EP4652149A1 - Treibstoff für raumfahrzeuge und/oder flugkörper - Google Patents

Treibstoff für raumfahrzeuge und/oder flugkörper

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Publication number
EP4652149A1
EP4652149A1 EP23833133.4A EP23833133A EP4652149A1 EP 4652149 A1 EP4652149 A1 EP 4652149A1 EP 23833133 A EP23833133 A EP 23833133A EP 4652149 A1 EP4652149 A1 EP 4652149A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
inhibitor
weight
proportion
nitromethane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23833133.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maxim KURILOV
Christoph KIRCHBERGER
Dominic FREUDENMANN
Helmut Ciezki
Karl Wieland Naumann
Sebastian REST
Volker Weiser
Jürgen HÜRTTLEN
Uwe Schaller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH, Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Publication of EP4652149A1 publication Critical patent/EP4652149A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C06B23/005—Desensitisers, phlegmatisers
    • 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
    • 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
    • C06D5/04—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets by auto-decomposition of single substances

Definitions

  • the invention relates to a fuel for spacecraft and/or missiles.
  • Liquid Monergol fuels are often used to control the orbit and attitude of satellites and missiles. Since only one tank and one set of components for fuel delivery is required, very simple and inexpensive systems can be implemented in this way.
  • hydrazine has been commonly used as fuel in such systems.
  • the decomposition of this substance which is required for ignition and for the operation of such an engine, can be achieved very easily using indium-platinum-based catalysts.
  • the decomposition gases i.e. the reactive support mass that is created during decomposition, have a relatively low temperature of around 800 K, which allows for simple construction without the use of expensive high-temperature materials.
  • a relatively high propulsion power can be achieved: the theoretical specific impulse is 1979 m/s.
  • the disadvantages of using hydrazine are the high costs involved in handling this substance. This is due to the high toxicity and carcinogenicity of this substance.
  • propellants To meet this challenge, a number of alternative propellants have been researched, developed and tested.
  • One approach to realising such so-called “green propellants” is to prepare solutions of solid explosive oxidizers such as hydroxyl ammonium nitrate (HAN) and ammonium dinitramide (ADN) in water and then add a fuel component such as methanol or ammonia to create a premixed reactive mixture or explosive substance that is insensitive enough to be used as a propellant.
  • solid explosive oxidizers such as hydroxyl ammonium nitrate (HAN) and ammonium dinitramide (ADN)
  • HAN hydroxyl ammonium nitrate
  • ADN ammonium dinitramide
  • Such propellants usually have a higher volume and mass specific impulse than hydrazine.
  • HAN and ADN-based fuels have high production costs.
  • these fuels also have significantly higher burn-off temperatures than hydrazine, which has so far been a challenge for the construction materials of such engines.
  • fuels based on solutions of energetic materials in water are difficult to ignite because the water must first be evaporated from the solution for successful combustion.
  • EP 2 662 350 B1 discloses a gel-like, monergolic fuel in which the high combustion temperature is reduced by adding an additive to the fuel, by means of which the carbon is oxidized to carbon monoxide during combustion of the fuel and no oxygen is made available for the oxidation of hydrogen to water and of carbon monoxide to carbon dioxide.
  • EP 2 607 337 B1 discloses a gel-like, injectable single-component fuel which consists of a mixture of at least one monergolic base fuel, namely a hydrocarbon containing at least one nitro group, and at least one gelling agent consisting of carbon particles or carbon nanotubes and at least one solid oxidizer with an average particle size of at most 0.4 millimeters.
  • JP-S-4919452 B1 discloses the use of hydrogen peroxide, mononitromethane, isopropyl nitrate, ethylene oxide and similar compounds as propellants for rocket engines. It is described that the addition of additives improves the combustion properties. Different additives are described.
  • DE 2820783 C1 describes a solid propellant based on ammonium perchlorate.
  • the object of the invention is to create a fuel with improved properties for spacecraft and/or missiles
  • a nitromethane fuel for spacecraft and/or missiles wherein the fuel comprises at least one additive in the form of an inhibitor which reduces the impact sensitivity, wherein the inhibitor is dimethyl sulfoxide or wherein the inhibitor is at least one of n-butanol compounds or nitroethane or an ionic liquid, wherein the inhibitor is a phlegmatizing agent and improves the impact sensitivity.
  • Impact sensitivity is the behavior of a fuel under mechanical stress.
  • the mechanical stress can be, for example, a shock that occurs or develops during transport of the fuel. This can cause the fuel to explode.
  • the reduced impact sensitivity can prevent an explosion during transport.
  • Impact sensitivity can be determined using the so-called BAM drop hammer test. In this test, a defined weight is dropped from a defined height onto the material to be tested, causing a defined impact energy to act on the material to be tested. The impact energy is the product of the drop height and the weight and is given in joules.
  • the proportion of the inhibitor can be 3 wt.% to 40 wt.%, in particular 5 wt.% to 25 wt.%.
  • a metallocene can be provided as a further additive, whereby the metallocene can improve the ignitability and enable combustion at low pressures, in particular in the range of 10 bar to 20 bar.
  • Additives such as metallocenes significantly improve the ignitability of fuel made from nitromethane compared to pure nitromethane and advantageously enable combustion at low combustion chamber pressures.
  • the addition of an inhibitor, also known as a phlegmatizing agent can make the combustion of the fuel significantly more stable.
  • the possible deterioration in the impact sensitivity of the fuel that may accompany the addition of metallocenes can be counteracted by adding an inhibitor.
  • the combined addition of the inhibitor and the metallocene can achieve the advantage of reduced impact sensitivity and improved ignition behavior.
  • the proportion of metallocene can be 0.5 wt.% to 5 wt.%.
  • the proportion of inhibitor can be 3 wt.% to 40 wt.%, in particular 5 wt.% to 25 wt.%.
  • the metallocene can be at least one from the group chromocene and related substances, nickelocene and related substances, ferrocene and related substances, in particular ethylferrocene, butylferrocene, catocene.
  • ferrocene and related substances such as ethylferrocene, butylferrocene, catocene, as well as chromocene and related substances, as well as nickelocene and related substances can greatly improve the ignitability of liquid and gelatinous nitromethane fuels under an inert gas atmosphere.
  • combustion can advantageously be enabled in the low pressure range up to 12.5 bar.
  • the inhibitor can be dimethyl sulfoxide.
  • Dimethyl sulfoxide is an organic non-aqueous solvent.
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • DMSO n-butanol or pure nitromethane
  • the decomposition takes place at lower temperatures. This behavior is particularly pronounced when ferrocene is added to a nitromethane-DMSO mixture. The exothermic reaction is now located at a significantly lower temperature.
  • a mixture containing 85% by weight of nitromethane, 13% by weight of DMSO, 2% by weight of ferrocene or a similar mixture can be used advantageously as a low-cost, non-toxic and safe "green" missile or satellite fuel with high performance compared to hydrazine and ADN and HAN fuels.
  • this fuel does not contain water and is therefore more easily ignited than fuels based on aqueous solutions of ADN or HAN.
  • the inhibitor can be at least one of n-butanol, in particular with a proportion of 3 wt.% to 10 wt.%, nitroethane, in particular with a proportion of 10 wt.% to 30 wt.%.
  • the addition of 3 wt.% to 10 wt.% n-butanol or 10 wt.% to 30 wt.% nitroethane can bring about a beneficial improvement in impact sensitivity to values greater than 10 J.
  • the inhibitor can be an ionic liquid.
  • the inhibitor can be ethyl ammonium nitrate (EAN).
  • EAN ethyl ammonium nitrate
  • the inhibitor can have a proportion of 4 wt.% to 30 wt.% of the phlegmatizing agent.
  • Mixtures of 4 wt.% to 12 wt.% EAN with 1 wt.% to 2 wt.% ferrocene or ethylferrocene and nitromethane can be advantageously used as insensitive liquid Monergol fuels.
  • the fuel can contain at least one organic gelling agent, in particular in a proportion of 1% to 10% by weight.
  • An organic gelling agent can also advantageously act as an inhibitor to improve the impact sensitivity.
  • organic gelling agent in particular a low molecular weight gelling agent (LMOG; for example N-alkyl gluconamides, 12-hydroxystearic acids and salts, (oligo)ureas, alkoxybenzoic acids, N-(oligo-hydroxyalkyl)-alkoxybenzamides, alkoxybenzhydrazines and hydrazides, alkoxybenzoylsemicarbazides and alkoxybenzoic sulfonic acids) has proven to be particularly beneficial for improving the impact sensitivity of nitromethane fuel.
  • LMOG low molecular weight gelling agent
  • the organic gelling agent can be at least one of a fumed silica, an organic gelling agent with a low molecular weight, carbon particles, carbon nanotubes.
  • a gelling agent has proven to be particularly favorable for improving the impact sensitivity of the nitromethane fuel.
  • the proportion of additives can be between 10% and 20% by weight. This allows the desired properties of the nitromethane fuel, such as good ignitability, combustion at low combustion chamber pressures and low impact sensitivity, to be developed.
  • Fig. 1 Results of closed-crucible dynamic differential scanning calorimetry measurements on various nitromethane fuels for spacecraft and/or missiles according to embodiments of the invention.
  • the proposed nitromethane fuel for spacecraft and/or missiles can advantageously contain at least one additive of an inhibitor which reduces the impact sensitivity, the inhibitor being dimethyl sulfoxide or the inhibitor being at least one of n-butanol compounds or nitroethane or an ionic liquid, the inhibitor being a phlegmatizer and improving the impact sensitivity.
  • the properties of the fuel with regard to ignitability, burn-off at low combustion chamber pressures and impact sensitivity are thereby improved.
  • a metallocene can be added to the fuel as a further additive.
  • the proportion of metallocene can advantageously be 0.5% to 5% by weight and/or the proportion of inhibitor 3% to 40% by weight, in particular 5% to 20% by weight.
  • the metallocene can be at least one from the group chromocene and related substances, nickelocene and related substances, ferrocene and related substances, in particular ethylferrocene, butylferrocene, catocene.
  • the total amount of additives may advantageously be between 10% and 20% by weight.
  • the fuel can advantageously contain at least one inhibitor to reduce the impact sensitivity.
  • the inhibitor can advantageously be, for example, dimethyl sulfoxide (DMSO).
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • the inhibitor can also be at least one of n-butanol, in particular with a proportion of 3% by weight to 10% by weight, nitroethane, in particular with a proportion of 10% by weight to 30% by weight.
  • the inhibitor can also be an ionic liquid.
  • the inhibitor can be ethyl ammonium nitrate, in particular with a proportion of 4% by weight to 30% by weight.
  • the fuel can comprise at least one organic gelling agent, in particular in a proportion of 1% to 10% by weight.
  • the organic gelling agent can be, for example, at least one of a pyrogenic silica, an organic gelling agent with a low molecular weight, carbon particles, carbon nanotubes.
  • Table 1 shows measured drop hammer impact sensitivities Si for nitromethane fuels with different additives.
  • Table 1 shows that the addition of an inhibitor such as n-butanol, nitroethane or DMSO shifts the shock sensitivity to higher values, i.e. improves it.
  • Figure 1 shows results of differential scanning calorimetry (DSC) measurements in a closed crucible on various nitromethane fuels for spacecraft and/or missiles according to embodiments of the invention.
  • the signals 20 of the DSC measurement are plotted in units of pV/mg as a function of temperature 10 in °C.
  • Curve 30 represents measurements for pure nitromethane.
  • Curve 32 represents measurements for a nitromethane fuel with 6 wt.% n-butanol, curve 34 for a nitromethane fuel with 13 wt.% DMSO, curve 36 for a nitromethane fuel with 13 wt.% DMSO and 2 wt.% ferrocene.
  • the pure nitromethane fuel (curve 30) shows the peak of the exotherm at about 380 °C.
  • Nitromethane fuel with 6 wt% n-butanol (curve 32) shows the peak at about 390 °C.
  • Nitromethane fuel with 13 wt% DMSO (curve 34) shows a broad peak at about 360 °C, while nitromethane fuel with 13 wt% DMSO and 2 wt% ferrocene (curve 36) shows the peak at about 280 °C.
  • Strand-Bumer tests a mixture of 85 wt.% nitromethane, 13 wt.% DMSO and 2 wt.% ferrocene could be made to burn at 12.5 bar inert gas pressure. In combustion chamber tests, stable burn-off could be achieved with this mixture at 13 bar to 15 bar. With a comparable mixture, but with 6 wt.% n-butanol as inhibitor, only a minimum combustion chamber pressure of 40 bar could be demonstrated.
  • nitromethane 6% by weight n-butanol, 2% by weight metal salt (e.g. chromium (III)-actyl acetonate);
  • metal salt e.g. chromium (III)-actyl acetonate

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Treibstoff aus Nitromethan für Raumfahrzeuge und/oder Flugkörper, wobei der Treibstoff wenigstens einen Zusatzstoff in Form eines die Schlagempfindlichkeit herabsetzenden Inhibitors aufweist, wobei der Inhibitor Dimethyl-Sulfoxid ist oder wobei der Inhibitor wenigstens eines von n-Butanol-Verbindungen oder Nitroethan oder eine ionische Flüssigkeit ist, wobei der Inhibitor ein Phlegmatisierungsmittel ist und die Schlagempfindlichkeit verringert.

Description

Beschreibung
Titel
TREIBSTOFF FÜR RAUMFAHRZEUGE UND/ODER FLUGKÖRPER
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Treibstoff für Raumfahrzeuge und/oder Flugkörper.
Zur Bahn- und Lageregelung von Satelliten und Flugkörpern werden oft flüssige Monergol-Treibstoffe eingesetzt. Da hierbei nur ein Tank und nur ein Satz von Komponenten zur Treibstoffförderung benötigt wird, können auf diese Weise sehr einfache und günstige Systeme realisiert werden.
Bisher wird üblicherweise Hydrazin als Treibstoff in solchen Systemen eingesetzt. Die Zersetzung dieses Stoffs, die für die Entzündung, sowie für den Betrieb eines solchen Triebwerks erforderlich ist, lässt sich sehr einfach mit Hilfe von Katalysatoren auf Indium-Platin-Basis bewerkstelligen. Die Zersetzungsgase, d.h. die reaktive Stützmasse, die bei der Zersetzung entsteht, besitzt eine verhältnismäßig geringe Temperatur von ungefähr 800 K, was eine einfache konstruktive Ausführung ohne die Verwendung kostspieliger Hochtemperaturwerkstoffe erlaubt. Trotzdem kann eine relativ hohe Antriebsleistung realisiert werden: Der theoretische spezifische Impuls beträgt 1979 m/s. Nachteile der Verwendung von Hydrazin sind jedoch die hohen Kosten, die bei der Handhabung dieser Substanz entstehen. Das liegt an der hohen Giftigkeit und an der Karzinogenität dieser Substanz. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurde eine Reihe von alternativen Treibstoffen erforscht, entwickelt und getestet. Ein Ansatz zur Realisierung solcher sogenannten „Green Propellants“ liegt darin, Lösungen fester explosionsfähiger Oxidatoren wie Hydroxyl- Ammoniumnitrat (HAN) und Ammoniumdinitramid (ADN) im Wasser herzustellen und anschließend eine Brennstoffkomponente, beispielsweise Methanol oder Ammoniak, hinzuzugeben, sodass eine vorgemischte reaktionsfähige Mischung bzw. eine explosionsfähige Substanz entsteht, welche jedoch unempfindlich genug ist, um als Treibstoff verwendet zu werden. Solche Treibstoffe haben üblicherweise einen höheren volumen- und massenspezifischen Impuls als Hydrazin.
HAN- und ADN-basierte Treibstoffe weisen jedoch hohe Herstellungskosten auf. Zusätzlich dazu besitzen diese Treibstoffe auch deutlich höhere Abbrandtemperaturen als Hydrazin, was bislang eine Herausforderung für die Konstruktionsmaterialien solcher Triebwerke darstellt. Darüber hinaus sind Treibstoffe, die auf Lösungen von energetischen Materialien in Wasser basieren, schwer anzuzünden, da für den erfolgreichen Abbrand zunächst das Wasser aus der Lösung verdampft werden muss.
Ein anderer Ansatz ist die Verwendung natürlicher, d.h. nicht vorgemischter Monergole. Dabei ist insbesondere auf die Verwendung von hochkonzentrierten Wasserstoffperoxidlösungen (90-98 Gew.% in Wasser) hinzuweisen. Dieser verhältnismäßig ungiftige Stoff lässt sich genauso wie Hydrazin recht einfach katalytisch zersetzen. Der größte Nachteil von Wasserstoffperoxidlösungen ist die geringe Leistungsfähigkeit im Vergleich zu anderen vergleichbaren Treibstoffen, sowie die geringe Stabilität, die die Lagerbarkeit über lange Zeiträume einschränkt. Die Verwendung von Nitromethan stellt ebenfalls einen potentiellen Green Propellant dar. Dieser Stoff ist ein günstiges und weit verbreitetes Laborlösungsmittel, besitzt jedoch Eigenschaften, die seinen Einsatz als Luft- und Raumfahrttreibstoff deutlich erschweren. Der Stoff zeigt keinen oder instabilen Abbrand bei niedrigen Brennkammerdrücken. Er weist eine schlechte Entzündbarkeit auf. Der Stoff ist sehr schlagempfindlich und gilt als explosionsfähig.
Die EP 2 662 350 B1 offenbart einen gelförmigen, monergolen Treibstoff, bei dem die hohe Verbrennungstemperatur dadurch herabgesetzt wird, dass dem Treibstoff ein Zusatzstoff zugesetzt wird, durch den bei der Verbrennung des Treibstoffs der Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid oxidiert wird und für die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser sowie von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid kein Sauerstoff zur Verfügung gestellt wird.
Die EP 2 607 337 B1 offenbart einen gelförmigen, einspritzbaren Einstoff- Treibstoff, der aus einem Gemisch aus wenigstens einem monergolen Basistreibstoff, nämlich einem Kohlenwasserstoff, der wenigstens eine Nitrogruppe enthält, und wenigstens einem Gelbildner bestehend aus Kohlenstoffpartikeln oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen und wenigstens einem festen Oxidator mit einer mittleren Teilchengröße von höchstens 0,4 Millimetern besteht.
Aus der DE 3342347 A1 ist bekannt, zur Erzeugung von Treibgasen in Treibmittelbrennkammern von Rohrwaffen monergole und hypermonergole Treibmittel einzusetzen und zur Verbesserung des Abbrandverhaltens Additive dem Treibmittel zuzusetzen. Die JP-S-4919452 B1 offenbart als Treibmittel für Raketenantriebe, die Verwendung von Hydrogenperoxid, Mononitromethan, Isoproylnitrat, Ethylenoxid und ähnliche Verbindungen. Es wird beschrieben, dass der Zusatz von Additiven die Verbrennungseigenschaften verbessert. Es werden unterschiedliche Additive beschrieben.
Die DE 2820783 C1 beschreibt einen Festtreibstoff auf der Basis von Ammoniumperchlorat.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Treibstoff mit verbesserten Eigenschaften für Raumfahrzeuge und/oder Flugkörper zu schaffen
Die Aufgaben werden durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Es wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Treibstoff aus Nitromethan für Raumfahrzeuge und/oder Flugkörper vorgeschlagen, wobei der Treibstoff wenigstens einen Zusatzstoff in Form eines die Schlagempfindlichkeit herabsetzenden Inhibitors aufweist, wobei der Inhibitor Dimethyl-Sulfoxid ist oder wobei der Inhibitor wenigstens eines von n-Butanol-Verbindungen oder Nitroethan oder eine ionische Flüssigkeit ist, wobei der Inhibitor ein Phlegmatisierungsmittel ist und die Schlagempfindlichkeit verbessert. Unter Schlagempfindlichkeit wird das Verhalten eines Treibstoffes unter mechanischer Belastung verstanden. Die mechanische Belastung kann beispielsweise eine Erschütterung sein, die beim Transport des Treibstoffes entsteht oder auftritt. Der Treibstoff kann dadurch explodieren. Durch die herabgesetzte Schlagempfindlichkeit kann eine Explosion beim Transport vermieden werden. Die Schlagempfindlichkeit kann durch den sogenannten BAM-Fallhammer-Test bestimmt werden. Hierbei wird ein definiertes Gewicht aus einer definierten Höhe auf das zu prüfende Material fallen gelassen, wodurch eine definierte Schlagenergie auf das zu prüfende Material einwirkt. Die Schlagenergie ergibt sich aus dem Produkt aus Fallhöhe und Gewicht und wird in Joule angegeben.
Es ist bekannt, Sprengstoffen oder auch Materialien, die zur Feuerlöschung eingesetzt werden, mit Phlegmatisierungsmittel zu versetzten. Allerdings sind Treibstoffe bisher nicht mit Phlegmatisierungsmitteln versehen worden, da diese die Abbrandcharakteristik verschlechtern können. Es wurde in den Versuchen überraschend festgestellt, dass die Schlagkraft verbessert werden kann und gleichzeitig das Abbrandverhalten durch den Zusatz des die Schlagempfindlichkeit herabsetzenden Inhibitors hinreichend gut ist.
In einer günstigen Ausgestaltung kann der Anteil des Inhibitors 3 Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere 5 Gew-% bis 25 Gew-% betragen.
In einer günstigen Ausgestaltung kann als weiterer Zusatzstoff ein Metallocen als weiterer Zusatzstoff vorgesehen sein, wobei das Metallocen die Entzündbarkeit verbessern kann, sowie den Abbrand bei niedrigen Drücken, insbesondere im Bereich von 10 bar bis 20 bar ermöglichen kann. Zusatzstoffe wie Metallocene verbessern die Entzündbarkeit von Treibstoff aus Nitromethan deutlich gegenüber reinem Nitromethan und ermöglichen vorteilhaft einen Abbrand bei niedrigen Brennkammerdrücken. Die Zugabe eines Inhibitors, auch als Phlegmatisierungsmittel bezeichnet, kann den Abbrand des Treibstoffs deutlich stabiler gestalten. Außerdem kann eine mit der Zugabe von Metallocenen möglicherweise einhergehende Verschlechterung der Schlagempfindlichkeit des Treibstoffs mit der Zugabe eines Inhibitors begegnet werden.
Somit kann durch die kombinierte Zugabe des Inhibitors und des Metallocens der Vorteil der herabgesetzten Schlagempfindlichkeit und des verbesserten Zündverhaltens erreicht werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Treibstoffs kann der Anteil des Metallocens 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% betragen. Alternativ oder zusätzlich kann der Anteil des Inhibitors, 3 Gew-% bis 40 Gew-%, insbesondere 5 Gew.-% bis 25 Gew.-% betragen. Diese Anteile von Metallocenen können die Entzündbarkeit eines Treibstoffs aus Nitromethan vorteilhaft verbessern und einen Abbrand bei niedrigen Brennkammerdrücken begünstigen. Die Anteile von Inhibitoren können die Schlagempfindlichkeit des Treibstoffs vorteilhaft verringern.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Treibstoffs kann das Metallocen wenigstens eines aus der Gruppe Chromocen und verwandte Stoffe, Nickelocen und verwandte Stoffe, Ferrocen und verwandte Stoffe, insbesondere Ethylferrocen, Butylferrocen, Catocen, sein.
Ein Zusatz von beispielsweise 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% Ferrocen und verwandten Stoffen wie Ethylferrocen, Butylferrocen, Catocen, sowie von Chromocen und verwandten Stoffen, als auch von Nickelocen und verwandten Stoffen kann die Entzündbarkeit unter Inertgasatmosphäre von flüssigen und gelförmigen Nitromethan-Treibstoffen stark verbessern. Zusätzlich kann vorteilhaft der Abbrand im niedrigen Druckbreich bis 12,5 bar ermöglicht werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung des Treibstoffs kann der Inhibitor Dimethyl-Sulfoxid sein. Dimethyl-Sulfoxid ist ein organisches nichtwässriges Lösungsmittel.
Die Verwendung des Inhibitors Dimethyl-Sulfoxid (DMSO) ist besonders günstig. Ein Zusatz größer als 6 Gew.-% an reines Nitromethan kann vorteilhaft bereits eine signifikante Verbesserung der Schlagempfindlichkeit bewirken. Der Zusatz von 12 Gew.-% macht die Mischung nahezu schlagunempfindlich.
Der Zusatz von DMSO an Nitromethan kann günstigerweise bei erhöhten Drücken und Temperaturen katalytisch wirken. Im Vergleich zu einem Zusatz von n-Butanol oder zu reinem Nitromethan findet die Zersetzung bei niedrigeren Temperaturen statt. Besonders ausgeprägt ist dieses Verhalten, wenn Ferrocen in eine Nitromethan-DMSO-Mischung hinzugegeben wird. Die Exothermie ist nun bei einer deutlich niedrigeren Temperatur verortet.
Vorteilhaft kann beispielsweise eine Mischung mit 85 Gew.-% Nitromethan, 13 Gew.-% DMSO, 2 Gew.-% Ferrocen oder eine ähnliche Mischung als kostengünstiger, im Vergleich zu Hydrazin und ADN-, sowie HAN- Treibstoffen, ungiftiger und sicherer „grüner“ Flugkörper- oder Satellitentreibstoff mit einer hohen Leistung verwendet werden. Hinzu kommt, dass dieser Treibstoff kein Wasser enthält und folglich einfacher als Treibstoffe auf Basis von wässrigen Lösungen von ADN oder HAN entzündbar ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Treibstoffs kann der Inhibitor wenigstens eines von n-Butanol, insbesondere mit einem Anteil von 3 Gew.- % bis 10 Gew.-%, Nitroethan, insbesondere mit einem Anteil von 10 Gew.- % bis 30 Gew.-%, sein. Der Zusatz von 3 Gew.-% bis 10 Gew.-% n-Butanol oder 10 Gew.-% bis 30 Gew.-% Nitroethan kann eine vorteilhafte Verbesserung der Schlagempfindlichkeit auf Werte größer 10 J bewirken.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Treibstoffs kann der Inhibitor eine ionische Flüssigkeit sein. Insbesondere kann der Inhibitor Ethyl- Ammoniumnitrat (EAN) sein. Insbesondere kann der Inhibitor einen Anteil von 4 Gew.-% bis 30 Gew.-% des Phlegmatisierungsmittels aufweisen.
Mischungen aus 4 Gew.-% bis 12 Gew.-% EAN mit 1 Gew.-% bis 2 Gew.- % Ferrocen oder Ethylferrocen und Nitromethan können vorteilhaft als unempfindliche flüssige Monergol-Treibstoffe eingesetzt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann der Treibstoff wenigstens einen organischen Gelbildner, insbesondere mit einem Anteil von 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, aufweisen. Auch ein organischer Gelbildner kann vorteilhaft als Inhibitor zum Verbessern der Schlagempfindlichkeit wirken.
Der Zusatz von 1 Gew.-% bis 4 Gew.-% organischem Gelbildner, insbesondere eines Gelbildners mit niedrigem Molekulargewicht (im Englischen Low Molecular Mass Organic Gelator = LMOG; beispielsweise N-Alkyl-gluconamide, 12-Hydroxystearinsäuren und -salze, (Oligo)harnstoffe, Alkoxybenzoesäuren, N-(Oligo-hydroxyalkyl)- alkoxybenzamide, Alkoxybenzhydrazine und -hydrazide, Alkoxybenzoylsemicarbazide und Alkoxybenzoesulfonsäuren) hat sich als besonders günstig für eine Verbesserung der Schlagempfindlichkeit des Treibstoffs aus Nitromethan erwiesen. Nach einer günstigen Ausgestaltung des Treibstoffs kann der organische Gelbildner wenigstens eines von einer pyrogenen Kieselsäure, einem organischen Gelbildner mit einem niedrigen Molekulargewicht, Kohlenstoffpartikel, Kohlenstoff-Nanoröhrchen sein. Ein solcher Gelbildner hat sich als besonders günstig für eine Verbesserung der Schlagempfindlichkeit des Treibstoffs aus Nitromethan erwiesen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Treibstoffs kann der Anteil an Zusatzstoffen zwischen 10 Gew.-% und 20 Gew.-% betragen. So können sich vorteilhaft die gewünschten Eigenschaften des Treibstoffs aus Nitromethan wie gute Entzündbarkeit, Abbrand bei niedrigen Brennkammerdrücken, und geringe Schlagempfindlichkeit herausbilden.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt beispielhaft:
Fig. 1 Ergebnisse von Messungen zur dynamischen Differenzkalorimetrie im geschlossenen Tiegel an verschiedenen Treibstoffen aus Nitromethan für Raumfahrzeuge und/oder Flugkörper nach Ausführungsbeispielen der Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur zeigt lediglich Beispiele und ist nicht beschränkend zu verstehen.
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figur und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
Der vorgeschlagene Treibstoff aus Nitromethan für Raumfahrzeuge und/oder Flugkörper kann günstigerweise wenigstens einen Zusatzstoff eines die Schlagempfindlichkeit herabsetzenden Inhibitors aufweisen, wobei der Inhibitor Dimethyl-Sulfoxid ist oder wobei der Inhibitor wenigstens eines von n-Butanol-Verbindungen oder Nitroethan oder eine ionische Flüssigkeit ist, wobei der Inhibitor ein Phlegmatisierungsmittel ist und die Schlagempfindlichkeit verbessert. Hierbei werden die Eigenschaften des Treibstoffs hinsichtlich Entzündbarkeit, Abbrand bei niedrigen Brennkammerdrücken und Schlagempfindlichkeit verbessert. Als weiterer Zusatzstoff kann ein Metallocen dem Treibstoff zugegeben werden. Günstigerweise kann der Anteil des Metallocens 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% und/oder der Anteil des Inhibitors 3 Gew-% bis 40 Gew-%, insbesondere 5 Gew.-% bis 20 Gew.-% betragen. Das Metallocen kann wenigstens eines aus der Gruppe Chromocen und verwandte Stoffe, Nickelocen und verwandte Stoffe, Ferrocen und verwandte Stoffe, insbesondere Ethylferrocen, Butylferrocen, Catocen, sein.
Der gesamte Anteil an Zusatzstoffen kann günstigerweise zwischen 10 Gew.-% und 20 Gew.-% betragen.
Vorteilhaft kann der Treibstoff wenigstens einen Inhibitor aufweisen, um die Schlagempfindlichkeit herabzusetzen. Vorteilhaft kann der Inhibitor beispielsweise Dimethyl-Sulfoxid (DMSO) sein. Der Inhibitor kann weiter wenigstens eines von n-Butanol, insbesondere mit einem Anteil von 3 Gew.- % bis 10 Gew.-%, Nitroethan, insbesondere mit einem Anteil von 10 Gew.- % bis 30 Gew.-%, sein. Weiter kann der Inhibitor eine ionische Flüssigkeit sein. Insbesondere kann dabei der Inhibitor Ethyl-Ammoniumnitrat, insbesondere mit einem Anteil von 4 Gew.-% bis 30 Gew.-%, sein.
Vorteilhaft kann der Treibstoff wenigstens einen organischen Gelbildner, insbesondere mit einem Anteil von 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, aufweisen. Der organische Gelbildner kann beispielsweise wenigstens eines von einer pyrogenen Kieselsäure, einem organischen Gelbildner mit einem niedrigen Molekulargewicht, Kohlenstoffpartikel, Kohlenstoff-Nanoröhrchen sein.
In Tabelle 1 sind gemessene Fallhammer-Schlagempfindlichkeiten Si für Treibstoffe aus Nitromethan mit verschiedenen Zusatzstoffen aufgetragen.
Tabelle 1 : Ergebnisse Fallhammer-Schlagempfindlichkeiten für
Nitromethan-Treibstoffe
In Tabelle 1 ist erkennbar, dass der Zusatz eines Inhibitors wie n-Butanol, Nitroethan oder DMSO die Schlagempfindlichkeit zu höheren Werten verschiebt, also verbessert.
Der Zusatz von Ferrocen verschlechtert die Schlagempfindlichkeit zu einem gewissen Maß.
Figur 1 zeigt Ergebnisse von Messungen zur dynamischen Differenzkalorimetrie (englisch Differential Scanning Calorimetry = DSC) im geschlossenen Tiegel an verschiedenen Treibstoffen aus Nitromethan für Raumfahrzeuge und/oder Flugkörper nach Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Signale 20 der DSC-Messung sind in Einheiten von pV/mg als Funktion der Temperatur 10 in °C aufgetragen. Die Kurve 30 stellt Messungen für reines Nitromethan dar. Die Kurve 32 stellt Messungen für einen Nitromethan-Treibstoff mit 6 Gew.-% n-Butanol, die Kurve 34 für einen Nitromethan-Treibstoff mit 13 Gew.-% DMSO, die Kurve 36 für einen Nitromethan-Treibstoff mit 13 Gew.-% DMSO und 2 Gew.-% Ferrocen dar.
Aus Figur 1 , welche die DSC-Messkurven einiger Treibstoffe auf Nitromethan-Basis darstellt, ist ersichtlich, dass der Zusatz von DMSO (hier 13 Gew.-%) an Nitromethan bei erhöhten Drücken und Temperaturen katalytisch wirkt. Im Vergleich zu einem Zusatz von n-Butanol oder zu reinem Nitromethan, findet die Zersetzung, erkennbar am Anstieg und der Spitze der exothermen Reaktion, bei niedrigeren Temperaturen statt.
Besonders ausgeprägt ist dieses Verhalten, wenn Ferrocen in eine Nitromethan-DMSO-Mischung hinzugegeben wird. Die Exothermie ist nun bei einer deutlich niedrigeren Temperatur verortet.
Der reine Nitromethan-Treibstoff (Kurve 30) zeigt die Spitze der exothermen Reaktion bei etwa 380 °C. Nitromethan-Treibstoff mit 6 Gew.-% n-Butanol (Kurve 32) weist die Spitze bei etwa 390 °C auf. Nitromethan-Treibstoff mit 13 Gew.-% DMSO (Kurve 34) weist eine breite Spitze bei etwa 360 °C auf, während Nitromethan-Treibstoff mit 13 Gew.-% DMSO und 2 Gew.-% Ferrocen (Kurve 36) die Spitze bei etwa 280 °C aufweist.
Das deckt sich mit Brennkammer-Versuchen, sowie mit sogenannten Strand-Bumer-Versuchen. In Strand-Bumer-Versuchen konnte eine Mischung aus 85 Gew.-% Nitromethan, 13 Gew.-% DMSO und 2 Gew.-% Ferrocen noch bei 12,5 bar Inertgasbedrückung zum Abbrand gebracht werden. Bei Brennkammerversuchen konnte mit dieser Mischung ein stabiler Abbrand noch bei 13 bar bis 15 bar erreicht werden. Mit einer vergleichbaren Mischung, jedoch mit 6 Gew.-% n-Butanol als Inhibitor, konnte nur ein minimaler Brennkammerdruck von 40 bar demonstriert werden.
Auf Grund der dargestellten Messergebnisse erweisen sich folgende Treibstoffe aus Nitromethan mit Zusätzen für verschiedene Anwendungen tauglich:
Treibstoffe für Raumfahrzeuge und Flugkörper:
85 Gew.-% Nitromethan, 13 Gew.-% DMSO, 2 Gew.-% Ferrocen;
92 Gew.-% Nitromethan, 6 Gew.-% n-Butanol, 2 Gew.-% Ferrocen;
92 Gew.-% Nitromethan, 6 Gew.-% n-Butanol, 2 Gew.-% Metallsalz (z.B. Chrom(lll)-Actyl-Acetonat);
94 Gew.-% Nitromethan, 6 Gew.-% Dimethyl Sufloxid;
92 Gew.-% Nitromethan, 6 Gew.-% n-Butanol, 2 Gew.-% Ferrocen;
90 Gew.-% Nitromethan, 8 Gew.-% EAN, 2 Gew.-% Ferrocen.
Gelförmige Treibstoffe für Flugkörper:
85 Gew.-% Nitromethan, 10 Gew.-% DMSO, 4 Gew.-% LMOG-Gelbildner, 1 Gew.-% Ethylferrocen;
88 Gew.-% Nitromethan, 7 Gew.-% EAN, 4 Gew.-% LMOG-Gelbildner, 1 Gew.-% Ethylferrocen.
Bezugszeichen
10 Temperatur
20 Signal
30 Nitromethan, rein
32 Nitromethan + 6 Gew.-% n-Butanol
34 Nitromethan + 13 Gew.-% DMSO
36 Nitromethan + 13 Gew.-% DMSO + 2 Gew.-% Ferrocen

Claims

Ansprüche
1. Treibstoff aus Nitromethan für Raumfahrzeuge und/oder Flugkörper, wobei der Treibstoff wenigstens einen Zusatzstoff in Form eines die Schlagempfindlichkeit herabsetzenden Inhibitors aufweist, wobei der Inhibitor Dimethyl-Sulfoxid ist oder wobei der Inhibitor wenigstens eines von n-Butanol-Verbindungen oder Nitroethan oder eine ionische Flüssigkeit ist, wobei der Inhibitor ein Phlegmatisierungsmittel ist und die Schlagempfindlichkeit verbessert.
2. Treibstoff nach Anspruch 1 , wobei der Anteil des InhibitorsS Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere 5 Gew-% bis 25 Gew-% beträgt.
3. T reibstoff nach Anspruch 1 , wobei ein Metallocens als weiterer Zusatzstoff vorgesehen ist, wobei das Metallocen die Entzündbarkeit verbessert, sowie den Abbrand bei niedrigen Drücken, insbesondere im Bereich von 10 bar bis 20 bar ermöglicht.
4. Treibstoff nach Anspruch 3, wobei der Anteil des Metallocens 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% beträgt.
5. Treibstoff nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Metallocen wenigstens eines aus der Gruppe Chromocen und verwandte Stoffe, Nickelocen und verwandte Stoffe, Ferrocen und verwandte Stoffe, insbesondere Ethylferrocen, Butylferrocen, Catocen, ist.
6. Treibstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Inhibitor n-Butanol mit einem Anteil von 3 Gew.-% bis 10 Gew.-% vorliegt.
7. Treibstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Inhibitor Nitroethan, insbesondere mit einem Anteil von 10 Gew.-% bis 30 Gew.-% vorliegt.
8. Treibstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Inhibitor das Phlegmatisierungsmittel Ethyl-Ammoniumnitrat, insbesondere mit einem Anteil von 4 Gew.-% bis 30 Gew.-%, vorliegt.
9. Treibstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Treibstoff wenigstens einen organischen Gelbildner, insbesondere mit einem Anteil von 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, aufweist.
10. Treibstoff nach Anspruch 8, wobei der organische Gelbildner wenigstens eines von einer pyrogenen Kieselsäure, einem organischen Gelbildner mit einem niedrigen Molekulargewicht, Kohlenstoffpartikel, Kohlenstoff- Nanoröhrchen ist.
11 . Treibstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil an Zusatzstoffen zwischen 10 Gew.-% und 20 Gew.-% beträgt.
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