DE4422196A1 - Arrangement for using metal hydrides in hybrid rocket motors - Google Patents
Arrangement for using metal hydrides in hybrid rocket motorsInfo
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Abstract
Description
Raketentriebwerke basieren auf dem Rückstoßprinzip, d. h. eine Masse wird nach hinten, d. h. entgegen der Flugrichtung beschleunigt und erzeugt so einen Vortrieb (Schub). Ziel der Raketentechnik ist die Steigerung der Austrittsgeschwindigkeit der Rückstoßmasse zur Verringerung der Startmasse der Rakete. Bei chemischen Raketentriebwerken dienen die mitgeführten Treibstoffe gleichzeitig als Energielieferanten (Verbrennung) und Rückstoßmasse (Beschleunigung der Verbrennungsprodukte). Limitierende Faktoren in der Steigerung der Ausströmgeschwindigkeit bei chemischen Triebwerken sind u. a. der Energieinhalt der Treibstoffe sowie die technisch realisierbaren Brennkammertemperaturen- und Drücke. Die theoretischen Grundlagen chemischer Triebwerke sind in der einschlägigen Literatur ausführlich dargestellt.Rocket engines are based on the recoil principle, i. H. a mass is moved backwards, i.e. H. accelerates against the direction of flight and thus generates propulsion (thrust). goal of Rocket technology is the increase in the exit velocity of the recoil mass Reduction of the launch mass of the rocket. They serve in chemical rocket engines Carried fuels at the same time as energy suppliers (combustion) and recoil mass (Acceleration of combustion products). Limiting factors in increasing the Outflow speed in chemical engines are u. a. the energy content of the fuels as well as the technically realizable combustion chamber temperatures and pressures. The theoretical The basics of chemical engines are described in detail in the relevant literature.
Die Endgeschwindigkeit einer Rakete bei Brennschluß errechnet sich bekanntermaßen aus der sog. Ziolkowski-FormelAs is known, the final speed of a rocket at flame-out is calculated from the so-called Ziolkowski formula
VB = c * In(MO/MB).V B = c * In (M O / M B ).
Hierin bedeuten
c die Ausströmgeschwindigkeit der Rückstoßmasse,
MO die Startmasse der Rakete,
MB die Masse der Rakete bei Brennschluß (Leermasse und Nutzlast).Mean here
c the outflow velocity of the recoil mass,
M O the launch mass of the rocket,
M B is the mass of the rocket at flame cut (empty mass and payload).
(Atmosphärische Einflüsse, die Überwindung der Erdanziehung und einige andere Faktoren sind in dieser Überschlagsformel nicht berücksichtigt.)(Atmospheric influences, overcoming gravity and some other factors are in this rollover formula is not taken into account.)
Nach dem Stand der Technik sind mit chemischen Triebwerken derzeit Ausströmgeschwindig keiten von max. 4000 m/s zu erzielen. Dies bedeutet z. B. für eine Rakete, die eine stabile Umlaufbahn erreichen soll (VB ≈ 8000 m/s = 1. Astronautische Geschwindigkeit), daß die Rakete zu ca. 86,5% aus Treibstoff bestehen müßte, während für ihre Leermasse und die Nutzlast zusammen nur ca. 13,5% bleiben.According to the state of the art, chemical jet engines currently have max. To achieve 4000 m / s. This means e.g. B. for a rocket that is to achieve a stable orbit (V B ≈ 8000 m / s = 1st astronautical speed) that the rocket would have to consist of approximately 86.5% fuel, while together for its empty mass and the payload only about 13.5% remain.
Somit können einstufige Raketen kaum eine Umlaufbahn erreichen. Andererseits sind bei chemischen Triebwerken auf der Basis der gängigen Treibstoffe kaum noch Leistungssteigerungen zu erwarten, da dies die Energieinhalte der Treibstoffe nicht zulassen. So ist der energetischste heute im Einsatz befindliche Treibstoff flüssiger Wasserstoff, der bei Verbrennung mit Sauerstoff nach der FormelAs a result, single-stage rockets can hardly reach an orbit. On the other hand, at chemical engines based on common fuels hardly anymore Increases in performance can be expected, since this does not allow the energy content of the fuels. So is the most energetic liquid hydrogen fuel in use today Burn with oxygen according to the formula
H₂ + 1/2 O₂ → H₂O ca. 68 kcal/mol liefert.H₂ + 1/2 O₂ → H₂O delivers approx. 68 kcal / mol.
Andererseits sind aber in der Chemie Stoffe bekannt, deren Verbrennung wesentlich energetischer verläuft. Speziell den sog. Metallhydriden wird eine große Zukunft als Raketentreibstoff vorhergesagt. Sie liefern teilweise mehr als 1000 kcal/mol Verbrennungs wärme! Ohne die Berechnungen und Hochrechnungen, die sich in der einschlägigen Literatur nachlesen lassen, hier nachzuvollziehen, würde die Verwendung von Metallhydriden Ausströmgeschwindigkeiten von bis zu 7000 m/s erlauben. Mit derart hohen Ausströmg eschwindigkeiten könnten sogar einstufige Raketen den Orbit erreichen und noch signifikante Nutzlasten transportieren. On the other hand, substances are known in chemistry whose combustion is essential runs more energetically. Especially the so-called metal hydrides will have a great future Rocket fuel predicted. They sometimes deliver more than 1000 kcal / mol of combustion warmth! Without the calculations and extrapolations found in the relevant literature would read, here would understand, the use of metal hydrides Allow outflow speeds of up to 7000 m / s. With such a high outflow Speeds could even reach single-stage rockets and significant ones Transport payloads.
Als Treibstoff würde sich besonders polymerisierter Aluminiumwasserstoff eignen [AlH₃]n (relativ preiswert, ungiftig), welcher in einer von mehreren möglichen Darstellungsformen als weißes Pulver kristallisiert und bis ca. 100°C temperaturstabil ist (alle chemischen Angaben stammen aus Hollemann Wieberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Berlin: de Gruyter, 1976 ISBN 3-11-005962-2).Particularly suitable polymerized aluminum hydrogen would be [AlH₃] n (relatively inexpensive, non-toxic), which crystallizes in one of several possible forms of presentation as a white powder and is temperature stable up to approx. 100 ° C (all chemical information comes from Hollemann Wieberg, textbook of Inorganic Chemistry, Berlin: de Gruyter, 1976 ISBN 3-11-005962-2).
Trotz ihrer theoretischen Vorteile ist es bisher nicht zum großtechnischen Einsatz von Metallhydriden in der Raketentechnik gekommen. Dies erklärt sich aus den technischen Schwierigkeiten, die mit ihrem Einsatz verbunden sind.Despite their theoretical advantages, it has not yet been used on an industrial scale Metal hydrides come in missile technology. This can be explained from the technical Difficulties associated with their use.
So verbietet sich z. B. das einfache Einmischen der Metallhydride in einen Festbrennstoff, wo sie ja innigen Kontakt zum Sauerstoffträger hätten, alleine schon wegen der Explosionsgefahr.For example, B. the simple mixing of the metal hydrides in a solid fuel, where they yes have intimate contact with the oxygen carrier, if only because of the risk of explosion.
Andererseits kann ein Pulver schlecht in die flüssig/flüssig Phase eines Flüssigkeitstriebwerkes eingebracht werden. Während man dieses Problem vielleicht noch lösen könnte, würden die bei der Verbrennung von Metallhydriden entstehenden außerordentlich hohen Temperaturen vollkommen neue und schwer lösbare Probleme der Brennkammerkühlung aufwerfen.On the other hand, a powder can poorly in the liquid / liquid phase of a liquid engine be introduced. While one might still be able to solve this problem, they would at The combustion of metal hydrides creates extremely high temperatures raise completely new and difficult to solve problems of combustion chamber cooling.
Auch ist die allgemeine Verarbeitung von Metallhydriden (z. B. das Einmischen in Polyäthylengranulat mit anschließendem thermischen Plastifizieren zur Bildung eines einheitlichen Treibstoffblockes für ein Hybridraketentriebwerk) wegen ihrer eingeschränkten Temperaturstabilität (Zersetzung, Explosionsgefahr!) schwierig.The general processing of metal hydrides (e.g. mixing in Polyethylene granulate with subsequent thermal plasticizing to form a uniform Fuel block for a hybrid rocket engine) because of its restricted Temperature stability (decomposition, risk of explosion!) Difficult.
In der vorliegenden Erfindung wird der Einsatz von Metallhydriden in Hybridrakententriebwerken zur Leistungssteigerung wie folgt vorgeschlagen:In the present invention, the use of metal hydrides in hybrid rocket engines suggested to increase performance as follows:
Die Grundlage bildet ein Festtreibstoffblock (1), ausgeführt als Innenbrenner, bestehend z. B. aus Polyäthylen, Polyäthylen in Vermischung mit Aluminiumpulver, reinem Aluminium oder einem ähnlichen geeigneten Treibstoff. Der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff wird in flüssiger Form direkt auf die Brennfläche (2) aufgespritzt, entweder in Zuführung von innen, von außen durch den Treibstoffblock selbst, oder aber in konventioneller Brausekopftechnik.The basis is a solid fuel block ( 1 ), designed as an internal burner, consisting, for. B. from polyethylene, polyethylene mixed with aluminum powder, pure aluminum or a similar suitable fuel. The oxygen required for combustion is sprayed directly onto the burning surface ( 2 ) in liquid form, either from the inside, from the outside through the fuel block itself, or using conventional showerhead technology.
Innerhalb des Treibstoffblockes sind nun eine Vielzahl über die Länge des Blockes längs verlaufender, um die gedachte Längsachse verteilte (z. B. konzentrisch angeordnete) zylindrische Hohlräume (3) vorgesehen, die z. B. durch Bohrung hergestellt werden können. In diese Hohlräume wird das in einen kalt härtenden Kunststoff (z. B. Epoxidharz) eingemischte Metallhydrid eingegossen. Nach dem Aushärten entsteht so ein Treibstoffblock, der insgesamt zu einem hohen Anteil aus Metallhydrid bestehen kann, und der dennoch gefahrlos im Umgang sowie lagerfähig ist und keinen Kontakt des Metallhydrides zum Sauerstoff der Atmosphäre zuläßt. Der konstruktiven Größe eines solchen Treibstoffblockes ist keine prinzipielle Grenze gesetzt.Within the fuel block there are now a plurality of cylindrical cavities ( 3 ) which run longitudinally over the length of the block and are distributed around the imaginary longitudinal axis (for example concentrically arranged). B. can be produced by drilling. The metal hydride mixed into a cold-curing plastic (e.g. epoxy resin) is poured into these cavities. After hardening, a fuel block is formed which can consist to a large extent of metal hydride and which is nevertheless safe to handle and storable and does not allow the metal hydride to come into contact with the oxygen in the atmosphere. There are no fundamental limits to the structural size of such a fuel block.
Im Rahmen des Verbrennungsvorganges, der von innen nach außen (d. h. in Richtung zu den Wandungen) läuft, werden nun die vergossenen Metallhydridzylinder nach und nach freigelegt, kommen mit dem zugeführten Sauerstoff in Kontakt und tragen ihrerseits unter hoher Energieabgabe zur Unterhaltung des Verbrennungsprozesses bei. Aufgrund der Auslegung als Innenbrenner gefährden die hierbei entstehenden außerordentlich hohen Verbrennungstemperaturen nicht die Brennkammerwände (4), da diese ja durch den noch nicht verbrannten Treibstoffanteil thermisch geschützt sind. In the course of the combustion process, which runs from the inside to the outside (ie towards the walls), the cast metal hydride cylinders are now gradually exposed, come into contact with the supplied oxygen and in turn contribute to maintaining the combustion process with high energy output. Due to the design as an internal burner, the extraordinarily high combustion temperatures that arise do not endanger the combustion chamber walls ( 4 ), since these are thermally protected by the fuel component which has not yet burned.
Die Ausführung des Treibstoffblockes als einzelne, gegeneinander isolierte Metallhydrid/Kunststoffzylinder (im Gegensatz zu einer ebenfalls denkbaren einheitlichen Ausführung des gesamten Blockes als Metallhydrid/Kunstoffmatrix) bewirkt gleichzeitig, daß jeweils nur begrenzte Mengen Metallhydrid zur Verbrennung gelangen und daß sich das unterhalb der aktuellen Verbrennungsebene befindliche Metallhydrid nicht thermisch zersetzt, bevor es zur Verbrennung gelangt, da es ja jeweils gegen die nebenliegende Lage durch "normalen" Brennstoff isoliert ist. Außerdem ist eine gewisse konstruktive Steuerung des Abbrenn- und Schubverhaltens durch Anordnung und Anzahl der Metallhydridkavernen möglich. Speziell würde man in der Nähe der Außenwandungen keine Metallhydridkavernen mehr vorsehen, um deren Durchbrennen zu verhindern.The execution of the fuel block as a single, isolated from each other Metal hydride / plastic cylinder (in contrast to a conceivable uniform Execution of the entire block as a metal hydride / plastic matrix) causes at the same time that only limited amounts of metal hydride are burned and that below metal hydride at the current combustion level does not thermally decompose before it is used Combustion occurs because it is against the adjacent layer by "normal" fuel is isolated. In addition, there is a certain constructive control of the burning and thrust behavior possible by arrangement and number of metal hydride caverns. Specially one would be close no longer provide metal hydride caverns on the outer walls in order to burn them out prevent.
Die Ausführung der Metallhydridkavernen als Zylinder wurde hier lediglich wegen deren fertigungstechnischer Einfachheit gewählt, theoretisch sind auch andere geometrische Strukturen wie z. B. Kugeln etc. denkbar. In gleicher Weise muß der Innenbrenner natürlich ebenfalls nicht zwingend als Zylinder ausgeführt sein, sondern könnte auch z. B. in Form einer Kugel gestaltet sein.The execution of the metal hydride caverns as cylinders was only because of them manufacturing simplicity selected, theoretically there are also other geometric structures such as B. balls etc. conceivable. In the same way, of course, the internal burner does not have to either mandatory as a cylinder, but could also be z. B. designed in the form of a ball his.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht den Einsatz der hochenergetischen und damit besonders leistungsfähigen Metallhydride in der Raketentechnik in einer besonders einfachen (und damit preiswerten) technischen Ausführung, die auch die Realisierung großer und schubstarker Triebwerke gestattet. Damit werden allgemein kleinere Raketen möglich, besonders aber einstufige, vollständig wiederverwendbare Raketen, die eine Umlaufbahn erreichen und dabei noch eine signifikante Nutzlast transportieren können. Naheliegend ist auch der Einsatz in wiederverwendbaren Starthilfeboostern. Die Triebwerksblöcke sind ferner lagerfähig und sicher im Umgang.The present invention enables the use of high-energy and therefore particularly powerful metal hydrides in rocket technology in a particularly simple (and thus inexpensive) technical design, which is also the realization of large and thrusting Engines allowed. This generally makes smaller rockets possible, but especially so single-stage, fully reusable rockets that reach orbit and thereby can still carry a significant payload. The use in reusable booster boosters. The engine blocks are also storable and safe in dealing.
Die Erfindung eignet sich weiterhin zur Ausführung kleiner und dennoch leistungsstarker Raketen für militärische Zwecke zum Einsatz in Bereichen, wo die Größe eine Rolle spielt (z. B. auf Unterseeboten).The invention is also suitable for executing small, yet powerful, rockets for military use in areas where size matters (e.g. on Submarines).
Claims (3)
- - daß in einem Block aus konventionellem festem, für den Einsatz in Hybridraketen geeigneten Treibstoff Kavernen in hoher Zahl vorgesehen werden, die mit einem kalthärtenden Kunststoff/Metallhydridgemisch verfüllt werden, so daß ein Treibstoffblock entsteht, der zu einem hohen Anteil aus Metallhydrid besteht,
- - daß die derart gefüllten Kavernen, unabhängig von ihrer geometrischen Ausführung keine zusammenhängende Struktur bilden, wodurch eine gewisse Kontrolle des Abbrennverhaltens sowie eine Vorbeugung gegen die thermische Zersetzung des Metallhydrids durch Isolation durch den ummantelnden konventionellen Treibstoff und eine hohe mechanische Stabilität des Treibstoffblockes erreicht wird.
- that in a block of conventional solid fuel suitable for use in hybrid rockets, caverns are provided in large numbers, which are filled with a cold-curing plastic / metal hydride mixture, so that a fuel block is formed which consists to a large extent of metal hydride,
- - That the caverns filled in this way, regardless of their geometrical design, do not form a coherent structure, as a result of which a certain control of the burning behavior and a prevention against the thermal decomposition of the metal hydride through insulation by the encasing conventional fuel and a high mechanical stability of the fuel block is achieved.
- - daß die vorbeschriebenen Kavernen vorteilhaft als konzentrisch angeordnete Zylinder entlang der Längsachse eines zylinderförmigen Innenbrenners ausgeführt werden,
- - daß für die Gestaltung der Kavernen ebenso wie für die Gestaltung des Treibstoffblockes auch andere geometrische Formen (z. B. Kugeln) denkbar sind.
- that the caverns described above are advantageously designed as concentrically arranged cylinders along the longitudinal axis of a cylindrical internal burner,
- - That for the design of the caverns as well as for the design of the fuel block, other geometric shapes (z. B. balls) are conceivable.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001038170A1 (en) * | 1999-11-23 | 2001-05-31 | Technanogy, Llc | Single-stage-to-orbit rocket |
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1994
- 1994-06-24 DE DE19944422196 patent/DE4422196A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001038170A1 (en) * | 1999-11-23 | 2001-05-31 | Technanogy, Llc | Single-stage-to-orbit rocket |
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