DE4301614C1

DE4301614C1 - Verfahren zur Lagerung von betankten Flugkörpern

Info

Publication number: DE4301614C1
Application number: DE19934301614
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Kellerer; Hermann Zeltner; Georg Dipl Ing Wachinger; Hans-Ludwig Dipl Ing Besser
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1993-01-22
Filing date: 1993-01-22
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2013-01-23
Also published as: FR2700842A1; GB2274851A; GB9401017D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lagerung von mit mindestens ei nem Flüssigtreibstoff betankten Flugkörpern mit Antrieb durch mindestens ein Raketentriebwerk, insbesondere durch ein Raketen-Staustrahltriebwerk.

Bei Raketenantrieben für innerhalb der Atmosphäre einzusetzende Flugkör per wird bevorzugt das Staustrahlprinzip verwendet, da bei diesem Ver fahren der für die Verbrennung benötigte Oxidator weitestgehend in Form von Luftsauerstoff der Umgebung entnommen werden kann und somit nicht im Flugkörper mitgeführt zu werden braucht. Der Brennstoff, in fester oder flüssiger Form, enthält selbst einen gewissen Anteil an Oxidator, wel cher für eine sichere Zündung und einen stark unterstöchiometrischen Ab brand ausreicht, wobei die vollständige Verbrennung dann mit Luftsauer stoff erfolgt. Zur Anpassung an wechselnde Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc.) sowie an unterschiedliche Flugphasen (Start, Marschflug, Angriff etc.) ist eine Regelung des Schubes über den Treibstoffdurchsatz erforderlich. Flüssigtreibstoffe haben hier gegen über Festtreibstoffen den Vorteil der besseren Regelbarkeit (Ventile etc.) Die Lagerung von mit Flüssigtreibstoffen betankten Flugkörpern ist jedoch mit erhöhtem Risiko verbunden, vor allem bei der schiffsgestütz ten Verwendung. Durch auslaufenden Treibstoff nach Beschuß können be nachbarte Bereiche gefährdet, Brände verbreitet, und detonationsfähige Gemische aus Treibstoffdampf und Luft gebildet werden.

Durch Sedimentationserscheinungen während der Lagerung von Flüssigtreibstoffen können sich Inhomogenitäten mit der Folge unkalkulierbarer Ab brandeigenschaften ergeben.

Die genannten Nachteile ließen sich vermeiden, wenn es gelänge, die Flüssigtreibstoffe für die Dauer der Lagerung in einen weitgehend festen Zustand zu überführen. Dies wäre beispielsweise durch extremes Tiefküh len bis unter den Erstarrungspunkt (Schmelzpunkt) möglich. Der techni sche und energetische Aufwand für ein solches Verfahren wäre jedoch viel zu hoch, so daß eine derartige Lösung bereits aus ökonomischen Gründen ausscheidet. Es ist auch zu beachten, daß in einem überraschenden Ein satzfall die Treibstoffverflüssigung möglichst schnell vonstatten gehen muß, was bei der genannten Methode der Tiefkühlung vermutlich nicht der Fall wäre.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mindestens ein Verfahren zur Lagerung von mit mindestens einem Flüssigtreibstoff betankten Flug körpern anzugeben, welches bei vertretbarem technischen und energeti schen Aufwand eine sichere und problemlose Lagerung sowie eine schnelle Herstellung der Einsatzbereitschaft gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch das im Hauptanspruch sowie das im Nebenanspruch (Anspruch 2) gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Die Unteransprüche 3 bis 5 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Ver fahren nach Anspruch 1 und 2, wobei z. B. nach Anspruch 3 auch eine Kom bination beider Verfahren möglich ist.

Die erste Lösung sieht vor, den Flüssigtreibstoff so zu modifizieren, daß er ein elektrorheologisches Fluid bildet. Auf diese Weise läßt er sich durch Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Wechselspannung in nerhalb von Sekundenbruchteilen reversibel zu einer gelartig festen Mas se umwandeln. Die Verflüssigung kann im Einsatzfall etwa ebenso schnell erfolgen. Die elektrische Spannung muß während der Lagerzeit aufrechter halten werden, so daß ständig eine gewisse Energiezufuhr erforderlich ist. Die benötigten Energiemengen halten sich jedoch in vertretbaren Grenzen.

Die zweite Lösung sieht vor, den Flüssigtreibstoff so zu modifizieren, daß er in einem definierten Temperaturintervall eine flüssigkristalline Phase aufweist. Die untere Temperaturgrenze dieser Phase, d. h. der Er starrungs- bzw. Schmelzpunkt sollte unterhalb der niedrigsten, beim Ein satz zu erwartenden Treibstofftemperatur liegen. Auf diese Weise läßt sich der Treibstoff ausgehend vom flüssigen Zustand durch Wärmeentzug über den flüssigkristallinen reversibel in den festen Zustand überfüh ren. Die abzuführenden Wärmemengen sind dabei wesentlich geringer als bei nichtmodifizierten Flüssigtreibstoffen ohne flüssigkristalline Pha se. Falls der Erstarrungs- bzw. Schmelzpunkt unter der Umgebungstempera tur liegt, muß zur Verfestigung sowie über die Dauer der Lagerung ge kühlt werden, wobei neben der kontinuierlichen auch eine intermittieren de Arbeitsweise möglich sein sollte. Die Umwandlung fest/flüssig und um gekehrt erfolgt hier langsamer als bei der elektrorheologischen Lösung.

Die Erfindung wird nachstehend noch näher erläutert.

Flüssigtreibstoffe für Staustrahl -Raketentriebwerke haben typischerweise folgende Zusammensetzung:

Binder\|10-25%
Metalle	0-50%
Oxidator	0-40%
Additive	0-20%

Somit hat man die Möglichkeit, eine, mehrere oder alle der Treibstoffbe standteile gezielt zu modifizieren. Dabei sollen die Vorteile der Flüs sigtreibstoffe gegenüber Festtreibstoffen, nämlich die bessere Regelbar keit im niedrigviskosen, flüssigen Zustand, sowie der meist höhere Energiegehalt, möglichst uneingeschränkt beibehalten werden.

Elektrorheologischer Effekt (ER-Effekt)

Elektrorheologische Flüssigkeiten (ER-Fluids) sind kolloidale Suspensio nen mit bemerkenswerten Eigenschaften. Durch Anlegen einer hochfrequen ten elektrischen Wechselspannung läßt sich ihre Viskosität vom flüssigen bis hin zum gelartig festen Zustand kontinuierlich erhöhen, wobei sich das Maß der Viskositätserhöhung, d. h. der Verfestigung, direkt über die Höhe der zugeführten elektrischen Energie steuern läßt. Infolge der ex trem kurzen Reaktionszeiten von ER-Fluids kann man durch plötzliche, ho he elektrische Energiezufuhr einen schlagartigen Übergang vom flüssigen zum festen Zustand erzielen. Der umgekehrte Vorgang erfolgt vergleichbar schlagartig bei Unterbrechung der Energiezufuhr. Die Zustandsänderungen sind vollständig reversibel und können somit beliebig oft erfolgen.

In Bezug auf Flüssigtreibstoffe müßte ein Viskositätsbereich von weniger als ca. 1000 mPas bis über ca. 100 000 mPas elektrorheologisch reali sierbar sein.

Flüssigkristalliner Effekt (LC-Effekt)

Es handelt sich bei flüssigkristallinen (Liquid Crystal, LC) Monomeren und Polymeren weniger um konkrete Stoffarten als vielmehr um Stoffe mit bestimmten Zuständen. Flüssigkristalline Stoffe sind organische Materia lien, welche zwischen dem festen, kristallinen Zustand und dem flüssi gen, isotropen Zustand eine flüssigkristalline Phase aufweisen, in der die Stoffe de facto eine anisotrope Flüssigkeit bilden. Die Anisotropie ist bedingt durch eine regelmäßige Ausrichtung der Moleküle, welche aber noch wie in einer Flüssigkeit relativ frei beweglich sind. Voraussetzung für das Entstehen solcher flüssigkristalliner Phasen ist eine längliche Gestalt der Moleküle, wobei man je nach Ausrichtung noch mehrere Unter phasen unterscheiden kann. In diesem Zusammenhang treten auch optische Effekte auf, welche elektrisch beeinflußbar sind.

Für die vorliegende Erfindung ist von Bedeutung, daß die flüssigkristal line Phase durch geeignete Auswahl des LC-Stoffes in den Bereich übli cher Umgebungstemperaturen oder wenig darunter gelegt werden kann. Die Phasenumwandlungspunkte fest/flüssigkristallin (Schmelz bzw. Erstar rungspunkt) und flüssigkristallin/flüssig (Klärpunkt) sind dann, falls es sich um sogenannte thermotrope Stoffe handelt, nur von der Temperatur abhängig.

Bei Flüssigtreibstoffen ist es sinnvoll, den Schmelz- bzw. Erstarrungs punkt nur wenig unter die tiefste, im Einsatzfall zu erwartende Treibstofftemperatur zu legen, um nicht bis zu unnötig tiefen Temperaturen abkühlen zu müssen.

Flüssigkristalline Stoffe haben die bemerkenswerte Eigenschaft, daß für den Phasenwechsel von flüssig bis fest und umgekehrt nur sehr geringe Wärmemengen ab- bzw. zugeführt werden müssen. Je nach Einsatztemperatur des Treibstoffes kann die gewählte Erstarrungstemperatur über, bei oder unter Umgebungstemperatur liegen, wobei im ersten Fall eine geringe Wär mezufuhr für die Verflüssigung (Einsatzbereitschaft), im letzten Fall eine Kühlung mit wenig Energieaufwand für die Verfestigung (Lagerung) ausreicht.

Auf Tief- und Tiefstkühlverfahren mit enormem apparativem und energeti schem Aufwand kann jedenfalls vollständig verzichtet werden.

Ein weiterer Vorteil von LC-modifizierten Flüssigtreibstoffen ist darin zu sehen, daß deren Viskosität im flüssigen Zustand meist um ca. 25-50% niedriger ist als diejenige von konventionellen, isotropen Po lymeren.

Ansatzmöglichkeiten für eine LC-Modifikation ergeben sich vorzugsweise Über die in Flüssigtreibstoffen enthaltenen Binder (10-25%) und Addi tive (0-20%).

Wie bereits erwähnt, kann auch eine kombinierte ER- und LC-Modifikation sinnvoll sein.

Claims

1. Verfahren zur Lagerung von mit mindestens einem Flüssigtreibstoff betankten Flugkörpern mit Antrieb durch mindestens ein Raketentriebwerk, insbesondere durch ein Raketen-Staustrahltriebwerk, dadurch gekenn zeichnet, daß der Flüssigtreibstoff oder jeder der Flüssigtreibstoffe so modifiziert wird, daß er ein elektrorheologisches Fluid bildet, daß der Flüssigtreibstoff etwa zu Beginn der Lagerung des Flugkörpers durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung reversibel verfestigt wird, und daß der verfestigte Zustand durch Aufrechterhaltung der Spannung während der Lagerung beibehalten wird.

2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Flüssigtreibstoff oder jeder der Flüssigtreibstoffe so modifiziert wird, daß er in einem definierten Temperaturintervall ei ne flüssigkristalline Phase aufweist, deren untere Temperaturgrenze (Schmelzpunkt, Erstarrungspunkt) unterhalb der niedrigsten, beim Einsatz des Flugkörpers zu erwartenden Treibstofftemperatur liegt, daß der Flüssigtreibstoff etwa zu Beginn der Lagerung des Flugkörpers durch Wärme entzug reversibel verfestigt wird, und daß der verfestigte Zustand wäh rend der Lagerung beibehalten wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigtreibstoff oder jeder der Flüssigtreibstoffe so modifi ziert wird, daß er ein elektrorheologisches Fluid bildet und eine flüs sigkristalline Phase aufweist, und daß die reversible Verfestigung für die Lagerung über elektrorheologische und flüssigkristalline Effekte erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modifikation des Flüssigtreibstoffes die Treibstoffbestandteile (Binder, Metalle, Oxidator, Additive) durch Modifikation wenigstens ei nes Bestandteils so aufeinander abgestimmt werden, daß sie in ihrer Ge samtheit ein elektrorheologisches Fluid bilden, oder daß jeder einzelne Treibstoffbestandteil als elektrorheologisches Fluid eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modifikation des Flüssigtreibstoffes die darin enthaltenen Binder und/oder die Additive so eingestellt werden, daß im Flüssigtreibstoff eine flüssigkristalline Phase erhalten wird.