EP3766859B1 - Hypergoles zweistoffsystem für raketentriebwerke - Google Patents

Hypergoles zweistoffsystem für raketentriebwerke Download PDF

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EP3766859B1
EP3766859B1 EP20183064.3A EP20183064A EP3766859B1 EP 3766859 B1 EP3766859 B1 EP 3766859B1 EP 20183064 A EP20183064 A EP 20183064A EP 3766859 B1 EP3766859 B1 EP 3766859B1
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EP
European Patent Office
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hypergolic
component system
fuel
group
methylimidazolium
Prior art date
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EP20183064.3A
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English (en)
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EP3766859A1 (de
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Felix Lauck
Michele NEGRI
Dominic FREUDENMANN
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06D—MEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
    • C06D5/00—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets
    • C06D5/08—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets by reaction of two or more liquids
    • 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
    • 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
    • C06B47/02—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 the components comprising a binary propellant

Definitions

  • the present invention relates to a hypergolic two-fuel system for rocket engines according to claim 1, comprising a fuel and an oxidizer, which are provided separately from one another and which can be brought into reaction in a rocket engine by being brought into contact with one another.
  • rocket propulsion systems are required not only to reach earth orbit, but also for attitude control and for maneuvering the spacecraft within orbit.
  • the orbital drives used for this are based, like all rocket engines, on the recoil principle, whereby three types of orbital drives can be distinguished depending on the fuel used:
  • the fuel is a pressurized gas that is expanded by opening a valve and ejected through a nozzle.
  • Cold gas engines are therefore based on a purely physical effect and are very simply constructed, but only deliver a comparatively small amount of drive energy.
  • the specific impulse of these engines is typically in the range of 70 to 80 s.
  • Chemical rocket engines based on single-fuel systems use a chemical compound as fuel that is capable of an exothermic decay reaction.
  • the gaseous decomposition products of this decomposition reaction which is normally initiated by a catalyst, are expelled through a nozzle and generate the thrust.
  • the specific impulse of such engines is typically in the range of 170 to 250 s.
  • the disadvantage is that a heating system is usually required to liquefy the fuels suitable as a single-fuel system or to prevent them from freezing.
  • the two-fuel systems relevant for orbital engines are basically hypergol, i.e. the chemical reaction between the fuel and the oxidizer takes place spontaneously when they are brought into contact, without the need for an external ignition source.
  • hypergol i.e. the chemical reaction between the fuel and the oxidizer takes place spontaneously when they are brought into contact, without the need for an external ignition source.
  • some fuels or oxidizers it may be necessary to add reactive or catalytic additives to enable hypergolic ignition.
  • the hypergolic binary systems known from the prior art include hydrazine and / or their derivatives (e.g. monomethylhydrazine and asymmetrical dimethylhydrazine) as fuel, and dinitrogen tetroxide as oxidizer, possibly as a mixture with other nitrogen oxides.
  • hydrazine and / or their derivatives e.g. monomethylhydrazine and asymmetrical dimethylhydrazine
  • dinitrogen tetroxide as oxidizer, possibly as a mixture with other nitrogen oxides.
  • a major disadvantage of these systems is the high toxicity of hydrazine and its derivatives. These are carcinogenic compounds that must be handled with strict safety measures. This causes high costs in production, storage, transport and refueling. Dinitrogen tetroxide is also classified as toxic.
  • Sun ET AL, Combustion and flame, vol. 205, pages 441-445 discloses a hypergolic binary system comprising the ionic liquid [AMIM] [SCN] (1-allyl-3-methyl imidazolium thiocyanate) as fuel and fuming nitric acid as oxidizer.
  • AMIM ionic liquid
  • SCN 1-allyl-3-methyl imidazolium thiocyanate
  • the present invention is therefore based on the object of providing a fuel system for rocket engines, in particular for orbital drives, with which the above-mentioned disadvantages can be completely or partially overcome.
  • the fuels used in the two-fuel system according to the invention have a significantly lower toxicity compared to hydrazine and its derivatives, so that the potential environmental pollution can also be considerably reduced.
  • a decisive advantage, however, results primarily from the fact that the fuels are ionic liquids that have practically no vapor pressure under ambient conditions. This enables problem-free, open handling of these fuels, which simplifies the entire handling compared to hydrazine and reduces the associated costs.
  • the fuels used according to the invention ignite in combination with water peroxide as an oxidizer even without the addition of further additives hypergol, whereby an ignition delay of less than 50 ms can be achieved in the so-called drop test.
  • this hypergolic behavior in particular is favored by the thiocyanate anion, which acts as a reducing agent on the hydrogen peroxide.
  • the cations of the ionic liquids used as fuel are selected according to the invention from five-membered heterocycles with two to four nitrogen atoms, which can be extensively substituted. Particularly preferred are the heterocycles with only two nitrogen atoms, i.e. the imidazolium ions according to the general formula I. A number of substituted imidazolium thiocyanates are commercially available.
  • R 2 can also be hydrogen, while R 1 must be an alkyl or alkenyl radical.
  • R 1 and R 2 are each independently selected from a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a vinyl group and an allyl group.
  • the substituents X 1 , X 2 and X 3 on the carbon atoms of the heterocycle in the general formulas I to IV are preferably each hydrogen.
  • At least the compounds EMIM thiocyanate and BMIM thiocyanate are currently commercially available.
  • the oxidizer of the two-component system according to the invention comprises hydrogen peroxide, advantageously in the form of an aqueous solution. It is preferred here if the oxidizer has a hydrogen peroxide concentration of 70% by weight or more, preferably 98% by weight or more. The highest possible concentration is preferred insofar as this increases both the storage stability and the reactivity of the hydrogen peroxide with the fuel.
  • the oxidizer advantageously contains only water, and optionally one or more stabilizers.
  • stabilizers can be dispensed with.
  • Preferred stabilizers approved for use in rocket fuels are selected from sodium nitrate, potassium stannate trihydrate and sodium stannate trihydrate.
  • the two-component systems according to the invention offer the essential advantage that they show a hypergolic ignition behavior when the fuel is brought into contact with the oxidizer even without the addition of further additives.
  • the fuel within the scope of the invention comprises one or more additives in order to further shorten the ignition delay when it is brought into contact.
  • additives are optionally present in the fuel in a proportion of up to 30% by weight, more preferably up to 10% by weight.
  • the additives used according to the invention are preferably catalytic additives which accelerate the reaction of the fuel with the oxidizer.
  • the additives are preferably selected from thiocyanates of transition metals, in particular from thiocyanates of manganese, iron, cobalt, nickel and copper.
  • the fuel can also comprise a further ionic liquid with a proportion of up to 50% by weight, preferably up to 20% by weight, which contains metal ions.
  • a further ionic liquid with a proportion of up to 50% by weight, preferably up to 20% by weight, which contains metal ions.
  • Such compounds also act as catalytic additives.
  • the further ionic liquid preferably comprises a complexed transition metal ion as the anion, preferably a halide, cyanide, nitrate, tetrahydroborate, azide, dicarbide or methyloxy complex of iron, cobalt, nickel or copper.
  • a complexed transition metal ion as the anion preferably a halide, cyanide, nitrate, tetrahydroborate, azide, dicarbide or methyloxy complex of iron, cobalt, nickel or copper.
  • BMIM tetrachloroferrate anion such as BMIM tetrachloroferrate
  • the hypergolic fuel system according to the invention is characterized by a short ignition delay when the fuel is brought into contact with the oxidizer.
  • This ignition delay in the drop test is preferably less than 50 ms, more preferably less than 20 ms.
  • the present invention also relates to the use of the hypergolic two-fuel system according to the invention as fuel in a rocket engine, in particular in an orbital drive.
  • the possible use is not limited to orbital drives, but in principle encompasses all areas of application of rocket engines.
  • the respective fuel is placed in an open vessel in an amount of 1 ml.
  • a drop of a 96% strength by weight aqueous hydrogen peroxide solution with a volume of 50 ⁇ l as an oxidizer is dropped onto the fuel from a height of 80 mm.
  • the ignition delay is determined, which is defined as the time between the first contact of the fuel with the oxidizer and the first appearance of a flame.
  • the measured ignition delays are given in the following table. In each case, it is the mean value with standard deviation from the number of experiments given in brackets: Ignition delay without addition + 6% Cu-SCN + 30% BMIM-FeCl 4 BMIM-SCN 45.1 ⁇ 1.7 ms (7) 18.5 ⁇ 0.7 ms (6) 20.5 ⁇ 2.0 ms (5) EMIM-SCN 28.8 ⁇ 2.9 ms (21) 12.0 ⁇ 0.1 ms (5) -
  • the ignition delay of the two-component system according to the invention can be further reduced, so that values below 20 ms are preferably achieved.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein hypergoles Zweistoffsystem für Raketentriebwerke gemäß Anspruch 1, umfassend einen Brennstoff- und einen Oxidator, die getrennt voneinander bereitgestellt werden und die in einem Raketentriebwerk durch Inkontaktbringen miteinander zur Reaktion gebracht werden können. Bei Raumfahrzeugen werden Raketenantriebe nicht nur zum Erreichen einer Erdumlaufbahn (Orbit) benötigt, sondern auch zur Lagesteuerung und zum Manövrieren des Raumfahrzeuges innerhalb des Orbits. Die hierfür eingsetzten Orbitalantriebe basieren, wie alle Raketentriebwerke, auf dem Rückstoßprinzip, wobei in Abhängigkeit vom verwendeten Treibstoff drei Typen von Orbitaltriebwerken unterschieden werden können:
    Bei Kaltgastriebwerken ist der Treibstoff ein unter Druck stehendes Gas, dass durch Öffnen eines Ventils entspannt und über eine Düse ausgestoßen wird. Kaltgastriebwerke basieren somit auf einem reinen physikalischen Effekt und sind sehr einfach aufgebaut, liefern aber nur eine vergleichsweise geringe Antriebsenergie. Der spezifische Impuls dieser Triebwerke liegt typischerweise im Bereich von 70 bis 80 s.
  • Chemische Raketentriebwerke auf der Basis von Einstoffsystemen nutzen eine chemische Verbindung als Treibstoff, die zu einer exothermen Zerfallsreaktion in der Lage ist. Die gasförmigen Zerfallsprodukte dieser Zerfallsreaktion, die normalerweise durch einen Katalysator eingeleitet wird, werden durch eine Düse ausgestoßen und erzeugen den Schub. Der spezifische Impuls solcher Triebwerke liegt typischerweise im Bereich von 170 bis 250 s. Nachteilig ist, dass in der Regel ein Heizungssystem benötigt wird, um die als Einstoffsystem geeigneten Treibstoffe zu verflüssigen bzw. ein Einfrieren zu verhindern.
  • Die größte Bedeutung bei Orbitalantrieben, insbesondere für größere Raumfahrzeuge, haben hypergole Zweistoffsysteme. Diese umfassen als Treibstoffsystem einen flüssigen Brennstoff und einen flüssigen Oxidator, die exotherm miteinander reagieren und gasförmige Verbrennungsprodukte zur Erzeugung des Schubes freisetzen. Die Energiedichte eines Zweistoffsystems aus Brennstoff und Oxidator ist im Vergleich zu Einstoffsystemen generell höher, so dass ein spezifischer Impuls im Bereich von 270 bis 320 s erreicht werden kann. Zudem ist keine Heizung erforderlich, da die verwendbaren Komponenten über einen weiten Temperaturbereich in flüssiger Form vorliegen.
  • Die für Orbitaltriebwerke relevanten Zweistoffsysteme sind grundsätzlich hypergol, d.h. die chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Oxidator erfolgt beim Inkontaktbringen spontan, ohne dass eine externe Zündquelle notwendig wäre. Allerdings kann bei manchen Brennstoffen oder Oxidatoren ein Zusatz von reaktiven oder katalytischen Additiven notwendig sein, um die hypergole Zündung zu ermöglichen.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten hypergolen Zweistoffsysteme umfassen als Brennstoff Hydrazin und/oder deren Derivate (z.B. Monomethylhydrazin und unsymmetrisches Dimethylhydrazin), sowie als Oxidator Distickstofftetroxid, ggf. als Mischung mit weiteren Stickstoffoxiden. Ein wesentlicher Nachteil dieser Systeme ist die hohe Giftigkeit von Hydrazin und dessen Derivaten. Es handelt sich um karzinogene Verbindungen, bei deren Handhabung strenge Sicherheitsmaßnahmen eingehalten werden müssen. Dies verursacht hohe Kosten bei der Herstellung, Lagerung, Transport und Betankung. Auch Distickstofftretroxid wird als giftig eingestuft.
  • Sun ET AL, Combustion and flame, Bd.205, Seiten 441-445 offenbart ein hypergoles Zweistoffsystem umfassend die ionische Flüssigkeit [AMIM][SCN] (1-Allyl-3-methyl imidazolium thiocyanate) als Brennstoff und rauchende Salpetersäure als Oxidator.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Treibstoffsystem für Raketentriebwerke, insbesondere für Orbitalantriebe, zur Verfügung zu stellen, mit dem die oben genannten Nachteile ganz oder teilweise überwunden werden können.
  • Diese Aufgabe wird bei dem hypergolen Zweistoffsystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Brennstoff eine ionische Flüssigkeit ist, die aus einem Thiocyanat-Anion und einem oder mehreren Kationen gebildet ist,
    wobei das oder die Kationen ausgewählt sind aus einem oder mehreren Imidazolium-Ionen mit der allgemeinen Formel I, Triazolium-Ionen mit der allgemeinen Formel II oder III, und/oder Tetrazolium-Ionen mit der allgemeinen Formel IV:
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
     wobei R1 ein C1- bis C6-Alkylrest oder ein C2- bis C6-Alkenylrest ist,
    • wobei R2 Wasserstoff oder ein C1- bis C6-Alkylrest oder ein C2- bis C6-Alkenylrest ist, und
    • wobei X1, X2 und X3 jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff, ein C1- bis C6-Alkylrest oder ein C2- bis C6-Alkenylrest sind; und dass
    • der Oxidator Wasserstoffperoxid umfasst.
  • Die in dem erfindungsgemäßen Zweistoffsystem verwendeten Brennstoffe weisen im Vergleich zu Hydrazin und dessen Derivaten eine deutlich geringere Toxizität auf, so dass auch die potentielle Umweltbelastung erheblich verringert werden kann. Ein entscheidender Vorteil ergibt sich aber vor allem durch die Tatsache, dass es sich bei den Brennstoffen um ionische Flüssigkeiten handelt, die bei Umgebungsbedingungen praktisch keinen Dampfdruck aufweisen. Somit ist ein problemloser, offener Umgang mit diesen Brennstoffen möglich, was die gesamte Handhabung im Vergleich zu Hydrazin vereinfacht und die damit verbundenen Kosten reduziert.
  • Ähnliche Vorteile ergeben sich gemäß der Erfindung auch durch das als Oxidator eingesetzte Wasserstoffperoxid. Dieses ist nicht nur wesentlich weniger toxisch als Distickstofftetroxid, sondern hat auch einen wesentlich geringeren Dampfdruck (Distickstofftetroxid siedet bereits bei 21 °C). Während ein offener Umgang mit Distickstofftetroxid nur unter Atemschutz möglich ist, kann Wasserstoffperoxid, sowohl in reiner Form als auch in wässriger Lösung, relativ unproblematisch gehandhabt werden.
  • Zweistoffsysteme für Raketentriebwerke, die auf Wasserstoffperoxid als Oxidator und ionischen Flüssigkeiten als Brennstoff basieren, wurden bereits beschrieben, beispielsweise in der US 8,758,531 B1 . Allerdings kann bei den dort beschriebenen Systemen ein hypergoles Zündverhalten nur durch Zusatz einer weiteren Komponente erreicht werden, die ein Metallat-Anion von Eisen, Cobalt, Nickel oder Kupfer umfasst. Solche zusätzlichen Additive machen das Gesamtsystem komplexer, und sie haben auch den Nachteil, dass bei der Lagerung des Treibstoffs unter Umständen unlösliche Metallsalze ausfallen können.
  • Überraschenderweise zünden die erfindungsgemäß eingesetzten Brennstoffe in Kombination mit Wasserperoxid als Oxidator bereits ohne den Zusatz weiterer Additive hypergol, wobei im sogenannten Tropftest ein Zündverzug von weniger als 50 ms erreicht werden kann. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass dieses hypergole Verhalten insbesondere durch das Thiocyanat-Anion begünstigt wird, welches als Reduktionsmittel auf das Wasserstoffperoxid wirkt.
  • Die Kationen der als Brennstoff eingesetzten ionischen Flüssigkeiten sind erfindungsgemäß ausgewählt aus fünfgliedrigen Heterocyclen mit zwei bis vier Stickstoffatomen, die umfangreich substituiert sein können. Besonders bevorzugt sind dabei die Heterocyclen mit nur zwei Stickstoffatomen, d.h. die Imidazolium-Ionen gemäß der allgemeinen Formel I. Eine Reihe von substituierten Imidazolium-Thiocyanaten sind kommerziell erhältlich.
  • In den allgemeinen Formeln I bis IV kann R2 auch Wasserstoff sein, während R1 ein Alkyl- oder Alkenylrest sein muss. Vorzugsweise sind R1 und R2 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt aus einer Methylgruppe, einer Ethylgruppe, einer Propylgruppe, einer Butylgruppe, einer Vinylgruppe und einer Allylgruppe.
  • Besonders bevorzugt sind solche Kationen der ionischen Flüssigkeit, bei denen R1 eine Methylgruppe oder eine Vinylgruppe ist, und/oder bei denen R2 eine Ethylgruppe, eine Butylgruppe, eine Vinylgruppe oder eine Allylgruppe ist.
  • Die Substituenten X1, X2 und X3 an den Kohlenstoffatomen des Heterocyclus in den allgemeinen Formeln I bis IV sind vorzugsweise jeweils Wasserstoff.
  • Besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung sind die Thiocyanat-Salze folgender Kationen als Brennstoff:
    • 3-Methylimidazolium (HMIM):
      Figure imgb0003
    • 1-Ethyl-3-methylimidazolium (EMIM):
      Figure imgb0004
    • 1-Butyl-3-methylimidazolium (BMIM):
      Figure imgb0005
    • 1-Allyl-3-methylimidazolium (AMIM):
      Figure imgb0006
    • 1-Vinyl-3-methylimidazolium (VMIM):
      Figure imgb0007
    • 1-Allyl-3-vinylimidazolium (AVIM):
      Figure imgb0008
  • Zumindest die Verbindungen EMIM-Thiocyanat und BMIM-Thiocyanat sind derzeit kommerziell erhältlich.
  • Der Oxidator des erfindungsgemäßen Zweistoffsystems umfasst Wasserstoffperoxid, günstigerweise in Form einer wässrigen Lösung. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Oxidator eine Konzentration an Wasserstoffperoxid von 70 Gew.% oder mehr aufweist, bevorzugt von 98 Gew.% oder mehr. Eine möglichst hohe Konzentration ist insofern bevorzugt, als dies sowohl die Lagerstabilität als auch die Reaktivität des Wasserstoffperoxids mit dem Brennstoff erhöht.
  • Günstigerweise enthält der Oxidator neben Wasserstoffperoxid nur Wasser, und optional einen oder mehrere Stabilisatoren. Bei annähernd reinem Wasserstoffperoxid kann auf Stabilisatoren verzichtet werden. Bevorzugte Stabilisatoren, die zur Verwendung in Raketentreibstoffen zugelassen sind, sind ausgewählt aus Natriumnitrat, Kaliumstannat-Trihydrat und Natriumstannat-Trihydrat.
  • Wie bereits erwähnt, bieten die erfindungsgemäßen Zweistoffsysteme den wesentlichen Vorteil, dass sie auch ohne den Zusatz weiterer Additive ein hypergoles Zündverhalten beim Inkontaktbringen des Brennstoffs mit dem Oxidator zeigen. Dies schließt allerdings nicht die Möglichkeit aus, dass der Brennstoff im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere Additive umfasst, um den Zündverzug beim Inkontaktbringen weiter zu verkürzen. Solche Additive sind gegebenenfalls mit einem Anteil von bis zu 30 Gew.% in dem Brennstoff enthalten, weiter bevorzugt bis zu 10 Gew.%.
  • Die erfindungsgemäß eingesetzten Additive sind vorzugsweise katalytische Additive, die die Reaktion des Brennstoffs mit dem Oxidator beschleunigen. Bevorzugt sind die Additive ausgewählt aus Thiocyanaten von Übergangsmetallen, insbesondere aus Thiocyanaten von Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Brennstoff auch eine weitere ionische Flüssigkeit mit einem Anteil von bis zu 50 Gew.%, bevorzugt bis zu 20 Gew.%, umfassen, welche Metallionen enthält. Derartige Verbindungen wirken ebenfalls als katalytische Additive.
  • Die weitere ionische Flüssigkeit umfasst als Anion bevorzugt ein komplexiertes Übergangsmetallion, bevorzugt einen Halogenid-, Cyanid-, Nitrat-, Tetrahydroborat-, Azid-, Dicarbid- oder Methyloxy-Komplex von Eisen, Cobalt, Nickel oder Kupfer.
  • Besonders günstig ist der Zusatz einer weiteren ionischen Flüssigkeit, die ein Tetrachloroferrat-Anion umfasst, wie z.B. BMIM-Tetrachloroferrat.
  • Das erfindungsgemäße hypergole Treibstoffsystem zeichnet sich durch einen kurzen Zündverzug beim Inkontaktbringen des Brennstoffs mit dem Oxidator aus. Bevorzugt beträgt dieser Zündverzug im Tropftest weniger als 50 ms, weiter bevorzugt weniger als 20 ms.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung des erfindungsgemäßen hypergolen Zweistoffsystems als Treibstoff in einem Raketentriebwerk, insbesondere in einem Orbitalantrieb. Die mögliche Verwendung ist jedoch nicht auf Orbitalantriebe beschränkt, sondern umfasst prinzipiell alle Einsatzbereiche von Raketentriebwerken.
  • Die nachfolgenden Beispiele dienen der näheren Erläuterung der Erfindung, ohne diese in irgendeiner Weise zu beschränken.
    • Beispiele 1. Durchführung des Tropftests
  • Zur Bestimmung des Zündverzugs bei verschiedenen erfindungsgemäßen Zweistoffsystemen wird der jeweilige Brennstoff in einer Menge von 1 ml in einem offenen Gefäß vorgelegt. Ein Tropfen einer 96 Gew.%igen wässrigen Wasserstoffperoxidlösung mit einem Volumen von 50 µl als Oxidator wird aus einer Höhe von 80 mm auf den Brennstoff fallen gelassen. Mit Hilfe einer Kamera wird der Zündverzug bestimmt, der definiert ist als die Zeit zwischen dem ersten Kontakt des Brennstoffs mit dem Oxidator und dem ersten Erscheinen einer Flamme.
    • 2. Ergebnisse
  • Als Beispiele für verschiedene erfindungsgemäße Zweistoffsysteme wurden im Tropftest folgende Brennstoffe untersucht:
    • 1-Butyl-3-methylimidazolium-thiocyanat (BMIM-SCN), sowohl ohne Zusätze als auch mit 6 Gew.% Kupferthiocyanat oder mit 30 Gew.% BMIM-Tetrachloroferrat als Additiv
    • 1-Ethyl-3-methylimidazolium-thiocyanat (EMIM-SCN), sowohl ohne Zusätze als auch mit 6 Gew.% Kupferthiocyanat als Additiv
  • Die gemessenen Zündverzüge sind in der folgenden Tabelle angegeben. Es handelt sich jeweils um den Mittelwert mit Standardabweichung aus der in Klammern angegebenen Anzahl an Versuchen:
    Zündverzug ohne Zusatz +6% Cu-SCN +30% BMIM-FeCl4
    BMIM-SCN 45,1±1,7 ms (7) 18,5±0,7 ms (6) 20,5±2,0 ms (5)
    EMIM-SCN 28,8±2,9 ms (21) 12,0±0,1 ms (5) -
  • Die Versuche zeigen, dass sowohl mit BMIM-SCN als auch mit EMIM-SCN als Brennstoff ohne weitere Zusätze ein Zündverzug von deutlich weniger als 50 ms erreicht wird, was in der Praxis ein ausreichend schnelles Zündverhalten für ein hypergoles Zweistoffsystem darstellt.
  • Durch den Zusatz von verschiedenen katalytischen Additiven kann der Zündverzug des erfindungsgemäßen Zweistoffsystems weiter reduziert werden, so dass bevorzugt Werte unterhalb von 20 ms erreicht werden.

Claims (15)

  1. Hypergoles Zweistoffsystem für Raketentriebwerke, umfassend einen Brennstoff und einen Oxidator, die getrennt voneinander bereitgestellt werden und die in einem Raketentriebwerk durch Inkontaktbringen miteinander zur Reaktion gebracht werden können,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Brennstoff eine ionische Flüssigkeit ist, die aus einem Thiocyanat-Anion und einem oder mehreren Kationen gebildet ist,
    wobei das oder die Kationen ausgewählt sind aus einem oder mehreren Imidazolium-Ionen mit der allgemeinen Formel I, Triazolium-Ionen mit der allgemeinen Formel II oder III, und/oder Tetrazolium-Ionen mit der allgemeinen Formel IV:
    Figure imgb0009
    Figure imgb0010
     wobei R1 ein C1- bis C6-Alkylrest oder ein C2- bis C6-Alkenylrest ist, wobei R2 Wasserstoff oder ein C1- bis C6-Alkylrest oder ein C2- bis C6-Alkenylrest ist, und
    wobei X1, X2 und X3 jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff, ein C1- bis C6-Alkylrest oder ein C2- bis C6-Alkenylrest sind; und dass
    - der Oxidator Wasserstoffperoxid umfasst.
  2. Hypergoles Zweistoffsystem nach Anspruch 1, wobei das Kation ein Imidazolium-Ion der allgemeinen Formel I ist.
  3. Hypergoles Zweistoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei R1 und R2 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus einer Methylgruppe, einer Ethylgruppe, einer Propylgruppe, einer Butylgruppe, einer Vinylgruppe und einer Allylgruppe.
  4. Hypergoles Zweistoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei R1 eine Methylgruppe oder eine Vinylgruppe ist.
  5. Hypergoles Zweistoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei R2 eine Ethylgruppe, eine Butylgruppe, eine Vinylgruppe oder eine Allylgruppe ist.
  6. Hypergoles Zweistoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei X1, X2 und X3 jeweils Wasserstoff sind.
  7. Hypergoles Zweistoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoff eines oder mehrere der folgenden Kationen umfasst:
    - 3-Methylimidazolium (HMIM),
    - 1-Ethyl-3-methylimidazolium (EMIM),
    - 1-Butyl-3-methylimidazolium (BMIM),
    - 1-Allyl-3-methylimidazolium (AMIM),
    - 1-Vinyl-3-methylimidazolium (VMIM),
    - 1-Allyl-3-vinylimidazolium (AVIM).
  8. Hypergoles Zweistoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Oxidator eine Konzentration an Wasserstoffperoxid von 70 Gew.% oder mehr aufweist, bevorzugt von 98 Gew.% oder mehr.
  9. Hypergoles Zweistoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Oxidator neben Wasserstoffperoxid nur Wasser enthält, und optional einen oder mehrere Stabilisatoren.
  10. Hypergoles Zweistoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoff ein oder mehrere Additive zur Verkürzung des Zündverzuges beim Inkontaktbringen mit dem Oxidator umfasst, mit einem Anteil von bis zu 30 Gew.%, bevorzugt bis zu 10 Gew.%.
  11. Hypergoles Zweistoffsystem nach Anspruch 10, wobei das oder die Additive katalytische Additive sind, die bevorzugt ausgewählt sind aus Thiocyanaten von Übergangsmetallen, insbesondere aus Thiocyanaten von Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer.
  12. Hypergoles Zweistoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoff eine weitere ionische Flüssigkeit mit einem Anteil von bis zu 50 Gew.%, bevorzugt bis zu 20 Gew.%, umfasst, welche Metallionen enthält.
  13. Hypergoles Zweistoffsystem nach Anspruch 12, wobei die weitere ionische Flüssigkeit als Anion ein komplexiertes Übergangsmetallion umfasst, bevorzugt einen Halogenid-, Cyanid-, Nitrat-, Tetrahydroborat-, Azid-, Dicarbid- oder Methyloxy-Komplex von Eisen, Cobalt, Nickel oder Kupfer.
  14. Hypergoles Zweistoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System beim Inkontaktbringen des Brennstoffs mit dem Oxidator im Tropftest einen Zündverzug von weniger als 50 ms aufweist, bevorzugt von weniger als 20 ms.
  15. Verwendung eines hypergolen Zweistoffsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Treibstoff in einem Raketentriebwerk, insbesondere in einem Orbitalantrieb.
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