Roket yakıtı

Yakıt bir için roket daha doğrusu bir, roket motoru , denir roket yakıtı . Bir roketin itiş gücünü yaratır .

Roket yakıtının seçimi, bir roket motorunun özgül momentumu ( ) için belirleyici faktördür . Spesifik dürtü, motorların verimliliğinin bir ölçüsüdür, yani darbe başına yakıt tüketimi.

Her ne kadar yüksek bir özgül dürtü her zaman istense de, genellikle daha düşük verimliliğe sahip yakıtlar kullanılır. Örneğin, roket motorlarının ilk aşamasında , gazyağı genellikle yakıt veya katı yakıtlı roketler olarak kullanılır , ancak sıvı hidrojen veya elektrik tahrikli motorlar çok daha yüksek bir özgül dürtüye sahiptir ve bu nedenle daha verimlidir. Bunun nedeni, eski motorların düşük fiyatı ve basitliğinde ve ikinci motorların izin verdiği nispeten düşük itme gücünde yatmaktadır. Yer yüzeyinden havalanırken, roketin yerçekimi ivmesini yenmesi gerektiğinden yüksek bir itme kuvveti gereklidir. İkinci aşamada, gerekli itme kuvveti daha düşük olduğu için diğer yakıtlar (örneğin sıvı hidrojen) kullanılabilir. Dünya yörüngesinin ötesindeki görevler için düşük itme ve yüksek özgül momentuma sahip motorlar kullanılabilir.

Roket yakıtının fiyatına ek olarak, yoğunluğu (tankın boyutunu etkiler), raf ömrü (ayrışma, buharlaşma), tehlikelilik ( kendiliğinden tutuşma , tutuşma davranışı ve çevresel uyumluluk) ve çevreye karşı agresifliği ( korozyon ) önemli özellikleridir. tank, borular, pompalar ve türbinler.

Roketlerde kullanılan en yaygın itici gazlar kimyasaldır. Kimyasal reaksiyonun ürünleri motor memesinden yüksek hızda dışarı atılır. Hem enerji hem de destekleyici kütle kimyasal reaksiyondan gelir. Buna karşılık, birçok elektrikli ve nükleer tahrik, yanmayan, elektrikle veya nükleer olarak ısıtılan ve bu nedenle yüksek hızda kaçan özel bir destek kütlesi (örneğin hidrojen) kullanır.

Raf ömrü ve depolama

Çeşitli yakıt sınıflandırmaları, dayanıklılıkları ve depolanmaları açısından da özel özelliklere sahiptir. Katı yakıtlar depolanması en kolay olanlardır, ancak belirli koşullar da bunların depolanmasını sınırlar. Ne çatlaklar ne de büzülme meydana gelmemelidir. Sıvı yakıtlar ise normal ortam sıcaklığı aralığında (örn. çalıştırma ve depolama sırasında) donmamalı veya buharlaşmamalıdır, bu da -20 °C ile +80 °C sıcaklık aralığı anlamına gelir.

Yakıtlar sıvılaştırılmış tarafından derin dondurulması ve olarak anılacaktır kriyojenik uzay yolculuğu içinde buharlaşma karmaşık tankı yalıtımı ile önlenemez çünkü sonucu bedensel durumuna saklanması zordur. Bu nedenle roketlerde kullanım, yakıt ikmali ile roketin fırlatılması arasındaki olası duruş süresini azaltır ve roket tasarımında ek teknolojik önlemler (örneğin, tankların yalıtımı, buz oluşumunun önlenmesi, kalkıştan önce sürekli yakıt ikmali, buharlaştırma cihazları) gerektirir.

kimyasal yakıtlar

Kimyasal yakıt sistemlerinde, kimyasal bir reaksiyon roketin itişini yaratır . Katı, sıvı veya hibrit yakıtlardaki yakıt tipine veya Monergol, Diergol veya Triergol'deki yanma işleminde yer alan reaktanların sayısına göre genel bir ayrım yapılır. Kimyasal reaksiyon, yanma odasında yüksek basınç ve sıcaklıklar oluşturan termal enerji ve reaksiyon ürünlerini açığa çıkararak reaksiyon ürünlerinin motor memesinden yüksek hızda dışarı atılmasına neden olur.

Çoğu kimyasal roket yakıtı , bir itici ( yakıt olarak da adlandırılır ) ve bir oksitleyici gerektirir . Bunlar, kalkıştan önce karışık (katı roket) veya karıştırılmamış halde olabilir. Füzenin tipine ve uygulama alanına bağlı olarak aşağıdaki yakıtlar kullanılır:

katı yakıt

Katı yakıtlar , yakıt ve oksitleyiciye ek olarak başka katkı maddeleri (stabilizatörler) içeren homojen veya heterojen katılar (kompozitler) olabilir.

Homojen katı yakıtlar

Homojen yakıtlar homojen karışımlardır kolloid olarak bir selüloz nitrat ya da gliserin trinitrat da olabilir içeren oksitleyiciler, yakıt ve stabilizatörlerin katkı (nitrat spontan çürüme, örneğin azaltmak dietilfenil üretan , difenilamin ). Sadece selüloz nitrat kullanılırsa, tek bazlı yakıttan, aksi takdirde daha enerjik olan çift bazlı yakıtlardan söz edilir, ancak bu nedenle aynı zamanda stabilizatör gerektirir.

Kara barut çoğunlukla havai fişek ve model roketler için katı yakıt olarak kullanılır. Askeri uygulamalar için, siyah barut, İkinci Dünya Savaşı gibi erken bir tarihte büyük ölçüde düşük dumanlı selüloz nitrat tozu ile değiştirildi. Homojen katı yakıtlar, 2200 m/s'den daha düşük bir çıkış hızına sahip oldukları için çoğunlukla düşük enerjili yakıtlar kategorisine girer.

Heterojen katı yakıtlar (kompozitler)

Heterojen katı iticiler (kompozitler), yakıt(lar) ve oksitleyici(ler)in mekanik olarak karıştırılmasıyla üretilir.

İçin katı roket gibi gibi bir oksitleyici dökülebilir karışımları, uzay yolculuğu ya da askeri roket için ortaktır amonyum perklorat ya da sodyum / amonyum nitrat gibi bir indirgeme maddesi , alüminyum tozu kullanılır ( amonyum perklorat kompozit itici ). Aynı zamanda bir indirgeyici madde olan destekleyici madde, poliüretanlar veya polisülfitler gibi sentetik reçinelerden , ancak esas olarak HTPB'den oluşur . Katalizör olarak az miktarda demir oksit ve diğer katkı maddeleri özellikleri iyileştirir.

Karışım kalıplara dökülür. İtici madde daha sonra bir olan, sertleştirilmiş büyük ölçüde azalttığı oluşumunu çatlak ve boşlukları ve dolayısıyla taşıma ve çok güvenli taşıma yapar. Ayrıca alüminyum yerine veya alüminyuma ek olarak lityum , berilyum , bor veya magnezyumun kullanılıp kullanılamayacağı araştırıldı . Oldukça gelişmiş kompozitler ile 3300 m/s'ye varan çıkış hızlarına ulaşılabilir. Alüminyum dışında bunlar (toksisitesi nedeniyle berilyum, zor taşınması nedeniyle lityum, geçirimsiz oksit tabakalarının oluşumu nedeniyle bor) şimdiye kadar kullanılmamıştır.

Uzay Mekiği güçlendiricileri , kompozisyonun bir örneği olarak hizmet edebilir . Bunlarda yakıt, oksitleyici olarak %69.93 amonyum perklorat, yakıt olarak %16 alüminyum tozu ve katalizör olarak %0.07 demir oksit tozundan oluşmaktadır. Kullanılan bağlayıcı madde %12.04 polibütadien akrilik asit akrilonitril ve %1.96 epoksi sertleştiricidir, bu da yanan ve böylece ek itme gücü sağlar.

2009 yılında mümkün oldu kullanmak explosiveness alüminyum ve su yeni roket yakıtta Alice .

Hibrit yakıt

Hibrit yakıt (Lithergol), katı ve sıvı yakıt bileşeninden oluşan karma bir tahriktir . Çoğu zaman, indirgeyici yakıt katıdır, genellikle bir plastiktir , örneğin HTPB'dir veya buna dahil edilmiştir, ör. B. lityum hidrit vb. Oksitleyici daha sonra sıvıdır, çoğunlukla nitrik asit , azot oksit , sıvı oksijen , flor , oksijen diflorür veya FLOX (sıvı oksijen ve sıvı flor karışımı). Örneğin, SpaceShipOne HTPB ve azot oksitle uçtu . Bununla birlikte, sıvı bir yakıtın katı bir oksitleyici tarafından yakıldığı ters hibritlerle de deneyler yapılmıştır. Karşılık gelen bir tahrik sistemine sahip füzelere hibrit füzeler denir .

sıvı yakıt

Olarak akaryakıt , sıvı yakıtlar veya oksitleyiciler arasında çalışır durumda, adlandırılır roket motorları kullanılır vardır. Monergole (tek yakıtlı yakıtlar), Diergole (iki yakıtlı yakıtlar) ve Triergole (üç yakıtlı sistemler) arasında bir ayrım yapılır, bu da doğrudan gereken ayrı tank sayısına yol açar.

Monergole

Bu kategorideki sıvı yakıtlar düşük enerjili yakıtlardır. Katergole olarak adlandırılan durumda, monergollerin bir katalizör eklenerek parçalanması sağlanır, torpido yakıtı Otto 2 gibi diğer formlar oksidasyonla dönüştürülür. Bir katergol örneği, örneğin uzay aracının tutum kontrol sistemleri için kullanılan hidrazindir . Bu durumda, hidrazin bir katalizör yardımıyla ( iridyum veya molibden - geniş bir yüzey alanı ile ayrışan alümina üzerinde nitrür ) nitrojen ve hidrojene dönüşür. Başka bir örnek, %70-80'lik bir hidrojen peroksit çözeltisidir . Katalizör olarak kalsiyum permanganat veya gümüş kaplı gazlı bez kullanılır. Bununla birlikte, hidrojen peroksit (metalik veya organik maddelerle hafifçe kirlenmiş olsa bile) kendiliğinden bozunma eğilimi nedeniyle çok tehlikelidir. Ayrıca etilen oksit Monergol olarak kullanılabilir. Reaksiyon koşullarına bağlı olarak metan ve karbon monoksite ayrışır . Ortaya çıkan gaz karışımı, bir art yakıcıda tamamen karbon dioksit ve suya oksitlenebilir.

Bazı monergollerin performans verileri
yanıcı
malzeme		 katalizör Çıkış
hızı (m / s)
K 2 H 4 Alüminyum oksit üzerinde iridyum 2220
H 2 O 2 Kalsiyum permanganat 1860

Diergol

Diergol sistemlerinde (iki yakıtlı sistemler), sıvı motorlardaki hibrit tahrikler hariç, her iki bileşen de sıvıdır (örneğin hidrojen / oksijen). Hibrit tahrik durumunda, yakıt genellikle katı formda ve oksitleyici gaz veya sıvı olarak bulunur. Diergol sistemlerinin en güçlü temsilcileri, vakumda 4500 m / s'ye (13,680 km / s) kadar çıkış hızlarına ulaşabilen hidrojen-oksijen karışımlarını içerir.

Aşağıdakiler yakıt olarak yaygın olarak kullanılır: alkol , benzin , kerosen , hidrazin , UDMH (asimetrik dimetilhidrazin), MMH (monometilhidrazin), aerozin 50 (%50 UDMH ve %50 hidrazin), UH 25 (%75 UDMH ve %25 hidrazin) ve sıvı hidrojen . Geçmişte amonyak , hidrazin ve türevlerine veya her ikisinin karışımlarına geçişten önce de kullanılıyordu. Metan ve hidrojen en büyük spesifik itici gücü sağlar, ancak düşük depolama sıcaklıkları nedeniyle ele alınması zordur. Syntin , 1980'lerde ve 1990'larda Sovyetler Birliği'nde Soyuz roketi ve Buran için yakıt olarak kullanılan başka bir hidrokarbondur . Pratik olarak sadece oksijen ve flor veya iki maddeden birinin yüksek konsantrasyonlarını içeren bileşikler oksitleyici olarak kullanılır. Nitröz oksit hariç hemen hemen tüm oksitleyiciler ya kimyasal olarak agresiftir ya da soğutulması gerekir. Her şeyden önce, sıvı oksijen (LOX: sıvı oksijen ), hidrojen peroksit , dumanlı nitrik asit (RFNA: kırmızı dumanlı nitrik asit ), azot oksit veya azot oksit kullanılır . Prensip olarak, sıvı flor da düşünülebilir, ancak çevresel nedenlerle pratik olarak imkansızdır .

Ateşleme, elektrikle, katı bir kartuşla veya kendi başına bazı yakıt kombinasyonlarıyla ( hipergol ) gerçekleşir; bu, az veya çok karmaşık ateşleme sistemlerinden vazgeçilebildiğinden, bu yakıt kombinasyonu için bir avantajdır.

Bazı yakıt kombinasyonlarının teorik performans verileri
Oxi
dator		 yanıcı
malzeme		 karıştırma
oranı		 orta
yoğunluk
(g / cm 3 )		 Yanma
sıcaklığı
(° C)		 Çıkış
hızı
(m / s)
O 2 Cı- 2 , H 5 , OH 1.43 1.01 2960 2740
O 2 RP-1 2.58 1.03 3403 2941
O 2 Cı- 3 , H 4 2.05 1.08 Yok 3093
O 2 Cı- 2 , H 4 2.38 0.88 3486 3053
O 2 CH 4 3.21 0,82 3260 3034
O 2 K 2 H 4 0.90 1.07 3130 3070
O 2 H 2 4.02 0.28 2700 3830
O 2 B 2 H 6 1.96 0.74 3489 3351
O 2 B 5 H 9 2.12 0.92 3834 3124
ClF 3 Cı- 10 , H 20 3.20 1.41 3250 2530
ClF 3 K 2 H 4 2.81 1.49 3650 2885
H 2 O 2 (% 95) UDMH 4.54 1.24 2650 2720
H 2 O 2 (% 95) RP-1 7.35 1.30 2915 2730
H 2 O 2 (% 95) K 2 H 4 2.17 1.26 2580 2760
K 2 O 4 aerozin 2.00 2.00 3100 2820
K 2 O 4 MMH 2.17 1.19 3122 2827
K 2 O 4 K 2 H 4 1.36 1.21 2992 2862
KBB 3 Cı- 10 , H 20 4.80 1.35 2960 2630
KBB 3 K 2 H 4 1.45 1.28 2800 2830
F 2 K 2 H 4 2.30 1.31 4440 3560
F 2 H 2 7.60 0.45 3600 4020
F 2 B 5 H 9 5.14 1.23 5050 3502
F 2 CH 4 4.53 1.03 3918 3414
2 OF H 2 5.92 0.39 3311 4014
2 OF CH 4 4.94 1.06 4157 3485
2 OF B 2 H 6 3,95 1.01 4479 3653
2 OF RP-1 3.87 1.28 4436 3424
2 OF MMH 2.28 1.24 4075 3427
2 OF K 2 H 4 1.51 1.26 3769 3381
2 OF B 5 H 9 4.16 1.20 4825 3539
N 2 F 4 CH 4 6.44 1.15 3705 3127
N 2 F 4 MMH 3.35 1.32 3819 3163
N 2 F 4 K 2 H 4 3.22 1.83 4214 3283
N 2 F 4 B 5 H 9 7.76 1.34 4791 3259

(7 MPa'lık yanma odası basıncı, 1:70 genleşme oranı, adyabatik yanma, izentropik genleşme, kimyasal denge).

triergol

Triergol sistemleri (üç madde sistemleri) ilave edilir diergol sistemleri (iki parçalar) ihtiva verilen hidrojen ya da metal tozu ile ( lityum , alüminyum , berilyum artırmak için) belirli bir dürtü . Bu yakıt sistemleri iyi çalışılmıştır, ancak motorun ve roketin (üç tank!) karmaşık yapısı nedeniyle pratikte hiç kullanılmamıştır.

Bazı Triergole'lerin teorik performans verileri
Oxi
dator		 yanıcı
malzeme		 Ek
yakıt		 Çıkış
hızı
(m / s) 		Stei-
gecikme
O 2 H 2 %26 Ol 4500 %17
O 2 H 2 %29 Litre 4000 0%4
O 2 K 2 H 4 %15 Ol 3350 0%9
F 2 K 2 H 4 %25 Litre 3700 0%3
F 2 H 2 %15 Ol 4100 0%2
F 2 H 2 %20 Litre 4400 0%9
K 2 O 4 MMH %15 Ol 3100 %10
K 2 O 4 MMH %15 Al 2900 0%3
K 2 O 4 K 2 H 4 %10 Ol 3200 %12
H 2 O 2 K 2 H 4 %13 Ol 3300 %17

(7 MPa'lık yanma odası basıncı, 1:70 genleşme oranı, adyabatik yanma, izentropik genleşme, kimyasal denge)

Oberth etkisi

Uzay öncü Hermann Oberth , Fransız roket öncü kime sonra Robert Esnault-Pelterie sonra etkisini adında aracılığıyla öğrendim ampirik deney yaparken o roket yakıtları hidrojen ve oksijen tepki , çıkış hızı olabilir hidrojen içeriği arttırılarak artırılabilir. Bunun nedeni, fazla hidrojenin bir sonucu olarak ayrışmanın pratik olarak kapatılmış olması ve saf hidrojenin daha hafif olması ve bu nedenle ayrışmış ve hatta ayrışmamış su buharından daha hızlı akabilmesidir . Diğer bir yan etki, biraz daha düşük bir sıcaklıktır ve buna bağlı olarak sürücünün soğutma sisteminden daha düşük talepler gelir, böylece oksijen ağırlığı azaldığında, yükte bir artış olur .

Günümüzde hidrojen ve oksijen, hidrojen-oksijen motorlarında 1:4 ila 1:6 kütle oranında ( stoikiometrik olarak doğru kütle oranı 1:8 yerine) kullanılmaktadır.

Bu etki , uzay gemisinin daha yüksek hava hızında, fırlatılan yakıtın kinetik ve potansiyel enerjisi arasında daha uygun bir oranın elde edildiği bağlamı tanımlayan İngilizce “ Oberth Etkisi ” kullanımıyla karıştırılmamalıdır .

Şu anda kullanımda olan kimyasal yakıtlar

Aşağıdaki kombinasyonlar özellikle büyük roketler için yaygındır:
Tahrik için:

Tutum kontrol sistemi için sadece kriyojenik olmayan maddeler kullanılır:

  • MMH diazot tetroksit veya MON hypergol olarak
  • Hidrazin monergol olarak

Araştırma

Şu anda kimyasal motorların özgül momentumunu artırmak için iki olasılık araştırılmaktadır: serbest radikaller ve yarı kararlı elementler. Tüm yöntemler hala deneysel aşamadadır:

  • Ozon kararsızdır, ancak allotrop tetra oksijen daha kararlı olmalıdır. Bu, bir vakumda 564 s'ye (5538 Ns / kg) kadar spesifik darbelere izin verir.
  • Hidrojen radikallerini yakıt olarak kullanmak için de girişimlerde bulunulmaktadır . Elementin stabilitesini arttırmak için sıvı hidrojen ile karıştırılırlar. Bu kombinasyon (teorik olarak %15.4 radikaller ile) sıvı oksijen ile yakılırsa, vakumda 750 s'ye (7358 Ns/kg) kadar spesifik impulslar elde edilebilir.
  • At Paris'te Université d'Orsay , yarı kararlı helyum test bazında üretildi ve saklanan olarak Bose-Einstein yoğunlaşması . Yarı kararlı helyumdan helyuma reaksiyon, nükleer tahriklerden daha fazla 2825 s (27.713 Ns / kg) spesifik darbeleri mümkün kılacaktır.

Elektrikli tahriklerdeki yakıtlar

Yakıt terimi (ancak özellikle yakıt terimi), gerçek bir enerji kaynağı olarak değil, yalnızca darbeleri iletmek için bir ortam olarak işlev gördüğünden, elektrikli tahrikler durumunda yanıltıcıdır. Bunun yerine, genellikle destek kütlesi olarak adlandırılır.

İyon tahriki durumunda sezyum, ksenon veya cıva destekleyici bir kütle görevi görür. Yakıt, elektrik ve manyetik alan yardımıyla iyonlaştırılır ve hızlandırılır. Bu tasarımın avantajı, örneğin güneş pilleri kullanılarak uzayda gerekli elektrik enerjisinin elde edilebilmesi ve çok az yakıt kullanılmasıdır, çünkü çok az kütle yayılır, ancak çok yüksek bir hızda. Elde edilen itme kuvvetleri son derece küçüktür. Ayrıca motor, örneğin uzayda olduğu gibi yalnızca yüksek vakumda çalışır.

İçinde ısı ark motorlar hidrazin, amonyak ya da hidrojen ile çalışma. Ark, genişleyen ve bir memeden geriye doğru hızlandırılan destek kütlesini ısıtır.

Nükleer motorlardaki yakıtlar

Bir reaktör ( NERVA projesi ) yardımıyla yaklaşık 3000 °C'ye ısıtılan sıvı hidrojen veya amonyak, bir nükleer tahrikte destekleyici kütle olarak kullanılır .

Orion proje tahrik için küçük atom bombası atılması öngörülen.

Füzyon sürücüsü

Bir füzyon sürücüsünü gerçekleştirmek için birkaç yaklaşım vardır . Bunlardan biri, füzyon için gereken sıcaklığa az miktarda 3 He getirmek için lazer darbeleri kullanır . Yüksek enerjili reaksiyon ürünleri , sürücüyü manyetik bir memeden terk eder. Bu tür reaksiyonları arka arkaya ateşlerseniz, yarı sürekli bir geri tepme meydana gelir.

Antimadde İtki

Halihazırda varsayımsal bir antimadde tahriki için enerji , madde ve antimaddenin ikili imhasıyla sağlanacaktır. Bu süreçte, parçacıkların tüm durgun enerjisi tamamen yüksek enerjili gama kuantaya dönüştürülür; bu, diğer maddeyi hızlandırmak ve onu yönlendirilmiş bir şekilde dışarı atmak için önce absorpsiyon yoluyla kinetik enerjiye dönüştürülmesi gerekir.

Günümüz açısından en büyük sorun antimaddenin üretilmesi ve depolanmasıdır.Üretim, daha sonra reaksiyonun sağladığı kadar enerji tükettiğinden, uzay gemisinde üretim söz konusu değildir. Antimaddenin taşınması gerekirdi. Bunların depolanması yüzde 100 güvenilir olmalı, aksi takdirde uzay gemisi yok olacaktı.

Tekniğin mevcut durumuyla, büyük miktarlarda antimadde üretmenin bir yolu olmadığı için bir antimadde tahriki mümkün değildir. Madde-antimadde motoruyla neredeyse ışık hızına ulaşabilirdiniz. Mars'a uçuş ve geri dönüş için sadece yaklaşık 0.1 gram antiproton gerekecek, ancak bu küçük miktardaki antiprotonun üretimi bile şu anda ütopik.

Ayrıca bakınız

Edebiyat

kabarma

  1. ↑ Jared Ledgard: Kara Barut ve Piroteknik Hazırlık El Kitabı. V1.4, Jared Ledgard 2007, ISBN 978-0-615-17427-3 , s. 39, 51-52, 73, 77, 540, 549.
  2. ↑ üzerinde giriş roket yakıtları. İçinde: Römpp Çevrimiçi . Georg Thieme Verlag, 6 Şubat 2012'de erişildi.
  3. ↑ Armin Dadieu, Ralf Damm, Eckart W. Schmidt: Raketentreibstoffe . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-7091-7132-5 , s. 496 ( Google Kitap aramasında sınırlı önizleme ).
  4. ↑ NASA: YAKITLAR ( Memento 27 Nisan 2011'den itibaren de Internet Archive )
  5. ↑ Horst W. Köhler: Klipp und Klar: 100x uzay yolculuğu. Bibliographisches Institut, Mannheim, Viyana, Zürih 1977, ISBN 3-411-01707-4 , s. 30.
  6. ↑ Kil Robison, William. (1953). Etilen oksit ve hidrazinin itici gaz olarak kullanımlarıyla ilgili özellikleri .
  7. ↑ Frederick C. Durant, American Astronautical Society, International Academy of Astronautics: Uzaya doğru ilk adımlar: birinci ve ikinci Tarihin tutanakları ... AAS Yayınları, 1974, ISBN 978-0-87703-243-4 , s. 134 ( Google Kitap aramasında sınırlı önizleme ).
  8. ↑ http://isdc2.xisp.net/~kmiller/isdc_archive/fileDownload.php/?link=fileSelect&file_id=360 (bağlantı mevcut değil)

İnternet linkleri