1 CHEMICZNE STAŁE RAKIETOWE MATERIAŁY PĘDNE Silniki na stały materiał pędny oraz hybrydowe Wykład Główne typy (homogeniczne oraz heterogeniczne, zwane kompozytowymi) Formuła chemiczna, skład, właściwości… dr Grzegorz Rarata, ILot

2

3  Wysoki Isp (obecnie do 3100 m/s)  Czynniki ekonomiczne: dostępność, koszt, logistyka,...  Niebezpieczeństwa Stabilność, korozja,... Nadchloran amonu  Ryzyko wybuchu Np. silny udar mechaniczny lub termiczny  Ryzyko pożaru Reakcja z zanieczyszczeniem lub niekompatybilnym składnikiem  Ryzyko zdrowotne Toksyczność, kancerogenność,... wysoka stabilność, niska wrażliwość termiczna,... Współczesne stałe rakietowe materiały pędne...

4 Współcześnie eksploatowane rakietowe materiały pędne, zarówno te w technice wojskowej jak i cywilnej technice kosmicznej, składają sie z relatywnie niewielu zasadniczych komponentów. Są to związki chemiczne, które spełniają role; paliwa, utleniacza oraz lepiszcza (w przypadku stałych materiałów pędnych). Znacznie mniejszy udział masowy stanowią tutaj dodatki specjalne, spełniające role stabilizatorów, katalizatorów czy te plastyfikatorów

5 Jednorodne (homogeniczne) - prochy rakietowe  Udoskonalone wojskowe materiały wybuchowe z grupy miotających  Używane głównie w bojowych rakietach taktycznych oraz ppanc.  Należą do licznej grupy prochów bezdymnych  Otrzymywanie dużych ziaren jest trudne – wymaga specjalnych pras

6 Solid Rocket Propellants Homogeneous propellants - the fuel and oxidizer belong to the same molecule Single-base propellants: compositions that are principally gelatinized NC and contain no high-explosive ingredient such as NG. Double-base propellants: NC combined with NG. More powerful than a single-base propellants. NC serves as the binder and the NG causes it to gel. For highest specific impulse, NG content should be about 85%. Since NG is an oily liquid plasticizers are needed to enhance the mechanical properties. With diethylphthalate as plasticizer and diphenylamine and ethyl centralite as stabilizers,, it is difficult to include more than 43.5% of NG in a double-base propellant. To achieve good stability during storage, the NG percentage is often even lowered to 25%. Typical examples of double base propellants are Ballistite and Cordite. Triple-base propellants: as double-base propellants, but with nitroguanidine added.

7 Heterogeniczne (kompozytowe) Oddzielne składniki, utleniacz i paliwo (lepiszcze oraz np. pył Al), w przypadku produkcji ziarna kompozytowego materiału miotającego musza zostać odpowiedni wymieszane, tak aby zapewnić optymalne warunki zajścia procesu spalania. Nieorganiczną sól będącą utleniaczem miele sie razem z nieorganicznym paliwem (pyłem aluminiowym), dobrze razem miesza, a następnie dodaje do ciekłego składnika, którym jest polimer, pełniący role lepiszcza ale także i paliwa.

8 Heterogeniczny (kompozytowy) rakietowy materiał pędny

9 Heterogeneous (composite) propellants - consist of a separate fuel and oxidizer. Composite propellants generally consist of an organic fuel that also serves as a binder and a solid oxidizer. High-energetic composite propellants also include combustible metal particles which on combustion increase the energy available for propulsion. The organic fuel is usually a hydrocarbon polymer, which initially is liquid. The oxidizer and metallic fuel are then added in the form of small particles (a few to 200 microns). After mixing with the liquid organic fuel, the mixture is cured to allow the binder to solidify.

10 Solid rocket propellants (220s-300s)

11 Stałe rakietowe materiały pędne

12

13

14

15

16

17 High Energy Composite Propellants, HP Typical HE propellants is composite propellant mixture (with AP) and some high- energy explosive added to it. This extra component usually is in the form of small crystals of RDX or HMX, both of which have higher energy than ammonium perchlorate.

18 Burning of composite propellant mixture based on AP

19 Kompozytowe materiały pędne, zwłaszcza w porównaniu do dwubazowych prochów bezdymnych, spalają sie o wiele wydajniej. Pozwalają przy tym osiągnąć wyższe wartości impulsu właściwego (średnio o 50 do 70 sekund), głównie dzięki wyższej temperaturze płomienia, powodowanej dodatkiem metalu. Gwarantują jednocześnie relatywnie nisze wartości ciśnienia w komorze spalania silnika. Jednakże charakteryzują sie one niskociśnieniową granice palności (z kolei część homogenicznych rakietowych materiałów pędnych odznacza sie posiadaniem tzw. wysokociśnieniowej granicy palności). W składzie gazów spalinowych zaś może pojawiać sie nawet do 30% cząstek stałych.

20 Czynione są ciągłe postępy w dziedzinie ulepszania rakietowych materiałów jednorodnych (szeroka gama prochów bezdymnych). Opracowywane sa tutaj coraz to nowsze kompozycje, zsyntetyzowano i wprowadzono do użytku praktycznego „zamienniki” tradycyjnych do tej pory związków takich jak nitroceluloza, nitrogliceryna czy dwunitrodwuetylenoglikol. Te „nowe” substancje oferują, oprócz wyższych parametrów energetycznych, takie lepsza stabilność, mniejsza wrażliwość (na niepożądany impuls termiczny lub te przejścia typu DDT) czy te trwałość. Nowoczesne paliwa tzw. wysokoenergetyczne (HP – High Power), to przede wszystkim paliwa zawierające w swoim składzie nitroaminy (heksogen, oktogen), perspektywiczne nitrozwiązki (CL-20, TNAZ lub ONC) lub te indywidua chemiczne typu soli jonowych (ADN) czy te relatywnie prostych pod względem budowy chemicznej, lecz ciagle jeszcze trudnych do uzyskiwania w praktyce pochodnych prostych związków chemicznych (np. FOX-7 czyli DADE).

21 Hybrid rocket propellants O 2, N 2 O or HTP with polymer fuel (e.g. HTPB) THALES films

22 Two typical hybrid designs (AIAA 95-2394) pressure fedturbo pump fed n Two typical hybrid designs (AIAA 95-2394)

23 Uzyskiwana wydajność impuls właściwy Czynniki ekonomiczne: dostępność, koszt, logistyka Proces wytwarzania ziarna: termoplastyczność, polimer odlewany, lepkość, reaktywność (korozyjność)‏ Środki bezpieczeństwa: Minimalizacja ryzyka wybuchu oraz pożaru w czasie pracy w układzie hybrydowym (głównie utleniacz)‏ Unikanie substancji toksycznych oraz kancerogennych (niektóre z czynników sieciujących)‏

24 Utleniacze i paliwa stosowane, lub możliwe do zastosowania, w hybrydowym silniku rakietowym Kryteria wyboru utleniacza oraz paliwa Pożądane właściwości fizyko-chemiczne

25 Pożądane cechy utleniacza Niska temperatura topnienia Duża gęstość Hipergoliczność w układzie z wybranym paliwem Hipergoliczność w układzie z wybranym paliwem Stabilność oraz długi „shelf life” Właściwości odpowiedniego medium cieplnego Dla regeneracyjnego chłodzenia: wysoka wartość ciepła właściwego, wysoka wartość przewodnictwa właściwego, wysoka temperatura wrzenia/rozkładu Własności medium dobrego do przepompowywania: możliwie niska prężność par oraz niewielka lepkość, niewielki wpływ temperatury na własności fizyczne takie jak, np. gęstość granice palności, rodzaj spalania oraz płomienia

26

27 LO 2 H2O2H2O2 N2O4N2O4 HNO 3 Liquid Oxygen Hydrogen Peroxide Nitrogen Tetroxode Nitric Acid Densitykg/m31140146014701520 Freezing point ℃ -218-11-42 Boiling point ℃ -183+1502286 Vapor pressure 1bar (-183 ℃ )0.003 bar (25 ℃ ) Explosion hazardrelatively safe safe Advantages ecologically-clean low cost widely used storable ecologically-clean very low vapor ressure storable widely used storable Disadvantages low density Cryogenic (nonstorable) High freezing pointtoxic narrow range as liquid toxic corrosive also work as monopropellant widely used with MMH, UDMH Widely used with UDMH, Amine Comparison of Oxidizers

28 Characteristics of H 2 O 2 as Propellants H 2 O 2 (HTP) can wok as monopropellant or oxidizer for bipropellant –First utilized monopropellant –Powerful oxidizer for bipropellant (LOx > N 2 O 4 > HNO 3 ≈ H 2 O 2 ) Non-toxic, storable propellant * Environmentally-clean products of combustion High density * Non-reaction with atmosphere Low vapor pressure * High specific heat * High O/F ratio * Water can be used as a quenching fluid * Various gas can be used as pressurant

29 Temperature of combustion (K) Density (Kg/m3) Characteristic velocity (m/s) ISP (sec) 75%6301330740117 80%760--129 90%10151400930148 95%115514201000155 98%122514301020161 100%128514501045163 provides lower temperature than the limit temperature of turbine material –Efficiency is not so high like bi-propellant GG system –But system is simple and reliable H 2 O 2 (HTP) as Monopropellant

30 Monopropellants HTP Other monopropellants are: hydrazine (N 2 H 4 ), nitro-methane (CH 3 NO 2 ), ethylene oxide (C 2 H 4 O), nitrous oxide (N 2 O), ADN (NH 4 + N(NO 2 ) 2 -, HAN (NH 3 OHNO 3 ). Many of propellants are highly unstable, many are highly toxic and some are both...

31 The next-generation formulations may provide higher specific impulse values (>240 s), which might reduce propellant system mass fractions by up to 25 percent, while still maintaining the nontoxic and thermal benefits. Candidate formulations have already been tested in a laboratory reactors and will be further developed. Since HAN-based formulations generally have higher molecular weights than N 2 H 4, higher combustion temperatures are required to achieve N 2 H 4 -like performance. This will require the development of high-temperature catalyst materials or non-catalytic decomposition methods. Other questions are connected to the safety issues and its explosibility... Monopropellants

32 600km SSO Dziękuję za uwagę!