EP2607337B1 - Gelförmiger Treibstoff - Google Patents

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EP2607337B1
EP2607337B1 EP12196550.3A EP12196550A EP2607337B1 EP 2607337 B1 EP2607337 B1 EP 2607337B1 EP 12196550 A EP12196550 A EP 12196550A EP 2607337 B1 EP2607337 B1 EP 2607337B1
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EP
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gel
fuel
oxidizer
type propellant
propellant
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Karl-Wieland Dr. Naumann
Konrad Schmid
Jürgen Ramsel
Ralf Stierle
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Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
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Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B23/00—Compositions characterised by non-explosive or non-thermic constituents
    • C06B23/001—Fillers, gelling and thickening agents (e.g. fibres), absorbents for nitroglycerine
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B25/00—Compositions containing a nitrated organic compound
    • C06B25/36—Compositions containing a nitrated organic compound the compound being a nitroparaffin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B47/00—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase

Definitions

  • the invention relates to a gel-type propellant, in particular for rocket engines, according to the preamble of claim 1.
  • Such gelled propellants consisting of a mixture of a monergolene base fuel such as nitromethane and a donor are known.
  • the natural fuel relates to a solid or a semi-solid fuel.
  • the propellant comprises a gelling agent and liquid nitroalkanes or a mixture of liquid nitroalkanes.
  • the EP 1 321 505 A2 relates to a gel fuel and a process for its preparation and its use.
  • the gel-like fuel is based on liquid or dissolved in organic solvents solid fuels, fuels or explosives.
  • hydrophobic solid particles with a particle diameter between 1 and 500 nm are homogeneously dispersed in a liquid.
  • the gel-like fuel is easy to handle in a viscous state. By converting to the liquid state, the gel fuel can be atomized and burned controlled.
  • dual-fuel propellants or "bi-propellants” which inhibit a gellant-added base fuel such as monomethylhydrazine and an oxidizer separate from the base fuel , red-smoking nitric acid.
  • a disadvantage of the known "Monopropellants” is the relatively low specific momentum. With bi-propellants, this disadvantage is also noticeable, albeit less clearly. In addition, the relatively low density of the known gel propellants, in particular the “bi-propellants” is disadvantageous.
  • the specific impulse and the volumetric specific impulse can be noticeably improved, however, e.g. Alumina in the combustion chamber, which is disadvantageous for longer-term operation and low acceleration in Brenncrolangsraum.
  • the object of the invention is to provide a gel-like fuel which delivers a high specific impulse without deposits, in particular a high volume-specific impulse.
  • This is inventively achieved in that the gel-injectable single-fuel from a mixture of at least one monergolene base fuel, namely a hydrocarbon containing at least one nitro group, at least one gelling agent consisting of carbon particles or carbon nanotubes and at least one solid oxidizer with a average particle size of at most 0.4 millimeters.
  • the addition of the solid oxidizer increases both the specific momentum and the density, and hence, in particular, the volume specific momentum of the fuel, allowing for smaller and thus lighter fuel tanks and consequently smaller and lighter pressure systems compared to known gel and especially liquid fuels.
  • the at least one nitro group-containing hydrocarbon which forms the monergous base fuel has at most eight carbon atoms per molecule and is liquid at room temperature.
  • the hydrocarbon containing the at least one nitro group is formed by nitromethane or nitroethane.
  • the proportion of the monergolene base fuel in the gel-shaped fuel is preferably at least 30% by weight, in particular at least 45% by weight.
  • the gel formers consisting of carbon consist of carbon particles or carbon nanotubes ("nanotubes").
  • the oxidizer formed by a solid is preferably composed of at least one compound of the group: ammonium perchlorate, ammonium nitrate, ammonium dinitrate amide and highly explosive explosive.
  • the highly explosive explosive is preferably octogen (HMX), hexogen (RDX) and / or diaminodinitroethylene (FOX-7).
  • the proportion of the oxidizer in the gel-shaped fuel is preferably at least 1 wt .-%, in particular at least 20 wt .-% and preferably at most 70 wt .-%, in particular at most 30 wt .-%.
  • the oxidizer with the monergolic base fuel is readily miscible and does not sediment in the gel fuel even after prolonged storage, it has according to the invention an average particle size of at most 0.4 millimeters, in particular at most 0.09 millimeters on.
  • the fine oxidizer particles are thus held in suspension in the gel structure of the fuel for a very long time.
  • the particulate oxidizer may also help reduce the amount of inert gelling agent needed.
  • the oxidizer oxidizes a portion of the hydrocarbon portions of the monergous base fuel and, if the gelling agent is an organic gelling agent or a carbon-based gelling agent, the gelling agent.
  • the mixing ratio of the oxidizer to the hydrocarbon containing the at least one nitro group and, if the gelling agent is an organic gelling agent or a gelling agent based on carbon, is preferably chosen such that the gases formed during the reaction are easily underlaid, ie light fuel-rich, so are reducing, because such gases do not oxidize the structure, for example, the combustion chamber and the nozzle of a rocket and so the stability of these structures is improved.
  • the present invention loaded with oxidant particles gel fuel can be promoted, injected and burned as normal gel-shaped fuel.
  • the performance-enhanced fuel of the invention is generally favorable in terms of manufacture, storage, transportation, handling, use, disposal and costs.
  • the temperature range of the fuel of the invention compared to the liquid fuels previously used in satellites and launches hydrazine and dinitrogen tetroxide, which are currently used in satellites and launches, much larger.
  • the fuel according to the invention is therefore also outstandingly suitable for space applications, in particular for launch rockets and satellites.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen gelförmigen Treibstoff, insbesondere für Raketenmotore, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Derartige gelförmige Treibstoffe, die aus einem Gemisch aus einem monergolen Basistreibstoff, wie Nitromethan, und einem Geldbildner bestehen, sind bekannt.
  • Aus der US 3,035,948 ist ein Geltreibstoff bekannt. Der Geltreibstoff betrifft einen festen oder einen halbfesten Geltreibstoff. Der Geltreibstoff umfasst einen Gelbildner und flüssige Nitroalkane oder eine Mischung aus flüssigen Nitroalkanen.
  • Die EP 1 321 505 A2 betrifft einen gelförmigen Treibstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung. Der gelförmige Treibstoff basiert auf flüssigen oder in organischen Lösungsmitteln gelösten festen Brenn-, Treib- oder Explosivstoffen. Zur Erreichung eines strukturviskosen Verhaltens des Treibstoffs werden hydrophobe Feststoffpartikel mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 500 nm in eine Flüssigkeit homogen eindispergiert. Der gelförmige Treibstoff ist in viskosem Zustand leicht handhabbar. Durch Überführen in den flüssigen Zustand kann der gelförmige Treibstoff zerstäubt und kontrolliert verbrannt werden.
  • 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 Metallpartikel zum "Monopropellan"-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 Brennkammerlangsrichtung 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, einspritzbare Einstoff-Treibstoff aus einem Gemisch aus wenigstens einem monergolen Basistreibstoff, nämlich einem Kohlenwasserstoff, der wenigstens eine Nitrogruppe enthält, wenigstens einem Gelbildner bestehend aus Kohlenstoffpartikeln oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen und wenigstens einem festen Oxidator mit einer mittleren Teilchengröße von höchstens 0,4 Millimetern 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. Die aus Kohlenstoff bestehenden Gelbildner bestehen erfingdungsgemäß aus Kohlenstoffpartikeln oder Kohlenstoff-Nanoröhren ("nano tubes").
  • 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 erfindungsgemäß eine mittlere Teilchengröße von 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, sofern 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, sofern der Gelbildner ein organischer Gelbildner oder 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 gelförmigen 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 (6)

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