DE102004011556A1

DE102004011556A1 - Hypergoles Treibstoffsystem, Verfahren zum Erzeugen von Schub sowie Raketenmotor

Info

Publication number: DE102004011556A1
Application number: DE102004011556A
Authority: DE
Inventors: William B. Tequesta Watkins
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2004-09-30
Also published as: US6807805B2; US20040177604A1; FR2852315A1

Abstract

Ein hypergoles Treibstoffsystem enthält Wasserstoffperoxid, Silan und ein flüssigkeitsbasierendes Treibstoffsystem. Das hypergole Treibstoffsystem wird bei einem Verfahren zum Erzeugen von Schub eingesetzt, beispielsweise in einer Rakete durch Kontaktieren von Wasserstoffperoxid mit Silan, um eine Initialzündung zu erreichen und anschließend die Zufuhr des flüssigen Treibstoffes zur Verbrennung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hypergoles Treibstoffsystem (hypergolec fuel system), ein das hypergole Treibstoffsystem verwendendes Verfahren zum Erzeugen von Schub sowie einen Raketenmotor.
Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Wasserstoffperoxid ein (hydrogen peroxide) Treibstoff zur Verwendung in Raketenantrieben ist; Wasserstoffperoxid wird mit einem Zersetzungskatalysator in Kontakt gebracht, welcher die Zersetzung des Wasserstoffperoxids beschleunigt. Die entstehenden Gase werden ausgestoßen, um den Schub zur Verfügung zu stellen. Ein derartiges Verfahren und ein Zersetzungskatalysator sind in der US-A-3,488,962 offenbart.
Die an sich effektive Verwendung der Katalyseschicht (catalytic bed) verursacht eine erhebliche Kostensteigerung bei Verfahren nach dem Stand der Technik. Naturgemäß wäre es höchst erwünscht, ein hypergoles Treibstoffsystem zur Verfügung zu stellen, welches die Verwendung von teuren Zersetzungskatalysatoren nicht erfordert.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten besteht die vorrangige Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein flüssigkeitsbasiertes Treibstoffsystem zu entwickeln, welches hypergol mit Wasserstoffperoxid ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein hypergoles Agens zur Verfügung zu stellen, welches in Kombination mit Wasserstoffperoxid verwendet wird, um eine zuverlässige, betriebssichere und kosteneffektive Zündung eines Flüssigtreibstoffs zu erzielen.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar sein.
Die vorstehende Aufgabe wird mittels der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass ein hypergoles Treibstoffsystem zur Verfügung gestellt wird, welches Wasserstoffperoxid (H₂O₂) , Silan (SiH₄) und einen flüssigen Treibstoff umfasst. Vorteilhafterweise soll der flüssige Treibstoff Kerosin sein bzw. aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Raketentreibstoff und Düsentreibstoff besteht. Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Verfahren zum Erzeugen von Schub, welches das Kontaktieren des Wasserstoffperoxids mit Silan umfasst, um das Wasserstoffperoxid zu zersetzen und entstehende Gase zu erzeugen, welche mit einem flüssigen Treibstoff in Verbindung gebracht werden, um den flüssigen Treibstoff zu zünden und so den Schub zu erzeugen.
Als günstig hat es sich erwiesen, dass das Verhältnis von Wasserstoffperoxid zu Silan zwischen 1 und 9 liegt. Zudem soll dieses Verfahren die Verringerung der Zufuhr von Silan in die Verbrennungszone mit anschließender Zufuhr von flüssigem Treibstoff beinhalten.
Erfindungsgemäß enthält ein Raketenmotor eine Verbrennungszone und Mittel zur Zufuhr eines – Wasserstoffperoxid und Silan aufweisenden – hypergolen Treibstoffes zu der Verbrennungszone in einer Menge, welche ausreicht, um den hypergolen Treibstoff zu zünden.
Dem Raketenmotor sollen zudem Wasserstoffperoxid und Silan unter Überdruck in einem Verhältnis der Verbrennungszone zugeführt werden, bei dem sich das Wasserstoffperoxid zersetzt und zündet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind bei dem Raketenmotor Mittel zum Zuführen eines flüssigen Treibstoffs zur Verbrennungszone nach der Zündung des Wasserstoffperoxids vorhanden, wobei der flüssige Treibstoff in der Verbrennungszone gezündet wird.
Schließlich zeichnet sich der Raketenmotor noch durch Mittel zur Verringerung der Zufuhr von Silan zu der Verbrennungszone vor der Zufuhr des flüssigen Treibstoffs aus.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese gibt in ihrer einzigen Figur eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung wieder.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein hypergoles Treibstoffsystem beschrieben, das zum Antrieb von Raketen verwendet wird.
In der Zeichnung ist eine Raketenkammer 10 schematisch dargestellt, die eine Verbrennungszone 12 aufweist. Diese Verbrennungszone 12 ist mit einer Mehrzahl von Einlässen versehen, beispielsweise mit drei Einlässen 14, 16, 18 zum Zuführen der Komponenten des hypergolen Treibstoffsystems zur Verbrennungszone 12. Eine Auslass- oder Abführöffnung (exhaust outlet port) 20 steht mit der Verbrennungszone 12 in Verbindung, um in dieser Verbrennungszone 12 erzeugte Zersetzungsgase (decompositin gases) – auf eine Weise, die im folgenden beschrieben wird –, auszustoßen, um Schub für eine Rakete zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäß umfassen die Komponenten des hypergolen Treibstoffsystems Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Silan (SiH₄) und einen flüssigen Treibstoff (liquid fuel), vorzugsweise Kerosin.
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Erzeugen von Schub in einem Raketenmotor das anfängliche Kontaktieren von Wasserstoffperoxid und Silan in der Verbrennungszone, 12, wobei das Wasserstoffperoxid in Gegenwart von Silan nach dessen Zersetzung in Gase zündet. Diese Reaktion findet bei Zimmertemperatur statt. Um eine effektive Zündung zur Verfügung zu stellen liegt das Verhältnis von Wasserstoffperoxid zu Silan, welche der Verbrennungskammer 12 zugeführt werden, zwischen 1 und 9, vorzugsweise zwischen 3 und 6. Das Wasserstoffperoxid und das Silan werden der Ver brennungszone 12 unter Überdruck zugeführt, um einen Rückfluss zu verhindern.
Wie oben angemerkt, zersetzen sich und zünden Wasserstoff sowie Silan nach deren Kontaktierung in der Verbrennungszone 12. Im Anschluss an die Zündung wird der Verbrennungszone 12 ein flüssiger Treibstoff zugeleitet und darin verbrannt, um Schub mittels ausgestoßener Gase zur Verfügung zu stellen, welche die Verbrennungszone 12 der Raketenkammer 10 durch eine Ausstoßöffnung 20 verlassen. Die Zufuhr von Silan wird nach der anfänglichen Zündung und im Anschluss an die Zufuhr des flüssigen Treibstoffs zur Verbrennungszone verringert und gestoppt.
Der flüssige Treibstoff kann der Verbrennungszone 12 nach der Zündung in der Verbrennungszone 12 über eine separate Leitung 18 oder über dieselbe Leitung 16 wie das Silan zugeführt werden. Die Zufuhr von Silan zur Verbrennungszone wird unterbrochen, sobald der flüssige Treibstoff der Verbrennungszone 12 zugeführt wird.
Wie oben angemerkt, ist der bevorzugte flüssige Treibstoff ein Kerosintreibstoff wie er üblicherweise von der US Air Force mit der Bezeichnung JP-X und von der NASA mit der Bezeichnung RP-X eingesetzt wird.
Das Verfahren nach vorliegender Erfindung ermöglicht ein effektives hypergoles Treibstoffsystem, das die Verwendung von teueren Katalysatorenschichten, wie sie nach dem bekannten. Stand der Technik – wie beispielsweise nach der US-A- 3,488,962 – benötigt werden, nicht erforderlich werden lässt.
Diese Erfindung kann in anderen Ausführungsformen oder auf andere Weise ausgeführt werden, ohne den Grundgedanken oder wesentliche Eigenschaften der Erfindung zu verlassen. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist daher als in jeder Hinsicht beispielhaft und nicht einschränkend aufzufassen, wo bei der Bereich der Erfindung durch die angefügten Ansprüche aufgezeigt wird, und alle Änderungen welche in den Bedeutungs- und Äquivalenzbereich fallen als mit umfasst anzusehen sind.

Claims

Hypergoles Treibstoffsystem, gekennzeichnet durch Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Silan (SiH₄) und einen flüssigen Treibstoff.
Hypergoles Treibstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Treibstoff Kerosin ist.
Hypergoles Treibstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Treibstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Raketentreibstoff und Düsentreibstoff besteht.
Verfahren zum Erzeugen von Schub, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Wasserstoffperoxid und Silan zu einer Verbrennungszone 12, in einem Verhältnis erfolgt, bei dem sich Wasserstoffperoxid zersetzt und zündet, sowie anschließend der flüssige Treibstoff zur Verbrennungszone geführt wird, um den Treibstoff zu zünden, um Schub zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Wasserstoffperoxid zu Silan zwischen 1 und 9 liegt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung 'der Zufuhr von Silan in die Verbrennungszone mit anschließender Zufuhr von flüssigem Treibstoff beinhaltet.
Raketenmotor, gekennzeichnet durch eine Verbrennungszone (12) und Mittel zur Zufuhr eines hypergolen Treibstoffs, der Wasserstoffperoxid und Silan aufweist, zur Verbrennungszone in einer Menge, welche ausreicht, um den hypergolen Treibstoff zu zünden.
Raketenmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ihm Wasserstoffperoxid und Silan unter Überdruck in einem Verhältnis der Verbrennungszone 12 zugeführt werden, bei dem sich das Wasserstoffperoxid zersetzt und zündet.
Raketenmotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel zum Zuführen eines flüssigen Treibstoffs zur Verbrennungszone (12) nach der Zündung des Wasserstoffperoxids aufweist, wobei der flüssige Treibstoff in der Verbrennungszone gezündet wird.
Raketenmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Verringerung der Zufuhr von Silan zu der Verbrennungszone vor der Zufuhr des flüssigen Treibstoffs.