DE102011056581B4

DE102011056581B4 - Gelförmiger Treibstoff

Info

Publication number: DE102011056581B4
Application number: DE102011056581.7A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Ramsel; Karl Wieland Naumann; Konrad Schmid; Ralf Stierle
Original assignee: Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Current assignee: Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2016-08-11
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: DE102011056581A1; EP2607337B1; EP2607337A1

Abstract

Gelförmiger Treibstoff, bestehend aus wenigstens einem Kohlenwasserstoff, der wenigstens eine Nitrogruppe enthält, als monergoler Basistreibstoff und wenigstens einem Gelbildner, wobei der Treibstoff zusätzlich wenigstens einen festen Oxidator enthält und einspritzbar ist und wobei der Gelbildner ein LMOG-Gelbildner ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gelförmigen Treibstoff, insbesondere für Raketenmotore, nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
Aus der DE 101 63 978 B4 geht ein Verfahren zur Herstellung eines strukturviskosen, gelförmigen Treibstoffs hervor, das auf einer Flüssigkeit aus flüssigen oder in organischen Lösungsmitteln gelösten festen Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoffen basiert. Die Feststoffpartikel werden mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 800 nm in die Flüssigkeit im Wesentlichen homogen eindispergiert.
Aus der US 3 084 504 A ist ein Raketenmotor bekannt, der dazu in der Lage ist, einen extrudierbaren thixotrophen Monopropellant zu verbrennen. Der Raketenmotor kann dabei schnell und ohne weiteres durch Beendigung der Extrusion gestoppt und während des Fluges ebenfalls wieder gestartet werden. Hierzu sind keine weiteren Wartungsmaßnahmen am Boden oder eine nochmalige Betankung erforderlich.
Die DE 1 177 992 B offenbart einen einspritzbaren, monergolen Raketentreibstoff auf der Basis von Brennstoff- und Oxydatorkomponenten verschiedener Aggregatszustände. Die verschiedenen, in festen und flüssigen Aggregatszuständen vorliegenden Brennstoff- und Oxydatorkomponenten sind ineinander nicht oder nur unwesentlich löslich. Die einspritzbare pumpfähige Suspension ist durch den Zusatz eines Suspensionsstabilisators zusätzlich stabilisiert.
Die US 3 035 948 A offenbart einen Geltreibstoff, der als fester oder halbfester Geltreibstoff ausgebildet ist. Der Treibstoff weist flüssige Nitroalkane oder Mischungen aus flüssigen Nitroalkanen auf, denen Gelbildner zugesetzt werden.
Derartige gelförmige Treibstoffe, die aus einem Gemisch aus einem monergolen Basistreibstoff, wie Nitromethan, und einem Geldbildner bestehen, sind bekannt. Neben diesen als Einstoff-Treibstoff oder „Monopropellant” bezeichneten gelförmigen Treibstoffen aus einem einzigen Gemisch, sind Zweistoff-Treibstoffe oder „Bi-Propellants” bekannt, die einen mit einem Gelbildner versetzten Basistreibstoff, wie Monomethylhydrazin, und einen vom Basistreibstoff getrennten Oxidator, wie inhibierte, rotrauchende Salpetersäure, aufweisen.
Nachteilig bei den bekannten „Monopropellants” ist der relativ geringe spezifische Impuls. Bei den Bi-Propellants ist dieser Nachteil, wenn auch weniger deutlich, ebenfalls spürbar. Zudem ist die relativ geringe Dichte der bekannten gelförmigen Treibstoffe, insbesondere der „Bi-Propellants” nachteilig.
Durch Zugabe von z. B. Aluminium-, Magnesium- oder anderen Metallpartikeln zum „Monopropellant”-Treibstoff können der spezifische Impuls und der volumetrische spezifische Impuls zwar spürbar verbessert werden, jedoch lagert sich z. B. Aluminiumoxid in der Brennkammer ab, was bei länger dauerndem Betrieb und bei geringer Beschleunigung in Brennkammerlängsrichtung von Nachteil ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen gelförmigen Treibstoff bereitzustellen, der ohne Ablagerungen einen hohen spezifischen Impuls, insbesondere einen hohen volumenspezifischen Impuls liefert.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der gelförmige Einstoff-Treibstoff aus einem Gemisch aus wenigstens einem monergolen Basistreibstoff, nämlich einem Kohlenwasserstoff, der wenigstens eine Nitrogruppe enthält, wenigstens einem Gelbildner und wenigstens einem festen Oxidator besteht.
Durch die Zugabe des festen Oxidators wird sowohl der spezifische Impuls als auch die Dichte und demzufolge insbesondere der volumenspezifische Impuls des Treibstoffs erhöht, was im Vergleich zu bekannten gelförmigen und insbesondere Flüssigtreibstoffen kleinere und damit leichtere Treibstofftanks und in der Folge kleinere und leichte Bedrückungssysteme ermöglicht.
Der wenigstens eine Nitrogruppe enthaltende Kohlenwasserstoff, der den monergolen Basistreibstoff bildet, weist höchstens acht Kohlenstoffatome pro Molekül auf und ist bei Raumtemperatur flüssig. Vorzugsweise wird der die wenigstens eine Nitrogruppe enthaltende Kohlenwasserstoff durch Nitromethan oder Nitroethan gebildet.
Der Anteil des monergolen Basistreibstoffs in dem gelförmigen Treibstoff beträgt vorzugsweise mindestens 30 Gew.-%, insbesondere mindestens 45 Gew.-%.
Um aus dem flüssigen, monergolen Basistreibstoff ein Gel zu bilden, wird er mit einem Gelbildner vermischt. Als Gelbildner kann Kieselsäure, insbesondere pyrogene Kieselsäure, zum Beispiel Aerosil^®, verwendet werden. Erfindungsgemäß sind organische Gelbildner oder Gelbildner auf Kohlenstoffbasis vorgesehen. Die organischen Gelbildner sind als LMOG-Gelbildner („low molecular mass organic gelators”) ausgebildet. Die aus Kohlenstoff bestehenden Gelbildner sind aus Kohlenstoffpartikeln oder Kohlenstoff-Nanoröhren („nano tubes”) aufgebaut.
Der durch einen Feststoff gebildete Oxidator besteht vorzugsweise aus wenigstens einer Verbindung der Gruppe: Ammoniumperchlorat, Ammoniumnitrat, Ammoniumdinitratamid und hochbrisanter Explosivstoff. Der hochbrisante Explosivstoff ist vorzugsweise Oktogen (HMX), Hexogen (RDX) und/oder Diaminodinitroethylen (FOX-7).
Der Anteil des Oxidators in dem gelförmigen Treibstoff beträgt vorzugsweise mindestens 1 Gew.-%, insbesondere mindestens 20 Gew.-% und vorzugsweise höchstens 70 Gew.-%, insbesondere höchstens 30 Gew.-%.
Damit der Oxidator mit dem monergolen Basistreibstoff gut mischbar ist und in dem gelförmigen Treibstoff auch nach längerer Lagerdauer nicht sedimentiert, weist er eine mittlere Teilchengröße von vorzugsweise höchstens 0,4 Millimeter, insbesondere höchstens 0,09 Millimeter, auf. Die feinen Oxidatorpartikel werden damit sehr lange in der Gelstruktur des Treibstoffs in der Schwebe gehalten.
Der teilchenförmige Oxidator kann auch dazu beitragen, die benötigte Menge an inertem Gelbildner zu vermindern. Der Oxidator oxidiert einen Teil der Kohlenwasserstoffanteile des monergolen Basistreibstoffs und, da der Gelbildner ein organischer Gelbildner oder ein Gelbildner auf Kohlenstoffbasis ist, den Gelbildner.
Bevorzugt wird das Mischungsverhältnis des Oxidators zu dem die wenigstens eine Nitrogruppe enthaltenden Kohlenwasserstoff und, weil der Gelbildner ein organischer Gelbildner und ein Gelbildner auf Kohlenstoffbasis ist, derart gewählt, dass die bei der Reaktion entstehenden Gase leicht unterbilanziert, d. h. leicht brennstoffreich, also reduzierend sind, weil derartige Gase die Struktur beispielsweise der Brennkammer und der Düse einer Rakete nicht oxidieren und so die Standfestigkeit dieser Strukturen verbessert wird.
Der erfindungsgemäß mit Oxidatorpartikel beladene gelförmige Treibstoff kann wie normaler gelförmiger Treibstoff gefördert, eingespritzt und verbrannt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen gelförmigen Treibstoff wird eine deutliche Verbesserung des spezifischen Impulses erreicht. Damit können Einstoff- oder „Monopropellant”-Triebwerke realisiert werden, die gemessen an den eingeführt Zweistoff- oder „Bi-Propellant”-Triebwerken” einen nur geringfügig reduzierten spezifischen Impuls aufweisen, bei zugleich wesentlich einfacherer Systemarchitektur und einem zugleich wesentlich leichter zu handhabenden und umweltfreundlicherem Treibstoff. Dabei beträgt die Verbesserung der Dichte des erfindungsgemäßen Treibstoffs gegenüber einem herkömmlichen „Monopropellant” für Einstoff-Triebwerke das 1,15 bis 1,2-fache. Gegenüber den eingeführten „Bi-Propellants” für Zweistoff-Triebwerke ist die Dichte des erfindungsgemäßen Treibstoffs um den Faktor 1,15 bis 1,2 größer, was kleinere Tankvolumina ermöglicht.
Der erfindungsgemäße leistungsgesteigerte Treibstoff ist generell günstig hinsichtlich Herstellung, Lagerung, Transport, Handhabung, Einsatz, Entsorgung und Kosten.
Zudem ist der Temperatureinsatzbereich des erfindungsgemäßen Treibstoffs im Vergleich zu den bisher in Satelliten und Startraketen verwendeten Flüssigtreibstoffen Hydrazin und Distickstofftetroxid, die bisher in Satelliten und Startraketen verwendet werden, wesentlich größer. Der erfindungsgemäße Treibstoff ist deshalb auch hervorragend für Weltraumanwendungen, insbesondere für Startraketen und Satelliten geeignet.

Claims

Gelförmiger Treibstoff, bestehend aus wenigstens einem Kohlenwasserstoff, der wenigstens eine Nitrogruppe enthält, als monergoler Basistreibstoff und wenigstens einem Gelbildner, wobei der Treibstoff zusätzlich wenigstens einen festen Oxidator enthält und einspritzbar ist und wobei der Gelbildner ein LMOG-Gelbildner ist.
Gelförmiger Treibstoff, bestehend aus wenigstens einem Kohlenwasserstoff, der wenigstens eine Nitrogruppe enthält, als monergoler Basistreibstoff und wenigstens einem Gelbildner, wobei der Treibstoff zusätzlich wenigstens einen festen Oxidator enthält und einspritzbar ist und wobei der Gelbildner auf Kohlenstoffbasis aus Kohlenstoffpartikeln oder Kohlenstoff-Nanoröhren besteht.
Gelförmiger Treibstoff nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der monergole Basistreibstoff Nitromethan oder Nitroethan ist.
Gelförmiger Treibstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des monergolen Basistreibstoffs in dem gelförmigen Treibstoff mindestens 30 Gew.-% beträgt.
Gelförmiger Treibstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidator ein Feststoff aus wenigstens einer Verbindung der Gruppe: Ammoniumperchlorat, Ammoniumnitrat, Ammoniumdinitratamid und hochbrisanter Explosivstoff ist.
Gelförmiger Treibstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Explosivstoff Oktogen, Hexogen und/oder Diaminodinitroethylen ist.
Gelförmiger Treibstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Oxidators in dem gelförmigen Treibstoff mindestens 1 Gew.-% beträgt.
Gelförmiger Treibstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidator eine mittlere Teilchengröße von höchstens 0,4 Millimeter aufweist.