Die vorliegende Erfindung betrifft einen Raketentreibstoff.

Raketen mit Flüssigkeitstriebwerken werden vorwiegend in der Raumfahrt eingesetzt. Im Gegensatz zu Feststoffraketen werden bei Flüssigkeitsraketen zwei flüssige chemische Komponenten, der Brennstoff und der Oxidator, getrennt mitgeführt. Mittels Pumpen oder Druckgas werden der Brennstoff und der Oxidator in das Triebwerk befördert, wo sie in einer Brennkammer verbrannt werden. Typische Flüssigkeitsbrennstoffe sind Wasserstoff und Kerosin. Jedoch umfassen die Flüssigtreibstoffe ein breites Spektrum an weiteren

unterschiedlichen Stoffen, wie etwa Ethylalkohol, Methylhydrazin, Dimethylhydrazin oder Polybutadiene. Alle diese Brennstoffe benötigen eine verhältnismäßig große Menge

Oxidator, um bei der Verbrennung einen ausreichend hohen Schub zu erreichen. Da die natürliche Abbrandrate der Kohlenwasserstoffe, etwa Kerosin, bedeutend niedriger ist als benötigt, muß der Brennstoff mit Turbopumpen in die Brennkammer gefördert werden, um den gewünschten Schub zu erzielen.

Im Hinblick auf das oben Gesagte, schlägt die vorliegende Erfindung einen Raketentreibstoff gemäß Anspruch 1 vor.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Raketentreibstoff ein organisches Peroxid. Gemäß einer Weiterbildung kann das organische Peroxid ein Dialkyl-, ein Diacyl-, ein Hydroperoxid und/oder ein Peroxyester sein. In einer Ausführungsform umfasst ein Raketentreibstoff eine Mischung aus verschiedenen Typen von organischen Peroxiden und/oder Mischungen innerhalb eines Typs von organischen Peroxiden, wobei insbesondere ein Typ eines organischen Peroxid ein Dialkyl-, ein Diacyl-, ein Hydroperoxid und/oder ein Peroxyester ist. Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das organische Peroxid ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Di-tert-butylperoxid, tert-Butyl-peroxybenzoat, tert-Butyl-peroxy-2- ethylhexanoat, Di-isononanoylperoxid und tert-Butyl-hydroperoxid.

Organische Peroxide, insbesondere Dialkylperoxide und/oder Di-tert-butylperoxid, tert-Butyl- peroxybenzoat, tert-Butyl-peroxy-2-ethylhexanoat, Di-isononanoylperoxid und/oder tert- Butyl-hydroperoxid haben eine natürliche Abbrandrate, die bedeutend größer ist als die von Kerosin oder anderen herkömmlichen Raketentreibstoffen. Aufgrund dieser höheren natürlichen Abbrandrate wird weniger Treibstoff benötigt. Weiterhin muß der Treibstoff mit weniger Druck in die Brennkammer gefördert werden, so daß die Pumpenleistung und damit auch die Pumpengröße reduziert werden kann. Dies führt zu einer Rakete, die kompakter gebaut ist als herkömmliche Raketen vergleichbarer Leistung. Darüber steht der in den organischen Peroxiden gebundene Sauerstoff dem Verbrennungsprozeß als Aktivsauerstoff zur Verfügung, so daß weniger zusätzlicher Oxidator benötigt wird.

Gemäß einer Ausführungsform ist das organische Peroxid ein Treibstoffzusatz mit einem Anteil von 1 Gew.- bis 99 Gew.- des Raketentreibstoffs. Gemäß einer Weiterbildung kann das organische Peroxid ein Treibstoffzusatz mit einem Anteil von 20 Gew.- bis 80 Gew.- des Raketentreibstoffs sein. Alternativ besteht der Raketentreibstoff ganz aus dem organischen Peroxid.

Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Rakete einen Treibstofftank, der mit einem der oben beschriebenen Raketentreibstoffe, die ein organisches Peroxid umfassen, befüllt ist.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine organisches Peroxid als Raketentreibstoff verwendet. Insbesondere können Dialkyl-, Diacyl-, Hydroperoxide oder Peroxyester oder deren Mischungen als Raketentreibstoff verwendet werden. Gemäß einer Weiterbildung kann Di-tert-butylperoxid, tert-Butyl-peroxybenzoat, , tert-Butyl-peroxy-2- ethylhexanoat, , Di-isononanoylperoxid und/oder tert-Butyl-hydroperoxid als Raketentreibstoff verwendet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der beigefügten Zeichnungen. In letzteren zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Rakete 100.

Fig. 2 gemessene Flammentemperaturen von Di-tert-butylperoxid und Kerosin in

Abhängigkeit vom Pooldurchmesser. Fig. 3 gemessene Massenabbrandraten von Di-tert-butylperoxid und Kerosin in Abhängigkeit vom Pooldurchmesser.

Fig. 4 gemessene Massenabbrandraten von Di-tert-butylperoxid, tert-Butyl-peroxybenzoat, tert-Butyl-peroxy-2-ethylhexanoat, Di-isononanoylperoxid und tert-Butyl- hydroperoxid und Kerosin in Abhängigkeit vom Pooldurchmesser.

Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Rakete. Die Rakete 100 umfaßt eine Hülle 110, in der ein Treibstofftank 120, ein Oxidatortank 130, zwei Pumpen 140 sowie eine Brennkammer 150 aufgenommen sind. Der Treibstofftank 120 ist mit Raketentreibstoff, der ein organisches Peroxid umfasst, befüllt. Der Oxidatortank 130 ist mit einem Oxidator befüllt. Mittels der Pumpen 140 werden Treibstoff und Oxidator in die Brennkammer 150 gefördert, wo sie verbrennen. Das heiße Abgas wird über die Düse 170 ausgestoßen, wobei die Düse typischerweise als Lavaldüse ausgebildet ist. Insofern muß das Abgas zunächst die Engstelle 160 passieren, wo durch das Abgas stark beschleunigt wird. Der Schub S der Rakete ergibt sich wie folgt:

S = mV _e + (p _e - p ₀ )A _e , wobei m die Massenflußrate, V _e die Austrittsgeschwindigkeit des Abgases, (p _e -po) die Druckdifferenz zum Umgebung sdruck sowie A _e die Fläche der Austrittsöffnung ist.

Die natürliche Massenabbrandrate von organischen Peroxiden ist bedeutend größer als die von Kerosin oder anderen herkömmlichen Flüssigtreibstoffen. Dies ist in Fig. 2 gezeigt, die den Vergleich der maximalen Flammentemperaturen für Poolfeuer von Di-tert-butylperoxid (DTBP) und Kerosin, einem herkömmlichen Kohlenwasserstoff-Treibstoff, für verschiedene Pooldurchmesser zeigt. Di-tert-butylperoxid ist ein Dialkylperoxid mit der Summenformel CgH ₁₈ 0 ₂ und der Struktur

Di-tert-butylperoxid ist eine farblose bis gelbliche, leicht flüchtige, wasserunlösliche und nicht explosive Flüssigkeit. Unter einem Poolfeuer wird üblicherweise eine im allgemeinen turbulente Diffusionsflamme, deren flüssiger Brennstoff horizontal ausgebreitet ist, verstanden. Beispielsweise sind Poolfeuer eine Art von häufig entstehenden Schadenfeuern, die beispielsweise bei Lagerung, Transport und Verarbeitung flüssiger Brennstoffe entstehen können. Insgesamt sind die chemischen und physikalischen Grundlagen von Poolfeuern gut untersucht und werden hier nicht weiter ausgeführt. Der Vergleich der maximalen

Flammentemperaturen zeigt, daß diese für DTBP durchweg deutlich höher liegen als für Kerosin. Insbesondere erreicht lediglich die Poolflamme von DTBP den

Hochtemperaturbereich über 1200°C. Insbesondere erreicht die DTBP-Poolflamme einen Temperaturbereich oberhalb von 1300°C, und sogar oberhalb von 1500°C. Weiterhin zeigten Messungen, daß der Oberflächenstrahlungsfluß der DTBP-Flamme mehr als doppelt so groß wie der Oberflächenstrahlungsfluß einer Kohlenwasserstoff flamme ist.

Weiterhin brennt DTBP unter atmosphärischen Normalbedingungen fast zehnmal schneller als ein herkömmlicher Kohlenwasserstoff-Brennstoff. In Fig. 3 ist ein Vergleich der

Massenabbrandraten für Poolfeuer von DTBP und Kerosin für verschiedene Pooldurchmesser doppeltlogarithmisch aufgetragen. Wie bereits erwähnt sind die Massenabbrandraten von DTBP fast eine Größenordnung höher als die von Kerosin. Weiterhin variieren die

Massenabbrandraten für DTBP für verschiedene Pooldurchmesser nur geringfügig. Im Gegensatz dazu zeigt Kerosin deutliche Veränderungen der Massenabbrandraten in

Abhängigkeit vom Pooldurchmesser. Da die Massenabbrandrate von DTBP praktisch unabhängig von der Quellengröße ist, erlaubt dies den Einsatz von DTBP als Treibstoff in Raketentriebwerken verschiedenster Größe.

Darüber hinaus wurden bei Messungen kaum Schadstoffemissionen der DTBP-Flamme ermittelt. Dies liegt zum einen an der natürlichen Turbulenz der DTBP-Flammen, die zu einer besseren Vermischung des Brennstoffs und der Umgebungsluft und somit zu einer vollständigeren Verbrennung führt. Zum anderen stellt DTBP keine aromatischen

Verbindungen bereit, so daß die DTBP-Flamme eine geringere Rußbildung aufweist. Daher wird durch die Verwendung von DTBP als Raketentreibstoff die Schadstoffemission vermindert. Weitere Peroxy-Brennstoffe, die zur Verwendung mit den Brennern gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen tert-Butyl (peroxybenzoat), (Abk.: TBPB), tert-Butyl (peroxy-2-ethylhexanoat), (Abk.: TBPEH), Di- isononanoylperoxid (Abk.: ΓΝΡ) und tert-Butyl (hydroperoxid), (Abk.: TB HP). Alle diese Peroxy-Brennstoffe weisen hinsichtlich ihrer Verwendung als Raketentreibstoff gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ähnliche Eigenschaften auf, wie DTBP. In Fig. 4 ist ein Vergleich der Massenabbrandraten für Poolfeuer der oben genannten Peroxy- Brennstoffe und Kerosin für verschiedene Pooldurchmesser doppeltlogarithmisch

aufgetragen. Es zeigt sich, daß TBPB, TBPEH und INP noch größere natürliche

Massenabbrandraten aufweisen als DTBP. Insbesondere zeigen die Peroxide

Massenabbrandraten, die 15 bis 333 mal größer sind als die von Kerosin.

Mit anderen Worten erfordert die Verbrennung von Kerosin oder Öl mit derselben

Massenabbrandrate wie der natürlichen Abbrandrate eines organischen Peroxids eine vielfach größere Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz wird üblicherweise mittels hydraulischer Pumpen, insbesondere Turbopumpen, bereitgestellt. Dabei ist die elektrische Leistung E für den Antrieb einer solchen Pumpe proportional zur benötigten Druckdifferenz: Aufgrund der hohen natürlichen Massenabbrandraten von organischen Peroxiden kann die benötigte elektrische Pumpenleistung um Faktoren im Bereich von 1/225 bis 10 ^~6 verringert werden. Entsprechend kleinere und leistungs schwächere Pumpen können also in den Raketen eingesetzt werden, was eine enorme Gewichtsreduktion - ein wichtiges Kriterium bei Raketen - erlaubt.

Bei den hier beschriebenen Raketentreibstoffen werden organische Peroxide, wie

beispielsweise ein Dialkylperoxid, verwendet. Dialkylperoxide sind beispielsweise aus der EP 0 472 819 als Ausgangsstoffe für polymere Peroxide bekannt. Solche polymeren Peroxide können beispielsweise verwendet werden zur Härtung von ungesättigten Polyesterharzen, zur Polymerisation von ethylenisch ungesättigten Monomeren, zur Härtung elastomerer Harze, zur Verminderung des Molekulargewichts und zur Modifizierung der

Molekulargewichtsverteilung von Polypropylen/Propylen-Copolymeren, zur Vernetzung von Olefinpolymeren und zur Herstellung von Blockcopolymeren und zur Verträglichmachung von Polymermischungen und -legierungen. Typische Raketentreibstoffe gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfassen insbesondere Di-tert-butylperoxid (Abk: DTBP), tert-Butyl (peroxybenzoat), (Abk.: TBPB), tert-Butyl (peroxy-2-ethylhexanoat), (Abk.: TBPEH), Di-isononanoylperoxid (Abk.: INP) und tert-Butyl (hydroperoxid), (Abk.: TBHP). Alle diese Peroxy-Brennstoffe weisen hinsichtlich ihrer Verwendung in Raketen gemäß den Ausführungsbeispielen der

vorliegenden Erfindung ähnliche Eigenschaften auf wie DTBP.

Weiterhin dienen organische Peroxide, insbesondere DTBP, TBPB, TBPEH, INP und TBHP, in den Raketen als starke Verbrennungsbeschleuniger aufgrund des im Molekül vorhandenen Aktivsauerstoffs. Auf diese Weise kann der Schadstoff- und Rußgehalt im Abgas stark gesenkt werden. Dies senkt überdies die Kosten entsprechender Raketen, da die externe Zufuhr eines Oxidanten, beispielsweise Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, reduziert oder gar weggelassen werden kann, so daß auf betreffende Einrichtungen in den Raketen verzichtet werden kann.

Die oben als Raketentreibstoffe beschriebenen organische Peroxide, insbesondere DTBP, TBPB, TBPEH, INP und TBHP, können auch mit anderen Treibstoffen, insbesondere anderen flüssigen Treibstoffen, im Gemisch vorliegen.

Insbesondere kann das organische Peroxid als Treibstoffzusatz mit einem Anteil von 1 Gew.- % bis 99 Gew.- , insbesondere 20 Gew.- bis 80 Gew.- vom Gesamtgewicht des

Treibstoffs bereitgestellt werden. Gemäß einer Weiterbildung kann das organische

Peroxidmit einem Anteil von 0,1 Gew.- bis 20 Gew.- vom Gesamtgewicht des Treibstoffs bereitgestellt werden. Der genaue Anteil im Treibstoff hängt von der spezifischen

Verwendung ab, solange eine Verbrennung des Zusatzes sicher erfolgen kann. So kann in einigen Fällen ein geringer Anteil ausreichend sein, um das gewünschte

Verbrennungsverhalten zu initiieren, während in anderen Fällen ein hoher Anteil erforderlich ist. Insbesondere kann der Treibstoff vollständig aus einem organischen Peroxidbzw. aus DTBP, TBPB, TBPEH, INP oder TBHP, bestehen.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese

Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.