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Dokumentenidentifikation DE102007003412A1 07.08.2008
Titel Neue Komposit-Treibstoffe für Raketenantriebe
Anmelder Oeckl, Siegfried, Dr., 88085 Langenargen, DE
Erfinder Oeckl, Siegfried, Dr., 88085 Langenargen, DE
DE-Anmeldedatum 23.01.2007
DE-Aktenzeichen 102007003412
Offenlegungstag 07.08.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2008
IPC-Hauptklasse C06D 5/06(2006.01)A, F, I, 20070123, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C06B 31/02(2006.01)A, L, I, 20070123, B, H, DE   C06B 33/04(2006.01)A, L, I, 20070123, B, H, DE   
Zusammenfassung Die heute üblichen Komposit-Raketentreibstoffe werden überwiegend auf Basis von Sprengstoffen, wie Ammoniumperchlorat, Ammoniumnitrat oder Nitraminen, hergestellt, was einen erheblichen Sicherheitsaufwand erforderlich macht.
Perchlorat-Treibstoffe setzen beim Abbrand zudem umweltschädliche Chlorverbindungen frei.
Alternative umweltfreundliche Einfach-Treibstoffe auf Basis von Alkalinitraten und mehrwertigen Alkoholen oder Zuckern weisen ein vergleichsweise niedriges Leistungsniveau auf.
Dieses kann auf ein wesentlich höheres, technisch interessantes Niveau angehoben werden, wenn unter geeigneten Verfahrensbedingungen energiereiche Metallpulver zugesetzt werden.
Dabei wird die Brennstoff-/Binder-Komponente als Schmelze vorgelegt und anschließend Metallpulver, Additive und Oxidator unter Temperaturkontrolle zugemischt.
Die neuen Komposit-Treibstoffe weisen bis zu ca. 75% der Leistung von Ammoniumperchlorat-Treibstoffen auf.

Beschreibung[de]

Ganz überwiegend werden heute Komposit-Treibstoffe für Raketenantriebe in der Raumfahrt, der Technik und im Raketenmodellbau auf Basis von Ammoniumperchlorat, seltener Ammoniumnitrat, Kaliumperchlorat und Nitraminen hergestellt.

Die genannten Treibstoffklassen haben jedoch trotz guter Leistung zum Teil erhebliche Nachteile.

Perchlorate, beispielsweise, geben den im Molekül gebundenen Sauerstoff sehr leicht ab, wodurch Mischungen der Perchlorate mit brennbaren Stoffen häufig ein hohes Explosionsrisiko bei Schlag, Reibung, Erhitzung, usw., aufweisen. Ammoniumperchlorat ist schon für sich alleine betrachtet, auch ohne Zumischung, ein brisanter Sprengstoff.

Das heisst, die Herstellung, Aufbewahrung und Verwendung dieser Treibstoffklasse ist mit einem z. T. erheblichen Sicherheitsaufwand verbunden.

Durch den Chlorgehalt der Perchlorate können beim Abbrand umweltschädliche Chlor- und Chlorwasserstoffgase oder bei ungünstiger Verbrennung giftige Dioxine freigesetzt werden.

Da die Perchlorate elektrolytisch hergestellt werden, ist zu ihrer Gewinnung ein hoher Aufwand an elektrischer Energie nötig, was die Produkte entsprechend verteuert.

Ammoniumnitrat ist zwar ein relativ preiswerter Oxidator, doch ist er, ebenso wie die teureren Nitramine, bei entsprechender Zündung, auch schon ohne Zumischung, ein brisanter Sprengstoff.

Ammoniumnitrat muss vor dem Einsatz als Raketentreibstoff-Komponente mit entsprechendem Aufwand phasenstabilisiert werden um überhaupt lagerstabile Treibstoffe zu ermöglichen.

Ammoniumnitrat ist aussergewöhnlich hygroskopisch, was bei der Herstellung und Lagerung der Treibstoffe ebenfalls berücksichtigt werden muss.

Im Amateur-, bzw. Experimentalraketen-Bereich, haben sich in den letzten Jahren sogenannte Zucker-Treibstoffe („Candy Propellants") etabliert, die aus Kaliumnitrat und Zucker oder Zucker-ähnlichen Stoffen bestehen. Diese sind preiswert und mit nur geringem Aufwand herstellbar und weisen die meisten Nachteile der obengenannten Perchlorat- und Ammoniumnitrat-Treibstoffe nicht auf.

Der Hauptgrund, warum diese Zucker-Treibstoffe nicht den Eingang in größere technische Anwendungen gefunden haben, ist ihre bescheidene Leistungsfähigkeit. Sie sind zwar dem Schwarzpulver um ca. 50% überlegen, zeigen aber nur etwas mehr als die Hälfte der Leistung von Ammoniumperchlorat-Kompositen.

Wenn es also gelang, das Leistungsniveau der Zucker-Treibstoffe deutlich anzuheben, ohne die günstigen Eigenschaften, wie Umweltverträglichkeit, Handhabungssicherheit, Wirtschaftlichkeit, usw., zu beeinträchtigen, wäre eine neue Treibstoffklasse geschaffen, die auch über den Amateursektor hinaus für verschiedene technische Anwendungen interessant sein könnte (z B. in kleineren und mittelgroßen Forschungsraketen).

In der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung dieser Aufgabe vorgestellt.

Bei den Ammoniumperchlorat- und Ammoniumnitrat-Treibstoffen kann durch Zumischung energiereicher Metallpulver, wie Magnesium, oder besonders Aluminium, eine gewisse Leistungssteigerung erzielt werden.

Der Zumischung von Aluminiumpulver zu dem in den Zucker-Treibstoffen verwendeten Kaliumnitrat standen jedoch erhebliche Sicherheitsbedenken (siehe Literaturhinweis Nr. 1) entgegen, wie z B. die Gefahr der Selbstentzündung, so dass entsprechende Entwicklungen unterblieben.

Es wurde nun jedoch durch umfangreiche Versuche nachgewiesen, dass diese Risiken durch geeignete Vorgehensweisen ausgeschaltet werden können und stabile Aluminiumpulver-haltigen Treibstoffe dieser Art hergestellt werden können.

Überraschenderweise zeigen solche neuen Zusammensetzungen zum Teil weit über die Erwartung hinausgehende Leistungssteigerungen, so dass ca. 75% der Leistung üblicher Ammoniumperchlorat-Komposite erreicht wird.

Ein zusätzlicher positiver Effekt der Aluminiumpulver-Zumischung ergibt sich durch die Erhöhung der Treibstoff-Dichte, wodurch der sogenannte volumenspezifische Impuls verbessert wird. Das heisst, bei gleichem Platzbedarf erhöht sich der Energieinhalt der Treibstoff-Befüllung eines Raketenmotors.

Die für die neue Treibstoffklasse verwendeten Oxidatoren sind Alkalinitrate, wie Natrium-, Kalium- und Lithiumnitrat, vorzugsweise Natrium- und Kaliumnitrat, besonders bevorzugt Natriumnitrat. Sie werden in Anteilen von 50–80 Gew.%, vorzugsweise 55–75 Gew.%, zugemischt.

Als geichzeitiges Brennstoff- und Bindermaterial dienen mehrwertige Alkohole, wie z B. Sorbit oder Erythrit, oder Zuckerstoffe, wie z B. Saccharose, Glucose und Fructose. Diese Materialien sind zu 10–40% im Treibstoff enthalten.

Es können auch Gemische von verschiedenen Oxidatoren, bzw. Brennstoffen, zweckmäßig sein, z B. um Schmelztemperaturen, Viskositäten, usw., günstig zu beeinflussen.

Die verwendeten Aluminiumpulver können verschiedene Kornformen und Korngrößen, vorzugsweise kleiner 200 Mikrometer, aufweisen und werden in einem Anteil von 5–20 Gew.% dem Treibstoff zugemischt.

Neben den drei Hauptkomponenten können noch zusätzlich Abbrandmoderatoren, wie z B. Kohlenstoff, oder Katalysatoren, wie z B. Eisen(III)oxid, zugemischt werden, um z B. die Entzündbarkeit zu verbessern oder die Abbrandgeschwindigkeit zu erhöhen. So verbessert z B. schon die Zumischung von nur 1% Kohlenstoff die Entzündbarkeit von Natriumnitrat-Kompositen beträchtlich.

Die Herstellung der neuen Treibstoffe erfolgt vorzugsweise in einem einfachen Schmelzverfahren, das gleichzeitig die Vermischung der Komponenten und die anschließende Formgebung des entstandenen Treibstoffs ermöglicht.

Dazu wird üblicherweise die schmelzbare Komponente, also z B. Sorbit, vorgelegt, aufgeschmolzen und in einem geeigneten Temperaturbereich, meist dicht oberhalb des Schmelzpunktes, die anderen Komponenten zugemischt. Jedoch ist auch die Vermischung von Teilen oder aller Komponenten vor dem Schmelzen möglich. Anschließend wird die mehr oder weniger viskose Masse in geeignete Formen, Hülsen, usw., gegossen oder verfüllt. Nach dem Erkalten, Erstarren und Entformen ist der Treibstoff gebrauchsfertig und kann direkt verwendet oder gelagert werden.

Die theoretische Leistung von Raketentreibstoffen kann berechnet werden, doch liegen die gewonnenen Daten, aus verschiedenen Gründen, meist weit oberhalb der in der Praxis erzielbaren Werte, vor allem wenn Komplikationen, wie z B. Mehrphasenströmung, usw., vorkommen. Häufig sind auch theoretisch berechnete Zusammensetzungen und Kombinationen praktisch nicht realisierbar.

Besonders praxisnahe Ergebnisse zu Leistung und Eignung von Raketentreibstoffen werden durch Schubmessungen von Raketenmotoren, die mit den zu prüfenden Treibstoffen befüllt sind, erzielt. Der hierbei ermittelte spezifische Impuls kann dann direkt mit den Werten anderer Treibstoffe verglichen werden.

Die spezifischen Impulse der Zucker-Treibstoffe sind aus der Fachliteratur bekannt (siehe Literaturhinweis Nr. 2), unter optimalen Bedingungen werden gemessene spezifische Impulse von 134–137 s erreicht.

Mit den erfindungsgemäßen neuen Treibstoffen lassen sich dagegen gemessene spezifische Impulse von 175 s erzielen, was gegenüber dem Stand der Technik der Zucker-Treibstoffe einer Steigerung von 28% entspricht. Eine so hohe Steigerung ist ganz ungewöhnlich und weist auf einen erheblichen technischen Fortschritt hin. Vergleichsweise führt Aluminium-Zumischung bei Ammoniumperchlorat-Kompositen nur zu einer 10–max. 15%igen Leistungssteigerung (siehe Literaturhinweise Nr. 3 und 4).

Folgende Beispiele sollen die erfindungsgemäße Zusammensetzung, die Herstellung und die Leistung der neuen Treibstoffe verdeutlichen.

Beispiel 1

348 g (= 29 Gew.%) Sorbit werden in einem Mischbehälter unter thermostatisierten Bedingungen aufgeschmolzen und bei 135°C zunächst 120 g (= 10 Gew.%) Aluminiumpulver (Grieß) der Korngröße kleiner 63 Mikrometer eingerührt, gefolgt von 18 g (= 1,5 Gew.%) Holzkohlenpulver, 6 g (= 0,5 Gew.%) Eisen(III)oxidpulver und schließlich 708 g (= 59 Gew.%) Natriumnitrat der Korngröße kleiner 300 Mikrometer (70% kleiner 100 Mikrometer). Anschließend wird noch kurz gerührt, bis eine homogene Suspension entstanden ist. Dann wird das zähflüssige Gemisch in geeignete Formen, z B. zur Herstellung von gelochten Treibstoffblöcken (Bates Grains), gegossen. Durch kurze Vibration werden eventuelle Luftblasen entfernt. Nach Erkalten, Erstarren und Entformen ist der Treibstoff (1200 g, Dichte 1,92) gebrauchsfertig und kann direkt eingesetzt oder gelagert werden.

Beispiel 2

Es wird wie in Beispiel 1 verfahren, jedoch eine andere Zusammensetzung vorgenommen.

Sorbit 348 g (= 29 Gew.%)

Aluminiumpulver 120 g (= 10 Gew.%)

Holzkohlenpulver 6 g (= 0,5 Gew.%)

Eisen(III)oxid 6 g (= 0,5 Gew.%)

Kaliumnitrat 720 g (= 60 Gew.%)

Die geschmolzene Mischung ist hier etwas höherviskos, nach Gießen, Erkalten und Erstarren werden 1200 g Treibstoff der Dichte 1,77 erhalten.

Beispiel 3

Um die Handhabungssicherheit der erfindungsgemäßen Treibstoffe zu prüfen, werden im Freien 200 g eines fertigen Treibstoffs, entsprechend Beispiel 1 oder 2, eine halbe Stunde bei 150°C, also deutlich oberhalb der Verarbeitungstemperatur von 135°C, getempert. Es wird weder eine Selbstentzündung noch eine exotherme Reaktion beobachtet.

Beispiel 4

Zur Ermittlung des spezifischen Impulses eines erfindungsgemäßen Treibstoffs entsprechend Beispiel 1 wird ein Edelstahl-Raketenmotor (73 × 1,5 mm) mit Graphitdüse, der mit 7 Treibstoffblöcken in Form von Bates Grains mit einem Gesamtgewicht von 3382 g befüllt ist und eine mittlere Klemmung von 295 aufweist, in ein Schubmessgerät eingebaut und gezündet. Bei dem 2,1 Sekunden dauernden, mit leuchtender Flamme erfolgenden Abbrand, wird ein spezifischer Impuls von 175 s gemessen.

Literaturhinweise:

  • Nr. 1 Dustin Brown, in: www.geocities.com/da browns2002/Drysophila-Sorbitol Titanium fine Sponge with Sorbitol Propellant, 5a .
  • Nr. 2 Richard Nakka, in: www.nakka-rocketry.net Kappa-SB rocket motor static test KSB-002, Testreport .
  • Nr. 3 Horst W. Köhler, in: Feststoffraketenantriebe 1 Seiten 99, 100 Verlag W. Girardet-Essen, 1972 .
  • Nr. 4 Terry W. Mc Creary, in: Experimental Composite Propellant Table V, pages 105, 106 (Binder Design) Terry W. Mc Creary, Ph. D., 2000 1606 Wiswell Road Murray, KY 42071 U.S.A.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • - Dustin Brown, in: www.geocities.com/da browns2002/Drysophila-Sorbitol Titanium fine Sponge with Sorbitol Propellant, 5a [0035]
  • - Richard Nakka, in: www.nakka-rocketry.net Kappa-SB rocket motor static test KSB-002, Testreport [0035]
  • - Horst W. Köhler, in: Feststoffraketenantriebe 1 Seiten 99, 100 Verlag W. Girardet-Essen, 1972 [0035]
  • - Terry W. Mc Creary, in: Experimental Composite Propellant Table V, pages 105, 106 (Binder Design) Terry W. Mc Creary, Ph. D., 2000 1606 Wiswell Road Murray, KY 42071 U.S.A. [0035]


Anspruch[de]
Neue Komposit-Treibstoffe für Raketenantriebe

dadurch gekennzeichnet,

dass sie aus folgenden Komponenten zusammengesetzt sind:

1.1 Einem Oxidator- oder Oxidatorgemisch aus der Verbindungsklasse der Alkalinitrate (Natrium-, Kalium-, Lithiumnitrat), vorzugsweise Natriumnitrat und Kaliumnitrat, besonders bevorzugt Natriumnitrat, welcher oder welches 50–80 Gew.%, vorzugsweise 55–75 Gew.% des Treibstoffs ausmacht.

1.2 Einem Brennstoff- und gleichzeitigen Binder-Material aus der Stoffklasse der mehrwertigen Alkohole, wie z B. Sorbit und Erythrit, vorzugsweise Sorbit, oder der Zucker, wie z B. Saccharose, Glucose und Fructose, wobei auch hier wieder Gemische vorkommen können, welches in Anteilen von 10–40 Gew.% im Treibstoff enthalten ist.

1.3 Aluminiumpulver, welche verschiedene Kornformen und Korngrößen, vorzugsweise kleiner 200 Mikrometer, aufweisen können und in einem Anteil von 5–20 Gew.% im Treibstoff enthalten sind.

1.4 Abbrandmoderatoren, wie z B. Kohlenstoff, oder Katalysatoren, wie z B. Eisen(III)oxid, können zusätzlich, in Anteilen von 0,1–10 Gew.%, im Treibstoff enthalten sein.
Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Treibstoffe entsprechend Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

2.1 dass ein einfacher und sicherheitstechnisch unbedenklicher Vermischungsprozess in der Schmelze des Brennstoff-/Binder-Materials durchgeführt wird, wobei je nach dem verwendeten Brennstoff-/Binder-Materiat Temperaturen von 80–150°C angewandt werden. Bei dem vorzugsweise verwendeten Sorbit wird bei 110–140°C gearbeitet.

2.2 dass die entstandene, mehr- oder weniger viskose, heisse Treibstoffmasse in geeignete Formen zur Herstellung von Blöcken, Zylindern, Stangen, Rohren, usw., gegossen oder verfüllt wird, welche nach dem Abkühlen in Rückstoß-Antrieben, Raketenmototren, usw., zur Schuberzeugung verwendet werden können.
Erfindungsgemäße Treibstoffe entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungssteigerungen von über 25% gegenüber den bisher bekannten Treibstoffen dieser Stoffklasse und dass ca. 75% der Leistung von Ammoniumperchlorat-Treibstoffen erreicht werden. Erfindungsgemäße Treibstoffe entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein aussergewöhnlich günstiges Wert-/Leistungsverhältnis aufweisen, da die eingesetzten Rohstoffe sehr einfach und preiswert zugänglich sind. Erfindungsgemäße Treibstoffe entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie sowohl in der Herstellung, als auch in der Anwendung besonders umweltfreundlich sind, da weder giftige Chemikalien noch Sprengstoffe enthalten sind und beim Abbrand keine umweltschädlichen Chlor-haltigen Abgase erzeugt werden.






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