Warum wird Hydrazin verwendet, um die EPU der F-16 mit Strom zu versorgen?

Um die Lücken in der Antwort von aeroalias zu füllen:

Hydrazin ist ein Monotreibstoff , etwas, das nicht gemischt und verbrannt werden muss, um die in seinen chemischen Bindungen enthaltene Energie freizusetzen. Diese Energie wird freigesetzt, indem man das Hydrazin über einen Katalysator strömen lässt , im Falle des F-16 EPU ist das Iridium . Dies bricht die chemische Bindung auf und erzeugt Ammoniak, Stickstoffgas, Wasserstoffgas und Wärme , die das Wasser in Dampf umwandelt. Durch das Erhitzen vergrößert sich das Volumen der Gase und des Dampfes, so dass sie an Geschwindigkeit gewinnen, genau wie die Gase in der Brennkammer eines Strahltriebwerks. In der Katalysatorkammer der EPU des F-16 erreicht die Temperatur in nur wenigen Millisekunden mehr als 800 °C, und es findet keine Verbrennung statt! Dieses Hochdruckgas mit hoher Geschwindigkeit strömt durch eine kleine Turbine, die wiederum einen Generator antreibt und hydraulischen Druck liefert.

Eine Kompression ist nicht erforderlich, da der Druck von der Flasche zugeführt wird, die das Hydrazin-Wasser-Gemisch enthält. Die Verwendung eines Monotreibstoffs vermeidet auch Zündprobleme und macht den Aufbau sehr einfach. Da Hydrazin bei hohem Druck und Umgebungstemperatur ziemlich stabil ist, ist die Haltbarkeit eines Hydrazinmotors hoch, und der flüssige Zustand des Hydrazin-Wasser-Gemisches macht seine Lagerung sehr kompakt. Genau das, was Sie in einem Kampfflugzeug brauchen.

Die EPU von F-16 wird mit einer Monotreibstoff-Hydrazin-Mischung, H-70, betrieben, die 70 % Hydrazin enthält ($N_{2}H_{4}$) und 30 Gew.-% Wasser.

Die Hauptanforderungen an die EPU sind, dass sie einfach und wartungsfrei sein sollte und Strom sofort und konstant für die erforderliche Zeit liefern sollte. Die Verwendung von Hydrazin stellt dies sicher, erfordert aber eine sorgfältige Handhabung.

Grundsätzlich erzeugt die katalytische Zersetzung von Hydrazin Ammoniak, Stickstoff und Wasserstoff. Abgase aus EPU-Turbinen enthalten 40 % Ammoniak, 17 % Stickstoff, 15 % Wasserstoff und 28 % Wasser.

$3N_{2}H_{4} \rightarrow 4NH_{3} + N_{2}$

$4NH_{3} \rightarrow 2N_{2} + 6H_{2}$

$3N_{2}H_{4} \rightarrow 4(1-x)NH_{3} + 6xH_{2} + (2x+1) N_{2}$

wobei x der Bruchteil von ist$NH_{3}$getrennt.

Das Wasser modifiziert die Zersetzungstemperatur (die EPU erreicht Temperaturen von ~870$^{\circ}C$), um eine thermische Beschädigung des Katalysatorbetts und der Turbinenteile zu verhindern. Wenn das Wasser Wärme entzieht, wird es in Dampf umgewandelt, der den Antrieb der EPU unterstützt.

Die EPU, die Hydrazin verwendet, dreht sich in 2-3 Sekunden auf etwa 75.000 U / min (Die F-16 EPU startet innerhalb von 2 Sekunden). Es würde viel länger dauern, wenn ein anderer Treibstoff wie JP-8 verwendet würde. Bei Bedarf (EPU läuft normalerweise mit Triebwerkszapfluft) wird Hydrazin durch Stickstoffdruck in die Zersetzungskammer gedrückt , wo die oben genannten Reaktionen die Gase zum Betrieb der Turbine/des Getriebes erzeugen. Die Zersetzung von Hydrazin erzeugt genügend Druck, sodass kein Kompressor erforderlich ist, wodurch Gewicht eingespart und auch ein Zünder überflüssig wird, wodurch die Komplexität verringert wird.

Für das gegebene Gewicht bietet es Dauerbetrieb für die erforderliche Zeit. In F-16 trägt die EPU ~25 l Hydrazin, was einen Betrieb von etwa 10 Minuten unter normalen Lastbedingungen und 15 Minuten bei geringerer Last (dh im Boden) ermöglicht. Wenn irgendeine andere Form (wie Batterie oder Patrone) verwendet würde, wäre es schwierig, eine lange Betriebszeit ohne starke Zunahme der Masse zu haben.

Für ein Kampfflugzeug ist RAT keine Option. Außerdem würde eine mit Hydrazin betriebene EPU in jeder Höhe oder während des Manövrierens funktionieren, da sie keine externe Oxidationsmittelversorgung benötigt.

Verweise:

Abgaszusammensetzung des Notstromaggregats F-16 von Harry J. Suggs et al.

Technischer Befehl 00-105E-9, USAF

AFR 110-14 USAF Flugunfalluntersuchungsbericht.

F-16 Handbuch

Danke an @Peter für den Hinweis auf Fehler.

Die Verwendung von Hydrazin hängt mit der Stabilität des Flugzeugs zusammen. Ohne Stromversorgung der Computer ist die bevorzugte Fluglage der F-16 das Fliegen mit dem Heck voran. Das grundlegende Flugzeugdesign ist absichtlich aerodynamisch instabil, um eine hohe Leistung zu erzielen. Die Flugsteuerungscomputer behalten die Stabilität bei.

Fällt der Strom aus, braucht der Pilot plötzlich Watstiefel. Um solche unglücklichen Umstände zu verhindern, wurde die APU so spezifiziert, dass sie 0,25 Sekunden nach einem Stromausfall mit voller Leistung online ist.

Anscheinend konnte in den späten 60er bis frühen 70er Jahren (Designjahre) nichts anderes die Anforderungen an schnellen Start, Gewicht und Kraftausdauer erfüllen.