ジップ燃料

ジップ燃料は、高エネルギー燃料( HEF )とも呼ばれ、ハイドロホウ素化合物、またはボランの形で添加剤を含むジェット燃料のファミリーのメンバーです。ジップ燃料は従来の燃料よりも高いエネルギー密度を提供し、ジェット機の航続距離を延ばすのに役立ちます。1950 年代、ジェット機の航続距離の短さが軍事計画者にとって大きな問題であったとき、ジップ燃料は重要な研究対象でした。

XB-70 ヴァルキリー、XF-108 レイピア、BOMARC、さらには原子力航空機プログラムなど、多くの航空機がジップを利用するように設計されました。海軍は、すべてのジェットエンジンをジップに転換することを検討し、安全にジップを保管できるように航空母艦を改造する研究を開始しました。

試験の結果、燃料にいくつかの重大な問題があることが判明し、結局 1959 年にすべての取り組みが中止されました。

一般的な推進剤の組み合わせの中で最もエネルギー密度の高い燃料（重量比）は水素です。しかし、気体水素の（体積）密度は非常に低く、液化水素は密度は高くなりますが、保管が複雑で高価です。炭素と組み合わせると、水素は簡単に燃える炭化水素燃料になります。アルミニウムやベリリウムなどの他の元素は炭素よりもエネルギー含有量がさらに高いですが、簡単に燃える安定した燃料を形成するためにうまく混ざりません。^[1]

すべての低質量元素の中でも、ホウ素は高エネルギー、低重量、幅広い入手性を兼ね備えており、潜在的な燃料として興味深いものです。^[1] ボランは比エネルギーが高く、約 70,000 kJ/kg (30,000 BTU/lb) です。これは、約 42,000 kJ/ kg (18,000 BTU/lb) を提供するJP-4やRP-1などの一般的な灯油ベースの燃料と比べても遜色ありません。 ^[2]ただし、空気に触れると自然発火する傾向があり、取り扱いが危険なため、単独で燃料として燃焼させるには適していません。^[3]

従来のジェット燃料と混合すると、エネルギー含有量が増加し、安定性も多少向上します。一般的に、ホウ素強化燃料は、重量と体積の両方で、通常の JP-4 よりも最大 40% 高いエネルギー密度を提供します。^{[3] [4]}米国では、一連の燃料が研究され、空軍のプロジェクト HEF 中に割り当てられた名前で一般的に呼ばれています。HEF-1 (エチルジボラン)、HEF-2 (プロピルペンタボラン)、HEF-3 (エチルデカボラン)、HEF-4 (メチルデカボラン)、および HEF-5 (エチルアセチレンデカボラン)。^[4]

ジップ燃料にはいくつかの欠点がある。まず、燃料は有毒であり、排気ガスも同様である。これは飛行中はあまり問題にならないが、航空機を整備する地上要員にとっては大きな懸念事項である。燃料は燃焼して粘着性と腐食性を持つ固体を生成するが、炭化ホウ素の固体は研磨性がある。これはジェットエンジンのタービンブレードに深刻な問題を引き起こし、排気ガスがブレードに蓄積して効率を低下させ、時にはエンジンの壊滅的な故障を引き起こすこともあった。^{[5] [6]}最後に、排気煙は石炭の煙のように微粒子で満たされているため、航空機を遠距離から視覚的に発見できる。

結局、エンジン全体で HEF を燃焼させるという問題は解決不可能であることが判明しました。堆積物を除去するのは困難であり、それが引き起こす摩耗は材料科学では対処できないものでした。アフターバーナーで比較的簡単に燃焼させることができましたが、これはアフターバーナーを長時間使用する航空機でのみ効果的でした。燃料の生産コストの高さと毒性の問題が相まって、ジップ燃料の価値は大幅に低下しました。

ジェット燃料としてのボランへの関心が薄れた後、ロケット燃料としての利用に関する小規模な研究が続けられました。しかし、燃焼生成物中の固体ホウ素酸化物が予想された熱力学を妨げ、推力の利点を実現できなかったため、これも行き詰まりに終わりました。^[7]

1940年代後半の米陸軍のロケット関連のプロジェクトHERMES、 1952年の米海軍 航空局のプロジェクトZIP、^[3]、1955年の米空軍のプロジェクトHEF（高エネルギー燃料） ^[8]に始まり、長年にわたってホウ素化燃料に関する研究がいくつか行われました。1950年代のほとんどの間、ジップ燃料は「次の大物」と見なされ、これらのプロジェクトに実用化するためにかなりの資金が費やされました。海軍の名前が定着し、すべてのホウ素化燃料は「ジップ燃料」として知られるようになりましたが、燃料自体の空軍の命名も一般的になりました。

空軍の計画の主な推進力は、最も迅速に導入できる候補と思われたHEF-3に基づいていた。HEFは、マッハ2までの速度で疾走できる設計でB-52ストラトフォートレスに代わる新しい長距離爆撃機を建造するWS-110の取り組みの一部となった。ボーイングとノースアメリカン・アビエーション（NAA）による当初の設計では、どちらも離陸と巡航には従来の燃料を使用し、高速疾走中にHEFに切り替えて、アフターバーナー部分でのみ燃焼させた。^[9]これにより、HEFの主な問題が回避された。アフターバーナーでのみ燃焼させることでタービンへの蓄積の問題がなくなり、アフターバーナーは離陸と高速飛行にのみ使用されるため、有毒な排気ガスの問題が大幅に軽減された。

初期の設計では、比較的小さな性能向上を正当化するにはコストが高すぎることが判明すると、両社は設計図に戻り、戦闘任務のほとんどを超音速で飛行する新しい設計を考案した。これらの設計は、高速飛行の持続用に設計された新しいエンジンに基づいており、NAA B-70 ヴァルキリーとゼネラルエレクトリック J93 はプロトタイプ段階に進んでいた。これらの場合、アフターバーナーはより長い時間使用され、HEF の利点が最大限に発揮された。J93 の後継バージョンを導入し、HEF-4 を常に燃焼させる計画もあった。一方、BOMARC ラムジェットでの HEF-3 の使用に関する研究^[10]や、将来の航空機の動力源としてこれを米海軍の空母艦隊に搭載する研究もあったが、これらのプログラムは両方とも廃止された。

問題が解決不可能であることが判明したため、空軍は1959年に計画を中止し、zipへの関心は事実上消滅した。この時点で、HEFの使用を検討していた唯一の設計は、XB-70とそのJ93であった。NAAとゼネラルエレクトリックは、エンジンを再設計して新しい高密度ジェット燃料であるJP-6で動作し、2つの爆弾倉のうち1つに新しい燃料タンクを充填することで対応した。これにより、航続距離は約7,700海里から5,500海里（14,300kmから10,200km）に大幅に減少した。^[4]これにより、米国から攻撃できる目標の選択が減り、すべてのミッションプロファイルで空中給油が必要になり、これがプロジェクトが最終的に純粋に実験的な航空機として方向転換されることになったもう1つの問題であった。

2001年のインフレ調整後のドルで、米国はこのプログラムに約10億ドルを費やしたと推定されています。^[8]少なくとも5つのHEF製造工場が米国に建設され、ニューヨークの工場の1つが破壊された爆発で2人の労働者が死亡しました。^{[8] [11]}プログラムの大部分は実行中は最高機密に分類されていましたが、それでも業界紙と民間新聞の両方で広く報道されました。 ^[12]米国とソ連はそれぞれ1964年に研究の機密解除を行いました。

HEF プログラムの遺物として、カリフォルニア州ボロン郊外の放棄された未舗装の飛行場が残っている可能性がある。USGS 地形図には「空軍工場 #72」と記されているが、この場所には滑走路と水タンク以外は何も建設されていない。この場所は、近くの大きなホウ砂鉱床 (町の名前の由来) を利用した HEF 燃料の工場だったと推測されており、そこから燃料はエドワーズ空軍基地に簡単に輸送できた。^{[4]ジップ燃料研究のもう 1 つの派生は、} SR-71ブラックバードで使用されるJP-7燃料の点火剤としてのトリエチルボランの使用である。