Glauben Sie es oder nicht, es gibt einige Leute da draußen, die denken, dass traditionelle Raketenwissenschaft zu einfach ist und mehr Herausforderungen wollen. EIN Gruppe an der University of Illinois (UI) beschlossen, die Schwierigkeit etwas zu erhöhen, indem sie versuchten, einen Raketenmotor zu entwickeln, der sowohl elektrisch als auch chemisch angetrieben werden kann.
Ein solches Dual-Mode-Raketentriebwerk hätte die Vorteile beider Antriebsarten. Die chemische Seite würde ihnen bei Bedarf erheblichen Schub und schnelle Reaktionszeiten auf Kosten der Effizienz verleihen, während der Elektromotor eine effiziente, wenn auch langsame Fahrt ermöglichen würde. Kürzlich testete die Gruppe eine neuartige Art von Raketentreibstoff das könnte nur in der Lage sein, in beiden Arten von Motoren verwendet zu werden.
Ein Kraftstoff, der sowohl für elektrische als auch für chemische Antriebe verwendet werden kann, war ein wichtiger Knackpunkt bei solchen „Dual-Mode“-Antriebssystemen. Jeder Motortyp erfordert sehr unterschiedliche chemische und elektrische Eigenschaften seines Kraftstoffs. Für die chemische Verbrennung muss sich ein Brennstoff effizient und mit angemessener Geschwindigkeit entzünden können. Wenn es zu schnell brennt und es unter Druck explodiert. Wenn es zu langsam brennt, schießt der Motor nur flüssigen Kraftstoff aus seiner Düse.
Das Solar Electric Propulsion-Projekt der NASA ist ein Beispiel für ein in der Entwicklung befindliches elektrisches Antriebssystem.
Bildnachweis: NASA Glenn Research Center
Alternativ für elektrischer Antrieb , sind die meisten Kraftstoffe völlig inert, weil die Motorenkonstrukteure nicht wollen, dass sie sich versehentlich entzünden. Viel wichtiger sind ihre elektromagnetischen Eigenschaften. Um in einem elektrischen Antriebssystem nützlich zu sein, muss sich ein Kraftstoff in Gegenwart eines starken elektrischen Felds verformen können. Als Teil dieser Verformung werden einige Partikel des Treibstoffs aus dem Rest herausgezogen und als Ionen aus dem Triebwerk herausgeschleudert.
Das UI-Team ist möglicherweise gerade auf einen Kraftstoff gestoßen, der in beiden Motoren verwendet werden kann. Es besteht aus einer Mischung von Hydroxylammoniumnitrat ( SIE HABEN ) und 1-Ethyl-3-methylmidazoliumethylsulfat (EMIM). Dies sind beides kommerziell erhältliche flüssige ionische Salze, aber wenn sie sie kombiniert haben, haben Dr. Joshua Rovey und sein Team möglicherweise eine Lösung für ihren langjährigen Dual-Mode-Betriebsbrennstoff gefunden.
Chemische Struktur von HAN – einer der Hauptbestandteile des neuartigen Kraftstoffs.
Bildnachweis: Ben Mills / Wikipedia
Einer der Vorteile der Salzkombination ist, dass HAN sehr gut wirkt Oxidationsmittel , und ist eine bekannte Größe in Antriebskreisen. EMIM hingegen ist ein anständiges Kraftstoff . Da Brennstoff und Oxidationsmittel die beiden Komponenten sind, die für eine effektive Verbrennung benötigt werden, ermöglicht die Kombination der beiden in einer einzigen Brennstoffquelle die Verbrennung.
Da HAN bereits eine bekannte Größe war, begann das Rovey-Labor nach anderen Salzen zu suchen, die sich gut damit kombinieren ließen. Ihre Suche wurde sowohl durch die kommerzielle Verfügbarkeit als auch durch die Verfügbarkeit der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Salzes in der Literatur erheblich eingeschränkt. EMIM war einer der drei Kandidaten, auf die sie sich eingrenzten, und derjenige, der in der Vorrunde am besten abgeschnitten hat Verbrennungssimulationen .
Beispielhafte visuelle Ausgabe eines Verbrennungssimulationsprogramms, ähnlich dem, das vom UI-Team verwendet wird.
Bildnachweis: NASA
Ein wesentlicher Vorteil der HAN/EMIM-Kombination gegenüber bestehenden Raketentreibstoffen, wie z Hydrazin , ist, dass es ungiftig ist. Aber Dr. Rovey weist schnell darauf hin: „[Ungiftig] bedeutet nicht, dass es sicher ist zu trinken – es bedeutet, dass es sicher ist, herumzuatmen.“ Die Kombination ist auch dichter als die meisten akzeptierten Raketentreibstoffe, was bedeutet, dass mehr Treibstoff in einem kleineren Volumen aufbewahrt werden kann – ein kritischer Punkt, wenn man über das Volumen im Treibstofftank einer Rakete nachdenkt.
Diese höhere Dichte bedeutet jedoch nicht unbedingt, dass es schneller brennt. Das gerade veröffentlichte Papier konzentriert sich auf die Untersuchung der sogenannten „linearen Brennrate“. Dies ist eine Beschreibung, wie schnell sich die brennende Front einer Flüssigkeit in den Rest dieser Flüssigkeit ausbreitet. Wie oben erwähnt, kann eine zu hohe Brenngeschwindigkeit den gesamten Kraftstofftank explodieren lassen. Wenn es zu langsam ist, wird flüssiger Treibstoff aus der Düse des Raketentriebwerks geschleudert und für niemanden nutzlos.
Video der vom UI-Team durchgeführten Verbrennungstests.
Bildnachweis: Dr. Joshua Rovey / University of Illinois
Die Verbrennungsrate wird auch vom Druck beeinflusst, was bei Raketentriebwerken ein Problem darstellt, da der Kraftstoff unter Druck gesetzt werden muss, um sicherzustellen, dass er effektiv in die Brennkammer geleitet wird. Es stellte sich heraus, dass die Kombination aus EMIM und HAN eine Brenngeschwindigkeit mitten in der „Goldlöckchen-Zone“ hat – nicht zu schnell und nicht zu langsam, während sie unter einem vernünftigen Druck für eine potenzielle Verwendung als Brennstoffquelle steht.
Es gibt aber noch viel zu tun. Dass die Salzmischung auch im Elektroantrieb funktioniert, hat das Team von Dr. Rovey vorläufig bewiesen. Darüber hinaus befindet sich das Team derzeit in einer Phase, in der es ein Dual-Mode-Konzept mit zwei separaten Triebwerken für die beiden unterschiedlichen Antriebsmethoden untersucht und an einem noch anspruchsvolleren Konzept arbeitet, einem einzelnen Triebwerk, zwischen dem umgeschaltet werden kann elektrischer und chemischer Antrieb. Ein solches System wäre am nützlichsten für Systeme, die so klein wie CubeSats sind.
Künstlerisches Konzept eines vorgeschlagenen Dual-Mode-Antriebssystems.
Bildnachweis: NASA / Nathan Jerred / USRA
Das Team von Dr. Rovey arbeitet aktiv daran, seine Forschung zu testen und auszuweiten. Sie werden aktiv von der NASA finanziert und obwohl sie keine haben Technologiedemonstration Flug für das Antriebssystem noch geplant, sie hoffen, in den nächsten Jahren einen geplanten Flug zu haben.
Diese Jahre werden für die Gruppe mit viel mehr Fehlerbehebung und Engineering gefüllt sein. Obwohl es noch viele Hürden gibt, um diesen Punkt zu erreichen, ist die Entwicklung und Erprobung dieses neuartigen ungiftigen Treibstoffs zweifellos ein Schritt in diese Richtung. Ob es schließlich zu noch komplizierterer Raketenwissenschaft führt, bleibt abzuwarten.
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