Gründe, warum flüssiger wasserfreier Ammoniak-Kraftstoff für den X-15 gewählt wurde? Wurde es in anderen Raketentriebwerken verwendet?

Laut Clarks "Ignition!" , hatten deutsche Raketenwissenschaftler im 2. Weltkrieg Ammoniak berechnet, und JPL hatte es 1949-1951 mit RFNA- und WFNA- Oxidationsmitteln verbrannt.

In Bezug auf die XLR99 sagt Clark:

Aber für das raketengetriebene Überschallforschungsflugzeug X-15 wurde etwas Stärkeres als Alkohol benötigt. Hydrazin war die erste Wahl, aber es explodierte manchmal, wenn es zur regenerativen Kühlung verwendet wurde, und 1949, als das Programm konzipiert wurde, gab es sowieso nicht genug davon. Bob Truax von der Marine entschied sich zusammen mit Winternitz von Reaction Motors, die den 50.000-Pfund-Schubmotor entwickeln sollten, für Ammoniak als einigermaßen zufriedenstellenden Zweitbesten. Die Sauerstoff-Ammoniak-Kombination wurde von JPL abgefeuert, aber RMI hat sie in den frühen 50er Jahren wirklich ausgearbeitet. Die große Stabilität des Ammoniakmoleküls machte es zu einem schwierigen Kunden, der von Anfang an mit unruhigem Lauf und Verbrennungsinstabilität geplagt wurde. In der Hoffnung, den Zustand zu lindern, wurden alle möglichen Zusätze zum Kraftstoff ausprobiert. darunter Methylamin und Acetylen. Zweiundzwanzig Prozent des letzteren ergaben eine glatte Verbrennung, waren aber gefährlich instabil, und die Mischung wurde nicht lange verwendet. Die Verbrennungsprobleme wurden schließlich durch eine Verbesserung des Injektordesigns behoben, aber es war ein langer und lauter Prozess.

Zu dieser Zeit war der Stand der Technik bei großen Raketen die Redstone , die 75/25 Ethylalkohol/Wasser mit LOX in einem Motor verbrannte, der weitgehend von der V-2 kopiert wurde ; Das Verwässern des Kraftstoffs war notwendig, um die Verbrennungstemperatur zu mäßigen. Obwohl regenerativ gekühlt, war das Design der Kühlrohre zu dieser Zeit nicht so komplex effizient wie bei späteren Motoren.

Kerosin würde in regenerativ gekühlten Motoren "verkoken" (polymerisieren) und möglicherweise Kühlmittelrohre katastrophal verstopfen. Dieses Problem wurde schließlich durch die Entwicklung der RP-1- Kerosinspezifikation Mitte der 50er Jahre gelöst.

Während der Entwicklung des XLR99 hatte Ammoniak also eine nützliche Nische – es lieferte eine bessere Leistung als 75-prozentiger Alkohol, war besser für die regenerative Kühlung geeignet als billiges Kerosin und sicherer als die Hydrazin-Kraftstoffe.

Das Buch Aerofax Datagraph 2 / North American X-15/X-15A-2 von Ben Guenther, Jay Miller und Terry Panopalis enthält weitere Informationen zur Geschichte der Wahl des Treibmittels (Seite 27):

Schließlich wurde festgestellt, dass die beiden wichtigsten Anforderungen vom Sicherheitsstandpunkt aus die Treibmittelkombination und die Mittel zum Erreichen der Verbrennungssicherheit während des Startens und Abschaltens betrafen. Sieben Treibmittelkombinationen wurden eingehend untersucht, wobei diese schließlich auf flüssigen Sauerstoff als Oxidationsmittel und wasserfreies Ammoniak als Brennstoff eingeengt wurden. Die Wahl basierte hauptsächlich auf der Tatsache, dass Reaction Motors über umfangreiche Erfahrung mit Flüssigsauerstoff/Ammoniak-Treibstoffsystemen verfügte, und auch auf der Tatsache, dass diese Treibstoffkombination viel weniger kritische Starteigenschaften hatte. Darüber hinaus war die Kombination aus flüssigem Sauerstoff und Ammoniak ein ideales Kühlmittel für die regenerative Kühlung der Schubkammer des vorgeschlagenen Triebwerks.

FWIW, dieses Buch enthält auch eine gute Beschreibung der Entwicklungsgeschichte des XLR-99 und Einzelheiten zu seinem Design.

Laut diesem PDF einer Powerpoint-Präsentation wurde die Wahl getroffen, weil einer der Chefdesigner von Reaction Motors, Dr. Paul F. Winternitz, ein Verfechter von NH3/LOX-Motoren war.

Gründe für die Wahl des Treibmittels:

Die Anweisung zur Verwendung von NH 3 kam von Dr. Paul F. Winternitz, einem Treibmittelwissenschaftler aus Österreich.

• Dr. Winternitz musste einen Kraftstoff finden, der stabil ist, leicht zu halten ist, eine gute volumetrische Energiedichte, Dichte aufweist, im Temperaturbereich funktioniert und Rückschlüsse auf ein späteres H2-Kraftstoffsystem zulässt.
• NH 3 /LOX passte und es funktionierte!
• Später, als die gravimetrische Energiedichte wichtiger war als die volumetrische Energiedichte (für das Shuttle), wurde H 2 bevorzugt
• Gute Wärmeübertragungseigenschaften

Die Präsentation ist etwas skizzenhaft (und besagt fälschlicherweise, dass ein früher von Reaction Motors gebauter Motor, der XLR-10, mit NH3 betrieben wurde), enthält aber dieses wunderbare Schema des XLR-99.

Interessanterweise wurde diese Präsentation der NH3 Fuel Association gegeben, deren Ziele sind

Förderung von NH3 als erschwinglicher, nachhaltiger, kohlenstofffreier Brennstoff für stationäre Strom-, Transport- und Energiespeicheranwendungen, wodurch die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert und der Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft ermöglicht wird.

Als langjähriges Mitglied der NH3 Fuel Association.

Zunächst eine kleine Korrektur. "Kryogen" bezieht sich auf Gase, die sich unter -150 Grad C verflüssigen. Wie Sie sagen, verflüssigt sich Ammoniak bei -33 Grad ... was den Umgebungsbedingungen in der Industrie ziemlich nahe kommt. "Gekühlt" wäre ein genauerer Begriff.

Zweitens fragen Sie, warum Ammoniak als Raketentreibstoff für die X-15 verwendet wurde. Ich bin kein Motorexperte, und andere haben dies hier mit mehr Wissen angesprochen, als ich kann, aber ich verstehe, dass das Problem der "Verkokung" von entscheidender Bedeutung war: Kohlenwasserstoffkraftstoffe bildeten Ruß, der die Leistung beeinträchtigte, aber Ammoniak enthält keinen Kohlenstoff und bildete daher keinen Ruß .

Drittens fragen Sie, ob Ammoniak vor oder nach dem X-15 verwendet wurde. Ja und ja.

In der Vergangenheit ... Belgien, Stadtbusse in den 1940er Jahren; Norwegen, Vorführwagen in den 1930er Jahren; Louisiana, öffentlicher Straßenbahnwagen in den 1870er Jahren (Ammoniak-Dampfmaschine, Arbeitsflüssigkeit, kein Kraftstoff). Siehe https://nh3fuelassociation.org/introduction/ .

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PS zum vorherigen Kommentar zur Kühlung im X-15. Es hatte keine, das Gewicht absolut minimal zu halten, schloss es aus. Die Temperatur war beim LOX ein viel größeres Problem als beim NH3. Während des Transports zum Start wurde der LOX aus einem Vorrat im B-52-Trägerflugzeug aufgefüllt. andernfalls trat ein gewisses Maß an Abkochen auf. Ein besonderer Fall des Entlüftens von LOX war das Senden durch den XLR-99, um den Motor kurz vor dem Start vorzukühlen.

Auf Bob Whites FAI-Welthöhenflug bat und erhielt er die Erlaubnis, einige der letzten Punkte in der Checkliste vor dem Start neu zu ordnen, um ein paar zusätzliche Sekunden LOX-Aufstockung aus dem LOX-Tank der B-52 zu gewinnen, der einzigartig war für Die beiden B-52 trugen früher die X-15. White hatte bei dieser Mission auch einen XLR99 mit zu hoher Leistung, und der Dryden-Raketenladen hatte ihn im Voraus darauf hingewiesen.

Als Dozent am Aerospace Museum of California beziehe ich mich oft indirekt auf die daraus resultierende Performance. Mit einer 82-Sekunden-Raketenzündung stellte White einen FAI-Höhenrekord bei 314.750 Fuß auf, etwa 30.000 Fuß über dem geplanten Apogäum. Das war innerhalb der gesamten Geschichte der Höhenüberschreitungen und -unterschreitungen des X-15, das Maximum, das mir in den Sinn kommt, war etwa 40.000 Fuß.

Eine andere Metrik ist, dass der Pilot sofort 2G Vorwärtsbeschleunigung hat, wenn der XLR-99 leuchtet. Das wuchs beim Burnout auf 4G an – daraus entstand ein berühmtes Zitat des X-15-Piloten Milt Thompsin: „Die X-15 ist das einzige Flugzeug, das ich je geflogen bin, bei dem ich froh war, als der Motor ausging.“

Einige andere Metriken aus diesem Rekordflug von White waren, dass er ungefähr 315 Meilen horizontal und 110 Meilen vertikal zurücklegte und er 10 Minuten 20,7 Sekunden nach dem Start aufsetzte.

Wie in einer der vorherigen Antworten erwähnt und dieser Quelle zufolge stammte die Anweisung zur Verwendung von wasserfreiem Ammoniak von Dr. Paul F. Winternitz, einem Treibstoffwissenschaftler aus Österreich und Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Reaction Motors Inc. (RMI). Nach seiner Aussage wurde es aus praktischen Gründen gewählt:

„ Ich habe mit einigen Treibstoffsystemen gearbeitet und festgestellt, dass NH3/LOX zu den einfacheren gehört, mit denen man arbeiten kann. Wir sind unterwegs auf einige Herausforderungen gestoßen, aber keine hatte etwas mit dem Kraftstoff selbst zu tun '''

Frühere Arbeiten des Raketeningenieurs namens Robertson Youngquist zur regenerativen Motorkühlung mit wasserfreiem Ammoniak legten den Grundstein für seine Verwendung in RMI. Folgende Vorteile von wasserfreiem Ammoniak waren für Antriebsingenieure attraktiv:

• Ein hoher Wasserstoffgehalt von 17,65 %, gepaart mit einer anständigen Flüssigkeitsdichte von 0,682 kg/l bei BP (Vorkühlung erhöht die Dichte weiter), ergibt einen um 70 % höheren Wasserstoffgehalt als LH2 selbst,
• Gute Leistung: Meeresspiegel-Isp 293s, vakuumspezifischer Impuls 343s. Diese Werte sind immer noch attraktiv,
• Niedrige durchschnittliche Molmasse von Gasen (ca. 19,8 g/mol) für kraftstoffreiche Gemische aufgrund der Dissoziation von Ammoniak zu Wasserstoff und Stickstoff bei höheren Temperaturen,
• Die Verbrennungstemperatur liegt bei etwa 2800–2850 °C, niedriger als bei anderen Kombinationen unter den gleichen Bedingungen aufgrund des hohen Wassergehalts im Abgas und der Dissoziation von Ammoniak.
• Emissionsfreie Verbrennung, Wasser und Stickstoff sind nur Verbrennungsprodukte. Keine COx-, SOx-, NOx- und Chlorverbindungen. Ammoniak ist kein Treibhausgas.
• Mittlere Verflüssigungstemperatur von -33,3 °C, niedriger Gefrierpunkt von -77,73 °C und hohe kritische Temperatur von 132,4 °C, was bedeutet, dass es in einem weiten Temperaturbereich flüssig ist,
• Hohe latente Verdampfungswärme von 1,37 MJ/kg und hohe Wärmekapazität von 4,7 KJ/kg*K (höher als Wasser), was bedeutet, dass es ein ausgezeichnetes Medium für regenerative Kühlung ist,
• Es ist selbst unter Druck stehendes Gas, Dampfdruck 10 bar bei 25 °C,
• Es ist nicht ätzend, explosiv und leicht entzündlich.

Ammoniak ist jedoch nicht ohne Nachteile:

• Es ist beim Einatmen giftig und muss mit Respekt behandelt werden. Es ist hochgiftig für Meereslebewesen. Dennoch ist es weniger gefährlich als Hydrazin und seine Derivate. Auch gab es eine lange Erfahrung in der Herstellung, dem Transport und der Lagerung mit ausgezeichneter Sicherheitsbilanz,
• Die Zündung ist problematisch, harte Starts und Verbrennungsinstabilitäten sind oft Probleme. Die RMI-Ingenieure haben es geschafft, diese Probleme im LR-99 mit einem cleveren Injektordesign zu überwinden. Eine zuverlässige Wiederzündung des Triebwerks wäre jedoch trotz attraktiver vakuumspezifischer Impulse eine Herausforderung für Weltraummissionen.
• Niedrige O&F-Gesamtdichte, niedriger als Kerolox oder NTO/Hydrazin, aber immer noch besser als Hydrolox.

In der Raketentechnik war wasserfreies Ammoniak zur Verwendung bestimmt für:

• Douglas D-558-3 amerikanisches bemanntes Raketenflugzeug, das 1954 geflogen ist, ein Gegenstück von X-15, das für die Marine bestimmt ist. Es verwendete eine andere RMI-Engine XLR-30-RM-2. Überfluss zugunsten von X-15,

• Das Mini-Shuttle wurde 1972 als bemanntes Raketenflugzeug konzipiert, das Eigenkomponenten wie den LR-99-Motor verwenden würde, aber nie zugelassen wurde.

• Im Jahr 2012 kündigte der russische Raketentriebwerkshersteller Energomash Arbeiten an einer neuen Rakete an, die mit einer Mischung aus Acetylen und Ammoniak betrieben wird. Der neue Atsetam-Motor sollte auf dem RD-161 basieren, und die Rakete sollte 2017-2018 gestartet werden. Aber es scheint, als ob es mit Finanzierungskürzungen konfrontiert wäre.