Ammoniumperchlorat-Komposittreibmittel - Ammonium perchlorate composite propellant

Ammoniumperchlorat Composite Propellant ( APCP ) ist ein moderner Treibstoff, der in Feststoffraketen verwendet wird. Es unterscheidet sich von vielen traditionellen festen Raketentreibstoffen wie Schwarzpulver oder Zink-Schwefel , nicht nur in der chemischen Zusammensetzung und die Gesamtleistung , sondern auch durch die Art , wie es verarbeitet wird. APCP wird in Form gegossen , im Gegensatz zum Pulverpressen wie bei Schwarzpulver. Dies sorgt für Regelmäßigkeit und Wiederholbarkeit der Fertigung, die für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie notwendige Voraussetzungen sind.

Verwendet

Ammoniumperchlorat Verbundtreibmittel werden üblicherweise in der Luft- und Raumfahrt - Antriebsanwendungen verwendet werden, wo Einfachheit und Zuverlässigkeit erwünscht sind und spezifische Impulse ( in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und dem Betriebsdruck ) von 180-260 Sekunden ausreichend sind. Aufgrund dieser Leistungsmerkmale ist APCP regelmäßig in Booster - Anwendung implementiert, wie in den Space-Shuttle-Feststoffraketen , Flugzeugschleudersitzen und spezielle Raumforschung Anwendungen wie die NASA Mars Exploration Rover Abstiegsstufe Bremsraketen . Darüber hinaus verwendet die High-Power-Raketen- Community regelmäßig APCP in Form von kommerziell erhältlichen Treibstoff-"Reloads" sowie Einwegmotoren. Auch erfahrene Experimental- und Amateurraketenfahrer arbeiten oft mit APCP und verarbeiten die APCP selbst.

Komposition

Überblick

Ammoniumperchlorat-Verbundtreibstoff ist ein Verbundtreibstoff, was bedeutet, dass sowohl Kraftstoff als auch Oxidationsmittel mit einem gummiartigen Bindemittel vermischt sind , die alle zu einer homogenen Mischung kombiniert sind. Das Treibmittel wird meist zusammengesetzt Ammoniumperchlorat (AP), ein Elastomer - Bindemittel, wie hydroxyl-terminiertes Polybutadien (HTPB) oder Polybutadien - Acrylnitril - Acrylsäure - Vorpolymer (PBAN), pulverisiertes Metall (typischerweise Aluminium ) und verschiedene Verbrennungsraten Katalysatoren . Zusätzlich Härtung induzieren Additive Elastomerbindemittel vernetzende das Treibmittel vor der Verwendung zu verfestigen. Das Perchlorat dient als Oxidationsmittel , während das Bindemittel und Aluminium als Brennstoff dienen . Brenngeschwindigkeitskatalysatoren bestimmen, wie schnell das Gemisch verbrennt. Das resultierende gehärtete Treibmittel ist ziemlich elastisch (gummiartig), was auch dazu beiträgt, das Brechen bei angehäuften Schäden (wie Transport, Installation, Schneiden) und Anwendungen mit hoher Beschleunigung wie Hobby- oder Militärraketen zu begrenzen. Dazu gehören die Space-Shuttle- Missionen, bei denen APCP für die beiden SRBs verwendet wurde.

Die Zusammensetzung von APCP kann in Abhängigkeit von der Anwendung, den beabsichtigten Brenneigenschaften und Beschränkungen wie den thermischen Beschränkungen der Düse oder dem spezifischen Impuls (Isp) erheblich variieren . Grobe Massenanteile (in Hochleistungskonfigurationen) neigen dazu, ungefähr 70/15/15 AP/HTPB/Al zu sein, obwohl ziemlich leistungsstarke "raucharme" Zusammensetzungen von ungefähr 80/18/2 AP/HTPB/Al aufweisen können. Während Metallbrennstoff nicht in APCP erforderlich ist, schließen die meisten Formulierungen zumindest ein paar Prozent als Verbrennungs Stabilisator, Treibmittel Trübungsmittel (zur Begrenzung übermäßige Infrarot Treib Vorwärmung) und erhöhen die Temperatur der Verbrennungsgase (zunehmenden Isp).

Häufige Arten

Oxidationsmittel:

Hochenergetische Brennstoffe:

Als Bindemittel wirkende niederenergetische Brennstoffe:

Besondere Überlegungen

Obwohl eine Erhöhung des Verhältnisses von Metallbrennstoff zu Oxidationsmittel bis zum stöchiometrischen Punkt die Verbrennungstemperatur erhöht, erzeugt die Anwesenheit eines zunehmenden molaren Anteils von Metalloxiden, insbesondere Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ), die aus der gasförmigen Lösung ausfallen, Feststoffkügelchen oder Flüssigkeiten, die die Strömungsgeschwindigkeit verlangsamen, wenn die mittlere Molekülmasse der Strömung zunimmt. Außerdem ändert sich die chemische Zusammensetzung der Gase, wodurch sich die effektive Wärmekapazität des Gases ändert . Aufgrund dieser Phänomene existiert eine optimale nichtstöchiometrische Zusammensetzung zur Maximierung von Isp von ungefähr 16 Masse-%, vorausgesetzt, die Verbrennungsreaktion läuft innerhalb der Brennkammer zu Ende .

Die Brenndauer der Aluminiumpartikel im heißen Verbrennungsgas variiert je nach Größe und Form der Aluminiumpartikel. Bei kleinen APCP-Motoren mit hohem Aluminiumgehalt lässt die Verweilzeit der Verbrennungsgase keine vollständige Verbrennung des Aluminiums zu und somit wird ein erheblicher Teil des Aluminiums außerhalb der Brennkammer verbrannt, was zu einer verringerten Leistung führt. Dieser Effekt wird oft durch Verringerung der Aluminiumpartikelgröße, Induzierung von Turbulenzen (und daher eine lange charakteristische Weglänge und Verweilzeit) und/oder durch Verringerung des Aluminiumgehalts abgeschwächt, um eine Verbrennungsumgebung mit einem höheren Nettooxidationspotential zu gewährleisten, wodurch ein vollständigeres Aluminium gewährleistet wird Verbrennung. Die Aluminiumverbrennung innerhalb des Motors ist der geschwindigkeitsbestimmende Weg, da die Flüssig-Aluminium-Tröpfchen (sogar noch flüssig bei Temperaturen von 3000 K) die Reaktion auf eine heterogene Kügelchen-Grenzfläche begrenzen, was das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu einem wichtigen Faktor bei der Bestimmung des Verbrennungsaufenthalts macht Zeit und benötigte Brennkammergröße/-länge.

Partikelgröße

Die Partikelgrößenverteilung des Treibmittels hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Leistung des APCP-Raketenmotors. Kleinere AP- und Al-Partikel führen zu einer höheren Verbrennungseffizienz, führen aber auch zu einer erhöhten linearen Verbrennungsrate. Die Verbrennungsgeschwindigkeit hängt stark von der mittleren AP-Partikelgröße ab, da AP Wärme absorbiert, um sich in ein Gas zu zersetzen, bevor es die Brennstoffkomponenten oxidieren kann. Dieser Prozess kann ein geschwindigkeitsbegrenzender Schritt in der Gesamtverbrennungsgeschwindigkeit von APCP sein. Das Phänomen lässt sich durch Betrachtung des Wärmefluss-zu-Masse-Verhältnisses erklären: Mit zunehmendem Partikelradius nimmt das Volumen (und damit Masse und Wärmekapazität) mit der Kubik des Radius zu. Die Oberfläche nimmt jedoch mit dem Quadrat des Radius zu, der ungefähr proportional zum Wärmefluss in das Partikel ist. Daher wird die Temperaturanstiegsrate eines Partikels maximiert, wenn die Partikelgröße minimiert wird.

Gängige APCP-Formulierungen erfordern 30–400 µm AP-Partikel (oft kugelförmig) sowie 2–50 µm Al-Partikel (oft kugelförmig). Aufgrund der Größendiskrepanz zwischen AP und Al nimmt Al oft eine Zwischengitterposition in einem Pseudogitter von AP-Partikeln ein.

Eigenschaften

Geometrisch

APCP verpufft von der Oberfläche des exponierten Treibmittels in der Brennkammer. Auf diese Weise spielt die Geometrie des Treibstoffs im Raketenmotor eine wichtige Rolle für die Gesamtmotorleistung. Wenn die Oberfläche des Treibmittels verbrennt, entwickelt sich die Form (ein Gegenstand von Untersuchungen in der Innenballistik), wobei meistens die den Verbrennungsgasen ausgesetzte Treibmitteloberfläche verändert wird. Der Massenstrom (kg / s) [und somit Druck] von Verbrennungsgasen erzeugt wird , ist eine Funktion der momentanen Fläche (m 2 ), Treibladungsdichte (kg / m 3 ), und die lineare Brenngeschwindigkeit (m / s):

Je nach Anwendung und gewünschter Schubkurve werden oft mehrere geometrische Konfigurationen verwendet :

  • Simulation einer kreisförmigen Bohrung

  • C-Nut-Simulation

  • Mondbrennersimulation

  • 5-Punkte-Finocyl-Simulation

  • Kreisförmige Bohrung: erzeugt in der BATES- Konfiguration eine progressiv-regressive Schubkurve.
  • Endbrenner: Treibmittel brennt von einem axialen Ende zum anderen und erzeugt eine stetige lange Verbrennung, hat jedoch thermische Schwierigkeiten, CG-Verschiebung.
  • C-Nut: Treibmittel mit großem seitlich ausgeschnittenen Keil (in axialer Richtung), der einen relativ langen regressiven Schub erzeugt, jedoch thermische Schwierigkeiten und asymmetrische Schwerpunkteigenschaften hat.
  • Mondbrenner: Die außermittige kreisförmige Bohrung erzeugt eine progressiv-regressive lange Verbrennung, hat jedoch leicht asymmetrische Schwerpunkteigenschaften.
  • Finocyl: normalerweise eine 5- oder 6-beinige sternförmige Form, die einen sehr gleichmäßigen Schub erzeugen kann, mit einem etwas schnelleren Brennen als eine kreisförmige Bohrung aufgrund der größeren Oberfläche.

Verbrennungsrate

Während die Oberfläche durch sorgfältiges geometrisches Design des Treibmittels leicht angepasst werden kann, hängt die Brenngeschwindigkeit von mehreren subtilen Faktoren ab:

  • Chemische Zusammensetzung des Treibmittels.
  • AP, Al, additive Partikelgrößen.
  • Verbrennungsdruck.
  • Wärmeübertragungseigenschaften .
  • Erosives Brennen (Hochgeschwindigkeitsströmung am Treibmittel vorbei).
  • Anfangstemperatur des Treibmittels.

Zusammenfassend haben die meisten Formulierungen jedoch eine Brenngeschwindigkeit zwischen 1–3 mm/s bei STP und 6–12 mm/s bei 68 atm. Die Brenneigenschaften (wie die lineare Brenngeschwindigkeit) werden oft vor dem Zünden des Raketenmotors unter Verwendung eines Strangbrennertests bestimmt . Dieser Test ermöglicht es dem APCP-Hersteller, die Brenngeschwindigkeit als Funktion des Drucks zu charakterisieren. Empirisch hält sich APCP ziemlich gut an das folgende Power-Function-Modell:

Es ist erwähnenswert, dass n typischerweise für APCP 0,3–0,5 beträgt, was darauf hindeutet, dass APCP unterkritisch druckempfindlich ist. Das heißt, wenn die Oberfläche während einer Verbrennung konstant gehalten würde, würde die Verbrennungsreaktion nicht (theoretisch) unendlich ablaufen, da der Druck ein inneres Gleichgewicht erreichen würde. Das soll nicht heißen, dass APCP keine Explosion verursachen kann , nur dass es nicht detonieren wird. Somit würde jede Explosion dadurch verursacht, dass der Druck den Berstdruck des Behälters (Raketenmotor) übersteigt.

Modell-/Hochleistungsraketenanwendungen

Ein leistungsstarker Raketenstart mit einem APCP-Motor

Kommerzielle APCP-Raketentriebwerke sind normalerweise in Form von nachladbaren Motorsystemen (RMS) und vollständig montierten Einweg-Raketenmotoren erhältlich. Bei RMS werden die APCP-" Körner " (Zylinder aus Treibmittel) zusammen mit einer Folge von Isolatorscheiben und O-Ringen und einer ( grafit- oder glasgefüllten Phenolharz )-Düse in das wiederverwendbare Motorgehäuse geladen . Das Motorgehäuse und die Verschlüsse werden normalerweise separat vom Motorhersteller gekauft und sind oft aus Aluminium präzisionsgefertigt. Das zusammengebaute RMS enthält sowohl wiederverwendbare (typischerweise Metall) als auch Einwegkomponenten.

Die wichtigsten APCP-Lieferanten für den Hobbygebrauch sind:

Um unterschiedliche optische Effekte und Flugeigenschaften zu erzielen, bieten Hobby-APCP-Lieferanten eine Vielzahl unterschiedlicher charakteristischer Treibmittelarten an. Diese können von schnell brennend mit wenig Rauch und blauer Flamme bis hin zu klassischem weißem Rauch und weißer Flamme reichen. Darüber hinaus sind farbige Formulierungen erhältlich, um Rot-, Grün-, Blau- und sogar Schwarzrauch anzuzeigen.

Bei mittleren und hohen Raketenanwendungen hat APCP Schwarzpulver als Raketentreibstoff weitgehend ersetzt . Verdichtete Schwarzpulverschnecken werden bei größeren Anwendungen bruchanfällig, was zu katastrophalen Versagen in Raketenfahrzeugen führen kann. Die elastischen Materialeigenschaften von APCP machen es weniger anfällig für Brüche durch versehentliche Stöße oder Flüge mit hoher Beschleunigung. Aufgrund dieser Eigenschaften hat die weit verbreitete Einführung von APCP und verwandten Treibmitteltypen im Hobby die Sicherheit der Raketentechnik erheblich verbessert.

Umwelt- und andere Bedenken

Die Abgase von APCP-Feststoffraketenmotoren enthalten hauptsächlich Wasser , Kohlendioxid , Chlorwasserstoff und ein Metalloxid (typischerweise Aluminiumoxid ). Der Chlorwasserstoff löst sich leicht in Wasser auf und bildet ätzende Salzsäure . Das Umweltverhalten von Chlorwasserstoff ist nicht gut dokumentiert. Die Salzsäurekomponente des APCP-Abgases führt zur Kondensation von atmosphärischer Feuchtigkeit in der Rauchfahne, was die sichtbare Signatur des Kondensstreifens verstärkt. Diese sichtbare Signatur führte unter anderem zur Erforschung sauberer brennender Treibmittel ohne sichtbare Signaturen. Treibstoffe mit minimaler Signatur enthalten hauptsächlich stickstoffreiche organische Moleküle (z. B. Ammoniumdinitramid ) und können je nach ihrer Oxidationsmittelquelle heißer brennen als APCP-Verbundtreibstoffe.

Regulierung und Legalität

In den Vereinigten Staaten wird APCP für den Hobbygebrauch indirekt von zwei Nichtregierungsbehörden reguliert: der National Association of Rocketry (NAR) und der Tripoli Rocketry Association (TRA). Beide Agenturen legen Regeln bezüglich der Impulsklassifizierung von Raketenmotoren und des Zertifizierungsniveaus fest, das von Raketenfahrern benötigt wird, um bestimmte Impulsmotoren (Größen) zu kaufen. Die NAR und TRA verlangen von Motorenherstellern, ihre Motoren für den Vertrieb an Händler und letztendlich Bastler zu zertifizieren. Der Verkäufer trägt die Verantwortung (von NAR und TRA), Bastler auf die Zertifizierung von Hochleistungsraketen zu überprüfen, bevor ein Verkauf getätigt werden kann. Die Menge an APCP, die gekauft werden kann (in Form eines Raketenmotor-Nachladens) korreliert mit der Impulsklassifizierung, und daher wird die Menge an APCP, die von einem Bastler (in einem einzelnen Nachlade-Kit) gekauft werden kann, von der NAR und TRA geregelt.

Die übergreifende Rechtmäßigkeit bezüglich der Implementierung von APCP in Raketenmotoren ist in NFPA 1125 beschrieben. Die Verwendung von APCP außerhalb des Hobbygebrauchs wird durch staatliche und kommunale Brandschutzvorschriften geregelt. Am 16. März 2009 wurde entschieden, dass APCP kein Explosivstoff ist und dass die Herstellung und Verwendung von APCP keiner Lizenz oder Genehmigung der ATF mehr bedarf .

Fußnoten

Verweise