Flydende drivmiddel

I astronautik kalder vi flydende drivmiddel ethvert kemisk system, der består af et eller flere drivmidler, der er lagret i flydende tilstand , ved at producere ved nedbrydning eller ved forbrænding en gasblanding, hvis ekspansion gennem en dyse giver en trykkraft . Sådanne drivmidler gør det ikke muligt at nå meget høje hastigheder, men tilbyder tilstrækkelig kraft i den tid, der er nødvendig for at overvinde tyngdekraften og placere nyttelast i kredsløb. De bruges derfor ofte til at give den nødvendige drivkraft for løfteraketter til at tage afsted og til at manøvrere dem i rummet.

Mængder, der karakteriserer et drivmiddel

Disse mængder er introduceret i artiklen "  Rocket engine  ".

Specifik impuls

Bemærkede jeg sp og måles i sekunder, specifik impuls angiver den tid, hvor en masse af et kilogram drivmiddel kan tilvejebringe en trykkraft på ene kilopond , dvs. 9,806 65  N  :

, hvorfra

med:

Denne ligning understreger, at den specifikke impuls for lige tryk vil være desto højere, da massestrømningshastigheden vil være lav, hvilket betyder, at drivmidler, hvis forbrændingsprodukter har en lav molær masse , foretrækkes .

Den specifikke impuls er ikke en absolut mængde af et drivmiddel, men afhænger af raketmotorens ydeevne og især af det tryk, der opnås i forbrændingskammeret , hvilket kan påvirke systemets ydeevne med 10 til 15%. Det afhænger også af udvidelsen af ​​udstødningsgasserne i dysen , hvis geometri skal være optimal for at maksimere tryk , og det afhænger derfor også af trykket uden for raketten: den specifikke impuls er maksimal i det tomme, men er næsten 15% lavere ved start ved havoverfladen.

I litteraturen er de specifikke impulsværdier angivet i vakuum og under ideelle termodynamiske forhold, så de udgør øvre grænser, hvor praktiske værdier generelt er 5 til 10% lavere.

Udstødningshastighed for udstødningsgas

Da forholdet mellem trykkraft og massestrøm er lig med udstødningsgassernes udstødningshastighed, kan den specifikke impuls af et drivmiddel også udtrykkes ved hjælp af udstødningshastigheden udtrykt i meter pr. Sekund i overensstemmelse med ligestilling:

med:

Drivmassefraktion, delta V, pulsdensitet

Massefraktion

Den massefraktionen af drivmidlet er forholdet mellem den endelige masse af launcher (efter forbrænding af drivmidlet) og dens oprindelige masse (med drivmidlet før dens forbrænding):

med:

Det er en mængde, der både afhænger af bærerakettens design og af densiteten af det anvendte drivmiddel.

Delta V

Desuden betegner udtrykket "delta V" almindeligvis den øgede hastighed, der tilføres et rumfartøj ved forbrænding af en given mængde drivmiddel . I mangel af et tyngdekrafts- og friktionsfelt gør Tsiolkowskis ligning det muligt blot at udtrykke delta V fra drivstoffets massefraktion :

med:

Vi kan tydeligt se med dette udtryk, at det er nødvendigt at maksimere delta V:

  1. bruge et drivmiddel , der tillader udstødningsgasserne at blive udstødt ved en hastighed v e så højt som muligt
  2. maksimere forholdet M fuld / M tom , hvilket betyder:

Delta V afhænger derfor både af rumfartøjets masse og af de anvendte drivmidlers iboende egenskaber ( densitet og udstødningshastighed) .

Pulstæthed

Den tilsyneladende tæthed af drivmidlet er et henføringspunkt som bestemmende som dets specifikke impuls , man definerer impulstætheden (eller densitet af impulsen) som produktet af disse to størrelser:

med:

  • I d impulsdensiteten udtrykt i s kg m −3
  • d prop drivmiddelets tilsyneladende densitet målt i kg / m 3
  • Jeg sp den specifikke puls målt i sekunder

Det er undertiden drejningsmomentet ( I sp ,  I d ) snarere end momentet ( v e ,  d prop ), der er angivet i tabellerne med numeriske værdier på flydende drivmidler.

Kvaliteter af et flydende drivmiddel

Hypergolisk / ikke-hypergolisk

Et par drivmidler kaldes hypergolisk, som, når de bringes i kontakt med hinanden, autokatalyserer deres egen redox  : forbrændingen initieres spontant uden behov for et system. Tænding, hvilket forenkler produktionen af raketmotoren . Fremdrivningens pålidelighed forbedres, fordi det bliver muligt at styre tryk ved hjælp af to ventiler (en pr. Drivmiddel ) uden at skulle ty til komplekse og skrøbelige tændingskontrolsystemer. Derudover forhindrer selve drivmidlernes natur dem i at ophobes i form af en eksplosiv blanding, der forårsager skadelige overtryk på tændingstidspunktet ( hård start ). På den anden side er sådanne hypergoler generelt farlige at håndtere på grund af deres høje kemiske reaktivitet.

Det kvalificerer af kryogen et drivmiddel , hvori mindst én af drivmidlet bør holdes ved en temperatur under -150  ° C , temperatur, ved hvilken visse luftgasser kondensere ved omgivelsestryk. Sådanne drivmidler er generelt meget effektive, men kan kun bruges til start fra jorden , fordi de ikke kan opretholdes i lang tid ved den krævede temperatur, når de er fyldt i løfteraket . Dette er især tilfældet med flydende brint , som begynder at fordampe, så snart det er i et reservoir.

I modsætning hertil kan drivbare drivmidler, der kan lagres, holdes flydende over lange perioder uden at kræve særlige faciliteter til at opbevare dem.

Udvikling og anvendelse af flydende drivmidler

I 1940'erne

Grundlaget for astronautik blev lagt af tyske ingeniører under Anden Verdenskrig gennem en række tekniske innovationer understøttet af en hel række kemiske stoffer, der traditionelt er udpeget ved hjælp af et brev, især (omtrentlige sammensætninger i massefraktion):

Efter Anden Verdenskrig

Specielt udviklet på bekostning af livet for mange krigsfanger blev tysk kemisk fremdriftsteknologi taget op i 1950'erne af amerikanske og sovjetiske ingeniører, der eksperimenterede med andre stoffer, undertiden eksotiske, såsom tetrafluorhydrazin N 2 F 4med pentaboran B 5 H 9.

Den ethanol H 3 C-CH 2 OHblev brugt i vid udstrækning, rent eller blandet med andre brændstoffer, af tyske og derefter allierede ingeniører i 1940'erne på grund af sin høje latente fordampningsvarme, hvilket gjorde det muligt at bruge det til at køle motorer. Dets ydeevne er ikke desto mindre lavere end det , der er tilladt af kulbrinter , som er tættere og mere energiske. Den største hindring for brugen af ​​kulbrinter som raketbrændstof var deres dårlige termiske opførsel: Når de passerer gennem motorens kølekredsløb, havde de tungere fraktioner tendens til at polymerisere og blokere boblerne som følge af fordampningen af ​​fraktionerne. Den letteste, som ender med at blokere kredsløbene.

Disse problemer blev løst i midten af 1950'erne ved alvorligt at reducere svovlindholdet , hvilket fremmer polymerisation , såvel som det af umættede kulbrinter (mest sandsynligt at polymerisere), mens de favoriserer forgrenede og cykliske alkaner , som er mere modstandsdygtige over for varme end lineære alkaner. De søgte arter er af C 12- ladderane- typen. Dette førte til udviklingen af RP-1 , Refined Petroleum-1 eller Rocket Propellant-1 afhængigt af versionen. Med udviklingen af ​​olieindustrien og raffineringsteknikker har RP-1 og flydende brint siden etableret sig som kraftbrændstoffer, mens hydrazinhydrat N 2 H 4• H 2 O( B-Stoff ) blev erstattet af vandfrie methylerede former, monomethylhydrazin H 2 N-NHCH 3(MMH) og asymmetrisk dimethylhydrazin H 2 N-N (CH 3 ) 2 (UDMH) for at øge ydeevnen i præcisionsmanøvrer.

På oxidantsiden forblev flydende ilt oxidatoren til kraftanvendelser med petroleum ( RP-1 ) og flydende brint , mens forskning på SV-Stoff havde til formål at stabilisere salpetersyre HNO 3.for at begrænse de skadelige virkninger af nitrogendioxiddampe NO 2frigives rigeligt af salpetersyre (disse dampe er også grunden til, at HNO 3koncentrat kaldes fuming salpetersyre , WFNA på engelsk, for White Fuming Salpetersyre ). Dette blev gjort ved at fortynde HNO 3i nitrogen peroxid N 2 O 4, hvilket gav det hele en rødlig farve (deraf navnet rød fuming salpetersyre , RFNA på engelsk), mens korrosionsproblemet med tankene blev løst ved tilsætning af HF flussyre for at passivere overfladen inde i tankene ved at deponere et lag metalfluor deri: dette kaldes hæmmet rødrøgende salpetersyre eller IRFNA på engelsk.

I dag

Det er almindeligt at formelt skelne mellem tre typer flydende drivmidler efter antallet af drivmidler, der udgør dem:

  1. de monopropellants (eller monoergols ), som er sammensat af kun ét drivmiddel;
  2. de diergols (eller bipropellant ), som er sammensat af de to komponenter;
  3. de triergols , som er sammensat af tre drivmiddel.

Denne nomenklatur er faktisk ret kunstig, fordi den grundlæggende forskel ligger mellem monopropellanter og andre flydende drivmidler:

  • monopellanter fungerer på basis af en katalyseret eksoterm nedbrydning;
  • de andre drivmidler er baseret på forbrændingen af ​​et eller flere brændstoffer i en eller flere oxidatorer.
Hydrazin

Den hydrazin N 2 H 4er det mest anvendte monopropelant , især i de sidste nedstigningsfaser af rumsonder, inden de lander på deres mål: dette var tilfældet med landingsmændene til Viking-programmet såvel som Phoenix- missionen , der ankom Mars den25. maj 2008. Den Mars Reconnaissance Orbiter blev sat i kredsløb med et reservoir af mere end et ton af hydrazin at stabilisere sin bane omkring Mars . Hydrazin nedbrydes meget eksotermt på en metallisk katalysator af iridiumaluminiumoxid Al 2 O 3eller carbon-nanofibre / grafit eller molybdænitridaluminiumoxid , som katalyserer reaktionerne:

  1. 3 N 2 H 4→ 4 NH 3+ N 2
  2. N 2 H 4N 2+ 2 H 2
  3. 4 NH 3+ N 2 H 4→ 3 N 2+ 8 H 2

Disse reaktioner frigiver tilstrækkelig energi til at drive forbrændingskammeret til 800  ° C i et millisekund med meget god effektivitet, hvilket resulterer i en specifik vakuumimpuls på ca. 220  s .

Udviklingen af ​​lagringsbare drivteknologier er blevet gennemført til et stort set militært formål, hovedsageligt for at give arsenaler et batteri af missiler, der er klar til at blive affyret så hurtigt som muligt over den længst mulige periode fra 'installationer så små som muligt. De fleste russiske og amerikanske løfteraketter med drivbare drivmidler stammer således fra interkontinentale ballistiske missiler .

Aérozine 50, UDMH, UH 25 eller MMH brændstoffer

Blandingen 50% hydrazin H 2 N-NH 2+ 50% UDMH H 2 N-N (CH 3 ) 2kaldes aerozin 50 . Det er et brændstof, der blev udviklet i USA i 1950'erne, oprindeligt for at udstyre Titan II- missiler , ved oprindelsen af bæreraketter, hvorefter dette brændstof blev udbredt i astronautik  ; han blev især beæret i Apollo 11- missionen for at have sikret landing og derefter start af LEM . Den aerozine 50 er lidt mindre tæt end den hydrazin ren og har et kogepunkt noget lavere, men giver stabilitet og en responstid med den optimerede NTO (nitrogen peroxid N 2 O 4).

Frankrig havde valgt i 1960'erne til et NTO / UDMH fremdrift med Diamant raketter , til grund for Ariane-programmet  : opsendt fra Hammaguir ( Algeriet ) frem til 1967, derefter fra Guyanas Space Center i Kourou fra 1970, de Diamant raketter havde tre fiaskoer og ni succeser, herunder at sætte banen i Asterix- satellitten i 1965 såvel som Castor og Pollux i 1975. For at sikre fremdriften af Ariane 1- bæreraketten havde Ariane-programmet valgt i kontinuiteten af ​​Diamant raketter, for ren UDMH fremdrift , hvilket delvist var på oprindelsen af svigt af den anden lancering af raketten, i 1980. efter dette, Ariane 2 til Ariane 4 løfteraketter betjenes med UH 25 , en blanding 75% UDMH H 2 NN (CH 3 ) 2+ 25% hydrazinhydrat H 2 N-NH 2• H 2 O, Ariane 4 bliver en af ​​de mest pålidelige bæreraketter i verden med en succesrate på over 97%.

Den MMH H 2 N-NHCH 3efterfølgende pålagt sig over for forskellige kombinationer af hydrazin og UDMH til drift i rummet; det skal bruges i orbitalt manøvreringssystem (OMS) i rumfærgen til NASA og i Ariane 5 's lagringsbare drivmiddel (EPS) .

Særligt giftige, disse forbindelser er genstand for forskning for at erstatte dem med mindre farlige ækvivalenter, for eksempel DMAZ ( 2-azido- N , N- dimethylethanamin (CH 3 ) 2 N - CH 2 – CH 2 – N = N + = N -).

NTO eller MON oxidator

Den nitrogen peroxid N 2 O 4, generelt betegnet med NTO (for nitrogentetroxid ), er den "historiske" oxidant med alle disse nitrogenholdige brændstoffer: den er både hypergolisk med dem og kan opbevares under terrestriske forhold. Det bruges sjældent rent, men blandet med nitrogenmonoxid N20 i variable forhold for at begrænse virkningerne af korrosion af NTO, især på titaniumlegeringer, der anvendes i fremdrivningssystemer. En blanding af x  % N20 med (100 x )% NTO kaldes MON - x (for blandede kvælstofoxider ), grænsen er MON-40; Amerikanere bruger generelt MON-3, mens europæere synes at foretrække MON-1.3.

Drivmidlet NTO / aerozin 50 anvendes hovedsageligt til start, MON / MMH- systemerne bruges til orbitaljusteringer i rummet på temmelig store maskiner og i perioder med brug i størrelsesordenen et par uger, og hydrazin som mono- drivmiddel er fortsat den foretrukne løsning til positionering af mindre maskiner såsom satellitter eller sonder over tidsperioder på måneder eller endda år.

LOX / RP-1, LH2 eller CH4 kryogene drivmidler LOX / RP-1 drivmiddel

Den RP-1 har været meget anvendt i USA i 1960'erne og 1970'erne som magt brændstof til de første faser af løfteraketter såsom raketter Atlas , Titan jeg , Delta , Saturn I og jeg B , og selvfølgelig Saturn V , berømt til lancering af Apollo-programmet og Skylab- laboratoriet . Både tæt og opbevarbar, optimeret til raketmotorer , det giver fremragende startpræstation med flydende ilt , der ofte omtales med akronymet LOX.

I modsætning til nitrogenholdige drivmidler er LOX / RP-1-systemet ikke hypergolisk og kræver derfor et tændingssystem i motoren for at starte forbrænding. Det er 8% mindre tæt end NTO / aerozin 50-systemet, men giver en lidt højere specifik impuls (3%). Frem for alt er det meget mindre farligt at håndtere.

Delta- løfteraketter , der skulle trækkes tilbage fra tjeneste i 1980'erne til fordel for rumfærger , blev bragt tilbage i forgrunden efter Challenger- eksplosionen i 1986, og Delta II forblev en grundpiller i amerikansk astronautik indtil slutningen af 2010'erne med en imponerende række rumsonder lanceret i solsystemet  ; deres første etape blev drevet af LOX / RP-1, mens den anden blev drevet af NTO / aerozine 50 . Disse løfteraketter blev trukket tilbage fra tjeneste iseptember 2018.

LOX / LH2 drivmiddel

Det flydende brint , generelt betegnet med akronymet LH2, er det mest kraftfulde brændstof, der anvendes sammen med det flydende ilt  : dets specifikke impuls er større med ca. 30% end RP-1 , men bulkdensiteten af et LOX / LH2-system er også næsten 30% lavere end for et LOX / RP-1-system. Dens anvendelse skaber derfor problemer med tankstørrelse og start aerodynamik , idet friktionskræfterne på bæreraketten er i stand til at miste den energifordel, der leveres af LH2-systemer sammenlignet med RP-1-systemer.

Desuden flydende brint er en særligt flygtig stof, hvis håndtering skal tage hensyn til den høje risiko for eksplosion, ved at have en robust kryogen teknologi gør det muligt at håndtere en væske ved en temperatur aldrig overstiger 20.28  K eller -252,87  ° C . Endelig er brintoverflydelsesteknologi dyr i energi og skal håndtere problemet med dihydrogenets spin-isomerisme  : ved stuetemperatur repræsenterer orthohydrogen 75% af molekylerne, en andel, der falder til 0,21% ved stuetemperatur. Den flydende tilstand i slutningen af en eksoterm overgang, som har tendens til at opvarme brintet, når det først er flydende ved at fremskynde dets fordampning.

LOX / CH4 drivmiddel

De metan flere operationelle fordele, som gør den konkurrencedygtig med den flydende oxygen i forhold til den flydende brint trods specifik impuls teoretisk ca. 380  s , mod omkring 450  s for systemet LOX / LH2 , en værdi 16% lavere. Faktisk brugte teknologien raketmotorer til flydende drivmidler fra 2020'erne at arbejde ved højere tryk, hvilket forbedrer deres ydeevne betydeligt, mens flydende metan og håndtering af flydende metan kræver mindre komplekse og billigere faciliteter end dem, der er nødvendige for flydende brint, meget køligere: temperaturintervallerne, hvor disse stoffer findes i flydende tilstand ved atmosfærisk tryk, er 54 til 90  K for ilt , 91 til 112  K for flydende methan, men 14 til 20  K for brint . Denne teknologi blev udviklet gennem motoren Prometheus fra ArianeGroup motoren Raptor fra SpaceX og motor BE-4 fra Blue Origin  ; Foreløbige undersøgelser blev udført i 2000'erne af Rocketdyne på motoren RS-18  (in) i programmet Constellation of NASA , annulleret i 2010.

En anden fordel ved den flydende methan som et drivmiddel brændstof , kan det produceres lokalt på en anden planet Jorden ved en kombination af reaktion Sabatier og reaktionsgas modsætning vand ( RWGS ) i forbindelse med teknologier anvendelse af in situ ressourcer ( ISRU ), for eksempel på Mars .

Andre flydende drivmidler CLF3 eller CLF5 / N2H4

Den chlortrifluorid CIF 3og chlor pentafluorid CIF 5er to oxidanter, der blev undersøgt - og udviklet - under den kolde krig i kraft af deres høje densitet, lette opbevaring og ydeevne med hydrazin . De er ikke desto mindre forbindelser, der er virkelig farlige at håndtere, som har tendens til at antænde ethvert oxiderbart materiale, og som derfor udgør en stor fare for alle dem, der er involveret i håndtering af dem. Derudover indeholder deres udstødningsgasser hydrogenfluorid HF og hydrogenchlorid HCI, som er særligt skadelige for miljøet.

Triergoler

De triergols er blevet intensivt studeret i USA og Sovjetunionen, aldrig føre til konkrete resultater på grund af deres uoverkommelige omkostninger og især teknologiske hindringer for deres gennemførelse. De mest berømte er:

Digital sammenligning af flydende drivmidler

Nominelle data ved havoverfladen

Følgende rullemenu gengiver en ASCII- form Giver hovedmængderne, der kendetegner et flydende drivmiddel, ved hjælp af oxidant og brændstof, og angiver om nødvendigt nuancer af proportioner i blandingerne:

Nominelle parametre for standard flydende drivmidler ved havoverfladen Oxiderende middel: LOX  : Flydende ilt
Brændstof RM ISP
( er )
Id
( s g cm −3 )
Ve
( m / s )
C *
( m / s )
Tid
( K )
Masse
( g / mol )
Cp / Cv Massefylde
( g / cm 3 )
LH2  : Flydende brint 5.00 381 124 3.738 2 347 3.304 11.8 1.21 0,32
Flydende metan 2,77 299 235 2 932 1.842 3 379 19.6 1.21 0,79
Methanol 1.19 274 260 2.687 1.677 3 214 22.7 1.19 0,95
75% etanol + 25% vand 1.29 269 264 2.635 1643 3 167 23.4 1.19 0,98
95% ethanol + 5% vand 1.49 277 269 2.713 1.698 3 314 22.8 1.20 0,97
RP-1 (petroleum) 2.29 289 294 2.834 1787 3.526 21.6 1.22 1.02
Hydrazin 0,74 303 321 2 973 1.875 3.275 18.2 1.22 1.06
MMH  : Monomethylhydrazin 1.15 300 298 2 938 1 855 3 399 19.3 1.22 0,99
UDMH  : Asymmetrisk dimethylhydrazin 1,38 297 286 2 916 1.841 3.447 19.8 1.22 0,96
Aérozin 50  : 50% UDMH + 50% hydrazin 1.06 300 300 2 941 1.856 3 373 19.1 1.22 1,00
UH 25  : 75% UDMH + 25% hydrazinhydrat 1.22 299 292 2 928 1.848 3 412 19.5 1.22 0,98
Flydende ammoniak 1.28 287 253 2.815 1.765 3.020 19.1 1.20 0,88
Aniline 1,72 276 302 2 708 1.714 3.657 24.2 1.23 1,09
Tonka-250 1.97 283 288 2.780 1.754 3.543 22.5 1.22 1.02
PBHT  : Hydroxytelechelic Polybutadiene 2.12 282 299 2.766 1.747 3.612 23.1 1.22 1.06
Oxiderende middel: LF2  : Flydende fluor
Brændstof RM ISP
( er )
Id
( s g cm −3 )
Ve
( m / s )
C *
( m / s )
Tid
( K )
Masse
( g / mol )
Cp / Cv Massefylde
( g / cm 3 )
LH2  : Flydende brint 6.00 400 155 3 925 2.528 3.548 10.4 1.29 0,39
Methanol 2.20 321 376 3 146 2.030 4,402 19.9 1.30 1.17
72% Ethanol + 28% Vand 2.26 317 383 3 106 2004 4 344 20.2 1.30 1.21
Hydrazin 1,82 338 432 3.315 2 143 4,544 18.4 1.31 1.28
Flydende ammoniak 2.81 334 382 3 278 2 117 4.469 18.6 1.30 1.14
FLOX  : Flydende fluor + flydende ilt (massefraktion af fluor afhængigt af brændstof)
Brændstof RM ISP
( er )
Id
( s g cm −3 )
Ve
( m / s )
C *
( m / s )
Tid
( K )
Masse
( g / mol )
Cp / Cv Massefylde
( g / cm 3 )
79% LF2 / flydende metan 4,82 335 337 3.281 2 120 4,530 18.8 1.30 1.01
89% LF2 / 95% etanol + 5% vand 2,56 320 377 3 134 2.023 4.437 20.2 1.30 1.18
69% LF2 / RP-1 3.67 323 386 3 166 2.045 4,571 20.4 1.30 1.19
85% LF2 / MMH 2.33 333 399 3 264 2 110 4.583 19.2 1.31 1.20
80% LF2 / UDMH 2,60 330 383 3 239 2.093 4.591 19.5 1.31 1.16
88% LF2 / aerozin 50 2.22 334 403 3 273 2 115 4.575 19.0 1.31 1.21
83% LF2 / UH 25 2,41 332 411 3 255 2 104 4.584 19.3 1.31 1.24
57% LF2 / Anilin 2,41 306 373 3.006 1.939 4,517 22.4 1.30 1.22
67% LF2 / Tonka-250 3.07 317 374 3.114 2.010 4.553 21.0 1.30 1.18
62% LF2 / PBHT 3.14 314 380 3.082 1990 4.555 21.5 1.30 1.21
NTO  : Kvælstofperoxid
Brændstof RM ISP
( er )
Id
( s g cm −3 )
Ve
( m / s )
C *
( m / s )
Tid
( K )
Masse
( g / mol )
Cp / Cv Massefylde
( g / cm 3 )
LH2  : Flydende brint 6,50 340 137 3.334 2 103 2 973 13.1 1.22 0,40
Flydende metan 4.27 273 271 2.682 1.688 3.220 22.1 1.21 0,99
Methanol 1,78 258 288 2.528 1.583 3.058 24.1 1.20 1.12
75% etanol + 25% vand 1,93 253 293 2.479 1.551 3.006 24.8 1.20 1.16
95% ethanol + 5% vand 2.26 259 300 2.540 1.593 3 151 24.5 1.20 1.16
RP-1 3.53 267 330 2.619 1.653 3 342 23.9 1.22 1.24
Hydrazin 1,08 286 342 2 803 1.771 3 137 19.5 1.23 1.19
MMH  : Monomethylhydrazin 1,73 280 325 2.742 1.733 3.252 21.1 1.23 1.16
UDMH  : Asymmetrisk dimethylhydrazin 2.10 277 316 2.713 1.715 3 296 21.8 1.23 1.14
Aérozin 50  : 50% UDMH + 50% hydrazin 1,59 280 326 2.750 1.738 3 229 20.8 1.23 1.16
UH 25  : 75% UDMH + 25% hydrazinhydrat 1,85 278 321 2.730 1.725 3 268 21.4 1.23 1.15
Flydende ammoniak 1,89 267 278 2.615 1644 2.860 20.8 1.21 1.04
Aniline 2.64 259 336 2.538 1.606 3 452 26,0 1.23 1.30
Tonka-250 3.03 264 323 2.585 1.633 3 360 24.6 1.22 1.23
PBHT  : Hydroxytelechelic Polybutadiene 3.26 262 335 2.571 1.625 3.408 25.1 1.23 1.28
IRFNA  : Røddampende salpetersyre hæmmet
Brændstof RM ISP
( er )
Id
( s g cm −3 )
Ve
( m / s )
C *
( m / s )
Tid
( K )
Masse
( g / mol )
Cp / Cv Massefylde
( g / cm 3 )
LH2  : Flydende brint 8.00 317 147 3 112 1.957 2.795 14.3 1.21 0,46
Flydende metan 5.32 261 281 2.561 1.603 2 971 22.9 1.20 1,08
Methanol 2.13 249 292 2,441 1.524 2.824 24.2 1.19 1.17
75% etanol + 25% vand 2.30 244 296 2391 1492 2 758 24.7 1.19 1.21
95% ethanol + 5% vand 2.30 244 296 2391 1492 2 758 24.7 1.19 1.21
RP-1 4.42 256 335 2.514 1.576 3.076 24.4 1.20 1.31
Hydrazin 1.28 276 341 2 702 1.702 2 932 19.8 1.22 1.24
MMH  : Monomethylhydrazin 2.13 269 328 2.635 1.658 3.033 21.7 1.21 1.22
UDMH  : Asymmetrisk dimethylhydrazin 2,60 266 321 2 605 1.638 3.062 22.4 1.21 1.21
Aérozin 50  : 50% UDMH + 50% hydrazin 1,94 270 329 2.643 1.663 3.009 21.3 1.21 1.22
UH 25  : 75% UDMH + 25% hydrazinhydrat 2.27 267 324 2.622 1649 3 037 21.9 1.21 1.21
Flydende ammoniak 2.18 254 278 2487 1.562 2.572 20.7 1.21 1,09
Aniline 3.31 250 340 2 451 1.539 3 160 26.2 1.21 1.36
Tonka-250 3,79 254 328 2488 1.560 3.087 25,0 1.20 1.29
PBHT  : Hydroxytelechelic Polybutadiene 4.09 252 340 2.476 1.553 3 124 25.5 1.20 1.34
85% hydrogenperoxid + 15% vand
Brændstof RM ISP
( er )
Id
( s g cm −3 )
Ve
( m / s )
C *
( m / s )
Tid
( K )
Masse
( g / mol )
Cp / Cv Massefylde
( g / cm 3 )
LH2  : Flydende brint 14.00 294 180 2 882 1.801 2.544 15.6 1.19 0,61
Flydende metan 9.19 260 289 2.550 1.586 2.590 20.6 1.18 1.11
Methanol 3.55 251 296 2,464 1.533 2.511 21.4 1.18 1.17
75% etanol + 25% vand 3,77 247 295 2 425 1.508 2,447 21.5 1.18 1.20
95% ethanol + 5% vand 4,62 252 304 2.476 1.540 2.552 21.5 1.18 1.20
RP-1 7,84 258 324 2.530 1.574 2.666 21.5 1.18 1.26
Hydrazin 2.15 269 328 2,642 1.654 2.630 19.0 1.20 1.22
MMH  : Monomethylhydrazin 3,76 265 320 2.600 1.623 2.681 20.3 1.19 1.21
UDMH  : Asymmetrisk dimethylhydrazin 4,63 263 316 2.582 1.610 2.690 20.7 1.19 1.20
Aérozin 50  : 50% UDMH + 50% hydrazin 3.39 266 320 2 604 1.626 2,668 20,0 1.19 1.21
UH 25  : 75% UDMH + 25% hydrazinhydrat 4.02 264 318 2.592 1.617 2.681 20.4 1.19 1.20
Flydende ammoniak 3.46 252 279 2.470 1.545 2 305 19.1 1.20 1.11
Aniline 5,95 254 329 2.495 1.553 2.719 22.6 1.18 1.29
Tonka-250 6.70 256 320 2.513 1.564 2.671 21.8 1.18 1.25
PBHT  : Hydroxytelechelic Polybutadiene 7.31 256 327 2.510 1.561 2.694 22.1 1.18 1.28
95% hydrogenperoxid + 5% vand
Brændstof RM ISP
( er )
Id
( s g cm −3 )
Ve
( m / s )
C *
( m / s )
Tid
( K )
Masse
( g / mol )
Cp / Cv Massefylde
( g / cm 3 )
LH2  : Flydende brint 11.00 312 171 3.064 1.918 2.666 14.4 1.20 0,55
Flydende metan 7.70 272 302 2.663 1.658 2 802 20.4 1.18 1.11
Methanol 3.06 261 308 2.556 1.590 2 709 21.5 1.18 1.18
75% etanol + 25% vand 3.27 257 311 2.519 1.566 2.653 21.6 1.18 1.21
95% ethanol + 5% vand 3.97 262 320 2.571 1.599 2.762 21.6 1.18 1.22
RP-1 (petroleum) 6,50 268 345 2.632 1.639 2 878 21.4 1.18 1.28
Hydrazin 1,82 280 345 2.741 1.718 2 801 18.8 1.20 1.23
MMH  : Monomethylhydrazin 3.13 276 337 2 702 1.688 2 871 20,0 1.19 1.22
UDMH  : Asymmetrisk dimethylhydrazin 3,82 274 332 2,685 1.676 2.884 20.4 1.19 1.21
Aérozin 50  : 50% UDMH + 50% hydrazin 2.82 276 337 2 706 1.692 2 852 19.8 1.19 1.22
UH 25  : 75% UDMH + 25% hydrazinhydrat 3.32 275 334 2.695 1.683 2.870 20.1 1.19 1.22
Flydende ammoniak 3.04 263 294 2.583 1.615 2.510 19.1 1.19 1.11
Aniline 4,94 264 349 2.585 1.610 2 934 22.6 1.18 1.32
Tonka-250 5.58 266 340 2.611 1.626 2.884 21.8 1.18 1.28
PBHT  : Hydroxytelechelic Polybutadiene 6.06 266 348 2 607 1.622 2 910 22.1 1.18 1.31
Nitrogenoxid
Brændstof RM ISP
( er )
Id
( s g cm −3 )
Ve
( m / s )
C *
( m / s )
Tid
( K )
Masse
( g / mol )
Cp / Cv Massefylde
( g / cm 3 )
LH2  : Flydende brint 12.00 294 160 2 883 1.828 2.905 16.8 1.24 0,54
Flydende metan 8.42 253 258 2.485 1.575 3 147 24.6 1.24 1.02
Methanol 3.40 245 267 2 404 1.517 2 998 25.4 1.22 1,09
75% etanol + 25% vand 3.70 241 268 2367 1494 2 957 25.9 1.22 1.11
95% ethanol + 5% vand 4.37 246 273 2 408 1.523 3.076 25.8 1.23 1.11
RP-1 (petroleum) 7,01 250 288 2 455 1.559 3 241 25.7 1.24 1.15
Hydrazin 1,96 267 304 2.620 1.663 3 042 21.2 1.24 1.14
MMH  : Monomethylhydrazin 3.34 260 291 2.554 1.622 3 171 23.2 1.24 1.12
UDMH  : Asymmetrisk dimethylhydrazin 4.10 258 285 2.528 1.606 3.209 24,0 1.24 1.10
Aérozin 50  : 50% UDMH + 50% hydrazin 3.04 261 292 2.563 1.627 3 148 22.9 1.24 1.12
UH 25  : 75% UDMH + 25% hydrazinhydrat 3.57 259 288 2.543 1.615 3 182 23.5 1.24 1.11
Flydende ammoniak 3.58 250 261 2 453 1.552 2.842 22.9 1.23 1.04
Aniline 5.26 246 292 2.415 1.536 3 321 27.1 1.25 1.19
Tonka-250 6.02 249 285 2.438 1.548 3.253 26.2 1.24 1.15
PBHT  : Hydroxytelechelic Polybutadiene 6.48 248 290 2 429 1.544 3.286 26.6 1.24 1.17
Klorpentafluorid
Brændstof RM ISP
( er )
Id
( s g cm −3 )
Ve
( m / s )
C *
( m / s )
Tid
( K )
Masse
( g / mol )
Cp / Cv Massefylde
( g / cm 3 )
LH2  : Flydende brint 9.00 337 179 3 307 2 130 3 377 13.9 1.29 0,53
Methanol 2.71 275 380 2.700 1.741 3.723 23,0 1.30 1,38
72% Ethanol + 28% Vand 2,76 270 383 2.645 1.706 3.608 23.2 1.30 1.42
Hydrazin 2.12 297 439 2 915 1.880 3 958 20.9 1.30 1.48
Flydende ammoniak 3.56 287 392 2.818 1.818 3.874 21.9 1.30 1.37
Chlor pentafluorid + perchlorylfluorid (massefraktion af CLF5 afhængig af brændsel)
Brændstof RM ISP
( er )
Id
( s g cm −3 )
Ve
( m / s )
C *
( m / s )
Tid
( K )
Masse
( g / mol )
Cp / Cv Massefylde
( g / cm 3 )
66% ClF5 / flydende methan 6.20 285 343 2.799 1.806 3 956 22.6 1.30 1.20
75% ClF5 / 95% ethanol + 5% vand 3.18 273 372 2.674 1.723 3 755 23.7 1.29 1.36
48% ClF5 / RP-1 4,65 277 382 2.716 1.754 3 965 24,0 1.30 1,38
74% ClF5 / MMH 2.84 290 402 2 849 1.838 4.017 22.2 1.30 1,38
64% ClF5 / UDMH 3.20 287 397 2.816 1.818 4.020 22.7 1.30 1.34
79% ClF5 / aerozin 50 2,69 292 407 2 859 1.845 4.006 22.0 1.30 1.40
71% ClF5 / UH 25 2,96 289 395 2.836 1.831 4.019 22.4 1.30 1.36
28% ClF5 / anilin 3.04 265 362 2.598 1.678 3.890 25.8 1.30 1.37
45% ClF5 / Tonka-250 3,87 273 369 2.679 1729 3 935 24.5 1.30 1.35
36% CLF5 / PBHT 3,96 270 372 2 649 1.710 3 927 25,0 1.30 1,38
  • RM = blandingsforhold
  • Isp = specifik impuls ved havoverfladen i sekunder
  • Id = pulsdensitet, i gram-sekunder pr. Kubikcentimeter
  • Ve = hastighed for udstødningsgasudstødning i meter pr. Sekund
  • C * = karakteristisk hastighed i meter pr. Sekund
  • Temp = temperatur i forbrændingskammeret i Kelvin
  • Masse = molær masse af udstødningsgasser i gram pr. Mol
  • Cp / Cv = forholdet mellem specifikke varmer
  • Densitet = drivmiddelens tilsyneladende densitet i gram pr. Kubikcentimeter
 

Webstedet http://www.braeunig.us/space/ præsenterer lignende data.

Sammenligning af data på havoverfladen og i vakuum

PSI kPa koefficient
1000 6,895 1,00
900 6,205 0,99
800 5 516 0,98
700 4.826 0,97
600 4.137 0,95
500 3.447 0,93
400 2 758 0,91
300 2,068 0,88

Dataene i nedenstående tabel er hentet fra arbejdet af Huzel & Huang med titlen "  Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines  ", 1992, American Institute of Aeronautics and Astronautics , Washington, ( ISBN  1-56347-013- 6 )  ; den indeholder de resultater, der er offentliggjort af firmaet Rocketdyne på grundlag af beregninger, der antages under antagelse af adiabatisk forbrænding , uniaxial isentropisk ekspansion og kontinuerlig justering af forholdet mellem oxidant og brændstofblanding som en funktion af højden. Disse beregninger udføres for et forbrændingskammertryk1000  PSI , det vil sige 1000 "pounds per square inch" ( Pounds per Square Inch ), hvilket i internationale enheder ( SI ) svarer til 6,894,757  Pa . Udstødningshastigheden ved lavere tryk kan estimeres ved at anvende en koefficient fra det modsatte diagram.

Størrelserne vist i denne tabel er som følger:

  • forhold , blandingsforholdet (massestrømningshastighed for oxidanten over brændstofets massestrømningshastighed)
  • v e , udstødningsgasudstødningshastigheden udtrykt i meter pr. sekund
  • ρ , drivmiddelens tilsyneladende densitet , udtrykt i gram pr. kubikcentimeter
  • T C , ligevægtstemperaturen i forbrændingskammeret udtrykt i ° C
  • C * , den karakteristiske hastighed, udtrykt i meter pr. Sekund

Interessen for denne tabel er at forklare udviklingen af ​​parametrene mellem start og ankomst i kredsløb: til venstre værdierne ved havets overflade; til højre, det samme i et vakuum. I begge tilfælde er disse nominelle værdier beregnet for et ideelt system, afrundet i SI-enheder (sammensætningerne udtrykkes i masseprocentdele):

Oxidator Reducer Hyprg Cryo Optimal afslapning ved 6.895  kPa
ved havets overflade
Optimal stressaflastning ved 6895  kPa
i vakuum
LOX, LF2 eller FLOX kryogene oxidationsdrivmidler
Ox / Red- forhold
v e
m / s
ρ
g / cm 3
T C
° C
C *
m / s

Ox / Red- forhold
v e
m / s
ρ
g / cm 3
T C
° C
C *
m / s
O 2 H 2 Ingen Ja 4.13 3.816 0,29 2.740 2,416 4,83 4.462 0,32 2 978 2386
CH 4 Ingen Ja 3.21 3 034 0,82 3.260 1.857 3.45 3.615 0,83 3.290 1.838
C 2 H 6 Ingen Ja 2.89 3.006 0,90 3.320 1.840 3.10 3.584 0,91 3 351 1.825
RP-1 Ingen Ja 2,58 2 941 1,03 3.403 1.799 2,77 3.510 1,03 3428 1783
N 2 H 4 Ingen Ja 0,92 3.065 1,07 3 132 1.892 0,98 3.460 1,07 3 146 1 878
B 2 H 6 Ingen Ja 1,96 3 351 0,74 3 489 2.041 2,06 4.016 0,75 3.563 2.039
70% O 2+ 30% F 2 H 2 Ingen Ja 4,80 3.871 0,32 2 954 2 453 5.70 4.520 0,36 3 195 2.417
RP-1 Ingen Ja 3.01 3 103 1,09 3.665 1.908 3.30 3.697 1.10 3.692 1.889
70% F 2+ 30% O 2 RP-1 Ja Ja 3,84 3 377 1.20 4 361 2 106 3,84 3 955 1.20 4 361 2 104
87,8% F 2+ 12,2% O 2 MMH Ja Ja 2.82 3.525 1.24 4.454 2 191 2.83 4.148 1.23 4.453 2 186
F 2 H 2 Ja Ja 7,94 4.036 0,46 3.689 2.556 9,74 4.697 0,52 3 985 2.530
34,8% Li + 65,2% H 2 Ja Ja 0,96 4.256 0,19 1.830 2.680
39,3% Li + 60,7% H 2 Ja Ja 1,08 5.050 0,21 1.974 2.656
CH 4 Ja Ja 4.53 3 414 1,03 3 918 2,068 4,74 4.075 1.04 3 933 2.064
C 2 H 6 Ja Ja 3.68 3.335 1,09 3 914 2.019 3,78 3 987 1.10 3 923 2014
MMH Ja Ja 2.39 3 413 1.24 4.074 2.063 2,47 4.071 1.24 4.091 1 987
N 2 H 4 Ja Ja 2.32 3.580 1.31 4.461 2 219 2.37 4 215 1.31 4.468 2 122
NH 3 Ja Ja 3.32 3.531 1.12 4 337 2 194 3.35 4.143 1.12 4 341 2 193
Oxygenfluoridoxidant kryogene drivmidler Hyprg Cryo
Ox / Red- forhold
v e
m / s
ρ
g / cm 3
T C
° C
C *
m / s

Ox / Red- forhold
v e
m / s
ρ
g / cm 3
T C
° C
C *
m / s
AF 2 H 2 Ja Ja 5.92 4.014 0,39 3 311 2.542 7.37 4.679 0,44 3.587 2 499
CH 4 Ja Ja 4,94 3 485 1.06 4.157 2 160 5.58 4.131 1,09 4,207 2 139
C 2 H 6 Ja Ja 3,87 3.511 1.13 4,539 2 176 3,86 4.137 1.13 4.538 2 176
RP-1 Ja Ja 3,87 3424 1.28 4.436 2 132 3,85 4.021 1.28 4.432 2 130
N 2 H 4 Ja Ja 1,51 3 381 1.26 3.769 2.087 1,65 4.008 1.27 3.814 2,081
MMH Ja Ja 2.28 3427 1.24 4.075 2 119 2,58 4.067 1.26 4.133 2 106
50,5% MMH + 29,8% N 2 H 4+ 19,7% H 2 O Ja Ja 1,75 3.286 1.24 3.726 2.025 1,92 3.908 1.25 3.769 2,018
B 2 H 6 Ja Ja 3,95 3 653 1.01 4.479 2 244 3.98 4 367 1.02 4.486 2 167
Drivstof, der kan lagres med nitrogenoxid Hyprg Cryo
Ox / Red- forhold
v e
m / s
ρ
g / cm 3
T C
° C
C *
m / s

Ox / Red- forhold
v e
m / s
ρ
g / cm 3
T C
° C
C *
m / s
IRFNA III a MMH Ja Ingen 2,59 2.690 1.27 2 849 1.665 2.71 3 178 1.28 2.841 1 655
UDMH Ja Ingen 3.13 2,668 1.26 2 874 1648 3.31 3.157 1.27 2.864 1.634
60% UDMH + 40% DETA Ja Ingen 3.26 2.638 1.30 2 848 1.627 3.41 3 123 1.31 2.839 1.617
IRFNA IV HDA MMH Ja Ingen 2,43 2.742 1.29 2 953 1.696 2,58 3 242 1.31 2 947 1.680
UDMH Ja Ingen 2,95 2.719 1.28 2 983 1.676 3.12 3.220 1.29 2 977 1.662
60% UDMH + 40% DETA Ja Ingen 3.06 2.689 1.32 2.903 1.656 3.25 3 187 1.33 2 951 1641
N 2 O 4 N 2 H 4 Ja Ingen 1.36 2.862 1.21 2 992 1781 1.42 3 369 1.22 2 993 1.770
MMH Ja Ingen 2.17 2 827 1.19 3 122 1.745 2.37 3 347 1.20 3 125 1.724
50% UDMH + 50% N 2 H 4 Ja Ingen 1.98 2.831 1.12 3.095 1.747 2.15 3 349 1.20 3.096 1.731
Halogenerede oxidanter, der kan lagres, drivmidler Hyprg Cryo
Ox / Red- forhold
v e
m / s
ρ
g / cm 3
T C
° C
C *
m / s

Ox / Red- forhold
v e
m / s
ρ
g / cm 3
T C
° C
C *
m / s
ClF 3 N 2 H 4 Ja Ingen 2.81 2 885 1.49 3.650 1.824 2.89 3 356 1,50 3.666 1.822
ClF 5 N 2 H 4 Ja Ingen 2.66 3.069 1,47 3.894 1.935 2.71 3.580 1,47 3.905 1.934
MMH Ja Ingen 2.82 2 962 1.40 3.577 1.837 2.83 3 488 1.40 3.579 1.837
86% MMH + 14% N 2 H 4 Ja Ingen 2,78 2 971 1.41 3.575 1.844 2.81 3 498 1.41 3.579 1.844

Noter og referencer

Bemærkninger

  1. Den karakteristiske hastighed svarer til trykket i forbrændingskammeret ganget med drivmiddelindgangssektionen divideret med massestrømmen; det er en indikator for forbrændingsydelsen i raketmotoren.
  2. 83,4% HNO 3+ 14% NO 2+ 2% H 2 O+ 0,6% HF
  3. 54,3% HNO 3+ 44% NO 2+ 1% H 2 O+ 0,7% HF .

Referencer

  1. (en) R. Vieira, C. Pham-Huu, N. Keller og MJ Ledoux , ”  New carbon nanofiber / grafitfilt komposit til anvendelse som en katalysator støtte til hydrazin katalytisk nedbrydning  ” , Chemical Communications , n o  9 , 3. april 2002, s.  954-955 ( PMID  12123065 , DOI  10.1039 / b202032g , læs online )
  2. (da) Xiaowei Chen, Tao Zhang, Liangen Xia, Tao Li, Mingyuan Zheng, Zili Wu, Xiaodong Wang, Zhaobin Wei, Qin Xin og Can Li , “  Katalytisk nedbrydning af hydrazin over understøttede molybdennitridkatalysatorer i et monopropellant Thruster  ” , Catalysis Letters , bind.  79, April 2002, s.  21-25 ( DOI  10.1023 / A: 1015343922044 , læs online )
  3. (en) monopropellant Hydrazine Thrusters på eads.net.
  4. (in) B. Mellor , A Preliminary Review of Technical DMAZ: A Low-Toxicity Oil hypergolic  " , Proceedings of the 2nd International Conference on Green Propellants for Space Propulsion (ESA SP-557) . 7-8 juni 2004, Chia Laguna (Cagliari), Sardinien, Italien . , 2004, s.  22.1 ( resumé )Format [PDF]
  5. (in) Space Launch Report: Delta II Data Sheet  "http://www.spacelaunchreport.com/ (adgang 20. oktober 2020 ) .
  6. (i) Drew Turney, Hvorfor den næste generation af raket vil blive drevet af metan  "https://australiascience.tv/ , Australiens Science Channel, 3. juli 2019(adgang til 18. oktober 2020 ) .
  7. (i) Sergio Adan-Plaza, Mark Hilstad, Kirsten Carpenter, Chris Hoffman, Laila Elias, Matt Schneider, Rob Grover og Adam Bruckner, Udvinding for Atmosfærisk Vand på Mars reference mission til marts  "https: // www. lpi.usra.edu / , USRA , 4-5. maj 1998 (adgang til 18. oktober 2020 ) .
  8. (i) Kim Newton, NASA Tests Metan-drevet motor Komponenter til Next Generation Landers  "https://www.nasa.gov/ , NASA , Space Flight Center Marshall , 28. oktober 2015(adgang til 18. oktober 2020 ) .

Se også

Relaterede artikler