DE1203543B - Zweistufiges Verfahren zur Erzeugung von Raketen-Antriebsgas und Einrichtung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F02k

Deutschem.: 46 g-1/05

Nummer: 1203 543

Aktenzeichen: W 340771 a/46 g

Anmeldetag: 9. März 1963

Auslegetag: 21. Oktober 1965

Außer den beiden Grundtypen, der Feststoff- und der Flüssigkeitsrakete, sind einige kombinierte Typen bekannt, die nach verschiedenen Systemen arbeiten.

So sollen beispielsweise bei dem Hybrid-Antrieb (Zwitterrakete), bei dem ein fester, brennstoffreicher Treibsatz mit einem flüssigen Oxydator kombiniert ist, einige der Vorteile beider Systeme, wie Regelbarkeit, leichte Handhabung u. dgl., vereinigt werden.

Ferner sind beispielsweise Antriebssysteme, wie das der »ducted rocket« bekannt, bei dem ein Fest-Stofftreibsatz mit einem Staudrucksystem kombiniert ist, wobei eine Belastung des Systems durch mitzuführenden Sauerstoff vermieden wird. Daneben wurde unter anderem ein zweistufiges System vorgeschlagen, bei dem sowohl in der ersten Stufe als auch in der zweiten Staudruckstufe ein Festtreibstoff verwendet wird.

Es ist zwar weiterhin bekannt, bei einem zweistufigen Raketenantriebssystem in der ersten Stufe Treibgase in einem sogenannten Schwelprozeß, d. h. durch nur teilweisen Abbrand bei Sauerstoffunterschuß zu erzeugen, die dann in der zweiten Stufe erst vollständig umgesetzt werden, jedoch hat dieses System den Nachteil, daß infolge der Anwesenheit von Sauerstoff relativ höheratomige Gase mit entsprechend niedrigerem Adiabaten-Exponenten entstehen, so daß eine maximale Gasausbeute nicht erhalten wird. Andererseits bestimmt der sehr langsam ablaufende Schwelprozeß die Abbrandgeschwindigkeit des Gesamtsystems, so daß den modernen Anforderungen entsprechende, höhere Abbrandgeschwindigkeiten nicht erreichbar sind.

Es wurde nun gefunden, daß das vorgenannte Verfahren weiterhin dadurch verbessert werden kann, daß das in der ersten Stufe Treibgas liefernde Treibmittel eine endotherm durch Initiierung zerfallende sauerstofffreie Verbindung ist. Hierbei werden relativ niedrigatomige Gase mit entsprechend hohem

C₁

Adiabatenexponenten κ

erhalten, die daher

eine optimale Gasausbeute gewährleisten. Hierfür können beispielsweise Verbindungen aus der Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe, insbesondere 1,3-Butadien, Dialkine und Cyclopentadien, ferner Hydrazin, Borhydride, Lithiumhydride, Aluminiumboranate, Lithiumaluminiumhydrid oder Lithiumborhydride und in der Oxydationsstufe Sauerstoff, Sauerstoffträger oder sauerstofffreie Oxydatoren verwendet werden.

Zur Einleitung des thermischen Zerfalls der Kornponenten der ersten Stufe werden gegebenenfalls bis zu 40% eines üblichen Treib- oder Explosivstoffes Zweistufiges Verfahren zur Erzeugung von
Raketen-Antriebsgas und Einrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens

Anmelder:

Wasag-Chemie Aktiengesellschaft,

Essen, Rolandstr. 9

Als Erfinder benannt:

Dr. Heimbert Leunig, Essen-Bredeney;

Dr. Rudolf Meyer, Essen;

Dr. Eberhard Büchner, Waldkraiburg (Obb.) - -

mit vorzugsweise ausgeglichener Sauerstoffbilanz oder mit Sauerstoffunterschuß verwendet.

Die verwendete Ladung zur Erzeugung von Treibgas kann beispielsweise aus zwei Komponenten zusammengesetzt sein, aus einer die Leistung bestimmenden Komponente und einer als Initiale dienenden Komponente. Als initiierende Komponente kann beispielsweise ein energiereiches Nitroglycerinpulver verwendet werden, von dem eine kleine Menge genügt, um bei normaler Zündung die notwendige Aktivierungsenergie für den Zerfall der endothermen Komponente aufzubringen. Die Ladungen können so aufgebaut sein, daß die beiden Komponenten in unmittelbarem Kontakt zueinander als selbständige Ladungen angeordnet sind. Es ist vorteilhaft, wenn der Anteil der Leistungskomponente mindestens 60% beträgt. Neben der Initiierung durch eine zusätzliche Komponente kann auch eine Initiierung durch den elektrischen Funken vorgesehen sein.

Die in der ersten Stuf e erzeugten noch umsetzungsfähigen Gase werden in der zweiten Stufe mit Oxydantien verbrannt, wodurch sie durch die auftretende Umsetzungswärme erheblich energiereicher werden. Hierbei kann die Zündung hyperbolisch erfolgen.

Das erfindungsgemäße System ist in vielfacher Weise variierbar. Als Oxydantien in der zweiten Stufe sind ganz allgemein Sauerstoff selbst (flüssiger Sauerstoff), nach dem Staudruckprinzip zugeführte Luft, Sauerstoffträger, wie hochkonzentrierte Salpetersäure, Srickstofftetroxyd, Wasserstoffperoxyd, Nitrate, wie insbesondere Ammoniumnitrat (fest oder als Lösung), Perchlorate u. a., sowie auch sauerstofffreie Oxydantien, wie Fluor (flüssig), Chlortrifluorid, Stickstofftrifluorid, Perchlorylfluorid, verwendbar.

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Als besonders vorteilhaft fällt hierbei ins Gewicht, daß Kombinationen von an sich sonst nicht gemeinsam verwendbaren Verbindungen möglich sind. Beispielsweise würde Nitrosylperchlorat spontan reagieren, kann jedoch gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Zerfallsgasen der ersten Stufe zur Reaktion gebracht werden. So besteht bei hybriden Systemen stets die Schwierigkeit, eine über den gesamten Brennablauf gleichmäßige oder steuerbare Reaktion der in den meisten Fällen nicht miteinander verträglichen Komponenten herbeizuführen. Dies wird nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag technisch besser durchführbar, da hier die Verbrennungsgase der ersten Stufe mit einer Reaktionskomponente der zweiten Stufe in Kontakt gebracht werden. Es wird damit auch die Steuerung des Verbrennungsablaufs in der zweiten Stufe wesentlich vereinfacht. Durch eine geregelte Zuführung der Oxydantien ist der Schub einstellbar.

Als Beispiele für das erfindungsgemäße Antriebssystem werden genannt:

Erste Stufe:

Hydrazin,

1,3-Butadien, Cyclopentadien,

Aluminiumborhydrid,

Lithiumaluminiumhydrid,

Lithiumalanat.

Zweite Stufe:

Angesaugte Luft,

Flüssiger Sauerstoff,

Flüssiger Fluor,

Stickstofftrifluorid,

Perchlorylfluorid,

Nitrosylperchlorat,

Salpetersäure,

N₂O₄-

35

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Soweit flüssige Sauerstoffträger Verwendung finden, können sie — wie bekannt — auch zur Kühlung der Austrittsdüse benutzt werden.

Das Antriebssystem gemäß der Erfindung vereinigt die Vorteile auf sich, die in der Erniedrigung der Temperatur liegen, ferner die Möglichkeit, in zwei Druckstufen arbeiten zu können, wobei die Druckdifferenzen innerhalb des Systems zur Förderung der Brennstoffe dienen können. Die Anwendung des Zweistufensystems wird dann erforderlich, wenn zwei oder mehrere energieliefernde Stoffe nicht gemischt werden können, ohne miteinander zu reagieren. Durch Zersetzung einer Komponente in der ersten Stufe und Zusammenführung der Zersetzungsprodukte mit einer der obengenannten energieliefernden Komponente in einer zweiten Stufe kann man die gesamte zur Verfügung stehende Energie in bekannter Weise nutzbar machen. Außerdem wird eine erhöhte Leistung erzielt durch Verwendung von im wesentlichen sauerstofffreien endothermen Treibmitteln, die bei ihrem Zerfall einen hohen Anteil an niedrigatomigen Gasen, liefern und damit eine relativ höhere Gasmenge und entsprechende höhere Leistung erbringen.

Ein Antriebssystem gemäß der Erfindung kann beispielsweise wie in den Zeichnungen aufgebaut sein.

F i g. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Erfindung bei Anwendung des Staustrahlprinzips in der zweiten Stufe. Im einzelnen bedeutet hierin

1 Treibstoff und Treibstoffbehälter der ersten Stufe,

2 Einspritzsystem (erste Stufe),

3 Brennkammerraum (erste Stufe),

4 Ansaugöffnung für Luftzufuhr: Beim Start sind diese Öffnungen durch einen Oxydator geschlossen, der mit den reduzierenden Verbrennungsprodukten der ersten Stufe reagiert und in dem Augenblick die Öffnungen freigibt, in dem das Gerät eine ausreichende Geschwindigkeit hat,

5 Verbrennungsraum der zweiten Stufe.

Bei Verwendung eines flüssigen Oxydators in der zweiten Stufe kann das erfindungsgemäße Antriebssystem beispielsweise wie in Fig.2 dargestellt aufgebaut sein. Hierin ist

1 Treibstoff und Treibstoffbehälter der ersten Stufe,

2 Einspritzsysteme,

3 Brennraum der ersten Stufe,

4 Oxydator und Behälter für die zweite Stufe. Die Förderung der flüssigen Treibstoffe in die entsprechenden Brennkammern erfolgt nach bekannten Methoden,

5 Brennraum der zweiten Stufe.

Wird in der zweiten Stufe ein fester Oxydator verwendet, so ergibt sich ein Aufbau, wie in F i g. 3 gezeigt. Es bedeutet

1 Treibstoff und Treibstoffbehälter der ersten Stufe,
Einspritzsystem,

3 Brennraum der ersten Stufe,

4 fester Oxydator,

5 Brennraum der zweiten Stufe.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit einem festen endotherm zerfallenden Treibstoff in der ersten Stufe und flüssigen Oxydator. Im einzelnen bedeutet

1 Festtreibstoff der ersten Stufe,

2 Initierladung,

3 Druckleitung zur Förderung des Oxydators,

4 flüssiger Oxydator,

5 Brennraum der ersten Stufe,

6 Brennraum der zweiten Stufe.

Die im vorstehenden beschriebenen Anordnungen können beispielsweise wie folgt betrieben werden:

Beispiel 1

Erste Stufe: Zersetzung von Hydrazin; Erzeugung eines erhöhten Druckes zwischen 5 und 50 ata.

Zweite Stufe: Angesaugte Luft; Brennkammerdruck 2 ata; Entspannungsdruck entsprechend dem Höhendruck; Auslegung der Düse auf eine mittlere Höhe von etwa 8 km. Diese technische Anordnung erlaubt eine Erhöhung des spezifischen Impulses; denn der in der zweiten Stufe erforderliche Sauerstoff braucht vom Gerät nicht mitgeführt zu werden (s. Fig. 1).

Beispiel 2

Erste Stufe: Zersetzung von Hydrazin; Erzeugung eines Brennkammerdruckes zwischen 300 und 50 ata.

Betreibung einer Turbine mit einem Teil der Zersetzungsprodukte der ersten Stufe zur Förderung eines flüssigen Oxydators (HNO₃, N₂O₄, O₂, F₂, NF₃, FClO₄) in die Brennkammer der zweiten Stufe, wobei der flüssige Oxydator als Kühlmittel für die Brennkammer dienen kann. Brennkammerdruck der zweiten Stufe 10 bis 100 ata; Entspannung durch eine Lavaldüse auf 0,1 bis 2 ata (s. Fig. 2).

Beispiel 3

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Erste Stufe: Zersetzung von 1,3-Butadien; Brennkammerdruck 50 ata.

Zweite Stufe: Nitrosylperchlorat als Oxydator; Brennkammerdruck 10 ata; Entspannung auf 0,1 bis 2 ata. Das Nitrosylperchlorat, ein fester (weißer) Oxydator, ist als Röhre ausgebildet. Sobald die erste Stufe abgeschaltet wird, hört auch die zweite Stufe zu brennen auf (s. Fig. 3).

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Beispiel 4

Erste Stufe: Zersetzung von Lithiumalanat nach Initiierung mit einer geringen Menge eines POL-Treibsatzes; Brennkammerdruck 50 ata.

Zweite Stufe: Flüssiger Sauerstoff als Oxydator; Brennkammerdnick 20 ata; Entspannung auf 0,1 bis 2 ata. Die Förderung des flüssigen Sauerstoffs wird durch die Druckdifferenz (etwa 30 ata) benutzt (s. Fig.4).

Das beschriebene Antriebssystem ist vorzugsweise für Raketenantriebe anwendbar. Die erzielbaren Reichweiten, die im einzelnen vom spezifischen Impuls und der mittleren Treibstoffdichte abhängen, sind in einem weiten Bereich variierbar. Durch die erfindungsgemäß stark erweiterte Auswahhnöglichkeit der Treibstoffkomponenten ist überdies eine wirksame Erhöhung der mittleren Treibstoffdichte möglich.

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zweistufiges Verfahren zur Erzeugung von Druckgas zum Antrieb von Raketen u.dgl., bei dem in der ersten Stufe ein oxydierbares Treib- 45 S, gas aus einem Treibmittel erzeugt und anschließend in der zweiten Stufe oxydiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibgas liefernde Treibmittel eine endotherm durch Initiierung zerfallende sauerstofffreie Verbindung ist.

2. Raketenantriebseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe ein Treibmittel, das bei dem Zerfall Gase mit hohen Adiabaten-Exponenten liefert, wie insbesondere 1,3-Butadien, Cyclopentadien, Hydrazin, Borhydride, Lithiumhydride oder Lithiumborhydride, und in der zweiten Stufe Sauerstoff, Sauerstoffträger oder sauerstofffreie Oxydatoren verwendet werden.

3. Raketenantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel der ersten Stufe bis zu 40% eines Treib- oder Explosivstoffes mit ausgeglichener Sauerstoffbilanz bzw. mit Sauerstoffunterschuß zur Einleitung des thermischen Zerfalls der endothermen Komponente enthält.

4. Raketenantrieb nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxydator in an sich bekannter Weise nach dem Staudruckprinzip eingeführte Luft verwendet wird.

5. Raketenantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stufe in an sich bekannter Weise hyperbolisch reagierende Verbindungen als Treibmittel und Oxydator verwendet werden.

6. Raketenantrieb nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe Aluminiumborhydrid und in der zweiten Stufe Nitrosylperchlorat verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 976 057;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1130 343;
USA.-Patentschrift Nr. 3 017 748;
»Flug-Revue«, Heft 11 (November 1959), S. 36;
»Aviation Week«, 72. Band, Nr. 16 (18.4.1960), 58.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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