DE19756794B4 - Modularer, kryogener Feststoffraketentreibsatz - Google Patents

Modularer, kryogener Feststoffraketentreibsatz Download PDF

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Abstract

Modularer, kryogener Feststoffraketentreibsatz mit Brennelementen aus verschiedenen Treibstoffkomponenten, beispielsweise Brennstoffe, Oxydatoren, energiesteigernde Zusätze, Binder Additive etc., für alle herkömmlichen und sonstigen Anwendungen von Feststoffraketen, wobei der Treibsatz mindestens teilweise fragmentiert ist, d.h. dass mindestens eine der Komponente nicht in der herkömmlichen innigen Mischung mit den anderen Komponenten, sondern in Form eines oder mehrerer makroskopischer Brennelemente mit beliebiger zweckentsprechender geometrischer Gestaltung vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Brennelemente durch die besondere Wahl seiner Zusammensetzung geeignet ist, als permanenter Zündfackelgenerator oder die Verbrennung fördernder Gasgenerator für den Rest des Treibsatzes zu dienen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen modularen, kryogenen Feststoffraketentreibsatz mit Brennelementen aus verschiedenen Treibstoffkomponenten, beispielsweise Brennstoffe, Oxydatoren, energiesteigernde Zusätze, Binder Additive etc., für alle herkömmlichen und sonstigen Anwendungen von Feststoffraketen, wobei der Treibsatz mindestens teilweise fragmentiert ist, d.h. dass mindestens eine der Komponente nicht in der herkömmlichen innigen Mischung mit den anderen Komponenten, sondern in Form eines oder mehrerer makroskopischer Brennelemente mit beliebiger zweckentsprechender geoemetrischer Gestaltung vorliegt.
  • Damit betrifft die Erfindung das technische Gebiet der Raketenantriebe und darin Herstellung, Aufbau, Zündung und Verbrennung, sowie die Herstellung, den Aufbau und die sichere Lagerung von kryogenen, modularen Feststofftreibsätzen. Als Feststofftreibsatz wird in diesem Zusammenhang der in einer bestimmten geometrischen Form (welche die zeitliche Entwicklung der Abbrandrate und damit jene des Triebwerkschubes bestimmt) vorliegende, einfache oder zusammengesetzte Treibstoffblock einschließlich eventueller Ein- oder Anbauten verstanden, die aus mechanischen Gründen, als Dichtungen, als Abbrandinhibitoren oder aus anderen Gründen angebracht und meistens beim Abbrand verbraucht werden.
  • Stand der Technik bei festen Raketentreibstoffen sind Treibsätze aus Doppelbasis- oder Komposittreibstoffen oder aus Kombinationen beider. Doppelbasistreibstoffe bestehen aus verschiedenen organischen Nitroverbindungen (z.B. Nitrozellulose und Nitroglyzerin), Komposits aus Salzen sauerstoffreicher, anorganischer Säuren als Oxydator und brennbaren Kunststoffen als Brennstoff (z.B. Ammoniumperchlorat mit Polybutadien). Zur Energiesteigerung können Metallpulver beigemengt werden (z.B. Aluminium). Andere Additive werden zur Beeinflussung des Abbrandverhaltens, der chemischen Stabilität oder der mechanischen Eigenschaften zugesetzt. Die Komponenten werden in ausgeklügelten Verfahren gemischt, geformt und ausgehärtet. In allen Fällen sind die entstehenden festen Treibstoffblöcke entweder völlig homogen oder abgesehen von einer gewissen Körnung quasihomogen (in Form von Oxydatorpartikeln, die im Binder eingebettet sind). Eine Ausnahme von dieser Homogenität bilden Treibstoffe, bei welchen die Metalladditive zur Beeinflussung der Abbrandgeschwindigkeit in Form von Drähten in den eigentlichen Treibstoff eingebettet sind.
  • Diese homogenen oder quasihomogenen Treibstoffe werden hier als „Monergole" (Einkomponentensysteme) bezeichnet, sofern man jeden Treibstoffbestandteil, der einen eigenen Lagerraum (Tank oder Brennkammer) braucht als eine separate Komponente zählt. In allen Fällen sind die festen Monergoltreibstoffblöcke nach dem Stand der Technik außerdem in einem definierten Temperaturbereich lagerfähig, der die normale Umgebungstemperatur (z.B. 30 bis +80 Grad Celsius) enthält, ohne zu schmelzen oder sich kurzfristig anderweitig zu verändern. Falls der Treibsatz Bereiche mit unterschiedlicher Zusammensetzung und daher unterschiedlicher Abbrandgeschwindigkeit enthält (z.B. in so genannten „Dual Propellant Grains") ist jeder dieser Bereiche ein vollständiger Festtreibstoff. Es handelt sich also nicht um einen fragmentierten Treibstoff, sondern um zwei zusammengesetzte Treibstoffe. Alle vorgenannten Treibstoffe werden nachfolgend als „konventionelle Treibstoffe" bezeichnet, unbeschadet der Tatsache, dass diese auch sehr exotische Komponenten enthalten können. Konventionelle Feststoffantriebe haben nieder- bis mittelenergetische spezifische Impulse („IsP", ein Maß für die raketentechnische Qualität der Treibstoffe in der Einheit Sekunden) meist weit unter 300 Sekunden. (Zum Stand der Technik siehe z.B. ALAIN DAVENAS, Ed.: „Solid Rocket Propulsion Technology", Pergamon Press Oxford, Buch 1993).
  • Kryogene Festkörper werden bisher experimentell nur in Hybridantrieben und in Flüssigkeitsantrieben untersucht. Fester Wasserstoff wurde experimentell als Slurry-Wasserstoff (mit bis zu 50% Festwasserstoffgehalt) in einem Flüssigkeitstriebwerk getestet (s. 33rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Washington State Convention and Trade Center, Seattle, WA July 6-9, 1997, AIAA-96-2688). Am USAF-Phillips Lab 8Edwards9 läuft seit 1994 Vertragsforschung an kryogenen Hybriden (diergolen Raketenantrieben mit einer festen und einer flüssigen Komponente). Publiziert wurden Arbeiten an Hybriden mit gefrorenen Kohlenwasserstoffen (s. C.LARSON, USAF-Phillips Lab, 33rd A/AA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Washington State Convention and Trade Center, Seattle, WA July 6-9, 1997-96-3076).
  • Beim Stand der Technik bei Flüssigkeitsantrieben ist zwischen lagerfähigen und kryogenen Treibstoffen zu unterscheiden. Es gibt monergole (z.B. Hydrazinkatalysetriebwerke) und diergole Flüssigkeitsantriebe (letztere mit Brennstoff und Oxydator in zwei getrennten Tanks). Alle Flüssigkeitsantriebe brauchen ein geeignetes Fördersystem. Wegen der damit verbundenen Vielzahl von Subsystemen erreichen sie nicht die hohe Betriebszuverlässigkeit der Feststoffantriebe. Lagerfähige Flüssigkeitsantriebe (z.B. Distickstofftetroxyd mit verschiedenen Hydrazintreibstoffen) haben mittelenergetische spezifische Impulse von 300 bis etwa 330 Sekunden. Kryogene können hochenergetisch sein. Die Spitzenleistung liegt bei der Kombination Flüssigwasserstoff/Flüssigsauerstoff mit 391 sek (alle Angaben beim Standardentspannungsverhältnis 68:1). Semikryogene Kombinationen (z.B. Flüssigsauerstoff mit Benzin) sind mittelenergetisch. Das Gros der Flüssigkeitsantriebe wird bei Brennkammerdrücken von 60 bis 100 bar betrieben. Das Triebwerk des US Space Shuttle und einige russische Triebwerke erreichen 200 bar und auch etwa mehr.
  • Außerdem sind aus der US 3 137 127 A kryogene, modulare als Innen- und Stirnbrenner fungierende Treibsätze bekannt, die durch geeignete Abdeckungen voneinander chemisch isoliert sind. Die Brennelemente können insbesondere die Form von Scheiben haben, deren äußere Fläche sich der Kontur der Raketenbrennkammer anpasst, während innen ein oder mehrere Bohrungen mit zweckentsprechend geformter Querschnittsfläche vorhanden sein können, die durch Aneinanderreihung einen oder mehrere Brennkanäle mit konstanter oder variabler Querschnittfläche bilden.
  • Der Abbrand modularer, nicht monergoler Treibstoffelemente ist grundsätzlich ein diffuser Grenzschichtabbrand und als solcher vom Zustrom von Reaktanden abhängig. Wenn dieser nicht durch eine kräftige Strömung, sondern nur durch Konvektion erfolgt, ist die Reaktion unregelmäßig und schleppend, wenn sie überhaupt erfolgt. Dies ist bei Innenbrennern immer für das oberste (düsenabgewandte) Element, bei Stirnbrennern ab einer gewissen minimalen Querschnittsfläche der Elemente gegeben. Konvektion stellt somit keine für den Abbrand in geschlossenen Brennkammern geeignete Basis dar, so dass die kryogenen, modularen Treibsätze nach US 3 137 127 A nicht zum Einsatz geeignet sind.
  • In die praktische Anwendung haben deshalb nur konventionelle, lagerfähige Monergolfeststoffe Eingang gefunden. Modulare Treibstoffe wurden weder mit lagerfähigen noch mit kryogenen Komponenten realisiert. Abgesehen davon, dass sich viele der aussichtreichsten Treibstoffkomponenten zu giftig oder zu korrosiv erwiesen, liegt dies vor allem an dem gegenüber konventionellen monergolen Treibsätzen sehr unbefriedigenden Abbrandverhalten der meisten der oben beschriebenen unkonventionellen Treibsätze.
  • Der Erfindung liegen daher folgende Probleme zugrunde, die alle auf die Realisierbarkeit bei kryogenen, modularen Feststoffantrieben hinauslaufen:
    • – konventionelle Treibsätze erfordern die Verarbeitung großer Mengen von Materialien, die grundsätzlich explosiv sind. Die Verarbeitung ist daher gefährlich und teuer.
    • – konventionelle Treibsätze erfordern zur Verbesserung ihrer Langzeitlagerfähigkeit bestimmte Additive, unterliegen aber dennoch irreversiblen chemischen Alterungsprozessen.
    • – konventionelle Treibsätze lassen sich in ihrem Isp (Energieinhalt) nur durch teure und gefährliche Treibstoffkomponenten steigern, aber selbst damit sind die Leistungen mittelenergetischer/hochenergetischer Flüssigkeitsantriebe bei Weitem nicht zu erreichen.
    • – die Treibstoffkombinationen mit den höchsten bekannten spezifischen Impulsen erfordern Metallverbrennung und so genannte chemische Wasserstoffaufheizung. Diese Triergole sind in Flüssigkeitsantrieben nicht zu realisieren. Tribidantriebe, d.h. Hybride mit metallisiertem Brennstoffkorn, welches durch Oxydatoreinspritzung verbrannt wird, während zusätzlich Wasserstoff eingespritzt wird, sind komplex und schlecht zu kontrollieren. Gleiches gilt für hoch metallgefüllte konventionelle Festtreibstoffe mit Wasserstoffeinspritzung (so genannte Quasihybride).
    • – Konventionelle Treibsätze, soweit sie Ammonimiumperchlorat und/oder Aluminium enthalten, belasten mit ihren Abgaben die Umwelt sehr stark.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, modulare, kryogene Feststoffraketentreibsätze der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass ein gleichmäßiger, stabiler und vollständige Abbrand erreicht wird und alle oder einige der zuvor beschriebenen Probleme besser gelöst werden.
  • Diese Aufgabe wird durch modulare kryogene Feststoffraketentreibsätze der genannten Art mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
  • Durch die Anwendung fragmentierter Treibstoffdomänen mit Zündfackel- bzw. Gasgenerator-Eigenschaften entsteht als völlig neues Konzept ein aus Brennelementen mit unterschiedlichen Funktionen modular aufgebauter Treibsatz, der aus Treibstoffkombinationen aufgebaut sein kann, welche die Leistungen klassischer Festtreibsätze weit in den Schatten stellen. Zwischen den Moduln werden völlig neue interne Wechselwirkungen möglich.
  • Mittels der speziellen Brennelemente, welche heiße Reaktionsgase (eine Flamme oder Zündfackel) generieren, mit denen die Oberfläche des fragmentierten Teils des Treibsatzes bestrichen wird, kann die Verbrennung aufrechterhalten werden.
  • Je nach Kombination der im Hauptanspruch genannten Merkmale mit den in den Unteransprüchen genannten vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung lässt sich die Situation bei allen oder einigen der aufgezeigten Probleme drastisch verbessern. Die Erfindung erlaubt, dass Brennstoffe und Oxydatoren aus einer weiten Palette ausgewählt und getrennt zu Brennelementen geformt werden, die zusammengesetzt die gewünschte Treibstoffgeometrie ergeben. Der dazu erforderliche feste Aggregatzustand wird nötigenfalls durch entsprechende Kühlung hergestellt und beibehalten. Die Bezeichnung fragmentierter Treibsatz bezieht sich also vor allem auf die Trennung der Hauptkomponenten (Brennstoff und Oxydator).
  • Durch die Wahl der Absolutgröße der Brennelemente wird der makroskopische Mischungsgrad (meßbar und definierbar z.B. als durchschnittlicher Abstand der Schwerpunkte der verschiedenen Brennelemente) bestimmt. Diese Wahl beeinflusst die durchschnittliche Abbrandgeschwindigkeit des Treibsatzes, welche damit bei konstanter Globalzusammensetzung variabel gestaltet werden kann.
  • Kleinere Brennelemente führen zu höherer Regressionsgeschwindigkeit. Dies ist ein Freiheitsgrad, welchen konventionelle Treibsätze nicht haben. Zusammensetzung, Anordnung, Form und Abmessungen der Brennelemente beeinflussen darüber hinaus das Zünd- und Abbrandverhalten. Im Allgemeinen ist zu erwarten, dass modulare Treibsätze hier ohne sonstige Maßnahmen ein ungünstigeres Verhalten als monergole haben.
  • Durch die Wahl der relativen Größenverhältnisse der Brennelemente wird das globale Mischungsverhältnis von Oxydator und Brennstoff bestimmt. Damit werden Hochleistungstreibstoffkombinationen möglich, die mit anderen Technologien nicht realisierbar waren. Kryofeststoffantriebe teilen mit den konventionellen die einfache Art der Metallverbrennung. Wenn man Brennstoffpulver in flüssigen Sauerstoff aufschlämmt, die Mischung in Form eines Brenstoffelementes einfriert und in einem Kryofeststofftriebwerk mit entsprechend gewähltem Oxydator einsetzt, erhält man Antriebe, deren massen- und/oder volumenspezifische Impulse im Bereich der besten Flüssigkeitsantriebe oder sogar erhebelich darüber liegen.
  • Die erfindungsgemäßen modularen, kryogenen Treibsätze werden mit lagerfähigen und kryogenen Feststoffen (oder nur mit letzteren) aus getrennten Oxydator- und Brennstoff-Brennelementen aufgebaut.
  • Durch diese Anordnung wird erreicht, dass Brennstoff und Oxydator (abgesehen von der gemeinsamen Berührungsfläche) in einer Größenskala voneinander getrennt sein können, die deutlich über jener der konventionellen quasi-homogenen Mischung von Oxydator mit Brennstoff bzw. Binder liegt.
  • Durch Isolationsschichten zwischen den Brennelementen wird bei lagerfähigen Kombinationen die Alterungsgeschwindigkeit drastisch herabgesetzt und bei kryogenen Kombinationen lassen sich sehr reaktive Treibstoffe zusammenbringen (z.B. solche, die im flüssigen Zustand hypergol, d.h. selbstzündend wären). Zusammen mit der Senkung der allgemeinen Reaktivität bei tiefen Temperaturen ist dadurch der Einsatz sehr empfindlicher Monergole möglich.
  • Mit der Erfindung lassen sich folgende Vorteile erzielen:
    • – die erfindungsgemäßen Treibsätze vereinfachen die Produktion von Feststofftreibsätzen erheblich. Viele gefährliche Prozeduren werden vermieden, Serienfertigung bietet sich an. Erhebliche Kostenreduktionen können erwartet werden;
    • – die erfindungsgemäßen Treibsätze vermeiden die großen Phasengrenzflächen konventioneller Treibsätze. Bei warm lagerfähigen Treibstoffen ist dadurch eine drastische Steigerung der Langzeitlagerfähigkeit möglich, zudem können die Brennelemente nötigenfalls durch Isolierfolien von einander getrennt werden. Kryogene Festtreibstoffe sind wegen der tiefen Temperaturen von sich weniger reaktiv als warme.
    • – die erfindungsgemäßen Treibsätze erlauben es, jede beliebige Treibstoffkombination als monergolen Feststoffantrieb zu realisieren. Dies reicht von lagerfähigen oder kryogenen Flüssigkeitsmonergol- und Diergolantrieben über Hybrid- und Quasihybridantriebe, Suspensions-(Slurry) Antriebe und Tribride bis zu allen Arten von Triergolen. Es sind daher drastische Steigerungen des Isp nicht nur gegenüber konventionellen Festtreibstoffen, sondern sogar gegenüber den Flüssigkeitsantrieben zu erwarten [s. dazu LO R.E., DFVLR-Stuttgart: „Chemische Wasserstoffaufheizung durch tribride Verbrennung", Chemie-Ingenieur-Technik (1967) 39, Heft 15, S. 923-927; LO, R.E.: Technical Feasibility of Chemical Propulsion System with very high performance, Proceedings of the XVIIIth Astronautical Congress, Belgrad, 25.-29.9.1967, pp 121-132; LO, R.E. DFVLR-Lampoldshausen: „Theoretische des Raketentreibstoffsystems Fe2, O2/LIH, Al/H2 und einfacher Teilsysteme", DLR-Mitt. 69-21 (Dezember 1969); LO, R.E., DFVLR-Lampoldshausen: „Chemische Wasserstoffaufheizung durch Verbrennung von Aluminium mit Sauerstoff oder FLOX", DLR-Mitt. 70-03 (Februar 1970); LO, R.E., DFVLR-Lampoldshausen: „Quasihybride Raketenantriebe", Raumfahrtforschung, Heft 4, April 1970];
    • – die erfindungsgemäßen Treibsätze erlauben durch geeignete Treibstoffauswahl, Festtreibsätze mit bestmöglicher Umweltfreundlichkeit zu realisieren (z.B. Festwasserstoff/Festsauerstoff).
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Innenbrenners (zylindrischer) mit Zündfackelgenerator einschließlich Schnitt A-A und
  • 2 eine schematische Ansicht eines Stirnbrenners (Zigaretten) mit umhüllenden Zündfackelgenerator einschließlich Schnitt B-B mit Detail.
  • Der endständige Zündfackelgenerator im Beispiel des Zylinderbrenners kann ein konventioneller Festtreibsatz mit abgestimmter Abbrandgeschwindigkeit sein, der während der gesamten Brenndauer mitbrennt. Bei beiden Figuren sind die dargestellten Größenverhältnisse bedeutungslos, sie stellen nur Musterbeispiele dar.
  • Der Zylinderbrenner ist nur ein Spezialfall für Brenner mit scheibenförmigen Brennelementen, die einen oder mehrere Brennkanäle mit ganz unterschiedlicher geometrischer Form aufbauen können.
  • Ebenso ist der in 2 gezeigte Zigarettenbrenner nur ein Beispiel für viele verschiedene Möglichkeiten der Formgebung der Brennelemente. Ob Brennstoff oder Oxydator die Matrix bilden, hängt von den gewählten Treibstoffen und deren Volumenverhältnissen ab. An die Stelle der Stäbe können konzentrische Ringe oder keilförmige Segmente treten. Dem gleichen Zweck der Verbesserung und Stabilisierung der Verbrennung dienen Brennelemente, die als Gasgeneratoren ausgebildet sind, welche in Wechselwirkung miteinander und mit dem Rest des Treibsatzes in der Lage sind, die Verbrennung zu fördern. Oxydierende Heißgasgeneratoren sind hervorragend zum Verbrennen massiver Festbrennstoffe geeignet. Ein Feststofftriebwerk mit alternierenden Moduln dieser Art würde sich wie eine Kette von „internen Hybridantrieben" verhalten. Ebenso sind alternierende Brennstoff- und Oxydationsgeneratoren denkbar, deren Produkte in der Gasphase mit hohem Wirkungsgrad miteinander reagieren.

Claims (8)

  1. Modularer, kryogener Feststoffraketentreibsatz mit Brennelementen aus verschiedenen Treibstoffkomponenten, beispielsweise Brennstoffe, Oxydatoren, energiesteigernde Zusätze, Binder Additive etc., für alle herkömmlichen und sonstigen Anwendungen von Feststoffraketen, wobei der Treibsatz mindestens teilweise fragmentiert ist, d.h. dass mindestens eine der Komponente nicht in der herkömmlichen innigen Mischung mit den anderen Komponenten, sondern in Form eines oder mehrerer makroskopischer Brennelemente mit beliebiger zweckentsprechender geometrischer Gestaltung vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Brennelemente durch die besondere Wahl seiner Zusammensetzung geeignet ist, als permanenter Zündfackelgenerator oder die Verbrennung fördernder Gasgenerator für den Rest des Treibsatzes zu dienen.
  2. Feststoffraketentreibsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten aus einem Stoff besteht, der bei normaler Umgebungstemperatur nicht in hinreichend festem Zustand vorliegt, sondern erst durch Kühlung in diesen gebracht werden muss.
  3. Feststoffraketentreibsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Brennelemente durch die besondere Wahl seiner Zusammensetzung und durch seinen besonderen Aufbau geeignet ist, als Gasgenerator reduzierende oder oxydierende Gase zu erzeugen.
  4. Feststoffraketentreibsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennelemente durch geeignete Abdeckungen der Grenzflächen voneinander chemisch isoliert und nötigenfalls gleichzeitig mechanisch miteinander verbunden sind.
  5. Feststoffraketentreibsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die makroskopischen Brennelement(e) die Form von Scheiben haben, deren äußere Fläche sich der Kontur der Raketenbrennkammer anpaßt, während innen eine oder mehrere Bohrungen mit zweckentsprechend geformter Querschnittsfläche vorhanden sein können, die durch Aneinanderreihung einen oder mehrere Brennkanäle mit konstanter oder variabler Querschnittsfläche bilden.
  6. Feststoffraketentreibsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass getrennte Brennelemente mit verschiedenen, frei wählbaren Querschnittsformen in einer zusammenhängenden Matrix der jeweils anderen Treibstoffkomponente untergebracht sind, wobei mindestens eine der Komponenten Zündfackel- bzw. Gasgenerator-Eigenschaften hat.
  7. Feststoffraketentreibsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass getrennte, nicht selbstständig brennende Treibstoffelemente mit verschiedenen, frei wählbaren Querschnittsformen in einer zusammenhängenden Matrix der jeweils anderen Treibstoffkomponente untergebracht sind.
  8. Feststoffraketentreibsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder einzelne der Brennelemente Metallzusätze in geeigneter Form enthalten, dergestalt, dass das globale Mischungsverhältnis besondere Werte annimmt, die zu extremen Hochleistungsfeststoffantrieben führen.
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