Ammoniumperklorat komposittdrivmiddel - Ammonium perchlorate composite propellant

Ammoniumperklorat komposittdrivmiddel ( APCP ) er et moderne drivstoff som brukes i rakettkjøretøyer med fast drivstoff . Det skiller seg fra mange tradisjonelle faste rakettdrivmidler som svart pulver eller sink-svovel , ikke bare i kjemisk sammensetning og generell ytelse, men også ved arten av hvordan det behandles. APCP støpes i form, i motsetning til pulverpressing som med svart pulver. Dette gir produksjonsregularitet og repeterbarhet, som er nødvendige krav for bruk i luftfartsindustrien.

Bruker

Ammoniumperklorat -komposittdrivmiddel brukes vanligvis i romfartsfremdrivingsapplikasjoner, hvor enkelhet og pålitelighet er ønsket og spesifikke impulser (avhengig av sammensetning og driftstrykk ) på 180–260 sekunder er tilstrekkelige. På grunn av disse ytelsesattributtene, er APCP regelmessig implementert i booster program, for eksempel i Space Shuttle Solid Rocket Boosters , fly utstøting seter , og spesialitet plass leteprogrammer som NASAs Mars Exploration Rover nedstigningen scenen retrorockets . I tillegg bruker rakettsamfunnet med høy effekt regelmessig APCP i form av kommersielt tilgjengelige drivstoff "reloads", så vel som engangsmotorer. Erfarne eksperimentelle og amatørraketter jobber også ofte med APCP og behandler APCP selv.

Sammensetning

Oversikt

Ammoniumperklorat -komposittdrivmiddel er et komposittdrivmiddel, noe som betyr at det har både drivstoff og oksydasjonsmiddel blandet med et gummiaktig bindemiddel , alt kombinert til en homogen blanding. Drivmiddelet er oftest sammensatt av ammonium-perklorat (AP), en elastomer bindemiddel slik som hydroksyl-avsluttet polybutadien (HTPB) eller polybutadien akrylsyre akrylnitril prepolymer (PBAN), pulverisert metall (vanligvis av aluminium ), og forskjellige forbrenningsratekatalysatorer . I tillegg herdende tilsetninger indusere elastomer bindemiddel tverrbinding for å størkne drivmidlet før bruk. Perkloratet fungerer som oksydasjonsmiddel , mens bindemiddelet og aluminiumet tjener som drivstoff . Brenningshastighetskatalysatorer bestemmer hvor raskt blandingen brenner. Det resulterende herdede drivstoffet er ganske elastisk (gummiaktig), noe som også bidrar til å begrense brudd under akkumulerte skader (for eksempel forsendelse, installering, skjæring) og applikasjoner med høy akselerasjon som hobby eller militær rakett. Dette inkluderer romfergeoppdragene , der APCP ble brukt for de to SRB -ene.

Sammensetningen av APCP kan variere vesentlig avhengig av applikasjonen, tilsiktede brenningsegenskaper og begrensninger som termiske begrensninger på dysen eller spesifikk impuls (Isp). Grove masseforhold (i konfigurasjoner med høy ytelse) har en tendens til å være omtrent 70/15/15 AP/HTPB/Al, selv om ganske høy ytelse "lite røyk" kan ha sammensetninger på omtrent 80/18/2 AP/HTPB/Al. Selv om metallbrensel ikke er nødvendig i APCP, inkluderer de fleste formuleringer minst noen få prosent som forbrenningsstabilisator, drivmiddel -opacifier (for å begrense overdreven forvarming av infrarød drivstoff) og øke temperaturen på forbrenningsgassene (økende Isp).

Vanlige arter

Oksidasjonsmidler:

Brennstoff med høy energi:

Lavenergibrennstoff som fungerer som bindemidler:

Spesielle hensyn

Selv om økning av forholdet mellom metall-brensel for å oksidant opp til den støkiometriske punkt vil øke forbrenningstemperaturen, nærvær av en økende molare fraksjon av metalloksyder, spesielt aluminiumoksyd (Al 2 O 3 ) utfelling fra gass oppløsning skaper små dråper av faste stoffer eller væsker som reduserer strømningshastigheten ettersom den gjennomsnittlige molekylmassen for strømmen øker. I tillegg endres den kjemiske sammensetningen av gassene, og varierer den effektive varmekapasiteten til gassen. På grunn av disse fenomenene eksisterer det en optimal ikke-støkiometrisk sammensetning for å maksimere Isp på omtrent 16 vekt%, forutsatt at forbrenningsreaksjonen er fullført inne i forbrenningskammeret .

Forbrenningstiden for aluminiumpartiklene i den varme forbrenningsgassen varierer avhengig av aluminiumpartikkelstørrelse og form. I små APCP -motorer med høyt aluminiumsinnhold tillater ikke oppholdstiden til forbrenningsgassene fullstendig forbrenning av aluminiumet, og dermed brennes en betydelig brøkdel av aluminiumet utenfor forbrenningskammeret, noe som fører til redusert ytelse. Denne effekten reduseres ofte ved å redusere aluminiumpartikkelstørrelsen, indusere turbulens (og derfor en lang karakteristisk banelengde og oppholdstid), og/eller ved å redusere aluminiuminnholdet for å sikre et forbrenningsmiljø med et høyere netto oksidasjonspotensial, noe som sikrer mer komplett aluminium forbrenning. Forbrenning av aluminium inne i motoren er den hastighetsbegrensende veien siden dråpene i væske-aluminium (selv fremdeles væske ved temperaturer 3000 K) begrenser reaksjonen til et heterogent globulegrensesnitt, noe som gjør overflatearealet til volumforholdet en viktig faktor for å bestemme forbrenningsboligen tid og nødvendig brennkammerstørrelse/lengde.

Partikkelstørrelse

Drivstoffpartikkelstørrelsesfordelingen har stor innvirkning på APCP -rakettmotorytelsen. Mindre AP- og Al -partikler fører til høyere forbrenningseffektivitet, men fører også til økt lineær forbrenningshastighet. Brenningshastigheten er sterkt avhengig av gjennomsnittlig AP -partikkelstørrelse ettersom AP absorberer varme for å brytes ned i en gass før den kan oksidere drivstoffkomponentene. Denne prosessen kan være et hastighetsbegrensende trinn i den totale forbrenningshastigheten til APCP. Fenomenet kan forklares ved å vurdere forholdet mellom varme-flux-til-masse: Når partikkleradien øker volumet (og derfor massen og varmekapasiteten) øker etter hvert som radiusens kube. Overflatearealet øker imidlertid som kvadratet av radius, som er omtrent proporsjonalt med varmestrømmen inn i partikkelen. Derfor maksimeres en partikkels temperaturstigningshastighet når partikkelstørrelsen er minimert.

Vanlige APCP -formuleringer krever 30–400 um AP -partikler (ofte sfæriske), samt 2–50 um Al -partikler (ofte sfæriske). På grunn av størrelsesforskjellen mellom AP og Al, vil Al ofte innta en mellomliggende posisjon i et pseudo-gitter av AP-partikler.

Kjennetegn

Geometrisk

APCP deflagrates fra overflaten av eksponert drivmiddel i forbrenningskammeret. På denne måten spiller geometrien til drivstoffet inne i rakettmotoren en viktig rolle i den generelle motorytelsen. Etter hvert som drivstoffets overflate brenner, utvikler formen seg (et emne for studier innen intern ballistikk), og endrer oftest drivstoffets overflate som er utsatt for forbrenningsgassene. Den massestrøm (kg / s) [og derfor trykk] av forbrenningsgasser som dannes er en funksjon av den øyeblikkelige overflateareal (m 2 ), drivmiddel tetthet (kg / m 3 ), og lineær brennhastighet (m / s):

Flere geometriske konfigurasjoner brukes ofte avhengig av applikasjon og ønsket trykkraftkurve :

  • Sirkulær boring simulering

  • C-Slot-simulering

  • Månebrenner simulering

  • 5-punkts finocylsimulering

  • Sirkulær boring: hvis den er i BATES- konfigurasjon, gir den progressiv-regressiv trykkraftkurve.
  • Sluttbrenner: drivstoff brenner fra en aksial ende til en annen som gir jevn lang brenning, men har termiske vanskeligheter, CG -skift.
  • C-spor: drivmiddel med stor kile kuttet ut av siden (langs aksial retning), og gir ganske lang regressiv kraft, men har termiske vanskeligheter og asymmetriske CG-egenskaper.
  • Månebrenner: sirkulær boring utenfor senteret gir progressiv-regressiv langbrenning, men har små asymmetriske CG-egenskaper.
  • Finocyl: vanligvis en 5 eller 6 benet stjernelignende form som kan produsere veldig jevnt trykk, med litt raskere brenning enn sirkulær boring på grunn av økt overflateareal.

Brenningshastighet

Selv om overflaten enkelt kan skreddersys ved forsiktig geometrisk utforming av drivstoffet, er forbrenningshastigheten avhengig av flere subtile faktorer:

  • Drivstoffets kjemiske sammensetning.
  • AP, Al, additive partikkelstørrelser.
  • Forbrenningstrykk.
  • Varmeoverføringsegenskaper .
  • Erosiv brenning (høyhastighetsflyt som beveger seg forbi drivstoffet).
  • Starttemperatur på drivstoff.

Oppsummert har imidlertid de fleste formuleringer en forbrenningshastighet mellom 1-3 mm/s ved STP og 6–12 mm/s ved 68 atm. Brenningskarakteristikkene (for eksempel lineær brennhastighet) bestemmes ofte før rakettmotorskyting ved hjelp av en strengbrennertest . Denne testen lar APCP -produsenten karakterisere brennhastigheten som en funksjon av trykk. Empirisk holder APCP seg ganske godt til følgende effektfunksjonsmodell:

Det er verdt å merke seg at typisk for APCP er n 0,3–0,5 som indikerer at APCP er underkritisk trykkfølsom. Det vil si at hvis overflaten ble holdt konstant under en brenning, ville forbrenningsreaksjonen ikke løpe bort til (teoretisk) uendelig ettersom trykket ville nå en indre likevekt. Dette er ikke å si at APCP ikke kan forårsake en eksplosjon , bare at den ikke vil detonere. Dermed ville enhver eksplosjon være forårsaket av at trykket overstiger burst -trykket i beholderen (rakettmotor).

Modell/rakettapplikasjoner med høy effekt

En rakettoppskytning med høy effekt ved bruk av en APCP-motor

Kommersielle APCP-rakettmotorer kommer vanligvis i form av omlastbare motorsystemer (RMS) og ferdig monterte engangsrakettmotorer. For RMS lastes APCP " kornene " (sylinder av drivmiddel) inn i det gjenbrukbare motorhuset sammen med en sekvens av isolasjonsskiver og o-ringer og en ( grafitt eller glassfylt fenolharpiks ) dyse. Motorkabinettet og lukningene kjøpes vanligvis separat fra motorprodusenten og er ofte presisjonsbearbeidet av aluminium. Den samlede RMS inneholder både gjenbrukbare (vanligvis metall) og engangskomponenter.

De viktigste APCP -leverandørene for hobbybruk er:

For å oppnå forskjellige visuelle effekter og flytegenskaper tilbyr hobby APCP -leverandører en rekke forskjellige karakteristiske drivstofftyper. Disse kan variere fra hurtigbrenning med lite røyk og blå flamme til klassisk hvit røyk og hvit flamme. I tillegg er fargede formuleringer tilgjengelig for å vise rødt, grønt, blues og til og med svart røyk.

I rakettapplikasjoner med middels kraft og høy effekt har APCP i stor grad erstattet svart pulver som rakettdrivmiddel. Komprimerte svarte pulversnegler blir utsatt for brudd i større applikasjoner, noe som kan resultere i katastrofale feil i rakettbiler. APCPs elastiske materialegenskaper gjør den mindre sårbar for brudd på grunn av utilsiktet sjokk eller høyakselerasjon. På grunn av disse egenskapene har utbredt bruk av APCP og relaterte drivstofftyper i hobbyen forbedret sikkerheten til rakett.

Miljø og andre hensyn

Eksosen fra APCP solid rakettmotorer inneholder stort sett vann , karbondioksid , hydrogenklorid og et metalloksid (vanligvis aluminiumoksyd ). Hydrogenkloridet kan lett oppløses i vann og danne etsende saltsyre . Miljøskjebnen til hydrogenklorid er ikke godt dokumentert. Saltsyrekomponenten i APCP -eksos fører til kondens av atmosfærisk fuktighet i fjæren, og dette forbedrer den synlige signaturen til kontrailen. Denne synlige signaturen førte blant annet til forskning på renere brennende drivmidler uten synlige signaturer. Minimumsdrivstoff for signatur inneholder hovedsakelig nitrogenrike organiske molekyler (f.eks. Ammoniumdinitramid ), og avhengig av oksydasjonskilden kan de brenne varmere enn APCP-komposittdrivmidler.

Regulering og lovlighet

I USA er APCP for hobbybruk indirekte regulert av to ikke-statlige etater: National Association of Rocketry (NAR) og Tripoli Rocketry Association (TRA). Begge byråene fastsetter regler om impulsklassifisering av rakettmotorer og sertifiseringsnivået som kreves av rakettførere for å kjøpe visse impuls (størrelse) motorer. NAR og TRA krever at motorprodusenter sertifiserer motorene sine for distribusjon til leverandører og til syvende og sist hobbyister. Leverandøren er ansvarlig (av NAR og TRA) for å sjekke amatører for rakettsertifisering med høy effekt før et salg kan gjøres. Mengden APCP som kan kjøpes (i form av en rakettmotoropplasting) korrelerer med impulsklassifiseringen, og derfor reguleres mengden APCP som kan kjøpes av en hobbyist (i et enkelt omlastingssett) av NAR og TRA.

Den overordnede lovligheten om implementering av APCP i rakettmotorer er skissert i NFPA 1125. Bruk av APCP utenfor hobbybruk er regulert av statlige og kommunale brannkoder. 16. mars 2009 ble det bestemt at APCP ikke er et eksplosiv, og at produksjon og bruk av APCP ikke lenger krever lisens eller tillatelse fra ATF .

Fotnoter

Referanser