-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen. Ferner betrifft die Erfindung entgaste hypergole Treibstoffe, die im Wesentlichen frei von Schutzgasen sind, sowie vakuumdichte Behälter, welche diese entgasten hypergolen Treibstoffe enthalten.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft das Entgasen, bzw. das Entsättigen von hypergolen Treibstoffen, um möglichst gasfreien hypergolen Treibstoff bereitzustellen.
-
Hypergolität ist eine Eigenschaft bestimmter Treibstoffe, deren Komponenten spontan miteinander reagieren, wenn sie in Kontakt gebracht oder vermischt werden. Die Komponenten hypergoler Treibstoffe sind in der Regel starke Oxidations- und Reduktionsmittel, die sich bei Kontakt sofort, teilweise explosionsartig, entzünden. Hypergole Treibstoffe (z.B. Hydrazin-Derivate und Distickstofftetroxid) sind ohne Kühlung lange Zeit lagerfähig (anders als z. B. flüssiger Wasserstoff) und werden daher von Satelliten und Raumsonden oder in Oberstufen von Raketen verwendet. Bemannte Raumschiffe verwenden sie ebenfalls z.B. für ihre Korrekturtriebwerke.
-
Da der Treibstoff nach dem Einspritzen in die Brennkammer sofort reagiert und brennt, darf sich nie zu viel Treibstoff in der Brennkammer ansammeln, bevor das Triebwerk gezündet wird. Hypergole Treibstoffe werden auch bei manchen Triebwerken zur Zündung eingesetzt. Triebwerke, die hypergole Treibstoffe verbrennen, benötigen keine komplizierten Zündvorrichtungen und können mehrfach zünden. Deshalb werden hypergole Treibstoffe wie oben beschrieben oft bei Korrekturtriebwerken eingesetzt, da diese oft gezündet werden müssen und die Anzahl der Zündungen vorher nicht immer feststeht.
-
Wenn in der vorliegenden Anmeldung von hypergolen Treibstoffen gesprochen wird, werden darunter sowohl die einzelnen Komponenten (z.B. Dimethylhydrazin alleine) als auch deren Kombinationen (z.B. Dimethylhydrazin und Distickstofftetroxid) verstanden. Die hierin beschriebene Entgasung sollte jedoch mit einzelnen isolierten Komponenten stattfinden, da die Kombinationen, wie weiter oben beschrieben, leicht entzündlich sind. Dementsprechend sind u. A. die Reduktionsmittel Hydrazin und dessen Hydrazin-Derivate, wie insbesondere 1,1-Dimethylhydrazin (bzw. unsymmetrisches Dimethylhydrazin, UDMH) und Monomethylhydrazin (MMH), sowie Oxidationsmittel, wie insbesondere Distickstofftetroxid (NTO, N2O4) hypergole Treibstoffe.
-
Hypergole Treibstoffe enthalten Schutzgase wie Stickstoff und Helium, welche während der Herstellung, des Transports oder der Lagerung verwendet werden, um eine ungewollte Reaktion des hypergolen Treibstoffs zu verhindern. So wird z.B. Stickstoff bei der Herstellung von hypergolen Treibstoffen verwendet und sammelt sich daher darin an. Weiterhin ist Stickstoff ein günstiges Schutzgas und wird daher für den gefahrenfreien Transport von hypergolen Treibstoffen verwendet. Helium ist ein sehr leichtes Schutzgas und wird daher hypergolen Treibstoffen zugesetzt, um deren Transport für Weltraummissionen kostengünstig und sicher zu gestalten.
-
Das Löslichkeits-Druckverhältnis von Helium und Stickstoff in hypergolen Treibstoffen wird durch das Henry-Gesetz gemäß der Formel X = K · P bestimmt, wobei X die Molfraktion an gelöstem Gas, P der Partialdruck und K die Löslichkeitskonstante darstellen. Entsprechend nimmt die Gaslöslichkeit von Gasen wie Stickstoff und Helium in flüssigen hypergolen Treibstoffen als eine Funktion der Temperatur zu. Üblicherweise werden hypergole Treibstoffe unter hohem Druck, wie z.B. bei 4 bar, in einer Helium- oder Stickstoff-Atmosphäre gelagert, wobei sich die flüssigen hypergolen Treibstoffe mit diesen Gasen sättigen. Daher sind hypergole Treibstoffe mit Schutzgasen gesättigt, d.h. sie enthalten eine dem Druck und der Temperatur entsprechende Konzentration an Schutzgasen wie Stickstoff und Helium.
-
Die Wärmetransfer-Eigenschaften von solchen gas-gesättigten Flüssigkeiten unterscheiden sich signifikant von denen von reinen Flüssigkeiten, da gelöste Gasbläschen u. A. einen Wärmetransfer verhindern, zu Schubanomalien der betriebenen Raketentriebwerke führen und sogar ein Ausbrennen der Wände der Raketenkammer verursachen können. Gasbläschen können auch Hydrazin und Hydrazin-Derivate empfindlicher machen, was das Risiko von Explosionen bei adiabatischer Kompression erhöht.
-
Dementsprechend beeinflussen Gase die Leistung und Sicherheit von hypergolen Treibstoffen.
-
Um den Aufbau von Bläschen in dem Zuführsystem zu vermeiden, sollte der GasGehalt in dem Treibstoff bevorzugt so wenig wie möglich Helium und Stickstoff betragen.
-
Zu beachten ist, dass eine reproduzierbare Sättigung von hypergolen Treibstoffen mit Helium und Stickstoff schwierig zu erreichen ist, d.h. selbst wenn gesättigte hypergole Treibstoffe verwendet werden, kann deren reproduzierbarer Einsatz nicht zugesichert werden.
-
Bisher bekannte Verfahren beruhen auf der ausschließlichen Austreibung von Gaskomponenten durch ein sogenanntes „Stripping“. Hierbei erfolgt eine Durchströmung der flüssigen Phase mit einem bestimmten Gas geringerer Löslichkeit, wie z.B. Helium, welches die anderen gelösten Gase, wie insbesondere Stickstoff durch Desorption nach Henry (Konzentrationsausgleich) aufnimmt und aus der Flüssigphase befördert.
-
Gegenüber diesem Verfahren soll zum einen die Effizienz gesteigert werden, da alle Restgase entfernt werden können, zum anderen sollen die Dampfverluste der Flüssigphase gering gehalten werden, da kein wertvoller hypergoler Treibstoff entfernt wird. Weiterhin von Vorteil ist, dass kein evtl. bei anderen Verfahren verwendetes Gas in der Flüssigphase verbleibt.
-
Somit wird durch das beanspruchte Verfahren ein vollständig oder zumindest im Wesentlichen entgaster hypergoler Treibstoff bereitgestellt.
-
Die Erfindung ist auf die Aufgabe gerichtet, ein Verfahren zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen bereitzustellen. Ferner ist die Erfindung auf die Aufgabe gerichtet nach einem derartigen Verfahren entgaste hypergole Treibstoffe, sowie einen vakuumdichten Behälter, welcher die entgasten hypergolen Treibstoffe enthält bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, einen entgasten hypergolen Treibstoff gemäß Ansprüchen 8 und 9 und einen vakuumdichten Behälter gemäß Anspruch 10 gelöst.
-
Hypergole Treibstoffe
-
Hypergole Treibstoffe sind starke Oxidations- und Reduktionsmittel, die sich bei Kontakt sofort, teilweise explosionsartig, entzünden. Beispiele für eingesetzte hypergole Treibstoffe sind Dimethylhydrazin und Distickstofftetroxid, Methylhydrazin und Distickstofftetroxid, Dimethylhydrazin und Salpetersäure, Hydrazin und Salpetersäure, Anilin und Salpetersäure, Wasserstoffperoxid und ein Gemisch aus Hydrazinhydrat, Methanol und 13 % Wasser, hochkonzentriertes Wasserstoffperoxid und RP-1 (sog. Rocket Propellant 1).
-
Wenn in der vorliegenden Anmeldung von hypergolen Treibstoffen gesprochen wird, werden darunter sowohl die einzelnen Komponenten (z.B. Dimethylhydrazin alleine) als auch deren Kombinationen (z.B. Dimethylhydrazin und Distickstofftetroxid) verstanden. Die hierin beschriebene Entgasung sollte jedoch in der Regel mit einzelnen isolierten Komponenten stattfinden, da die Kombinationen, wie weiter oben beschrieben, leicht entzündlich sind.
-
Bevorzugt verwendete und somit entgaste hypergole Treibstoffe sind 1,1-Dimethylhydrazin (bzw. unsymmetrisches Dimethylhydrazin, UDMH), Monomethylhydrazin (MMH), Hydrazin und Distickstofftetroxid (NTO, N2O4).
-
1,1-Dimethylhydrazin (UDMH) ist eine farblose, aminartig riechende Flüssigkeit mit einem Schmelzpunkt von -58 °C, einem Siedepunkt von 63 °C und einem Dampfdruck von 164 hPa (20 °C). Methylhydrazin (MMH) ist eine farblose, hygroskopische Flüssigkeit mit ammoniakartigem Geruch und mit einem Schmelzpunkt von -52 °C, einem Siedepunkt von 87 °C und einem Dampfdruck von 50 hPa (20 °C). Hydrazin ist eine farblose klare Flüssigkeit mit einem Schmelzpunkt von 1,54 °C, einem Siedepunkt von 113,5 °C und einem Dampfdruck von 21 hPa (20 °C). Distickstofftetroxid (NTA, N2O4) ist ein farbloses, bei Erwärmung rotbraunes Gas mit stechendem Geruch mit einem Schmelzpunkt von -11 °C, einem Siedepunkt von 21 °C und einem Dampfdruck von 0,1 MPa (20 °C). Da in der vorliegenden Erfindung hypergole Treibstoffe in flüssiger Form entgast werden, muss das Distickstofftetroxid ggf. unter dem Siedepunkt bei 21 °C gekühlt werden, um flüssig vorzuliegen.
-
Hypergole Treibstoffe werden aufgrund ihrer hohen Reaktivität in einer Schutzgasatmosphäre hergestellt, geliefert und gelagert. Solche Schutzgase sind vor allem Stickstoff, Helium und Argon, wobei Stickstoff vorrangig aufgrund seines günstigen Preises und Helium aufgrund des niedrigen Gewichts für Raumfahrtmissionen eingesetzt wird. Daher enthalten die hypergolen Treibstoffe in der Regel ein Gas, insbesondere ein Schutzgas, welches Stickstoff, Helium oder Argon umfasst.
-
Diese Schutzgase und ggf. andere Fremdgase sammeln sich in den hypergolen Treibstoffen an, d.h. die hypergolen Treibstoffe sind mit den Schutz- und ggf. Fremdgasen gesättigt. Wenn vorliegend von Gasen, bzw. Schutzgasen gesprochen wird, können auch andere Fremdgase umfasst sein.
-
Die hierin beschriebenen entgasten hypergolen Treibstoffe enthalten bevorzugt keine oder nur wenig Schutzgase. Die entgasten hypergolen Treibstoffe enthalten bevorzugt zwischen 0 und 100 mg/L, bevorzugt zwischen 0 und 50 mg/L, stärker bevorzugt zwischen 0 und 10 mg/L und am stärksten bevorzugt zwischen 0 und 5 mg/L Schutzgase. Ein hypergoler Treibstoff, der im Wesentlichen frei von gelösten Schutzgasen ist, enthält dementsprechend bevorzugt 0 bis 100 mg/L, 0 bis 50 mg/L, 0 bis 10 mg/L, bzw. 0 bis 5 mg/L Schutzgas.
-
Vorrichtung zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen
-
Eine Vorrichtung zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen umfasst einen vakuumdichten Behälter, eine Einlassleitung zum Einführen von hypergolem Treibstoff in den vakuumdichten Behälter, ein Temperiergerät zum Kühlen des hypergolen Treibstoff enthaltenden vakuumdichten Behälters und eine über eine Auslassleitung 10 mit dem vakuumdichten Behälter verbundene Unterdruckquelle, die dazu eingerichtet ist, in dem vakuumdichten Behälter einen gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierten Druck zu erzeugen.
-
Der hypergole Treibstoff kann aus mindestens einem von 1,1-Dimethylhydrazin, Monomethylhydrazin, Hydrazin und Stickstofftetroxid ausgewählt sein und der hypergole Treibstoff kann ein Gas enthalten, das zumindest Helium, Stickstoff oder Argon umfasst.
-
Der vakuumdichte Behälter ist mit einer Einlassleitung und einer Auslassleitung versehen. Über die Einlassleitung kann hypergoler Treibstoff in den vakuumdichten Behälter gefüllt werden. Der hypergole Treibstoff sollte dabei in flüssiger Form vorliegen, d.h. im Falle von Stickstofftetroxid muss dieses vor dem Einfüllen ggf. gekühlt werden.
-
Über ein Temperiergerät wird der vakuumdichte Behälter mit dem hypergolen Treibstoff gekühlt. Das Temperiergerät umfasst bevorzugt einen Kühlbehälter, über welchen der vakuumdichte Behälter gekühlt wird. Der Kühlbehälter ist bevorzugt mit Trockeneis gefüllt, so dass der vakuumdichte Behälter auf eine Temperatur von ca. - 78°C gekühlt wird. Wenn die Abkühlung des hypergolen Treibstoffs durch Trockeneis erfolgt, können die stoffspezifischen Gefriertemperaturen einfach erreicht werden.
-
Außerdem weist Trockeneis eine hohe Wärme/Kälte-Kapazität auf, was der Wirtschaftlichkeit und Effizienz des Verfahrens mit der Vorrichtung zuträglich ist. Des Weiteren ist das Verfahren nahezu ortsunabhängig, da die Vorrichtung prinzipiell überall aufgebaut werden kann, wo der Umgang mit hypergolen Treibstoffen zulässig ist.
-
Bei dem gesamten Vorgang ist darauf zu achten, dass der hypergole Treibstoff nicht mit Luft bzw. Sauerstoff in Kontakt kommt, sondern stets unter einer Schutzgasatmosphäre, bzw. unter Vakuum gehandhabt wird. Unter einem „reduzierten Druck“, bzw. einem „Unterdruck“, bzw. einem „negativen Druck“, bzw. einem „Vakuum“ wird hier ein gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck verstanden. Die Unterdruckquelle kann beispielsweise eine Vakuumpumpe umfassen, die dazu eingerichtet ist einen gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierten Druck zu erzeugen.
-
Der Druck im Behälter nach der Entgasung entspricht dem des Dampfdrucks der Flüssigkeit bei der entsprechenden Temperatur. Da dieser i.d.R. unter dem Umgebungsluftdruck (ca. 1 bar) liegt, sollte der Behälter eine hohe Druckfestigkeit und eine hohe Vakuumdichtheit aufweisen, um eine lange Lagerdauer von z.B. 1 Jahr zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für die Lagerung von NTO, welches je nach Temperatur Dampfdrücke zwischen 200 mbar und mehreren Bar annehmen kann.
-
Sobald der hypergole Treibstoff gekühlt ist, jedoch noch bevor dessen Gefrierpunkt erreicht wird, wo er in fester Form vorliegt, kann über eine mit der Auslassleitung verbundene Unterdruckquelle Unterdruck an den hypergolen Treibstoff angesetzt werden. Die Unterdruckquelle ist bevorzugt eine Vakuumpumpe, wie insbesondere eine chemisch kompatible Membranvakuumpumpe. Durch die starke Abkühlung der Treibstoffe und der damit verbundenen Dampf- bzw. Sublimationsdruckabsenkung ist die erforderliche Vakuumleistung relativ niedrig. Bevorzugt ist die Unterdruckquelle daher dazu eingerichtet, Schutzgase aus hypergolen Treibstoffen zu entfernen. Die Unterdruckquelle ist daher bevorzugt dazu eingerichtet, ein Vakuum von 1 bis 100 mbar, bevorzugt von 1 bis 50 mbar, bevorzugt von 1 bis 20 mbar, stärker bevorzugt von 1 bis 10 mbar und am stärksten bevorzugt von 1 bis 2 mbar an den hypergolen Treibstoff anzusetzen.
-
Die Vorrichtung zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen umfasst bevorzugt eine Schüttelapparatur zum mechanischen Bewegen des vakuumdichten Behälters. Über diese Schüttelapparatur kann die Vorrichtung während des gesamten Vorgangs geschüttelt werden, was die Entgasung bzw. Entsättigung unterstützt. Durch ständige mechanische Bewegung der Flüssigkeit während dem Abkühl- und Vakuumvorgang wird die Trennung von Gas und flüssigem hypergolen Treibstoff unterstützt. Die mechanische Bewegung erfolgt bevorzugt durch Platzieren der Vorrichtung auf einem Rütteltisch, der bevorzugt mit einer Frequenz von 20 bis 30 Hz schüttelt.
-
Die Vorrichtung zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen kann des Weiteren an der Einlassleitung und der Auslassleitung angeordnete Ventile zum dichten Verschließen des vakuumdichten Behälters umfassen. Die Ventile ermöglichen die kontrollierte Zufuhr von hypergolem Treibstoff, die Abfuhr von Schutzgasen, sowie das dichte Verschließen des vakuumdichten Behälters nach dem Verfahren. Die Vorrichtung zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen kann des Weiteren einen Temperatursensor umfassen, der in dem vakuumdichten Behälter angeordnet ist. Über den Temperatursensor kann die Temperatur im vakuumdichten Behälter laufend beobachtet werden. Dadurch kann ein gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck (ein Vakuum) zum gewünschten Zeitpunkt an den hypergolen Treibstoff angesetzt werden, der bevorzugt wie hierin beschrieben gewählt wird, z.B. während der hypergole Treibstoff schon gekühlt, jedoch noch flüssig vorliegt.
-
Verfahren zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen
-
Ein Verfahren zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen umfasst Einführen von hypergolem Treibstoff in einen vakuumdichten Behälter, Kühlen des hypergolen Treibstoff enthaltenden vakuumdichten Behälters, und Ansetzen eines gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierten Drucks an den hypergolen Treibstoff.
-
Der hypergole Treibstoff kann aus mindestens einem von 1,1-Dimethylhydrazin, Monomethylhydrazin, Hydrazin und Stickstofftetroxid ausgewählt sein. Der hypergole Treibstoff kann ein Gas enthalten, das zumindest Helium, Stickstoff oder Argon umfasst.
-
Der Kern des Verfahrens beruht auf dem Gaslösungsverhalten in Flüssigkeiten, welches stark von der Temperatur und dem Druck abhängig ist. Das Prinzip des Verfahrens beruht darauf, dass durch einen Flüssig-Fest-Phasenübergang mittels Einfrieren gelöstes Gas aus dem hypergolen Treibstoff entfernt wird. Während dem langsamen, zeitlich gesteuerten Einfriervorgang wird durch kontinuierliches Anlegen von Unterdruck (eines Vakuums, bzw. eines reduzierten oder negativen Drucks) mittels einer Unterdruckquelle an den Gasraum über dem Flüssigkeitsvolumen das gelöste Gas ständig abgesaugt.
-
Der hypergole Treibstoff wird bevorzugt bei etwa Raumtemperatur, z.B. von 5 °C bis 35 °C, bevorzugt von 10 °C bis 30 °C, bevorzugt von 15 °C bis 25 °C, stärker bevorzugt bei etwa 22 °C in den vakuumdichten Behälter eingeführt. Der hypergole Treibstoff wird von dieser Temperatur bis zum Gefrierpunkt des hypergolen Treibstoffs gekühlt. Während der Kühlung wird gleichzeitig ein gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck an den hypergolen Treibstoff angesetzt, um darin enthaltene Schutzgase zu entfernen.
-
Bevorzugt wird der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck an den bereits gekühlten, aber noch flüssigen hypergolen Treibstoff angesetzt. Dementsprechend wir der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck zumindest zeitweise während der Kühlung angesetzt. Bevorzugt wird der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck während dem Kühlvorgang bei Erreichen einer Temperatur von -10 °C bis 10 °C, stärker bevorzugt von -5 °C bis 5 °C, am stärksten bevorzugt bei etwa 0 °C angesetzt (d.h. gestartet) und über zumindest einen Teil der Kühlung beibehalten.
-
Bevorzugt wird der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck bis Erreichen des Gefrierpunkts des hypergolen Treibstoffs beibehalten. Dementsprechend wird der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck während dem Kühlvorgang bevorzugt eingesetzt, während der hypergole Treibstoff gekühlt, aber noch in flüssiger Form vorliegt. Der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck wird bevorzugt beibehalten, bis der Schmelzpunkt des hypergolen Treibstoffs erreicht ist, d.h. bis der hypergole Treibstoff in fester Form vorliegt.
-
Wenn der hypergole Treibstoff beim Ansetzen des gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierten Drucks bereits gekühlt vorliegt, ist dessen Dampfdruck verringert, so dass wenig bis gar kein hypergoler Treibstoff über die Unterdruckquelle abgezogen wird. Würde man hingegen den Unterdruck erst ansetzen, wenn der Gefrierpunkt erreicht ist, könnten die Gase in der Kristallmatrix des gefrorenen hypergolen Treibstoffs gefangen sein, so dass sie dann nicht mehr abgezogen werden könnten.
-
Bei hypergolen Treibstoffen, die bei Raumtemperatur (ca. 22 °C) flüssig vorliegen (z.B. UDMH mit einem Siedepunkt von 63 °C) wird z.B. zunächst von Raumtemperatur auf 0°C gekühlt, dann die Unterdruckquelle eingeschaltet und ein gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck angesetzt, bis der hypergole Treibstoff gefriert (z.B. bei UDMH bei einem Schmelzpunkt von -58 °C). Im Temperaturbereich zwischen 0 °C und dem Gefrierpunkt (bei UDMH -58 °C) werden in dem hypergolen Treibstoff gelöste Schutzgase entfernt, während kaum etwas von dem hypergolen Treibstoff selbst abgezogen wird.
-
Im Falle von reinen flüssigen hypergolen Treibstoffen, wie insbesondere UDMH, MMH und Hydrazin, welche einen Siedepunkt bei über 60°C (z.B. UDMH mit einem Siedepunkt von 63°C) aufweisen, bewirkt die Abkühlung der Flüssigphase bis zum Gefrierpunkt eine Absenkung des Dampfdrucks auf nahezu 0 mbar. Dadurch können die gelösten Gase bis zu der diesem Druckniveau entsprechenden Konzentration durch den anliegenden gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierten negativen Druck entfernt werden.
-
Bei hypergolen Treibstoffen, die bei Raumtemperatur (ca. 22 °C) ggf. gasförmig vorliegen (z.B. bei NTO mit einem Siedepunkt von 21 °C) werden diese ggf. zunächst leicht gekühlt, bis sie flüssig vorliegen und dann von dieser Temperatur zunächst auf 0 °C gekühlt, dann die Unterdruckquelle eingeschaltet und gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck angesetzt, bis der hypergole Treibstoff gefriert (z.B. bei NTO bei einem Schmelzpunkt von -11 °C). Im Temperaturbereich zwischen 0 °C und dem Gefrierpunkt (bei NTO -11 °C) werden in dem hypergolen Treibstoff gelöste Schutzgase entfernt, während kaum etwas von dem hypergolen Treibstoff selbst abgezogen wird.
-
Im Falle von NTO, welches einen Siedepunkt von ca. 21 °C aufweist und welches daher in der Regel leicht gekühlt werden muss, um flüssig vorzuliegen, bewirkt eine Abkühlung auf den Gefrierpunkt bei -11,2 °C eine Absenkung des Sublimationsdrucks, so dass das gekühlte NTO nicht abgezogen wird, während Restgase aus der Feststoffstruktur entfernt werden können.
-
In dem Verfahren zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen kann der hypergole Treibstoff auf den Gefrierpunkt des hypergolen Treibstoffs gekühlt werden, der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck vor Erreichen des Gefrierpunkts angesetzt werden, und der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck zumindest zeitweise während der Kühlung des hypergolen Treibstoffs auf den Gefrierpunkt beibehalten werden. Bevorzugt wird der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck bis Erreichen des Gefrierpunkts beibehalten.
-
Bevorzugt wird in dem Verfahren zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen der hypergole Treibstoff während dem Abkühlschritt und dem Vakuumschritt mechanisch bewegt. Als Abkühlschritt wird dabei der Schritt verstanden, in welchem der hypergole Treibstoff-enthaltende vakuumdichte Behälter gekühlt wird, als Vakuumschritt wird der Schritt verstanden, in welchem ein gegenüber Atmosphärendruck reduzierte Druck an den hypergolen Treibstoff angesetzt wird. Das mechanische Bewegen wird bevorzugt mittels einer Schüttelapparatur, wie z.B. einem Schütteltisch bewirkt. Über diese Schüttelapparatur kann die Vorrichtung während dem gesamten Vorgang geschüttelt werden, was die Entgasung bzw. die Entsättigung unterstützt. Durch ständige mechanische Bewegung der Flüssigkeit während dem Abkühl- und Vakuumvorgang wird die Trennung von Gas und flüssigem hypergolen Treibstoff unterstützt. Die mechanische Bewegung erfolgt bevorzugt durch Platzieren der Vorrichtung auf einem Rütteltisch, der bevorzugt mit einer Frequenz von 5 bis 100 Hz, 10 bis 50 Hz oder 20 bis 30 Hz schüttelt.
-
In dem Verfahren zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen kann der vakuumdichte Behälter über Ventile dicht verschlossen werden.
-
Während dem Verfahren zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen kann die Temperatur über einen Temperatursensor erfasst werden.
-
Durch die starke Abkühlung der Treibstoffe und der damit verbundenen Dampf- bzw. Sublimationsdruckabsenkung ist die erforderliche Vakuumleistung relativ niedrig. Bevorzugt wird daher ein Unterdruck bzw. ein Vakuum von 1 bis 100 mbar, bevorzugt von 1 bis 50 mbar, bevorzugt von 1 bis 20 mbar, stärker bevorzugt von 1 bis 10 mbar und am stärksten bevorzugt von 1 bis 2 mbar an den hypergolen Treibstoff angesetzt.
-
In dem Verfahren zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen kann der hypergole Treibstoff nach dem Abkühlen und dem Ansetzen von gegenüber dem Atmosphärendruck reduziertem Druck unter Beibehalten des reduzierten Drucks auftauen gelassen werden, d.h. nach dem Abkühlschritt und dem Vakuumschritt unter Beibehalten des gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierten Drucks auftauen gelassen werden. Der aufgetaute Treibstoff muss bedrückungsfrei in geeigneten, vakuumdichten Behältern gelagert werden. Bevorzugt wird dabei vor dem Auftauschritt der vakuumdichte Behälter z.B. mittels Ventilen dicht geschlossen.
-
Der unter reduzierten Druck gesetzte vakuumdichte Behälter wird dann Auftauen gelassen, wobei kein neuer Unterdruck über eine Unterdruckquelle angesetzt wird.
-
Alternativ kann der hypergole Treibstoff während dem Auftauschritt bei Erreichen des Gefrierpunkts erneut unter gegenüber Atmosphärendruck reduzierten Druck gesetzt werden. Der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck wird jedoch bevorzugt unmittelbar nach Erreichen einer Temperatur über dem Gefrierpunkt, d.h. sobald der hypergole Treibstoff wieder flüssig wird, wieder ausgeschaltet. Im Falle von UDMH würde entsprechend gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck erneut bei einer Temperatur vom Gefrierpunkt bei etwa -60 °C bis etwa -50 °C angesetzt werden. Im Falle von NTO würde entsprechend gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck erneut bei einer Temperatur vom Gefrierpunkt bei etwa -15 °C bis etwa -10 °C angesetzt werden. Dieser zusätzliche Vakuumschritt (d.h. Schritt, in dem erneut ein gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck angesetzt wird) kann eingesetzt werden, falls die Schutzgaskonzentration in dem hypergolen Treibstoff weiter reduziert werden soll. Jedoch hat sich in der Praxis herausgestellt, dass das oben beschriebene Verfahren, in welchem während der Abkühlung gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck angesetzt wird, bereits für die meisten Anwendungen ausreicht.
-
Das Verfahren zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen kann entsprechend die folgenden Schritte umfassen:
- - Einführen von hypergolem Treibstoff in einen vakuumdichten Behälter,
- - Kühlen des hypergolen Treibstoff enthaltenden vakuumdichten Behälters mit Trockeneis unter mechanischen Bewegen,
- - Ansetzen eines gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierten Drucks an den hypergolen Treibstoff, während der hypergole Treibstoff noch flüssig ist,
- - weiteres Abkühlen des flüssigen hypergolen Treibstoffs auf den Gefrierpunkt des hypergolen Treibstoffs, während der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck beibehalten wird,
- - Auftauen durch Stehenlassen des gefrorenen festen hypergolen Treibstoffs in dem Behälter, wobei der gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierte Druck beibehalten wird,
- - bei erneutem Erreichen des Gefrierpunkts optional erneutes Ansetzen von gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierten Druck.
-
Entgaster hypergoler Treibstoff
-
Ein entgaster hypergoler Treibstoff ist im Wesentlichen frei von gelösten Schutzgasen. Wie oben beschrieben, bedeutet im Wesentlichen frei, dass der hypergole Treibstoff bevorzugt 0 bis 100 mg/L, stärker bevorzugt 0 bis 50 mg/L, noch stärker bevorzugt 0 bis 10 mg/L und am stärksten bevorzugt 0 bis 5 mg/L Schutzgas enthält.
-
Ein solcher entgaster hypergoler Treibstoff kann mit einer oben beschriebenen Vorrichtung oder einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
-
Ein vakuumdichter Behälter umfasst einen hypergolen Treibstoff, der im Wesentlichen frei von gelösten Schutzgasen ist. Ein vakuumdichter Behälter umfasst einen hypergolen Treibstoff, der mit einem wie oben beschriebenen Verfahren oder einer wie oben beschriebenen Vorrichtung hergestellt wurde. Wie oben beschrieben, bedeutet im Wesentlichen frei, dass der hypergole Treibstoff bevorzugt 0 bis 100 mg/L, stärker bevorzugt 0 bis 50 mg/L, noch stärker bevorzugt 0 bis 10 mg/L und am stärksten bevorzugt 0 bis 5 mg/L Schutzgas enthält. Im Behälter befindet sich daher nur die Flüssigphase und die Dampfphase des hypergolen Treibstoffs, ohne dass noch Schutzgase darin enthalten sind.
-
Figurenliste
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Anmeldung werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert, wobei
- 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen zeigt.
-
Eine in 1 gezeigte Vorrichtung zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen umfasst einen vakuumdichten Behälter 2, eine Einlassleitung 4 zum Einführen von hypergolem Treibstoff 6 in den vakuumdichten Behälter 2, ein Temperiergerät 8 zum Kühlen des hypergolen Treibstoff enthaltenden vakuumdichten Behälters 2 und eine über eine Auslassleitung 10 mit dem vakuumdichten Behälter 2 verbundene Unterdruckquelle 12, die dazu eingerichtet ist, in dem vakuumdichten Behälter 2 einen gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierten Druck zu erzeugen.
-
Der hypergole Treibstoff kann aus mindestens einem von 1,1-Dimethylhydrazin, Monomethylhydrazin, Hydrazin und Stickstofftetroxid ausgewählt sein. Der hypergole Treibstoff kann ein Gas enthalten, das zumindest Helium, Stickstoff oder Argon umfasst.
-
Der vakuumdichte Behälter 2 ist mit einer Einlassleitung 4 und einer Auslassleitung 10 versehen. Über die Einlassleitung 4 kann hypergoler Treibstoff 6 in den vakuumdichten Behälter gefüllt werden. Der hypergole Treibstoff sollte dabei in flüssiger Form vorliegen, d.h. im Falle von Stickstofftetroxid muss dieses vor dem Einfüllen ggf. gekühlt werden. Über ein Temperiergerät 8 wird der vakuumdichte Behälter 2 mit dem hypergolen Treibstoff 6 gekühlt.
-
Das Temperiergerät 8 umfasst bevorzugt einen Kühlbehälter, über welchen der vakuumdichte Behälter 2 gekühlt wird. Der Kühlbehälter ist bevorzugt mit Trockeneis gefüllt, so dass der vakuumdichte Behälter 2 auf eine Temperatur von ca. -78°C gekühlt wird. Wenn die Abkühlung des hypergolen Treibstoffs durch Trockeneis erfolgt, können die stoffspezifischen Gefriertemperaturen einfach erreicht werden. Außerdem weist Trockeneis eine hohe Wärme/Kälte-Kapazität auf, was der Wirtschaftlichkeit und Effizienz des Verfahrens mit der Vorrichtung zuträglich ist. Des Weiteren ist das Verfahren nahezu ortsunabhängig, da die Vorrichtung prinzipiell überall aufgebaut werden kann, wo der Umgang mit hypergolen Treibstoffen zulässig ist.
-
Bei dem gesamten Vorgang ist darauf zu achten, dass der hypergole Treibstoff 6 nicht mit Luft bzw. Sauerstoff in Kontakt kommt, sondern stets unter einer Schutzgasatmosphäre, bzw. unter Vakuum gehandhabt wird. Der Druck im Behälter entspricht dem des Dampfdrucks der Flüssigkeit bei der entsprechenden Temperatur. Da dieser i.d.R. unter dem Umgebungsluftdruck (ca. 1 bar) liegt, sollte der Behälter eine hohe Druckfestigkeit und eine hohe Vakuumdichtheit aufweisen, um eine lange Lagerdauer von z.B. 1 Jahr zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für die Lagerung von NTO, welches je nach Temperatur Dampfdrücke zwischen 200 mbar und mehreren Bar annehmen kann.
-
Sobald der hypergole Treibstoff gekühlt ist, jedoch noch bevor dessen Gefrierpunkt erreicht wird, wo er in fester Form vorliegt, kann über eine mit der Auslassleitung 10 verbundene Unterdruckquelle Unterdruck an den hypergolen Treibstoff angesetzt werden. Die Unterdruckquelle ist bevorzugt eine Vakuumpumpe, wie insbesondere eine chemisch kompatible Membranvakuumpumpe. Durch die starke Abkühlung der Treibstoffe und der damit verbundenen Dampf- bzw. Sublimationsdruckabsenkung ist die erforderliche Vakuumleistung relativ niedrig. Bevorzugt ist die Unterdruckquelle daher dazu eingerichtet Schutzgase aus hypergolen Treibstoffen zu entfernen. Die Unterdruckquelle ist daher bevorzugt dazu eingerichtet, ein Vakuum von 1 bis 100 mbar, bevorzugt von 1 bis 50 mbar, bevorzugt von 1 bis 20 mbar, stärker bevorzugt von 1 bis 10 mbar und am stärksten bevorzugt von 1 bis 2 mbar an den hypergolen Treibstoff anzusetzen.
-
Die Vorrichtung zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen umfasst bevorzugt eine Schüttelapparatur 14 zum mechanischen Bewegen des vakuumdichten Behälters 2. Über diese Schüttelapparatur kann die Vorrichtung während dem gesamten Vorgang geschüttelt werden, was die Entgasung bzw. Entsättigung unterstützt. Durch ständige mechanische Bewegung der Flüssigkeit während dem Abkühl- und Vakuumvorgang wird die Trennung von Gas und flüssigem hypergolen Treibstoff unterstützt. Die mechanische Bewegung erfolgt bevorzugt durch Platzieren der Vorrichtung auf einem Rütteltisch, der bevorzugt mit einer Frequenz von 5 bis 100 Hz, 10 bis 50 Hz oder 20 bis 30 Hz schüttelt.
-
Die Vorrichtung zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen kann des Weiteren an der Einlassleitung 4 und der Auslassleitung 10 angeordnete Ventile 16, 18 zum dichten Verschließen des vakuumdichten Behälters 2 umfassen. Die Ventile 16, 18 ermöglichen die kontrollierte Zufuhr von hypergolem Treibstoff, die Abfuhr von Schutzgasen, sowie das dichte Verschließen des vakuumdichten Behälters 2 nach dem Verfahren.
-
Die Vorrichtung zum Entgasen von hypergolen Treibstoffen kann des Weiteren einen Temperatursensor umfassen, der in dem vakuumdichten Behälter 2 angeordnet ist. Über den Temperatursensor kann die Temperatur im vakuumdichten Behälter 2 laufend beobachtet werden. Dadurch kann das Vakuum zum gewünschten Zeitpunkt angesetzt werden, der bevorzugt wie oben beschrieben gewählt wird.
-
Beispiel 1: Verfahren zum Reinigen von 1,1-Dimethylhydrafin (UDMH)
-
Ein wie in 1 gezeigter, mit entsprechenden Ventilen und Anschlüssen versehener Edelstahlbehälter wurde bereitgestellt.
-
Der Edelstahlbehälter wurde ohne Treibstoff daraufhin getestet, dass er die im Verfahren verwendeten Temperaturen (von bis zu unter -60°C) und Drücke (von bis zu unter 2 mbar) aushält und bei diesen Bedingungen gegenüber der Außenatmosphäre dicht bleibt. Der Edelstahlbehälter wurde dabei so designt, dass er direkt für eine Betankung eingesetzt werden kann. Über einen Temperatursensor, der in einem mit IPA (Isopropanol) gefüllten Stahlrohr angeordnet war, kann die Temperatur im Edelstahlbehälter gemessen werden.
-
Etwa 400 kg UDMH wurden in den Edelstahlbehälter gefüllt. Der gefüllte Edelstahlbehälter wurde mit Trockeneis langsam unter Schütteln mittels eines Rütteltischs bei einer Frequenz von 20 bis 30 Hz von Raumtemperatur langsam für ca. einen Tag herabgekühlt. Bei Erreichen von ca. 0 °C wurde mittels einer Membranpumpe in Explosionsschutzausführung (z.B. von Vacuubrand) ein Vakuum von ca. 1-2 mbar angesetzt.
-
Das Vakuum wurde erst bei Erreichen von ca. 0 °C angesetzt, da hier der Dampfdruck von UDMH herabgesetzt ist und um somit Verluste des UDMH gering zu halten. Dadurch wurden im UDMH gelöste Gase (insbesondere Helium und Stickstoff) aus dem UDMH gezogen und das UDMH entsättigt.
-
Bei Erreichen des Gefrierpunkts von UDMH bei ca. -58 °C wurde abgewartet, bis das UDMH gefroren war. Dann wurde der Edelstahlbehälter dicht abgeschlossen, die Vakuumpumpe ausgeschaltet und der Edelstahlbehälter über eine Dauer von ca. 8-10h (abhängig von der Flüssigkeitsmenge) stehen gelassen.
-
Das Schütteln unterstützt die Trennung von Gas und Flüssigkeit und gewährleistet, das sich Keimkristalle auflösen und das UDMH amorph gefriert. Das amorphe Frieren verhindert, dass Gase in der ansonsten kristallinen Struktur gefangen werden.
-
Der Edelstahlbehälter wurde langsam über Umgebungstemperatur auftauen gelassen, wobei bei Erreichen des Gefrierpunkts (bei ca. -60°C bis -55°C) erneut Vakuum angesetzt wurde. Sobald das UDMH wieder flüssig war, wurde der Edelstahlbehälter dicht abgeschlossen und das Vakuum aufrechterhalten. Dieser Schritt ist optional, da der erste Entgasungsschritt bereits die gewünschte Entsättigung herbeiführt, wurde in den Versuchen jedoch ausgeführt, um eine vollständige Entsättigung von UDMH sicherzustellen.
-
Danach wurde der Edelstahlbehälter dicht abgeschlossen, die Vakuumpumpe ausgestellt und der Edelstahlbehälter vollständig, unter Beibehalten des Vakuums auftauen gelassen. Das Auftauen kann mehrere Tage in Anspruch nehmen, da bevorzugt nicht geheizt wird, sondern über die Umgebungstemperatur aufgewärmt wird.
-
Es wurde festgestellt, dass eine kleine Menge des UDMH (ca. 1-2 kg) in dem Verfahren verloren gegangen waren.
-
Der Vorgang kann mehrmals wiederholt werden, um den geforderten Restgasanteil zu erreichen, was sich allerdings in der Praxis als nicht notwendig herausgestellt hat.
-
Der Gasgehalt nach erfolgter Entgasung wird durch ein der Entgasung reziprokes Verfahren gemessen, wobei eine definierte Menge (ca. 150 ml) reine Flüssigkeitsprobe des entgasten Treibstoffs entnommen, eingefroren und das entweichende Restgas volumetrisch bestimmt wird.
-
Beispiel 2: Verfahren zum Entgasen von Stickstofftetroxid (NTO)
-
Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde analog mit NTO durchgeführt, wobei 700 kg NTO verwendet wurden. Da der Gefrierpunkt von NTO bei ca. -11,2 °C liegt, wurde das Vakuum entsprechend angelegt. Im Falle des optionalen Entgasungsschritts beim Auftauen wurde daher erst bei Erreichen des Gefrierpunkts (bei ca. -15 °C bis -10 °C) erneut Vakuum angesetzt.
