Rakettdrivstoff

Den drivstoff for en rakett , mer presist en rakettmotor , kalles rakettdrivstoff . Det skaper skyvekraften til en rakett.

Valget av rakettdrivstoff er den avgjørende faktoren for det spesifikke momentet ( ) til en rakettmotor. Den spesifikke impulsen er et mål på effektiviteten til motorer, dvs. forbruk av drivstoff per impuls.

Selv om en høy spesifikk impuls alltid er ønskelig, brukes ofte drivstoff med lavere effektivitet. For eksempel, i den første fasen av rakettmotorer, brukes parafin ofte som raketter med drivstoff eller fast drivstoff , selv om motorer med flytende hydrogen eller elektrisk fremdrift har en mye høyere spesifikk impuls og derfor er mer effektive. Årsaken ligger i den lave prisen og enkelheten til de tidligere motorene og i den relativt lave skyvekraften som de sistnevnte motorene tillater. Når du tar av fra jordoverflaten er det nødvendig med et høyt trykk fordi raketten må overvinne tyngdekraftens akselerasjon. I et andre trinn kan andre drivstoff brukes (f.eks. Flytende hydrogen) ettersom ønsket trykk er lavere. For oppdrag utenfor jordens bane kan motorer med lavt trykk og høyt spesifikt momentum brukes.

I tillegg til prisen på rakettdrivstoff, er viktige egenskaper dens tetthet (påvirker størrelsen på tanken), holdbarhet (nedbrytning, fordampning), farlighet ( selvantennelse , tenningsadferd og miljøkompatibilitet) og aggressivitet ( korrosjon ) mot tank, rør, pumper og turbiner.

De vanligste drivstoffene som brukes i raketter er kjemiske. Produktene fra en kjemisk reaksjon kastes ut fra motordysen med høy hastighet. Både energi og støttemasse kommer fra den kjemiske reaksjonen. I motsetning til dette bruker mange elektriske og kjernefysiske stasjoner en dedikert støttemasse (f.eks. Hydrogen) som ikke blir brent, men oppvarmet elektrisk eller kjernefysisk og dermed slipper ut i høy hastighet.

Holdbarhet og lagring

De forskjellige drivstoffklassifiseringene har også spesielle egenskaper med hensyn til holdbarhet og lagring. Faste drivstoffer er lettest å lagre, men visse forhold begrenser også lagring. Verken sprekker eller krymping skal forekomme. Flytende drivstoff skal derimot verken fryse eller fordampe i det normale omgivelsestemperaturområdet (f.eks. Under oppstart og lagring), noe som betyr et temperaturområde på -20 ° C til +80 ° C.

Drivstoff flytende ved dypfrysning og referert til som kryogen i romfart er vanskelig å lagre på grunn av deres fysiske tilstand, siden fordampning ikke kan unngås selv med kompleks tankisolasjon. Bruk i raketter reduserer dermed den mulige nedetiden mellom drivstoff og sjøsetting av raketten og krever ytterligere teknologiske tiltak (f.eks. Isolering av tankene, forhindring av isdannelse, kontinuerlig tanking før start, fordampningsanordninger) i utformingen av raketten.

Kjemisk drivstoff

I kjemiske drivstoffsystemer skaper en kjemisk reaksjon rakettens skyvekraft. Et generelt skille gjøres enten i henhold til typen drivstoff i faste, flytende eller hybridbrensler eller i henhold til antall reaktanter som er involvert i forbrenningsprosessen i Monergol, Diergol eller Triergol. Den kjemiske reaksjonen frigjør termisk energi og reaksjonsprodukter , som skaper høyt trykk og temperaturer i forbrenningskammeret , noe som fører til at reaksjonsproduktene blir utvist fra motordysen med høy hastighet.

De fleste kjemiske rakettdrivstoffer krever drivstoff (også kalt drivstoff ) og oksidasjonsmiddel . Disse kan være i blandet (solid rakett) eller ublandet form før start. Avhengig av typen og anvendelsesområdet til missilet, brukes følgende drivstoff:

Fast drivmiddel

Faste drivstoffer kan være homogene eller heterogene faste stoffer (kompositter) som inneholder andre tilsetningsstoffer (stabilisatorer) i tillegg til drivstoff og oksidasjonsmiddel.

Homogene faste drivstoff

De homogene drivstoffene er homogene blandinger på kolloid basis av cellulosenitrat eller glyserintrinitrat , som også kan inneholde tilsetningsstoffer til oksidasjonsmidler, drivstoff og stabilisatorer (reduser det spontane forfallet av nitratene, f.eks. Dietylfenyluretan , difenylamin ). Hvis det bare brukes cellulosenitrat, snakker man om enbasert drivstoff, ellers dobbeltbaserte drivstoff, som er mer energiske, men derfor også krever stabilisatorer.

Svart pulver brukes mest som fast drivstoff for fyrverkeri og modellraketter . For militære anvendelser ble svart pulver i stor grad erstattet av lavrøyk cellulosensitratpulver allerede i andre verdenskrig. De homogene faste drivstoffene tilhører for det meste kategorien lavenergidrivstoffer, ettersom de har en utgangshastighet på mindre enn 2200 m / s.

Heterogene faste drivstoff (kompositter)

Heterogene faste drivmidler (kompositter) produseres ved mekanisk blanding av drivstoff (er) og oksidasjonsmiddel (er).

For faste raketter , som er vanlig i romfart eller for noen militære raketter, brukes hellbare blandinger av et oksidasjonsmiddel som ammoniumperklorat eller natrium / ammoniumnitrat og et reduksjonsmiddel som aluminiumpulver ( ammoniumperkloratkompositt drivmiddel ). Bærestoffet, også et reduksjonsmiddel, består av syntetiske harpikser som polyuretaner eller polysulfider , men hovedsakelig HTPB . Små mengder jernoksid som katalysator og andre tilsetningsstoffer forbedrer egenskapene.

Blandingen helles i former. Den drivmiddel blir deretter herdet, noe som sterkt reduserer dannelsen av sprekker og hulrom og dermed gjør transport og håndtering av meget sikker. Det ble også undersøkt om litium , beryllium , bor eller magnesium kunne brukes i stedet for eller i tillegg til aluminium . Med høyt utviklede kompositter kan utgangshastigheter på opptil 3300 m / s oppnås. Bortsett fra aluminium, har disse (beryllium på grunn av dets toksisitet, litium på grunn av den vanskelige håndteringen, bor på grunn av dannelsen av ugjennomtrengelige oksidlag) hittil ikke blitt brukt.

Space Shuttle boostere kan tjene som et eksempel på komposisjonen . I disse består drivstoffet av 69,93% ammoniumperklorat som oksidasjonsmiddel, 16% aluminiumspulver som drivstoff og 0,07% jernoksidpulver som katalysator. Det bindende stoffet som brukes er 12,04% polybutadien akrylsyre akrylnitril og 1,96% av en epoksyherder, som også brenner og dermed gir ytterligere trykk.

I 2009 var det mulig å bruke den eksplosive av aluminium og vann i det nye rakettdrivstoff Alice .

Hybrid drivstoff

Hybrid drivstoff (Litergol) er en blandet stasjon som består av en fast og en flytende drivstoffkomponent. Det meste av tiden er det reduserende drivstoffet fast, ofte en plast , for eksempel HTPB, eller er innlemmet i det, f.eks. B. litiumhydrid etc. Oksidasjonsmidlet er da flytende, for det meste salpetersyre , lystgass , flytende oksygen , fluor , oksygendifluorid eller FLOX (blanding av flytende oksygen og flytende fluor). For eksempel fløy SpaceShipOne på HTPB og lystgass. Imidlertid er det også utført eksperimenter med inverse hybrider, der et flytende drivstoff blir brent av en fast oksidasjonsmiddel. Missiler med et tilsvarende fremdriftssystem kalles hybridmissiler .

Flytende drivstoff

Som flytende drivstoff i driftstilstand for flytende drivstoff eller oksidasjonsmidler er det referert til, som brukes i rakettmotorer. Det skilles mellom Monergole (drivstoff med ett drivstoff), Diergole (drivstoff med to drivstoff) og Triergole (tre drivstoffsystemer), noe som fører direkte til antall nødvendige tanker.

Monergole

Flytende drivstoff i denne kategorien er drivstoff med lav energi. Når det gjelder den såkalte Katergole, får monergoler til å gå i oppløsning ved å tilsette en katalysator , andre former som torpedobensinet Otto 2 omdannes ved oksidasjon . Et eksempel på en katergol er hydrazin , som for eksempel brukes til holdningskontrollsystemer for romfartøy. I dette tilfellet er hydrazin ved hjelp av en katalysator ( iridium eller molybden - nitrid på aluminiumoksyd spaltet med stort overflateareal) til nitrogen og hydrogen. Et annet eksempel er en 70-80% løsning av hydrogenperoksid . Kalsiumpermanganat eller forsølvet gasbind brukes som katalysator . Imidlertid er hydrogenperoksid veldig farlig på grunn av dets tendens til å spaltes spontant (selv om det er lett forurenset av metalliske eller organiske stoffer). Også etylenoksyd kan brukes som Monergol. Det brytes ned til metan og karbonmonoksid , avhengig av reaksjonsforholdene . Den resulterende gassblandingen kan oksideres fullstendig til karbondioksid og vann i en etterbrenner.

Ytelsesdata for noen monergoler
brennbart
materiale		 katalysator Utgangshastighet
(m / s)
N 2 H 4 Iridium på aluminiumoksid 2220
H 2 O 2 Kalsiumpermanganat 1860

Diergole

I diergol-systemer (to-drivstoff-systemer), med unntak av hybriddrivere i flytende motorer, er begge komponentene flytende (f.eks. Hydrogen / oksygen). I tilfelle av hybriddrevet er drivstoffet vanligvis til stede i fast form og oksidasjonsmiddel som en gass eller væske. De sterkeste representantene for Diergol-systemene inkluderer hydrogen-oksygenblandinger, som kan nå utgangshastigheter på opptil 4500 m / s (13.680 km / t) i vakuum.

Følgende brukes ofte som drivstoff: alkohol , bensin , parafin , hydrazin , UDMH (asymmetrisk dimetylhydrazin), MMH (monometylhydrazin), aerozin 50 (50% UDMH og 50% hydrazin), UH 25 (75% UDMH og 25% hydrazin) og flytende hydrogen . Tidligere ble ammoniakk også brukt før byttet til hydrazin og dets derivater eller blandinger av begge. Metan og hydrogen gir den største spesifikke impulsen, men er vanskelig å håndtere på grunn av lave lagringstemperaturer. Syntin er et annet hydrokarbon som ble brukt i Sovjetunionen på 1980- og 1990-tallet som drivstoff for Soyuz-raketten og Buran. Praktisk talt brukes bare oksygen og fluor eller forbindelser som inneholder høye konsentrasjoner av ett av de to stoffene som oksidasjonsmidler. Nesten alle oksidasjonsmidler, med unntak av lystgass, er enten kjemisk aggressive eller må kjøles ned. Fremfor alt brukes flytende oksygen (LOX: flytende oksygen ), hydrogenperoksid , gassende salpetersyre (RFNA: red fuming salpetersyre ), lystgass eller lystgass . I prinsippet er flytende fluor også tenkelig, men praktisk talt umulig av miljømessige årsaker .

Tenningen skjer enten elektrisk, med en solid patron eller med noen drivstoffkombinasjoner i seg selv ( hypergol ), noe som er en fordel for denne drivstoffkombinasjonen, siden mer eller mindre komplekse tenningssystemer kan dispenseres.

Teoretiske ytelsesdata for noen drivstoffkombinasjoner
Oxi
dator		 brennbart
materiale
Blandingsforholdet		 middels
tetthet
(g / cm 3 )		 Forbrenningen
temperatur
(° C)		 Utgang
Hastighet
(m / s)
O 2 C 2 H 5 OH 1,43 1.01 2960 2740
O 2 RP-1 2,58 1.03 3403 2941
O 2 C 3 H 4 2,05 1.08 Ikke relevant 3093
O 2 C 2 H 4 2.38 0,88 3486 3053
O 2 CH 4 3.21 0,82 3260 3034
O 2 N 2 H 4 0,90 1.07 3130 3070
O 2 H 2 4.02 0,28 2700 3830
O 2 B 2 H 6 1,96 0,74 3489 3351
O 2 B 5 H 9 2.12 0,92 3834 3124
ClF 3 C 10 H 20 3.20 1.41 3250 2530
ClF 3 N 2 H 4 2.81 1.49 3650 2885
H 2 O 2 (95%) UDMH 4.54 1.24 2650 2720
H 2 O 2 (95%) RP-1 7.35 1.30 2915 2730
H 2 O 2 (95%) N 2 H 4 2.17 1.26 2580 2760
N 2 O 4 Aerosin 2.00 2.00 3100 2820
N 2 O 4 MMH 2.17 1.19 3122 2827
N 2 O 4 N 2 H 4 1.36 1.21 2992 2862
ØNH 3 C 10 H 20 4,80 1.35 2960 2630
ØNH 3 N 2 H 4 1.45 1.28 2800 2830
F 2 N 2 H 4 2.30 1.31 4440 3560
F 2 H 2 7.60 0,45 3600 4020
F 2 B 5 H 9 5.14 1.23 5050 3502
F 2 CH 4 4.53 1.03 3918 3414
AV 2 H 2 5,92 0,39 3311 4014
AV 2 CH 4 4,94 1.06 4157 3485
AV 2 B 2 H 6 3,95 1.01 4479 3653
AV 2 RP-1 3,87 1.28 4436 3424
AV 2 MMH 2.28 1.24 4075 3427
AV 2 N 2 H 4 1.51 1.26 3769 3381
AV 2 B 5 H 9 4.16 1.20 4825 3539
N 2 F 4 CH 4 6.44 1.15 3705 3127
N 2 F 4 MMH 3.35 1.32 3819 3163
N 2 F 4 N 2 H 4 3.22 1,83 4214 3283
N 2 F 4 B 5 H 9 7,76 1.34 4791 3259

(Forbrenningskammertrykk på 7 MPa, ekspansjonsforhold 1:70, adiabatisk forbrenning, isentropisk ekspansjon, kjemisk likevekt).

Triergole

Triergolsystemer (tre-substans-systemer) inneholder diergol-systemer (to komponenter), som i tillegg leveres med hydrogen eller metallpulver ( litium , aluminium , beryllium ) for å øke den spesifikke impulsen . Disse drivstoffsystemene er godt studert, men har aldri blitt brukt i praksis på grunn av den komplekse strukturen til motoren og raketten (tre tanker!).

Teoretiske ytelsesdata for noen Triergole
Oxi
dator		 brennbart
materiale		 Ekstra
drivstoff		 Utgang
Hastighet
(m / s) 		Stei-
forsinkelse
O 2 H 2 26% Vær 4500 17%
O 2 H 2 29% Li 4000 04%
O 2 N 2 H 4 15% Vær 3350 09%
F 2 N 2 H 4 25% Li 3700 03%
F 2 H 2 15% Vær 4100 02%
F 2 H 2 20% Li 4400 09%
N 2 O 4 MMH 15% Vær 3100 10%
N 2 O 4 MMH 15% Al 2900 03%
N 2 O 4 N 2 H 4 10% Vær 3200 12%
H 2 O 2 N 2 H 4 13% Vær 3300 17%

(Forbrenningskammertrykk på 7 MPa, ekspansjonsforhold 1:70, adiabatisk forbrenning, isentrop ekspansjon, kjemisk likevekt)

Oberth-effekt

Space pioneer Hermann Oberth , etter hvem den franske raketten pioner Robert Esnault-Pelterie senere kalt effekt, fant ut gjennom empirisk eksperimentering at når raketten drivstoff hydrogen og oksygen reagerer , exit hastigheten kan økes ved å øke hydrogeninnholdet. Dette er fordi, som et resultat av overflødig hydrogen, dissosiasjonen praktisk talt er slått av og rent hydrogen er lettere og kan derfor strømme ut raskere enn dissosiert eller til og med ikke-dissosiert vanndamp . En annen bivirkning er en litt lavere temperatur med tilsvarende lavere krav til stasjonens kjølesystem, slik at når oksygenvekten reduseres, er det en økning i nyttelasten .

I dag brukes hydrogen og oksygen i hydrogen-oksygenmotorer i et masseforhold på 1: 4 til 1: 6 (i stedet for det støkiometrisk korrekte masseforholdet på 1: 8).

Denne effekten må ikke forveksles med den engelske bruken av " Oberth Effect ", som beskriver konteksten at et gunstigere forhold mellom kinetisk og potensiell energi til det utkastede drivstoffet oppnås ved høyere lufthastighet til romskipet.

Kjemisk drivstoff som for tiden er i bruk

Følgende kombinasjoner er spesielt vanlige for store raketter:
For fremdrift:

Bare ikke-kryogene stoffer brukes til holdningskontrollsystemet:

  • MMH med dinitrogen tetroxide eller MON som hypergol
  • Hydrazin som monergol

undersøkelser

Det undersøkes for tiden to muligheter for å øke den spesifikke fremdriften til kjemiske motorer: frie radikaler og metastabile elementer. Alle metodene er fremdeles i eksperimentfasen:

  • Ozon er ustabil, men allotrope tetra oksygen bør være mer stabil. Dette vil tillate spesifikke impulser på opptil 564 s (5538 Ns / kg) i vakuum.
  • Det blir også forsøkt å bruke hydrogenradikaler som drivstoff. For å øke stabiliteten til elementet blandes de med flytende hydrogen. Hvis denne kombinasjonen (med teoretiske 15,4% radikaler) blir brent med flytende oksygen, kan spesifikke impulser på opptil 750 s (7358 Ns / kg) oppnås i vakuum.
  • Ved Université d'Orsay i Paris ble metastabilt helium produsert på testbasis og lagret som Bose-Einstein-kondensat . Reaksjonen fra metastabilt helium til helium ville muliggjøre spesifikke pulser på 2825 s (27 713 Ns / kg), mer enn med kjernedrev.

Drivstoff i elektriske stasjoner

Begrepet drivstoff (men spesielt begrepet drivstoff) er misvisende når det gjelder elektriske drivenheter, da det bare fungerer som et medium for overføring av impulser, men ikke som en faktisk energikilde. I stedet blir det generelt referert til som støttemasse.

I tilfelle av en ione-stasjon , cesium, xenon eller kvikksølv virker som understøttelses masse. Drivstoffet ioniseres og akselereres ved hjelp av et elektrisk og et magnetfelt. Fordelen med denne utformingen er at den nødvendige elektriske energien kan oppnås i rommet ved hjelp av for eksempel solceller, og det brukes svært lite drivstoff, fordi det sendes ut veldig lite masse, men med veldig høy hastighet. Drivkreftene som oppnås er ekstremt små. I tillegg fungerer motoren bare i høyt vakuum, slik det er for eksempel i rommet.

I termiske buemotorer som arbeider med hydrazin, ammoniakk eller hydrogen. Buen varmer opp støttemassen, som utvides og akselereres bakover gjennom en dyse.

Drivstoff i kjernefysiske motorer

Flytende hydrogen eller ammoniakk, som varmes opp til ca. 3000 ° C ved hjelp av en reaktor (prosjekt NERVA ), brukes som støttemasse i en kjernefysisk stasjon .

Den Orion prosjekt planlagte anvendelsen av små atombomber for fremdrift.

Fusjonsstasjon

Det er flere tilnærminger for å realisere en fusjonsstasjon . En av dem bruker laserpulser for å bringe en liten mengde på 3 He til temperaturen som kreves for fusjon. Reaksjonsproduktene med høy energi forlater stasjonen gjennom en magnetisk dyse . Hvis du antenner mange slike reaksjoner på rad, vil det resultere i en kontinuerlig rekyl.

Antimateria fremdrift

Energien for en for tiden hypotetisk antimateria fremdrift vil bli gitt ved parutslettelse av materie og antimateriale. I denne prosessen blir hele restenergien til partiklene fullstendig omdannet til høyenergigamma-kvanta, som først må omdannes til kinetisk energi gjennom absorpsjon for å akselerere annen materie og utvise den på en rettet måte.

Fra dagens synspunkt er det største problemet generering og lagring av antimateriale, siden produksjonen bruker like mye energi som reaksjonen senere leverer, er produksjon om bord i romskipet utelukket. Antimateriale må bæres. Lagringen av disse må være 100 prosent pålitelig, ellers vil romskipet bli ødelagt.

Med dagens teknikk er en antimatter-stasjon ikke mulig, siden det ikke er noen måte å generere store mengder antimateriale. Med materien-antimatter-motoren kunne du nesten nå lysets hastighet. Bare omlag 0,1 gram antiprotons ville være nødvendig for en flytur til Mars og tilbake, men til og med produksjonen av denne lille mengden antiprotons er for tiden utopisk.

Se også

litteratur

hovne opp

  1. ↑ Jared Ledgard: The Preparatory Manual of Black Powder and Pyrotechnics. V1.4, Jared Ledgard 2007, ISBN 978-0-615-17427-3 , s. 39, 51-52, 73, 77, 540, 549.
  2. ↑ Innføring av rakettdrivstoff. I: Römpp Online . Georg Thieme Verlag, åpnet 6. februar 2012.
  3. ↑ Armin Dadieu, Ralf Damm, Eckart W. Schmidt: Raketentreibstoffe . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-7091-7132-5 , s. 496 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk).
  4. ↑ NASA: PROPELLANTS ( Memento fra 27. april 2011 i Internet Archive )
  5. ↑ Horst W. Köhler: Klipp und Klar: 100 ganger romfart. Bibliographisches Institut, Mannheim, Wien, Zürich 1977, ISBN 3-411-01707-4 , s. 30.
  6. ↑ Clay Robison, William. (1953). Egenskaper av etylenoksyd og hydrazin knyttet til deres bruk som drivmidler .
  7. ↑ Frederick C. Durant, American Astronautical Society, International Academy of Astronautics: First steps towards space: procedures of the first and second History ... AAS Publications, 1974, ISBN 978-0-87703-243-4 , pp. 134 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk).
  8. ↑ http://isdc2.xisp.net/~kmiller/isdc_archive/fileDownload.php/?link=fileSelect&file_id=360 (lenke ikke tilgjengelig)

weblenker