Hipergoliese dryfmiddel
’n Hipergoliese dryfmiddelkombinasie wat in ’n vuurpylenjin gebruik word, is een waarvan die komponente spontaan ontbrand wanneer hulle met mekaar in aanraking kom.
Die twee dryfmiddelkomponente bestaan gewoonlik uit 'n brandstof en 'n oksideermiddel. Die belangrikste voordele van hipergoliese dryfmiddels is dat dit as vloeistowwe by kamertemperatuur gestoor kan word en dat enjins wat daardeur aangedryf word, is maklik om betroubaar en herhaaldelik te ontbrand. Algemene hipergoliese dryfmiddels is moeilik om te hanteer as gevolg van hul uiterste toksisiteit en/of korrosiwiteit.
In hedendaagse gebruik is die hipergoliese dryfmiddels wat die algemeenste in sulke dryfmiddelkombinasies gebruik word, distikstoftetroksied plus hidrasien en/of sy familielede monometielhidrasien en onsimmetriese dimetielhidrasien.
Eienskappe
[wysig | wysig bron]Voordele
[wysig | wysig bron]Vuurpylenjins wat hipergolies aangedryf word, is gewoonlik eenvoudig en betroubaar omdat hulle geen ontstekingstelsel nodig het nie. Alhoewel groter hipergoliese enjins in sommige lanseervoertuie turbopompe gebruik, word die meeste hipergoliese enjins drukgevoed. 'n Gas, gewoonlik helium, word onder druk na die dryfmiddeltenks gevoer deur 'n reeks kontrole- en veiligheidskleppe. Die dryfmiddels vloei op hul beurt deur beheerkleppe tot in die verbrandingskamer. Omdat hulle onmiddellik met kontak ontsteek, verhoed dit dat 'n mengsel van nie-ontbrande dryfmiddels ophoop en dan later in 'n potensiële katastrofe ontbrand.
Die mees algemene hipergoliese brandstowwe, hidrasien, monometielhidrasien en onsimmetriese dimetielhidrasien, en die oksideermiddel stikstoftetroksied, is almal vloeibaar teen kamertemperatuur en atmosferiese druk en word opbergbare vloeibare dryfmiddels genoem. Hulle is geskik vir gebruik in ruimtetuigmissies wat baie jare duur. Dit is in teenstelling met vloeibare waterstof en vloeibare suurstof wat koud gehou moet word, wat hul praktiese gebruik beperk tot ruimtelanseringsvoertuie waar dit net kortliks gestoor hoef te word.
Omdat hipergoliese vuurpyle nie 'n ontstekingstelsel benodig nie, kan hulle enige aantal kere vuur deur bloot die dryfmiddelkleppe oop en toe te maak totdat die dryfmiddels uitgeput is. Herontplooibare nie-hipergoliese vuurpylenjins bestaan nietemin, veral die kriogeniese (suurstof/waterstof) RL-10 op die Centaur en die J-2 op die Saturn V. Die RP-1/vloeibare suurstof Merlin op die Falcon 9 kan ook meer as eenkeer ontbrand word.[1]
Nadele
[wysig | wysig bron]Tradisionele hipergoliese dryfmiddels het 'n laer energie-per-massaverhouding as bv. kriogeniese dryfmiddelkombinasies soos vloeibare waterstof/vloeibare suurstof of vloeibare metaan/vloeibare suurstof. ’n Lanseervoertuig wat hipergoliese dryfmiddels gebruik, moet dus ’n groter massa brandstof dra as een wat hierdie kriogeniese brandstowwe gebruik.
Die korrosiwiteit, toksisiteit en karsinogenisiteit van tradisionele hipergoliese dryfmiddels noodsaak duur en omslagtige veiligheidsmaatreëls.[2]
Geskiedenis
[wysig | wysig bron]
In 1935 het Hellmuth Walter ontdek dat hidrasienhidraat hipergolies is toe dit met waterstofperoksied van 80-83 persent gemeng is. Hy was waarskynlik die eerste persoon wat hierdie verskynsel ontdek het, en het begin werk om 'n brandstof te ontwikkel. Prof. Otto Lutz het die Walter Company bygestaan met die ontwikkeling van C-Stoff wat 30 persent hidrasienhidraat, 57 persent metanol en 13 persent water bevat het, en spontaan met waterstofperoksied ontbrand het.[3] BMW het enjins ontwikkel wat 'n hipergoliese mengsel van salpetersuur met verskeie kombinasies van amiene, xilidiene en aniliene verbrand.[4]
Hipergoliese dryfmiddels is onafhanklik, vir die tweede keer, in die VSA ontdek deur die Guggenheim-lugvaartlaboratorium by die California Institute of Technology en die Vloot se Annapolis-navorsers in 1940. Hulle het enjins ontwikkel wat deur anilien en rooi rokende salpetersuur aangedryf word.[5] Robert Goddard, Reaction Motors- en Curtiss-Wright-maatskappye het in die vroeë 1940's aan anilien/salpetersuur-enjins gewerk, vir klein missiele en straalondersteunde opstyg. Die projek het gelei tot die suksesvolle geassisteerde opstyg van verskeie Martin PBM- en PBY-bomwerpers, maar die projek is gestaak as gevolg van die giftige eienskappe van beide die brandstof en oksideermiddel, sowel as die hoë vriespunt van anilien. Die tweede probleem is uiteindelik opgelos deur die toevoeging van klein hoeveelhede furfurielalkohol by die anilien.[3]
In Duitsland, vanaf die middel 1930's tot en met die Tweede Wêreldoorlog, is vuurpyldryfmiddels breedweg geklassifiseer as monergolies (een dryfmiddel), hipergolies (twee dryfmiddels, spontane reaksie), nie-hipergolies (twee dryfmiddels, nie-spontane reaksie) en litergolies (soliede brandstof). Die terminologie is geskep deur Dr. Wolfgang Nöggerath, verbonde aan die Tegniese Universiteit van Brunswick, Duitsland.[6]
Die enigste vuurpylaangedrewe vegvliegtuig wat ooit ontplooi is, was die Messerschmitt Me 163 Komet. Die Komet het 'n Walter HWK 109-509 gehad, 'n vuurpylmotor wat metanol/hidrasien as brandstof en hoëtoetsperoksied T-Stoff as oksideermiddel verbruik het. Die hipergoliese vuurpylmotor het die voordeel gehad van vinnige klim en het 'n vinnige aanvaltaktiek bevoordeel, ten koste van baie wisselvalligheid en dit was geneig om te ontplof met enige mate van onoplettendheid. Ander voorgestelde vuurpylvegters soos die Heinkel P.1077 (Heinkel Julia) en verkenningsvliegtuie soos die Deutsche Forschungsanstalt für Segelflug DFS 228 was bedoel om die Walter 509-reeks vuurpylmotors te gebruik maar, behalwe die Me 163, is slegs die Bachem Ba 349 Natter vertikaal-lansering-uitwerpbare vegvliegtuig ooit getoets, met die Walter-vuurpylaandrywingstelsel as sy primêre ondersteunende drywingstelsel vir militêre vliegtuie.
Die vroegste ballistiese missiele, soos die Sowjet R-7 wat Spoetnik 1 gelanseer het en die Amerikaanse Atlas en Titan-1, het keroseen en vloeibare suurstof gebruik. Alhoewel dit in ruimtelanseerders verkies word is dit 'n probleem om 'n kriogeen soos vloeibare suurstof in 'n missiel te stoor wat maande of jare op 'n slag lanseergereed gehou moes word. Dit het gelei tot 'n oorskakeling na hipergoliese dryfmiddels in die Amerikaanse Titan II en in die meeste Sowjet interkontinentale ballistiese missiele, soos die R-36. Maar die probleme van sulke bytende en giftige materiale, insluitend lekkasies en ontploffings in Titan-II silo's, het gelei tot hul byna universele vervanging met vastebrandstofaanjaers, eers in Westerse duikbootgelanseerde ballistiese missiele en toe in landgebaseerde Amerikaanse en Sowjet-interkontinentale ballistiese missiele.[7]
Die Apollo-maanmodule, wat in die maanlandings gebruik is, het hipergoliese brandstof gebruik in beide die landing- en opstygvuurpylmotors.
Die neiging onder Westerse ruimtelanseeragentskappe is weg van groot hipergoliese vuurpylenjins en na waterstof/suurstofenjins met 'n hoër werkverrigting. Ariane 1 tot 4, met hul hipergoliese eerste en tweede stadiums (en opsionele hipergoliese aanjaers op die Ariane 3 en 4) is uit diens onttrek en vervang met die Ariane 5, wat 'n eerste stadium gebruik wat deur vloeibare waterstof en vloeibare suurstof aangevuur word. Die Titan II, III en IV, met hul hipergoliese eerste en tweede stadiums, is ook uit diens gestel. Hipergoliese dryfmiddels word steeds wyd gebruik in hoër stadiums wanneer veelvuldige brand-en-rusperiodes vereis word, en in lanseerontsnapstelsels.
Bronne
[wysig | wysig bron]- Clark, John (1972). Ignition! An Informal History of Liquid Rocket Propellants (in Engels). New Brunswick, New Jersey: Rutgers University Press. ISBN 0-8135-0725-1.
Verwysings
[wysig | wysig bron]- ↑ "SpaceX". SpaceX (in Engels). Besoek op 30 Junie 2022.
- ↑ "NASA Technical Reports Server (NTRS) 20090029348: A Summary of NASA and USAF Hypergolic Propellant Related Spills and Fires : NASA Technical Reports Server". Internet Archive (in Engels). 1 Junie 2009. Besoek op 30 Junie 2022.
- ↑ 3,0 3,1 Clark 1972.
- ↑ Lutz, O. (1957). "BMW Developments". In Benecke, T.H.; Quick, A.W.; Schulz, W. (reds.). History of German Guided Missiles Development (Guided Missiles Seminar. 1956. Munich). Advisory Group for Aerospace Research and Development-AG-20 (in Engels). Appelhans. p. 420.
- ↑ Sutton, G.P. (2006). History of Liquid Propellant Rocket Engines. Library of flight (in Engels). American Institute of Aeronautics and Astronautics. ISBN 978-1-56347-649-5.
- ↑ Botho, Stüwe (1998). Peenemünde West: Die Erprobungsstelle der Luftwaffe für geheime Fernlenkwaffen und deren Entwicklungsgeschichte [Peenemünde-wes: Die Luftwaffe se toetssentrum vir geheime geleide missiele en die geskiedenis van hul ontwikkeling] (in Duits). Peene Münde West: Weltbildverlag. p. 220. ISBN 9783828902947.
- ↑ Clark 1972, p. 214.