Andere als He und N als Druckgase

Um die Flüssigtreibstofftanks unter Druck zu setzen, wird am häufigsten Helium und danach Stickstoff verwendet. Helium ist ziemlich teuer und Stickstoff ist wirtschaftlich, aber es stört das O / F-Verhältnis des Motors ( Ref .). Außer diesen beiden haben wir also auch andere Inertgase wie Argon, Xenon usw.

Hinweis: Die Eigendruckbeaufschlagung wird hier nicht betrachtet.

Warum werden keine anderen Gase als Helium und Stickstoff verwendet, um die Flüssigtreibstofftanks von Raketen unter Druck zu setzen?

Wasserstoff und Sauerstoff werden auch in autogenen Systemen verwendet. space.stackexchange.com/questions/6323/…
@OrganicMarble, ich verstehe, dass wir uns selbst unter Druck setzen können, aber ich habe einige Probleme dabei kennengelernt, wie das Aufblitzen der Treibmittel. Wenn wir also bedenken, dass wir uns nicht selbst unter Druck setzen, dann werden alle Gase außer He und N
Autogen ist nicht notwendigerweise selbst unter Druck setzend. Einige Systeme (wie Shuttle) erhitzen die Treibstoffe im Motor und schicken sie zurück zum Tank.

Antworten (2)

Ein gutes Druckgas muss einige grundlegende Eigenschaften erfüllen:

  • es muss bei den Temperaturen und Drücken, bei denen Ihr Kraftstoff und Ihr Oxidationsmittel gelagert werden, gasförmig bleiben, damit es nicht einfach auskondensiert, wenn es in die Tanks eingespritzt wird;
  • es muss inert genug sein, um sicher mit dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel gemischt zu werden (denn wenn Sie sowieso zwei verschiedene Druckgase haben, können Sie genauso gut nur den Brennstoff und das Oxidationsmittel selbst verwenden);
  • es sollte aus offensichtlichen Gründen auch sicher bei hohem Druck gelagert werden können; und
  • es sollte eine ziemlich niedrige Molekülmasse haben, da dies bei einem gegebenen Druck und Volumen direkt zu einer geringeren Masse führt.

Zufällig gibt es nicht viele Gase, die alle diese Kriterien erfüllen. Tatsächlich gibt es zunächst nicht viele Gase mit niedrigen Molekülmassen, da sie nur aus einer kleinen Anzahl von Atomen hoch oben im Periodensystem bestehen können , und die meisten Möglichkeiten, diese zu einem stabilen Molekül zusammenzufügen, enden bis ein oder mehrere der anderen Kriterien nicht bestehen. Genauer gesagt, ungefähr in aufsteigender Reihenfolge nach Molekülmasse, haben wir:

Zeitraum 1:

  • Wasserstoff (H 2 ): leichtestes aller Gase, guter Raketentreibstoff, sehr leicht entzündlich und nicht sicher mit Oxidationsmittel zu mischen;
  • Helium (He) : zweitleichtestes aller Gase, mäßig teuer, Edelgas → sehr sicher und inert, gutes Druckgas ;

Einzelne Periode 2 Atom (+ Wasserstoff):

  • Methan (CH 4 ): auch guter Raketentreibstoff, auch sehr leicht entflammbar und nicht sicher mit Oxidationsmittel zu mischen;
  • Ammoniak (NH 3 ): kondensiert leicht, wodurch es für Tieftemperatur- oder Hochdruckbrennstoffe ungeeignet ist, auch unsicher beim Mischen mit Oxidationsmitteln;
  • Wasser (H 2 O): billig, sicher und ziemlich inert, aber die Tatsache, dass es bei Raumtemperatur flüssig ist, macht es praktisch unbrauchbar für die Druckbeaufschlagung;
  • Fluorwasserstoff (HF): stark ätzend und giftig, unsicher zu lagern und zu handhaben;
  • Neon (Ne): ebenfalls ein Edelgas wie Helium, wäre ein perfektes Druckgas, außer dass es sowohl schwerer als auch teurer als Helium ist, also gibt es keinen Grund, es jemals zu wählen;

Zwei Atome der Periode 2 (+ Wasserstoff):

  • Diboran (B 2 H 6 ): hochreaktiv, entzündet sich spontan an der Luft, galt in den 1950er Jahren als Raketentreibstoff, galt aber als zu teuer und gefährlich in der Handhabung;
  • Acetylen (C 2 H 2 ), Ethylen (C 2 H 4 ) und Ethan (C 2 H 6 ): alle brennbar und nicht sicher mit Oxidationsmitteln zu mischen (die ersten beiden sind auch chemisch instabil, wenn sie unter Druck gelagert werden);
  • Borazan / Ammoniakboran (H 3 BNH 3 ): fest(!) bei Raumtemperatur, polymerisiert und setzt beim Erhitzen Wasserstoff frei, wahrscheinlich nicht sicher mit Oxidationsmittel zu mischen, selbst wenn Sie könnten;
  • Cyanwasserstoff (HCN): giftig, brennbar, nicht sicher mit Oxidationsmittel zu mischen, bei Raumtemperatur flüssig;
  • Formaldehyd (H 2 CO): giftig, brennbar, nicht sicher mit Oxidationsmittel zu mischen, polymerisiert unter Druck;
  • Fluormethan : (H 3 CF): verflüssigt sich leicht, brennbar, nicht sicher mit Oxidationsmittel zu mischen;
  • Stickstoff (N 2 ) : ziemlich inert, billiger als Helium, sicher mit den meisten Brennstoffen und Oxidationsmitteln zu mischen, gutes Druckgas ;
  • Hydrazin (N 2 H 4 ): giftig, guter Raketentreibstoff oder Monotreibstoff, nicht sicher mit Oxidationsmittel zu mischen;
  • Kohlenmonoxid (CO): giftig, brennbar, nicht sicher mit Oxidationsmittel zu mischen;
  • Stickstoffmonoxid (NO): schwerer als Stickstoff, reaktiv, wahrscheinlich nicht sicher mit Brennstoff oder Oxidationsmittel zu mischen;
  • Sauerstoff (O 2 ): gutes Oxidationsmittel, nicht sicher mit Kraftstoff zu mischen;
  • Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ): gutes Oxidationsmittel oder Monotreibstoff, nicht sicher mit Kraftstoff zu mischen;
  • Fluor (F 2 ): gutes Oxidationsmittel, giftig, unsicher zu lagern und zu handhaben, sehr unsicher mit Kraftstoff zu mischen;

Einzelne Periode 3 Atom (+ Wasserstoff):

  • Silan (SiH 4 ): hochentzündlich, entzündet sich spontan an der Luft, nicht einmal an Mischen mit Oxidationsmittel denken ;
  • Phosphin (PH 3 ): giftig, brennbar, nicht sicher mit Oxidationsmittel zu mischen;
  • Schwefelwasserstoff (H 2 S): giftig, ätzend, brennbar, nicht sicher mit Oxidationsmittel zu mischen;
  • Chlorwasserstoff (HCl): giftig, ätzend, nicht sicher zu lagern und zu handhaben, wahrscheinlich nicht sicher mit Kraftstoff zu mischen;
  • Argon (Ar): Edelgas, wäre ein gutes Druckgas, außer dass es schwerer und teurer als Helium und Stickstoff ist.

Ich denke, das ist so ziemlich jedes stabile kovalente Molekül mit einer Masse unter etwa 40 Dalton, obwohl ich vielleicht ein paar übersehen habe. Bemerkenswerterweise sind aus dieser Liste die einzigen Gase, die alle Kriterien erfüllen, die Edelgase Helium, Neon und Argon (von denen Helium sowohl das billigste als auch das leichteste ist) und Stickstoffgas.

Je höher die Molekülmasse wird, desto größer wird die Anzahl möglicher zu berücksichtigender Moleküle, da wir nun zB Verbindungen von drei Atomen der Periode 2 (und Wasserstoff) zu berücksichtigen haben. Ich werde nicht einmal versuchen, sie alle aufzulisten, aber AFAIK gibt es dort auch nicht wirklich etwas, das mit Helium und Stickstoff konkurrieren könnte, zumal auch schwerere Gase (alle anderen gleich) tendenziell höhere Siedepunkte haben als ihre leichteren Pendants.

Kohlendioxid (CO 2 ) kommt wahrscheinlich am nächsten, da es billig und ziemlich inert und nur etwa 50 % schwerer als Stickstoff ist, aber sein hoher Gefrierpunkt macht es ungeeignet für die Verwendung mit kryogenen Brennstoffen und Oxidationsmitteln. Ähnliches gilt auch für Schwefelhexafluorid (SF 6 ). Einige der perhalogenierten Kohlenstoffverbindungen wie Tetrafluormethan (CF 4 ) mögen inert und flüchtig genug sein, um als Druckgas zu dienen, aber auch hier sind sie alle schwerer und teurer als der einfache alte Stickstoff und Helium, ebenso wie die schweren Edelgase Krypton und Xenon . ( Radon , das sechste Edelgas, hat seine eigenen einzigartigen Probleme, da es radioaktiv ist.)

Wenn Sie flüssigen Wasserstoff als Brennstoff verwenden (wie Tristan in den Kommentaren unten betonte), sind Ihre einzigen wirklichen Optionen für ein Druckgas entweder Wasserstoff selbst oder Helium. Nichts anderes bleibt bei diesen Temperaturen gasförmig. (Neon kommt ziemlich nah dran, aber nah zählt hier nicht wirklich.)

Kohlenmonoxid ist nicht nur brennbar, ein Gemisch von 12,5–74,2 % mit Luft ist sogar explosiv.
Ganz zu schweigen davon, dass nur Wasserstoff und Helium in Gegenwart von flüssigem Wasserstoff nicht fest gefrieren
@OscarLanzi: Oh, richtig, ich habe Borverbindungen völlig vergessen. Nicht, dass eines davon als Druckgas besonders nützlich wäre, aber ich sollte der Liste dennoch mindestens Diboran und Borazan hinzufügen.
Zumindest nach dem, was ich online finden kann, scheint Helium etwa 200 US-Dollar pro Mol ( 50 US- Dollar pro Kilo mal eine Atommasse von etwa 4) zu kosten, während Argon nur etwa 100 US-Dollar pro Mol kostet ( 2,50 US- Dollar pro Kilo mal und Atommasse) . etwa 40).

Bei Raumtemperatur gibt es nicht viele atomare oder zweiatomige Gase : H, N, O, F, Cl und die Edelgase.

  • Edelgase sind teuer
  • F und Cl sind ätzend
  • Sauerstoff reagiert mit Treibmitteln und kann daher nur verwendet werden, um einen Sauerstofftank unter Druck zu setzen
  • H ist brennbar/explosiv
  • damit bleibt N und das billigste der Edelgase, He.

Es gibt auch zusammengesetzte Gase (z. B. CO 2 ), aber sie sind schwerer als He und N.

Warum nicht H, um O unter Druck zu setzen? Handelt es sich um ein explosives Gemisch?
ja, H+O ist ziemlich brennbar, deshalb wird diese Kombination häufig als Raketentreibstoff verwendet.
Danke :) Ich würde das der Antwort hinzufügen, für die, die sich nicht mit Chemikalien / Treibmitteln auskennen :)
Argon ist sowohl billig ($5/kg) als auch inert und ziemlich dicht (etwa 1400 kg/m^3), wenn es flüssig ist. Als Gas ist es jedoch relativ dicht, sodass das in einem großen Tank verbleibende Restargon eine beträchtliche Abfallmasse darstellen würde.
@SteveLinton Als ich im Büro des Shuttle-Programms arbeitete, wurde mir gesagt, dass flüssiger Sauerstoff industriell hauptsächlich als Nebenprodukt der Argonproduktion hergestellt wird.
Wäre der Siedepunkt auch eine nützliche Information? Das Druckmittel sollte bei der Temperatur, bei der Ihr Treibmittel eine Flüssigkeit ist, ein Gas sein.
Die Masse des Füllgases ist neben der Reaktivität mit ziemlicher Sicherheit auch ein großer Faktor. Trägerraketen wie F9 machen sich aus diesem Grund die Mühe, sowohl He als auch N zu tragen - Er ist die leichteste Art, den Kopfraum zu füllen, N hat den besten Schub in Kaltgas-Triebwerken.
@Saiboogu Ist der Massenunterschied zwischen einem mit He und einem mit N2 gefüllten Falcon-Prop-Tank signifikant?
@OrganicMarble Echte grobe Zahlen - ein Zylinder von 40 x 3,6 m (F9S1-Tank) kommt auf 407 m ^ 3. 407 m^3 Helium wiegen 71 kg und 407 m^3 Stickstoff wiegen 500 kg, das ist also eine nicht unerhebliche Änderung.
Außerdem kann die Lagerung auch Vorteile haben – verdichtet sich das Helium stärker als der Stickstoff? Da bin ich mir nicht sicher.
@Saiboogu Danke für die Zahlen! Der Unterschied ist größer als ich dachte.
Die Siedetemperatur von Argon (87,15 K) liegt sehr nahe bei LOX (90,15 K), es ist nicht sehr gut, einen LOX-Tank unter Druck zu setzen. Für die Druckbeaufschlagung eines Kerosintanks ist Stickstoff billiger als Argon und hat eine geringere Dichte (1,25 bis 1,784). In einem Tank aus flüssigem Wasserstoff würde sich Argon verfestigen. Gibt es ein flüssiges Treibmittel, das mit Argon unter Druck gesetzt werden kann?
@OrganicMarble: Es gibt kryogene Sauerstoffanlagen, die Argon nicht trennen, siehe Wikipedia . Argon sammelt sich am Kopf der Kolonne und wird als Abgas freigesetzt. Um reines Argon zu erhalten, ist eine spezielle Trennung erforderlich, die viel zusätzliche Energie für das weniger als 1 % Argon verbraucht, siehe
Andere als He und N als Druckgase
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