DE102007003412B4 - Komposit-Treibstoffe für Modell-und Experimentalraketen und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
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Abstract
Modell- und Experimentalraketen-Komposit-Treibstoffe,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus folgenden Komponenten zusammengesetzt sind:
Einem Oxidator oder Oxidatorgemisch aus der Verbindungsklasse der Alkalinitrate, welcher oder welches 50–80 Gew.% des Treibstoffs ausmacht,
einem Brennstoff- und gleichzeitigen Binder-Material oder Gemisch aus der Stoffklasse der mehrwertigen Alkohole, oder der Zucker, welches in Anteilen von 10–40 Gew.% im Treibstoff enthalten ist,
Aluminiumpulver verschiedener Kornformen und Korngrößen von 1 bis 200 Mikrometer, die in einem Anteil von 5–20 Gew.% im Treibstoff enthalten sind.
dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus folgenden Komponenten zusammengesetzt sind:
Einem Oxidator oder Oxidatorgemisch aus der Verbindungsklasse der Alkalinitrate, welcher oder welches 50–80 Gew.% des Treibstoffs ausmacht,
einem Brennstoff- und gleichzeitigen Binder-Material oder Gemisch aus der Stoffklasse der mehrwertigen Alkohole, oder der Zucker, welches in Anteilen von 10–40 Gew.% im Treibstoff enthalten ist,
Aluminiumpulver verschiedener Kornformen und Korngrößen von 1 bis 200 Mikrometer, die in einem Anteil von 5–20 Gew.% im Treibstoff enthalten sind.
Description
- Die in der Raumfahrt und der Raketentechnik heute überwiegend eingesetzten Komposittreibstoffe auf Basis von Ammoniumperchlorat, bzw. Ammoniumnitrat, Kaliumperchlorat oder Nitraminen haben inzwischen auch teilweise im Bereich Der Modell- bzw. Experimentalraketen Einzug gehalten.
- Die genannten Treibstoffklassen haben jedoch trotz hoher Leistung zum Teil erhebliche Nachteile.
- Perchlorate, beispielsweise, geben den im Molekül gebundenen Sauerstoff sehr leicht ab, wodurch Mischungen der Perchlorate mit brennbaren Stoffen häufig ein hohes Explosionsrisiko bei Schlag, Reibung, Erhitzung, usw., aufweisen. Ammoniumperchlorat ist schon für sich alleine betrachtet, auch ohne Zumischung, ein brisanter Sprengstoff.
- Das heisst, die Herstellung, Aufbewahrung und Verwendung dieser Treibstoffklasse ist mit einem z. T. erheblichen Sicherheitsaufwand verbunden.
- Durch den Chlorgehalt der Perchlorate können beim Abbrand umweltschädliche Chlor- und Chlorwasserstoffgase oder bei ungünstiger Verbrennung giftige Dioxine freigesetzt werden.
- Da die Perchlorate elektrolytisch hergestellt werden, ist zu ihrer Gewinnung ein hoher Aufwand an elektrischer Energie nötig, was die Produkte entsprechend verteuert.
- Ammoniumnitrat ist zwar ein relativ preiswerter Oxidator, doch ist er, ebenso wie die teureren Nitramine, bei entsprechender Zündung, auch schon ohne Zumischung, ein brisanter Sprengstoff.
- Ammoniumnitrat muss vor dem Einsatz als Raketentreibstoff-Komponente mit entsprechendem Aufwand phasenstabilisiert werden um überhaupt lagerstabile Treibstoffe zu ermöglichen.
- Ammoniumnitrat ist aussergewöhnlich hygroskopisch, was bei der Herstellung und Lagerung der Treibstoffe ebenfalls berücksichtigt werden muss.
- Im Amateur- bzw. Experimentalraketen-Bereich haben sich in den letzten Jahren sogenannte Zucker-Treibstoffe („Candy Propellants") etabliert, die aus Kaliumnitrat und Zucker oder zuckerähnlichen Stoffen bestehen (siehe Literaturhinweis Nr. 1). Diese sind preiswert und mit nur geringem Aufwand herstellbar und weisen die meisten Nachteile der oben genannten Perchlorat- und Ammoniumnitrat-Treibstoffe nicht auf.
- Ein gravierender Nachteil dieser Zucker-Treibstoffe ist ihre bescheidene Leistungsfähigkeit. Sie sind zwar dem Schwarzpulver um ca. 50% überlegen, zeigen aber nur etwas mehr als die Hälfte der Leistung von Ammoniumperchlorat-Kompositen.
- Wenn es also gelang, das Leistungsniveau der Zucker-Treibstoffe deutlich anzuheben, ohne die genannten günstigen Eigenschaften zu beeinträchtigen, wäre eine verbesserte Treibstoffklasse für den Modell- und Experimentalraketen-Bereich geschaffen, die leistungsmäßig dem Bereich der Hochleistungstreibstoffe nahe käme ohne deren nachteilige Eigenschaften aufzuweisen.
- In der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung dieser Aufgabe vorgestellt.
- Aus der Technik ist bekannt, dass sich der spezifische Impuls eines Treibstoffs für Großraketen durch Zumischung von Aluminiumpulver steigern lässt (siehe Literaturhinweis Nr. 2). Ebenso bekannt sind Treibstoffe für Großraketen auf Basis verschiedener Oxidatoren, sowie polymeren Bindern, Aluminiumpulver und Abbrandmoderatoren, wie Kohlenstoff oder Eisenoxid (siehe Literaturhinweis Nr. 3), auch Alkalinitrate als Oxidatoren sind dort genannt, ohne jedoch in den Beispielen beschrieben zu werden.
- Der Zumischung von Aluminiumpulver zu den in Experimental- und Modellraketen verwendeten Zucker-Treibstoffen mit Kaliumnitrat standen jedoch erhebliche Sicherheitsbedenken (siehe Literaturhinweis Nr. 4) entgegen, wie z. B. die Gefahr der Selbstentzündung. Generell werden Gemischen von Aluminiumpulver und Alkalinitraten ein erhebliches Gefahrenpotential zugeschrieben, vor allem beim Erhitzen (siehe Literaturhinweise Nr. 5 bis 8). Dies hat vermutlich bewirkt, dass entsprechende Entwicklungen bei den Zuckertreibstoffen unterblieben.
- Es wurde nun jedoch durch umfangreiche Versuche nachgewiesen, dass diese Risiken durch eine geeignete Vorgehensweise ausgeschaltet werden können und stabile aluminiumpulverhaltige Treibstoffe dieser Art hergestellt werden können.
- Überraschenderweise zeigen solche neuen Zusammensetzungen zum Teil weit über die Erwartung hinausgehende Leistungssteigerungen, so dass ca. 75% der Leistung üblicher Ammoniumperchlorat-Komposite erreicht wird.
- Ein zusätzlicher positiver Effekt der Aluminiumpulver-Zumischung ergibt sich durch die Erhöhung der Treibstoff-Dichte, wodurch der sogenannte volumenspezifische Impuls verbessert wird. Das heisst, bei gleichem Platzbedarf erhöht sich der Energieinhalt der Treibstoff-Befüllung eines Raketenmotors.
- Die für die verbesserte Treibstoffklasse verwendeten Oxidatoren sind Alkalinitrate, wie z. B. Natrium-, Kalium- und Lithiumnitrat. Sie werden in Anteilen von 50–80 Gew.% zugemischt.
- Als geichzeitiges Brennstoff- und Bindermaterial dienen mehrwertige Alkohole, wie z. B. Sorbit oder Erythrit, oder Zuckerstoffe, wie z. B. Saccharose, Glucose und Fructose. Diese Materialien sind zu 10–40% im Treibstoff enthalten.
- Es können auch Gemische von verschiedenen Oxidatoren, bzw. Brennstoffen, zweckmäßig sein, z. B. um Schmelztemperaturen, Viskositäten, usw., günstig zu beeinflussen.
- Die verwendeten Aluminiumpulver können verschiedene Kornformen und Korngrößen, z. B. 1–200 Mikrometer, aufweisen und werden in einem Anteil von 5–20 Gew.% dem Treibstoff zugemischt.
- Neben den drei Hauptkomponenten können noch zusätzlich Abbrandmoderatoren, wie z. B. Kohlenstoff, oder Katalysatoren, wie z. B. Eisen(III)oxid, zugemischt werden, um z. B. die Entzündbarkeit zu verbessern oder die Abbrandgeschwindigkeit zu erhöhen. So verbessert z. B. schon die Zumischung von nur 1% Kohlenstoff die Entzündbarkeit von Natriumnitrat-Kompositen beträchtlich.
- Die Herstellung der verbesserten Treibstoffe erfolgt durch Vorlage der schmelzbaren Binder-/Brennstoffkomponente, Erhitzen bis oberhalb des Schmelzpunktes, anschließend werden zunächst das Aluminiumpulver und die Abbrandmoderatoren und schließlich die Oxidatorkomponente eingerührt und die Schmelze homogenisiert. Anschließend wird die heisse, mehr oder weniger viskose Masse in geeignete Formen, Hülsen, usw., gegossen oder verfüllt. Nach dem Erkalten, Erstarren und Entformen ist der Treibstoff gebrauchsfertig und kann direkt verwendet oder gelagert werden.
- Die theoretische Leistung von Raketentreibstoffen kann berechnet werden, doch liegen die gewonnenen Daten, aus verschiedenen Gründen, meist weit oberhalb der in der Praxis erzielbaren Werte, vor allem wenn Komplikationen, wie z. B. Mehrphasenströmung, usw., vorkommen. Häufig sind auch theoretisch berechnete Zusammensetzungen und Kombinationen praktisch nicht realisierbar (sind z. B. nicht zündfähig oder bilden verstopfende Abbrandrückstände).
- Besonders praxisnahe Ergebnisse zu Leistung und Eignung von Raketentreibstoffen werden durch Schubmessungen von Raketenmotoren, die mit den zu prüfenden Treibstoffen befüllt sind, erzielt. Der hierbei ermittelte spezifische Impuls kann dann direkt mit den Werten anderer Treibstoffe verglichen werden.
- Die spezifischen Impulse der Zucker-Treibstoffe sind aus der Fachliteratur bekannt (siehe Literaturhinweis Nr. 9), unter optimalen Bedingungen werden gemessene spezifische Impulse von 134–137 s erreicht.
- Mit den erfindungsgemäßen verbesserten Treibstoffen lassen sich dagegen gemessene spezifische Impulse von 175 s erzielen, was gegenüber dem Stand der Technik der Zucker-Treibstoffe einer Steigerung von 28% entspricht. Eine so hohe Steigerung ist ganz ungewöhnlich und war in keiner Weise zu erwarten, da die aus der technischen Literatur bekannten Leistungssteigerungen durch Aluminium-Zumischung z. B. bei Ammoniumperchlorat-Kompositen nur zu 10 bis max. 15%igen theoretischen Leistungssteigerungen führt (siehe Literaturhinweise Nr. 10 und 11), wegen kondensiertem Material im Abgasstrahl aber praktisch nur 10–15 s betragen (siehe Literaturhinweis Nr. 12).
- Diese niedrige zu erwartende Leistungssteigerung, zusammen mit der schon erwähnten Gefahrenproblematik der Aluminiumzumischung, waren vermutlich die Gründe, warum bisher entsprechende Entwicklungen im Amateur- und Experimentalbereich unterblieben sind oder in einem frühen Stadium eingestellt wurden und damit die jetzt hier vorgestellte Erfindung ermöglichten.
- Folgende Beispiele sollen die erfindungsgemäße Zusammensetzung, die Herstellung und die Leistung der neuen Treibstoffe verdeutlichen.
- Beispiel 1
- 348 g (= 29 Gew.%) Sorbit werden in einem Mischbehälter unter thermostatisierten Bedingungen aufgeschmolzen und bei 135°C zunächst 120g (= 10 Gew.%) Aluminiumpulver (Grieß) der Korngröße kleiner 63 Mikrometer eingerührt, gefolgt von 18 g (= 1,5 Gew.%) Holzkohlenpulver, 6 g (= 0,5 Gew.%) Eisen(III)oxidpulver und schließlich 708 g (= 59 Gew.%) Natriumnitrat der Korngröße kleiner 300 Mikrometer (70% kleiner 100 Mikrometer). Anschließend wird noch kurz gerührt, bis eine homogene Suspension entstanden ist. Dann wird das zähflüssige Gemisch in geeignete Formen, z. B. zur Herstellung von gelochten Treibstoffblöcken (Bates Grains), gegossen. Durch kurze Vibration werden eventuelle Luftblasen entfernt. Nach Erkalten, Erstarren und Entformen ist der Treibstoff (1200 g, Dichte 1,92) gebrauchsfertig und kann direkt eingesetzt oder gelagert werden.
- Beispiel 2
- Es wird wie in Beispiel 1 verfahren, jedoch eine andere Zusammensetzung vorgenommen.
- Sorbit 348 g (= 29 Gew.%)
- Aluminiumpulver 120 g (= 10 Gew.%)
- Holzkohlenpulver 6 g (= 0,5 Gew.%)
- Eisen(III)oxid 6 g (= 0,5 Gew.%)
- Kaliumnitrat 720 g (= 60 Gew.%)
- Die geschmolzene Mischung ist hier etwas höherviskos, nach Gießen, Erkalten und Erstarren werden 1200 g Treibstoff der Dichte 1,77 erhalten.
- Beispiel 3
- Um die Handhabungssicherheit der erfindungsgemäßen Treibstoffe zu prüfen, werden im Freien 200 g eines fertigen Treibstoffs, entsprechend Beispiel 1 oder 2, eine halbe Stunde bei 150°C, also deutlich oberhalb der Verarbeitungstemperatur von 135°C, getempert. Es wird weder eine Selbstentzündung noch eine exotherme Reaktion beobachtet.
- Beispiel 4
- Zur Ermittlung des spezifischen Impulses eines erfindungsgemäßen Treibstoffs entsprechend Beispiel 1 wird ein Edelstahl-Raketenmotor (73 × 1,5 mm) mit Graphitdüse, der mit 7 Treibstoffblöcken in Form von Bates Grains mit einem Gesamtgewicht von 3382 g befüllt ist und eine mittlere Klemmung von 295 aufweist, in ein Schubmessgerät eingebaut und gezündet. Bei dem 2,1 Sekunden dauernden, mit leuchtender Flamme erfolgenden Abbrand, wird ein spezifischer Impuls von 175 s gemessen.
- Literaturhinweise:
-
- Nr. 1 Richard Nakka, in: http://members.aol.com/ricanakk/propel.html
- Nr. 2 Marcel Barrere, Rocket Propulsion, Elsevier Publishing Company, 1960, Seite 217–221
- Nr. 3 Patentschrift
US 3 454 437 A - Nr. 4 Dustin Brown, in: http://www.geocities.com/da_browns2002/Drysophila-sorbitol.html
- Nr. 5 Cerac, Supplier Material Safety Data Sheet "Aluminium Metal, powder (less than 149microns, -100 mesh)". Section 4, Fire and Explosion Hazard Data. http://asp.cerac.com/CatalogNet/default.aspx?p=msdsFile&msds=m001239.htm
- Nr. 6 Cameo Chemicals, chemical data sheet for Aluminium uncoated http://cameochemicals.noaa.gov/chemical/14008
- Nr. 7 GDA, Charakteristika von Aluminiumpulvern und ihr Gefahrenpotential http://www.benda-lutz.com/sicherheitsdaten/Sicherheitshinweise%20GDA.PDF
- Nr. 8 http://www.jtbaker.com/msds/englishhtm/s4442.htm
- Nr. 9 Richard Nakka, in: http://www.nakka-rocketry.net/ Motors: Kappa-DX rocket motor-Static Test KDX-002 Report und: Kappa-SB " " " KSB-002 "
- Nr. 10 Horst W. Köhler, in: Feststoffraketenantriebe 1, Seiten 99, 100 Verlag W. Girardet-Essen, 1972
- Nr. 11 Terry W. Mc Creary, in: Experimental Composite Propellant Table V, pages 105, 106 (Binder Design) Terry W. Mc Creary, Ph. D., 2000 1606 Wiswell Road Murray, KY 42071 USA
- Nr. 12 Siehe Literaturhinweis Nr. 2, Seiten 218 (ganz unten) und 220
Claims (7)
- Modell- und Experimentalraketen-Komposit-Treibstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus folgenden Komponenten zusammengesetzt sind: Einem Oxidator oder Oxidatorgemisch aus der Verbindungsklasse der Alkalinitrate, welcher oder welches 50–80 Gew.% des Treibstoffs ausmacht, einem Brennstoff- und gleichzeitigen Binder-Material oder Gemisch aus der Stoffklasse der mehrwertigen Alkohole, oder der Zucker, welches in Anteilen von 10–40 Gew.% im Treibstoff enthalten ist, Aluminiumpulver verschiedener Kornformen und Korngrößen von 1 bis 200 Mikrometer, die in einem Anteil von 5–20 Gew.% im Treibstoff enthalten sind.
- Modell- und Experimentalraketen-Komposit-Treibstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalinitrat Natrium-, Kalium- oder Lithiumnitrat ist.
- Modell- und Experimentalraketen-Komposit-Treibstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol oder Zucker Sorbit, Erythrit, Saccharose, Glucose oder Fructose ist.
- Modell- und Experimentalraketen-Komposit-Treibstoffe nach Anspruch 1, zusätzlich mit Abbrandmoderatoren, wie z. B. Kohlenstoff, oder Katalysatoren, wie z. B. Eisen(III)oxid, in Anteilen von 0,01–10 Gew.%.
- Verfahren zur Herstellung der Treibstoffe entsprechend Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein einfacher und sicherheitstechnisch unbedenklicher Vermischungsprozess in der Schmelze des Brennstoff-/Binder-Materials durchgeführt wird, wobei je nach dem verwendeten Brennstoff-/Binder-Material Temperaturen von 80–150°C angewandt werden, dass dabei das Brennstoff-/Binder-Material vorgelegt und aufgeschmolzen wird, und dann unter Temperaturkontrolle zunächst das Aluminiumpulver eingerührt wird, gefolgt von den Abbrandmoderatoren und schließlich der Oxidatorkomponente, dass die entstandene, mehr- oder weniger viskose Treibstoffmasse in geeignete Formen zur Herstellung von Blöcken, Zylindern, Stangen oder Rohren gegossen oder verfüllt wird und nach dem Abkühlen, Erstarren und Entformen gebrauchsfertig ist.
- Treibstoffe entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungssteigerunger des spezifischen Impulses von über 25% gegenüber den bisher bekannten Zucker-Treibstoffen und dass ca. 75% der Leistung von Ammoniumperchlorat-Treibstoffen erreicht werden.
- Treibstoffe entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weder giftige Chemikalien noch Sprengstoffe enthalten und beim Abbrand keine umweltschädlichen chlorhaltigen Abgase erzeugen.
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