Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Einzeltreibmittelzusammensetzungssysteme, beispielsweise zum Vortrieb eines Raumfahrzeugs, als Nottreibmittel in Düsenjägern oder als Notgaserzeugungssystem für Unterseeboote.

Vortrieb von Raumfahrzeugen ist definiert als derjenige, der zur Orientierung (Lageregelung) und zur Positionierung (Bahnregelung einschließlich Verlassen der Umlaufbahn) des Raumfahrzeugs nach der Einbringung in die erforderliche Umlaufbahn durch das Startfahrzeug benötigt wird. Dies ist völlig getrennt und unabhängig von dem Vortrieb der Startvorrichtung. Der Bedarf nach Vortrieb des Raumfahrzeugs beginnt mit dessen Loslösung von dem Startfahrzeug und endet am Ende seiner Nutzungsdauer. Üblicherweise wird der Auftrag des Raumfahrzeugs dadurch beendet, dass sein Treibmittel zur Neige geht.

Typische Anforderungen an die Lage- und Bahnregelung sind sehr niedriger Schub (typischerweise 0,1 N), ein gepulster Betriebsmodus zur Lageregelung, ein kontinuierlicher Betriebsmodus zur Bahnregelung, und genaue und wiederholbare Leistung und zuverlässiger leckfreier Betrieb. Zum Verlassen der Umlaufbahn kann der Schub höher sein.

Der Vortrieb in diesem Bereich wird unter anderem durch sogenannte Einzeltreibmitteltriebwerke erreicht, wobei ein Treibmittel katalytisch oder thermisch in heiße Gase zersetzt wird, die dann durch eine Düse expandiert werden. Im Bereich der Einzeltreibmittele sind momentan traditionell Wasserstoffperoxid und Hydrazin verwendet worden. Sie liefern einen spezifischen Impuls von jeweils 1872 beziehungsweise 2266 m/s bei einem Expansionsverhältnis von 50, einem Umgebungsdruck von Null, einem Kammerdruck von 1 MPa und bei Ausströmungsbedingungen im chemischen Gleichgewicht.

Beide Systeme haben jedoch einige Nachteile. Wasserstoffperoxid ist für seine Instabilität und sein Selbstzersetzungsverhalten bekannt. Die Nachteile von Hydrazin sind seine Toxizität und Entzündlichkeit.

Diese Aspekte von momentan verwendeten Einzeltreibmittelen stellen somit Anforderungen an Produktion, Transport, Lagerung, Handhabung und Entsorgung auf hohem Niveau, die daher teuer sind.

Die gleichen Probleme treten bei Nottreibmitteln für Düsenjäger (Notfallstart des Motors nach Brennschluss) und Unterseebooten (Leeren von Ballasttanks in Notsituationen durch Gaserzeugung) auf.

Es ist eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, eine Einzeltreibmittelzusammensetzung zum Vortrieb in der Raumfahrt und für die anderen oben beschriebenen Anwendungen zu liefern, die die Nachteile des Systems des Standes der Technik nicht haben. Eine weitere Aufgabe liegt in der Schaffung einer stabilen, sauberen, weniger toxischen und/oder weniger entzündlichen Einzeltreibmittelzusammensetzung. Es ist auch eine Aufgabe, eine Einzeltreibmittelzusammensetzung zum Vortrieb von Raumfahrzeugen zu liefern, die zu einer Erleichterung der Anforderungen und daher einer Reduktion der Kosten und der Startvorbereitungszeit führen kann.

Die vorliegende Erfindung basiert auf dem überraschenden Fund, dass bekannte feste energiereiche Oxidatoren, wie Hydraziniumnitroformiat und Ammoniumdinitramid, bei Auflösung in Wasser ein flüssiges Einzeltreibmittelsystem mit einem spezifischen Impuls liefern, der gleich dem spezifischen Impuls der konventionellen Einzeltreibmittel sein kann, ohne deren Nachteile aufzuweisen.

Die Erfindung betrifft demzufolge eine Lösung von Hydraziniumnitroformiat und/oder Ammoniumdinitramid in Wasser und/oder niederem Alkanol als Einzeltreibmittelzusammensetzung, insbesondere zum Vortrieb in Raumfahrzeugen. Die Menge an Wasser und/ oder (niederem) Alkohol in dem System sollte so sein, dass das System flüssig ist, wodurch der untere Wert der Wassermenge bestimmt wird. Andererseits sollte ausreichend Hydraziniumnitroformiat und/oder Ammoniumdinitramid in dem System vorhanden sein, um den erforderlichen Impuls zu liefern. Aufgrund der Art des Vortriebs des Raumfahrzeugs sollte dieser spezifische Impuls im Treibmittelsystem so hoch wie möglich sein, um die Lebensdauer des Satelliten zu verlängern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird Hydraziniumnitroformiat in Wasser verwendet. In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Treibmittel systems kann außerdem eine Menge an organischem Lösungsmittel verwendet werden, beispielsweise ein (niederer) Alkanol, wie Methanol, Ethanol, Propanol oder Butanol. Es ist gefunden worden, dass dies den spezifischen Impuls des Einzeltreibmittels erhöht. Die Alkanolmenge in der Lösung liegt vorzugsweise zwischen 0 und 70 Gew.-%, wobei Methanol und/ oder Ethanol bevorzugt sind.

Ein besonders bevorzugtes System besteht aus 25 bis 75 Gew.-% Hydraziniumnitroformiat, 5 bis 50 Gew.-% Wasser und 0 (insbesondere 5) bis 25 Gew.-% (niederem) Alkanol.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, andere Additive in das Treibmittelsystem in das Treibmittelsystem einzuschließen, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Solubilisierungsmittel, Dampfdruckverringerungsmittel und Leistungsverbesserungsmittel.

In einer anderen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Orientieren und Positionieren eines Raumfahrzeugs, nachdem es durch ein Startfahrzeug in die normale Umlaufbahn gebracht worden ist, durch die Verwendung eines Raumfahrzeugvortriebssystems, das auf Einzeltreibmitteltriebwerken basiert, wobei zum Vortrieb das oben erörterte Einzeltreibmittel verwendet wird.

Hydraziniumnitroformiat und Ammoniumdinitramid sind bekannte energiereiche feste Oxidatoren. Die Verwendung von Hydraziniumnitroformiat als Bestandteil in Hochleistungstreibmittelkombinationen für Raketenmotoren ist beispielsweise in EP-A-350 136 offenbart. Ein Produktionsverfahren für Hydrazinnitroformiat ist ferner in der internationalen Patentanmeldung WO-A-94/10104 offenbart. Ammoniumdinitramid ist auch ein bekanntes Material, dessen Herstellung beispielsweise in WO-A-94/24073 offenbart ist.

Die erfindungsgemäßen Einzeltreibmittel können in konventioneller Weise zum Vortrieb eines Raumfahrzeugs in bestehenden Systemen verwendet werden, wobei zu beachten ist, dass aufgrund der Eigenschaften des Systems weniger strengere Anforderungen hinsichtlich Lagerung, Transport und Handhabung möglich sind. Die Verwendung des Einzeltreibmittelsystems als Nottreibmittel in Düsenjägern und in Notfallgaserzeugungssystemen für Unterseeboote liegt innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs.

Die Figur zeigt einen Vergleich des spezifischen Impulses von verschiedenen Treibmittelsystemen.

Der spezifische Impuls verschiedener erfindungsgemäßer Einzeltreibmittelsysteme ist mit den Werten für eine wässrige Lösung von Ammoniumdinitramid und Hydraziniumnitroformiat in Wasser mit 50 Gew.-% Wasser verglichen worden. In der folgenden Tabelle und in der Figur wird der spezifische Impuls für ein Expansionsverhältnis von 50 und einen Kammerdruck von 1 MPa, einen Umgebungsdruck von Null und Ausströmungsbedingungen im chemischen Gleichgewicht gegeben.

Verfahren für Produktion, Transport, Lagerung, Handhabung und Entsorgung. Durch Erhöhung der Menge an gelöstem Oxidator kann die Leistung weiter erhöht werden. Wenn Brennstoffe wie (niedere) Alkanole zugesetzt werden, ist eine Leistung möglich, die gleich derjenigen von Hydrazin ist oder diese übertrifft.

In der angefügten Figur wird der spezifische Impuls für verschiedene Zusammensetzungen von Hydraziniumnitroformiat in Wasser unter Verwendung verschiedener Konzentrationen, Ammonium dinitramid in Wasser unter Verwendung verschiedener Konzentrationen und für eine Kombination aus Hydraziniumnitroformiat, Ethanol und Wasser angegeben.