैंक लेकर चल रहे हों। सैद्धांतिक रूप से, इसका मतलब यह होगा कि आपको कम बाहरी लिक्विड ऑक्सीजन ले जानी होगी, जिससे स्थान और वजन बचाया जा सके।

यह शोध पत्र एक शक्तिशाली कंप्यूटर प्रोग्राम (NASA का CEA) का उपयोग करके एक सैद्धांतिक "टेस्ट ड्राइव" है, यह देखने के लिए कि ये ऑक्सीजन-समृद्ध ईंधन आदर्श स्थितियों में मानक RP-1 की तुलना में कैसा प्रदर्शन करते हैं। लेखक ने वास्तविक इंजन नहीं बनाया या आग नहीं जलाई; इसके बजाय, उन्होंने हजारों गणितीय सिमुलेशन चलाए यह देखने के लिए कि कौन सा ईंधन आदर्श स्थितियों में सबसे अच्छा "वैल्यू फॉर मनी" देता है।

मुकाबले के दावेदार

इस अध्ययन ने मानक RP-1 की तुलना ऑक्सीजनेटेड उम्मीदवारों की एक पंक्ति से की:

डाइमिथाइल ईथर (DME): एक ईथर जिसमें बहुत क्षमता है।
इथेनॉल और मेथनॉल: अल्कोहल (जैसे हैंड सैनिटाइज़र या ईंधन में होता है)।
एसिटिक एसिड और फॉर्मिक एसिड: "बाउंड्री केसेस" (जैसे सिरका और अधिक शक्तिशाली एसिड) यह देखने के लिए कि क्या होता है जब ईंधन में ऑक्सीजन बहुत अधिक हो।

बड़ी खोज: "ऑक्सीजन टैक्स"

शोध में एक दिलचस्प ट्रेड-ऑफ (समझौता) पाया गया, जिसे लेखक "फ्यूल-बाउंड ऑक्सीजन पेनल्टी" (Fuel-Bound Oxygen Penalty) कहते हैं।

ईंधन के अणु को एक बैकपैक की तरह सोचें।

RP-1 एक ऐसा बैकपैक है जो पूरी तरह से भारी, उच्च-ऊर्जा वाले पत्थरों (कार्बन और हाइड्रोजन) से भरा है। यह भारी है, लेकिन यह अविश्वसनीय रूप से गर्म और तेज़ी से जलता है।
ऑक्सीजेनेटेड फ्यूल्स ऐसे बैकपैक हैं जहाँ आपने उन भारी पत्थरों की जगह ऑक्सीजन की ईंटें रख दी हैं।

यहाँ पेंच यह है: ऑक्सीजन की ईंटें जलती नहीं हैं; वे बस वहाँ पड़ी रहती हैं। ईंधन के अंदर ऑक्सीजन की ईंटें रखकर, आप उस जगह को घेर रहे हैं जिसका उपयोग ऊर्जा पैदा करने वाले पत्थरों के लिए किया जा सकता था।

अच्छी खबर: क्योंकि ईंधन अपने साथ ऑक्सीजन लाता है, इसलिए आपको कम बाहरी लिक्विड ऑक्सीजन ले जानी होगी।
बुरी खबर: ईंधन अब "पतला" (diluted) हो गया है। इसमें प्रति पाउंड ऊर्जा कम है क्योंकि यह अपने स्वयं के "डेड वेट" (ऑक्सीजन परमाणु) को ढो रहा है।

परिणाम: दौड़ में कौन जीता?

कंप्यूटर सिमुलेशन ने यह देखने के लिए रॉकेटों को एक आभासी वातावरण के माध्यम से चलाया कि कौन सबसे ऊँचा और सबसे तेज़ उड़ता है।

चैंपियन (RP-1): मानक केरोसिन अभी भी जीतता है। इसने 3,297 m/s की उच्चतम गति (विशिष्ट आवेग/specific impulse) उत्पन्न की। यह एक भरोसेमंद वर्कहॉर्स है।
करीबी हारने वाला (डाइमिथाइल ईथर): यह ईंधन चौंकाने वाला रूप से करीब था, जिसने RP-1 के प्रदर्शन का 99.8% हासिल किया। यह लगभग चैंपियन जितना तेज़ है। हालाँकि, शोध पत्र नोट करता है कि यह एक ऐसी रेस कार की तरह है जो एक अस्थिर, दबावयुक्त गैस पर चलती है जिसे स्टोर करना और संभालना कठिन और खतरनाक है। यह तेज़ है, लेकिन जोखिम भरा है।
व्यावहारिक उप-विजेता (इथेनॉल): इस ईंधन ने RP-1 की गति का 98.1% प्राप्त किया। यह DME जितना तेज़ नहीं था, लेकिन इसे संभालना, स्टोर करना और प्रबंधित करना बहुत आसान और कम खतरनाक है। लेखक इसे "सबसे व्यावहारिक मध्यम-दंड वाला उम्मीदवार" कहते हैं। यह एक "सुरक्षित दांव" है जो फिर भी बहुत अच्छा प्रदर्शन करता है।
हारने वाले (मेथनॉल, एसिटिक एसिड, फॉर्मिक एसिड): जैसे-जैसे ईंधन में ऑक्सीजन की मात्रा बढ़ी, प्रदर्शन तेजी से गिर गया।
- मेथनॉल ठीक था लेकिन जहरीला और धीमा था।
- एसिटिक एसिड और फॉर्मिक एसिड (सिरके जैसे ईंधन) रॉकेटों के लिए बहुत खराब थे। वे ऑक्सीजन से इतने भरे हुए थे कि वे "ऊर्जा-पतले" कीचड़ की तरह काम कर रहे थे। वे बहुत कम तापमान पर और धीमी गति से जले, जो मानक ईंधन के प्रदर्शन का केवल 70-86% था।

"वॉल्यूम" का मोड़

शोध पत्र ने ईंधन के टैंकों के आकार को भी देखा।

भले ही DME तेज़ था, लेकिन यह कम घनत्व वाला (प्रति गैलन कम वजन वाला) है, जिसका अर्थ है कि समान ऊर्जा रखने के लिए आपको एक बड़ा टैंक चाहिए होगा।
इथेनॉल, हालांकि थोड़ा धीमा है, अधिक सघन (dense) और प्रबंधित करने में आसान है, जिससे रॉकेट का कुल आकार अधिक तर्कसंगत बनता है।
एसिड वाले ईंधन बहुत सघन (छोटे टैंक) थे, लेकिन क्योंकि वे बहुत धीमे थे, इसलिए छोटे टैंक का आकार मायने नहीं रखता था। समान गति प्राप्त करने के लिए आपको अभी भी एक विशाल इंजन की आवश्यकता होगी।

निष्कर्ष

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि ईंधन में ऑक्सीजन मिलाना एक दोधारी तलवार है।

यदि आप थोड़ा ऑक्सीजन मिलाते हैं (जैसे इथेनॉल या DME में), तो आप मानक ईंधन के प्रदर्शन के बहुत करीब पहुँच सकते हैं, जिसमें इथेनॉल सबसे व्यावहारिक विकल्प है।
यदि आप बहुत अधिक ऑक्सीजन मिलाते हैं (जैसे एसिड में), तो ईंधन उच्च-गति अंतरिक्ष यात्रा के लिए बहुत अधिक "पतला" हो जाता है।

महत्वपूर्ण नोट: यह शोध पत्र पूरी तरह से एक सैद्धांतिक स्क्रीनिंग है। यह एक वीडियो गेम सिमुलेशन की तरह है। लेखक स्पष्ट रूप से कहता है कि उन्होंने वास्तव में कोई इंजन नहीं बनाया, न ही कोई वास्तविक इंजेक्टर का परीक्षण किया, और न ही वास्तव में कोई रॉकेट उड़ाया। परिणाम हमें बताते हैं कि वास्तविक दुनिया में परीक्षण करने के लिए कौन से ईंधन योग्य हैं, लेकिन वे यह गारंटी नहीं देते कि वे वास्तविक, जटिल, भौतिक इंजन में पूरी तरह से काम करेंगे।

संक्षेप में: इथेनॉल अगला परीक्षण करने के लिए सबसे अच्छा "मिडल-ग्राउंड" ईंधन दिखता है, जबकि डाइमिथाइल ईथर "हाई-रिस्क, हाई-रिवॉर्ड" विकल्प है, और एसिड रॉकेट समीकरण से बाहर रहने के लिए ही बेहतर हैं।

तकनीकी सारांश: ईंधन-बद्ध ऑक्सीजन दंड और LOX रॉकेट प्रणोदन के लिए ऑक्सीजन युक्त ईंधनों की सिस्टम-स्तरीय स्क्रीनिंग

समस्या विवरण
तरल रॉकेट ईंधनों का चयन आदर्श ऊष्म-रसायनिक प्रदर्शन, प्रणोदक घनत्व, ऑक्सीडाइज़र आवश्यकताओं और परिचालन संबंधी बाधाओं के बीच एक जटिल संतुलन शामिल करता है। जबकि RP-1 (एक हाइड्रोकार्बन संदर्भ ईंधन) अपने उच्च ऊर्जा घनत्व और इंजीनियरिंग विरासत के कारण LOX-अनुकूल प्रणोदन के लिए मानक बना हुआ है, ऑक्सीजन युक्त ईंधन (ईथर, अल्कोहल, कार्बनिक अम्ल) कम कालिख (soot) निर्माण जैसे संभावित लाभ प्रदान करते हैं। हालांकि, "ईंधन-बद्ध ऑक्सीजन" (fuel-bound oxygen) की उपस्थिति एक मौलिक समझौता पेश करती है: हालांकि यह आवश्यक बाहरी ऑक्सीडाइज़र-टू-फ्यूल (O/F) द्रव्यमान अनुपात को कम कर सकता है, लेकिन यह उस आणविक द्रव्यमान पर कब्जा कर लेता है जो अन्यथा कार्बन-हाइड्रोजन बॉन्डिंग के माध्यम से ऊष्मीय मान (heating value) में योगदान दे सकता था। प्रारंभिक तुलनाएं केवल आदर्श विशिष्ट आवेग ( $I_{sp}$ ) पर निर्भर हो सकती हैं, जो ऑक्सीजन युक्त ईंधनों के लिए भ्रामक हो सकती हैं क्योंकि वे कुल प्रणोदक आयतन, ऑक्सीडाइज़र द्रव्यमान आवश्यकताओं और व्यावहारिक हैंडलिंग बोझ में होने वाले परिवर्तनों को ध्यान में रखने में विफल रहती हैं। एक पुनरुत्पादनीय, प्रारंभिक-चरण की स्क्रीनिंग रूपरेखा की आवश्यकता है जो समान आदर्श धारणाओं के तहत ऑक्सीजन प्रभाव का मूल्यांकन करे और साथ ही डेंसिटी इम्पल्स (density impulse) और प्रणोदक आयतन जैसे सिस्टम-स्तरीय मेट्रिक्स को एकीकृत करे।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन छह ईंधनों के सैद्धांतिक ऊष्म-रसायनिक स्क्रीनिंग के लिए NASA के 'केमिकल इक्विलिब्रियम विद एप्लिकेशन्स' (CEA) कोड का उपयोग करता है: RP-1 (संदर्भ), डाइमिथाइल ईथर (DME), इथेनॉल, मेथनॉल, एसिटिक एसिड और फॉर्मिक एसिड। यह विश्लेषण बिना किसी प्रयोगात्मक सत्यापन, CFD, या इंजन घटक डिजाइन के, आदर्श स्थितियों के तहत किया गया है।

सिमुलेशन पैरामीटर्स: गणनाएँ रॉकेट मोड में की गईं जिसमें लिक्विड ऑक्सीजन (LOX) 90 K पर और ईंधन 298 K पर थे। आधारभूत स्थिति (baseline condition) में चैंबर प्रेशर ( $P_c$ ) 20 बार और नोजल एक्सपेंशन रेशियो ( $A_e/A_t$ ) 40 का उपयोग किया गया।
संवेदनशीलता विश्लेषण (Sensitivity Analysis): अध्ययन में O/F अनुपात (0.5 से 8.0), चैंबर प्रेशर (10 से 60 बार), और नोजल एक्सपेंशन रेशियो (10 से 120) के स्वीप्स शामिल किए गए। दोनों इक्विलिब्रियम (equilibrium) और फ्रोजन-फ्लो (frozen-flow) केमिस्ट्री मॉडल की तुलना की गई।
स्क्रीनिंग इंडेक्स: केवल $I_{sp}$ $I_{s p}$ से आगे बढ़ने के लिए, लेखकों ने कई स्केलर इंडेक्स की गणना की:
- परफॉरमेंस रिटेंशन इंडेक्स (PRI): RP-1 के सर्वोत्तम $I_{sp}$ के सापेक्ष एक ईंधन का अनुपात।
- थर्मल सेवेरिटी इंडेक्स (TSI): RP-1 के सापेक्ष चैंबर तापमान की तुलना।
- ऑक्सीजनेशन पेनल्टी फैक्टर (OPF): प्रति इकाई ईंधन-बद्ध ऑक्सीजन पर प्रदर्शन दंड।
- डेंसिटी इम्पल्स ( $I_\rho$ ): इसकी गणना ईंधन घनत्व $\times$ $I_{sp}$ के रूप में की गई।
- कुल प्रणोदक आयतन: मानक तरल घनत्वों के आधार पर 1 किग्रा ईंधन और उसके आवश्यक LOX के संयुक्त आयतन का अनुमान लगाने वाला एक सरलीकृत मीट्रिक।

मुख्य परिणाम
आधारभूत स्थितियों ( $P_c$ = 20 बार, $A_e/A_t$ = 40) के तहत, ईंधनों को आदर्श समतुल्य निकास वेग (equivalent exhaust velocity) के आधार पर रैंक किया गया:

RP-1: 3297.4 m/s (336.2 s)। उच्चतम प्रदर्शन करने वाला संदर्भ।
डाइमिथाइल ईथर (DME): 3290.5 m/s (335.5 s)। RP-1 के आदर्श प्रदर्शन का 99.8% बनाए रखता है।
इथेनॉल: 3234.3 m/s (329.8 s)। RP-1 के आदर्श प्रदर्शन का 98.1% बनाए रखता है।
मेथनॉल: 3158.6 m/s (322.1 s)। RP-1 के आदर्श प्रदर्शन का 95.8% बनाए रखता है।
एसिटिक एसिड: 2851.4 m/s (290.8 s)। 86.5% बनाए रखता है।
फॉर्मिक एसिड: 2329.4 m/s (237.5 s)। 70.6% बनाए रखता है।

संवेदनशीलता और सिस्टम-स्तरीय निष्कर्ष:

प्रेशर और एक्सपेंशन: चैंबर प्रेशर बढ़ाने (10–60 बार) से केवल मामूली $I_{sp}$ लाभ (लगभग 0.6–1.5%) होता है और यह ईंधन रैंकिंग को नहीं बदलता है। नोजल एक्सपेंशन रेशियो बढ़ाने (10–120) से सभी ईंधनों के लिए बड़े लाभ मिलते हैं, लेकिन यह अत्यधिक ईंधन-बद्ध ऑक्सीजन से जुड़े प्रदर्शन दंड को समाप्त करने में विफल रहता है।
केमिस्ट्री: फ्रोजन फ्लो की तुलना में इक्विलिब्रियम फ्लो उच्च प्रदर्शन प्रदान करता है। RP-1 और DME निकास में महत्वपूर्ण CO बनाए रखते हैं, जबकि अत्यधिक ऑक्सीजन युक्त ईंधन (मेथनॉल, एसिड) अधिक ऑक्सीकृत उत्पादों (CO $_2$ , H $_2$ O) की ओर बढ़ते हैं और फॉर्मिक एसिड के मामले में, अवशिष्ट O $_2$ की ओर भी बढ़ते हैं।
घनत्व और आयतन: जबकि DME आदर्श प्रदर्शन में RP-1 के बराबर है, इसका कम तरल घनत्व (668 kg/m³ बनाम 810 kg/m³) इसके सामान्यीकृत डेंसिटी इम्पल्स को RP-1 के सापेक्ष 0.823 तक कम कर देता है। इसके विपरीत, एसिटिक और फॉर्मिक एसिड का घनत्व उच्च है, जिसके परिणामस्वरूप कम कुल प्रणोदक आयतन होता है, लेकिन उनके गंभीर प्रदर्शन दंड और संक्षारक प्रकृति इस लाभ को कम कर देती है।
व्यावहारिकता: इथेनॉल सबसे व्यावहारिक मध्यम-दंड वाले उम्मीदवार के रूप में उभरता है, जो उच्च प्रदर्शन प्रतिधारण (98.1%) को DME की अस्थिरता या मेथनॉल की विषाक्तता की तुलना में प्रबंधनीय भंडारण और हैंडलिंग विशेषताओं के साथ संतुलित करता है।

महत्व और दावे
लेखक स्पष्ट रूप से कहते हैं कि यह कार्य किसी नए प्रणोदक की खोज का दावा नहीं करता है, न ही यह कोई प्रयोगात्मक सत्यापन या पूर्ण इंजन-स्तरीय अनुकूलन प्रदान करता है। इसके बजाय, इसका महत्व एक पारदर्शी, पुनरुत्पादनीय प्रारंभिक-चरण की स्क्रीनिंग रूपरेखा प्रदान करने में निहित है।

यह अध्ययन दर्शाता है कि केवल आदर्श प्रदर्शन ईंधन चयन के लिए पर्याप्त नहीं है। एक व्यापक मूल्यांकन को साथ-साथ निम्नलिखित पर विचार करना चाहिए:

ईंधन-बद्ध ऑक्सीजन अंश और उसका ऊष्म-रसायनिक सीमाओं पर प्रभाव।
ऑक्सीडाइज़र आवश्यकताएं और कुल प्रणोदक आयतन।
डेंसिटी इम्पल्स और स्टोरेज अवस्था।
गुणात्मक हैंडलिंग बाधाएं (विषाक्तता, संक्षारण, अस्थिरता)।

यह शोध निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि DME ऊष्म-रसायनिक रूप से उत्कृष्ट है, इसकी परिचालन चुनौतियां इसे इथेनॉल की तुलना में कम आकर्षक बनाती हैं, जो इस विशिष्ट ईंधन सेट में प्रदर्शन प्रतिधारण और व्यावहारिक हैंडलिंग के बीच सबसे अच्छा समझौता प्रदान करता है। अत्यधिक ऑक्सीजन युक्त कार्बनिक अम्ल उपयोगी सीमा मामलों (boundary cases) के रूप में कार्य करते हैं जो ईंधन-बद्ध ऑक्सीजन की सीमाओं को दर्शाते हैं, लेकिन उन्हें प्रस्तुत धारणाओं के तहत प्राथमिक उच्च-प्रदर्शन रॉकेट ईंधन के रूप में अनुपयुक्त माना गया है।

मुकाबले के दावेदार

बड़ी खोज: "ऑक्सीजन टैक्स"

परिणाम: दौड़ में कौन जीता?

"वॉल्यूम" का मोड़

निष्कर्ष

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