Grundlagen der Space Flight Raketentreibstoffe

Treibmittel wird das Chemikaliengemisch verbrannt Schub in Raketen zu erzeugen, und besteht aus einem Brennstoff und ein Oxidationsmittel. Ein Brennstoff ist eine Substanz, die, wenn sie mit Sauerstoff erzeugenden Gas für den Antrieb kombiniert verbrennt. Ein Oxidationsmittel ist ein Mittel, das Sauerstoff für die Kombination mit einem Kraftstoff freigibt. Das Verhältnis von Oxidationsmittel Brennstoff wird das Mischungsverhältnis bezeichnet. Treibmittel werden nach ihrem Zustand - flüssig, fest oder hybrid.

In einem Flüssigkeitsrakete werden der Brennstoff und Oxidationsmittel in getrennten Behältern gelagert und werden durch ein System von Rohren, Ventilen und Turbopumpen zu einer Brennkammer zugeführt, wo sie kombiniert werden und verbrannt Schub zu erzeugen. Flüssigtreibstoffmotoren sind komplexer als ihre Festtreibstoff Pendants sie jedoch mehrere Vorteile bieten. Durch Steuern des Flusses von Treibmittel zu der Brennkammer, kann der Motor gedrosselt werden, gestoppt oder neu gestartet wird.

Ein gutes flüssiges Treibmittel ist eines mit einem hohen spezifischen Impulse oder, anders ausgedrückt, eines mit einer hohen Geschwindigkeit von Abgasausstoß. Dies impliziert eine hohe Verbrennungstemperatur und Abgasen mit geringen Molekulargewichten. Es gibt jedoch einen weiteren wichtigen Faktor, der berücksichtigt werden muss: die Dichte des Treibstoffs. Treibmittel mit niedriger Dichte unter Verwendung bedeutet, dass größere Lagertanks erforderlich sein werden, damit die Masse des Startfahrzeuges zu erhöhen. Lagertemperatur ist ebenfalls wichtig. Ein Treibmittel mit einer niedrigen Lagerungstemperatur, das heißt eine kryogene wird Wärmedämmung erfordern, wodurch die Masse der Trägerrakete zu erhöhen. Die Toxizität des Treibstoffs ist ebenfalls wichtig. Sicherheitsrisiken bestehen bei der Handhabung, Transport und Lagerung von hochgiftigen Verbindungen. Auch sind einige Treibmittel sehr korrosiv; jedoch Materialien, die resistent gegen bestimmte Treibmittel sind für den Einsatz in Raketenkonstruktion identifiziert.

Flüssigtreibstoffen in rocketry verwendet werden, können in drei Typen eingeteilt werden: Erdöl, Kryogene und hypergols.

Erdölbrennstoffe sind diejenigen aus Rohöl raffiniert und sind eine Mischung aus komplexen Kohlenwasserstoffen, das heißt organischen Verbindungen, die nur Kohlenstoff und Wasserstoff enthält. Das Erdöl als Raketentreibstoff verwendet wird, ist eine Art von sehr raffinierter Kerosin, RP-1 in den Vereinigten Staaten genannt. Erdölbrennstoffe sind in der Regel in Kombination mit flüssigem Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Kerosene liefert einen spezifischen Impuls deutlich weniger als kryogene Treibstoffe, aber es ist in der Regel besser als Hypergolität.

Spezifikationen für RP-1, wobei zuerst in den Vereinigten Staaten im Jahr 1957 ausgestellt, wenn die Notwendigkeit für ein sauberen Verbrennung Erdöl Raketentreibstoffe erkannt wurde. Vor Experimentieren mit Düsentreibstoffen hergestellter teerartigen Rückstandes im Motordurchgang und übermäßigen Ruß, Koks und andere Ablagerungen in dem Gasgenerator zu kühlen. Auch mit den neuen Spezifikationen, Kerosin verbrennenden Motoren produzieren immer noch genügend Reste, die ihre Betriebslebensdauer begrenzt sind.

Flüssiger Sauerstoff und RP-1 werden als Treibmittel in dem ersten Stufe Verstärker der Atlas und Delta II Trägerraketen verwendet. Es ist auch die ersten Stufen der Saturn 1B und Saturn V Raketen angetrieben.

Kryogenen Treibmittel sind Gase bei sehr niedrigen Temperaturen, meist flüssigen Wasserstoff (LH2) als Brennstoff und flüssigem Sauerstoff (LO2 oder LOX) als Oxidationsmittel gespeichert verflüssigt. Wasserstoff flüssig bleibt bei Temperaturen von -253 ° C (-423 ° F) und Sauerstoff verbleibt in einem flüssigen Zustand bei Temperaturen von -183 ° C (-297 ° F).

Wegen der niedrigen Temperaturen von kryogenen Treibmittel, sie sind schwer über längere Zeit zu speichern. Aus diesem Grunde sind sie weniger wünschenswert für den Einsatz in militärischen Raketen, die startbereit für Monate in einer Zeit gehalten werden muß. Ferner weist flüssigen Wasserstoff eine sehr niedrige Dichte (0,071 g / ml), und daher erfordert ein Speichervolumen ein Vielfaches höher als bei anderen Brennstoffen. Trotz dieser Nachteile macht die hohe Effizienz von flüssigem Sauerstoff / flüssigen Wasserstoff, diese Probleme im Wert Bewältigung wenn die Reaktionszeit und Lagerfähigkeit nicht zu kritisch. Flüssiger Wasserstoff bietet einen spezifischen Impuls etwa 30% bis 40% höher als bei den meisten anderen Raketentreibstoffen.

Flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff als Treibmittel in den hohen Effizienz Hauptmotoren des Space Shuttle verwendet. LOX / LH2 auch die oberen Stufen der Saturn V und Saturn 1B Raketen, sowie die Centaur-Oberstufe, die Vereinigten Staaten erste LOX / LH2 Rakete (1962) mit Strom versorgt.

Flüssige Fluor (-188 ° C) verbrennenden Motoren auch erfolgreich entwickelt und gebrannt werden. Fluorine ist nicht nur extrem giftig; es ist ein super-Oxidationsmittel, die in der Regel heftig, fast alles außer Stickstoff, die leichteren Edelgasen, und Stoffen, die bereits fluorierte wurden reagiert. Trotz dieser Nachteile erzeugt, Fluor sehr beeindruckende Motorleistung. Es kann auch mit flüssigem Sauerstoff zur Verbesserung der Leistung von LOX-verbrennenden Motoren gemischt werden; die resultierende Mischung wird FLOX genannt. Aufgrund der hohen Toxizität von Fluor, es wurde von den meisten Raumfahrtnationen weitgehend aufgegeben.

Einige fluorhaltige Verbindungen, wie Chlorpentafluorid, sind auch zur Verwendung als ‚Oxidationsmittel‘ in Deep-Space-Anwendungen in Betracht gezogen worden.

Hypergolische Brennstoffe umfassen üblicherweise Hydrazin, Hydrazin-monomethylether (MMH) und unsymmetrischen Dimethylhydrazin (UDMH). Hydrazine bietet die beste Leistung als Raketentreibstoff, aber es hat einen hohen Gefrierpunkt und ist zu instabil für die Verwendung als Kühlmittel. MMH ist stabiler und bietet die beste Leistung, wenn der Punkt Einfrieren ist ein Thema, wie Antrieb von Raumfahrzeugen Anwendungen. UDMH hat die niedrigste Gefrierpunkt und hat genügend thermische Stabilität verwendet werden, in großen Motoren regenerativ gekühlt. Folglich wird UDMH oft in Startfahrzeug-Anwendungen verwendet, obwohl es die am wenigsten effiziente der Hydrazinderivate ist. Auch häufig werden vermischt Brennstoffe wie Aerozine 50 (oder „50-50“) verwendet, die eine Mischung aus 50% und 50% UDMH Hydrazin. Aerozine 50 ist fast so stabil wie UDMH und bietet eine bessere Leistung.

Das Oxidationsmittel ist in der Regel Stickstofftetroxid (NTO) oder Salpetersäure. In den Vereinigten Staaten, die meisten die Salpetersäure Formulierung üblicherweise verwendet wird, ist vom Typ III-A, genannt inhibierten roter rauchenden Salpetersäure (IRFNA), die von HNO3 + 14% N 2 O 4 + 1,5-2,5% H 2 O + 0,6% HF besteht ( als Korrosionsinhibitor zugesetzt). Distickstofftetroxid ist weniger korrosiv als Salpetersäure und bietet eine bessere Leistung, aber es hat einen höheren Gefrierpunkt. Folglich ist Distickstofftetroxid in der Regel das Oxidationsmittel der Wahl, wenn Punkt Einfrieren ist kein Problem, jedoch kann der Gefrierpunkt mit der Einführung Stickstoffmonoxid verringert werden. Das sich ergebende Oxidationsmittel gemischt wird, Stickstoffoxide (MON) genannt. Die Zahl, die in der Beschreibung, z.B. MON-3 oder MON-25, gibt den Prozentsatz von Stickstoffmonoxid beträgt. Während reines Stickstofftetroxid einen Gefrierpunkt von etwa -9 ° C hat, wird der Gefrierpunkt des MON-3 -15 o C und die der MON-25 -55 o C.

USA militärische Spezifikationen für IRFNA wurden zum ersten Mal im Jahr 1954, gefolgt 1955 mit UDMH Spezifikationen veröffentlicht.

Die Titan-Familie von Trägerraketen und die zweite Stufe der Delta-II-Rakete verwenden NTO / Aerozine 50 Treibmittel. NTO / MMH ist in dem orbitalen Manöversystem (OMS), und Reaktionskontrollsystem (RCS) der Space Shuttle Orbiter verwendet. IRFNA / UDMH wird oft in taktischen Raketen wie die US-Armee Lance (1972-1991) verwendet.

Andere Treibmittel sind auch verwendet worden, von denen einige Erwähnen verdienen:

Alkohole wurden als Brennstoffe in den ersten Jahren von rocketry verwendet. Die deutsche V-2-Rakete, sowie die USA Redstone, verbrannt LOX und Ethylalkohol (Ethanol), mit Wasser verdünnt, um Verbrennungskammertemperatur zu reduzieren. Wie jedoch effizientere Brennstoffe wo entwickelt, Alkohole fiel in die allgemeine Vergessenheit.

Festtreibstoff-Motoren sind die einfachste aller Raketen-Designs. Sie bestehen aus einem Gehäuse, in der Regel Stahl, gefüllt mit einem Gemisch aus festen Verbindungen (Brennstoff und Oxidationsmittel), die mit einer schnellen Rate zu verbrennen, Ausstoß- heiße Gas aus einer Düse Schub zu erzeugen. Wenn es gezündet wird, verbrennt ein Festtreibstoff von der Mitte aus zu den Seiten des Gehäuses. Die Form des Mittelkanals bestimmt die Geschwindigkeit und das Muster der Verbrennung, wodurch ein Mittel bereitgestellt, um Schub zu steuern. Im Gegensatz zu Flüssigtreibstoff-Motoren, Festtreibstoffmotoren können nicht heruntergefahren werden. Einmal entzündet, werden sie brennen, bis das gesamte Treibmittel erschöpft ist.

Homogene Treibmittel sind entweder einfache Basis oder doppelte Boden. Ein einfaches Basistreibmittel besteht aus einer einzigen Verbindung, gewöhnlich Nitrocellulose, die sowohl eine Oxidationskapazität und eine Reduktionskapazität hat. Doppelbasis-Treibmittel bestehen üblicherweise aus Nitrocellulose und Nitroglycerin, an dem ein Weichmacher zugesetzt wird. Homogene Treibmittel der Regel nicht über spezifische Impulse von mehr als etwa 210 Sekunden unter normalen Bedingungen. Deren wichtigstes Gut ist, dass sie produzieren nicht nachvollziehbare Dämpfe und werden deshalb häufig in taktischer Waffen eingesetzt. Sie werden auch Nebenfunktionen verwendet oft durchzuführen, wie beispielsweise verbrauchte Teile Abwerfen oder eine Stufe von einem anderen zu trennen.

Festtreibstoff-Motoren haben eine Vielzahl von Anwendungen. Kleine Feststoffe treiben oft die letzte Stufe einer Trägerrakete oder zu Nutzlasten befestigen, um sie zu einem höheren Umlaufbahn zu steigern. Medium Feststoffe wie die Payload Assist Module (PAM) und die Inertial Upper Stage (IUS) liefert die zusätzliche Auftrieb Platz Satelliten in geostationären Umlaufbahn oder auf Planetenbahnen.

Die Titan, Delta, und Space Shuttle-Trägerraketen verwenden strap-on Festtreibstoffraketen zusätzlichen Schub beim Abheben zu liefern. Der Space Shuttle verwendet die größten Feststoffraketenmotoren je gebaut und geflogen. Jeder Booster enthält 500.000 kg (1.100.000 Pfund) Treibmittel und bis zu 14.680.000 Newtons (3.300.000 lbs) Schub erzeugen.

Hybrid-Treibmotoren stellen eine Zwischengruppe zwischen festen und flüssigen Treibmotoren. Eine der Substanzen ist solide, in der Regel der Kraftstoff, während die andere, in der Regel das Oxidationsmittel, flüssig ist. Die Flüssigkeit wird in den Feststoff eingespritzt wird, dessen Kraftstoffreservoir dient auch als die Verbrennungskammer. Der Hauptvorteil solcher Motoren ist, dass sie hohe Leistung, ähnlich der Festtreibstoffe, aber die Verbrennung kann gemildert werden, gestoppt oder sogar neu gestartet. Es ist schwierig, den Einsatz dieses Konzepts zu machen für große Schübe variieren, und somit sind Hybrid-Treibstoff-Motoren selten gebaut.

Ein Hybridmotor Distickstoffoxid als Oxidationsmittel und Flüssigkeit HTPB Kautschuk als fester Brennstoff Verbrennen des Fahrzeugs SpaceShipOne angetrieben. die den Ansari X-Prize gewonnen.

Eigenschaften von Raketentreibstoffen

ROCKET PROPELLANT PERFORMANCE

Verbrennungskammerdruck Pc = 68 atm (1000 psi). Düsenausgangsdruck, Pe = 1 atm

spezifische Impulse
(S, NN)

Dichte Impulse
(Kg-s / l, S.L.)

Ethanol + 25% Wasser

Wasserstoffperoxid
(85% Konzentration)

Aluminum + HTPB (a)

Aluminum + PBAN (b)

AUSGEWÄHLTE RAKETEN UND IHRE TREIB

Rocketdyne YLR89-NA7 (x2)
Rocketdyne YLR105-NA7
PW RL-10A-3-3 (x2)

259S sl / 292s vac
220s sl / 309S vac
444s Vakuum

Aerojet LR-87-AJ-5 (x2)
Aerojet LR-91-AJ-5

NTO / Aerozine 50
NTO / Aerozine 50

259S sl / 285S vac
312S Vakuum

Rocketdyne F-1 (x5)
Rocketdyne J-2 (x5)
Rocketdyne J-2

LOX / RP-1
LOX / LH2
LOX / LH2

265S sl / 304s vac
424s Vakuum
424s Vakuum

Space Shuttle (1981)

PBAN Fest
LOX / LH2
NTO / MMH
NTO / MMH

242s sl / 268s vac
363s sl / 453S vac
313S Vakuum
280er Vakuum