DE102014016299A1 - Ammonium dinitramide based gas generator fuel (ADN) and process for its preparation - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Gasgenerator-Treibstoff vorgeschlagen, welcher einen monergolen Treibstoff auf der Basis von Ammoniumdinitramid (ADN) und wenigstens ein Lösungsmittel enthält, wobei der Gasgenerator-Treibstoff wenigstens 65 Mass.-% ADN und höchstens 5 Mass.-% Wasser, jeweils bezogen auf die Mischung aus ADN und Lösungsmittel, enthält, und wobei wenigstens ein Lösungsmittel von Ammoniak (NH3) gebildet ist. Der Gasgenerator-Treibstoff ist vorzugsweise im Wesentlichen wasserfrei und enthält keine weiteren Lösungsmittel. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gasgenerator-Treibstoffes, welches den Verfahrensschritt des Lösens von ADN in Ammoniak mit einem Anteil an ADN von wenigstens 65 Mass.-% ADN, des Aufkondensierens von Ammoniak auf ADN mit einem Anteil an ADN von wenigstens 65 Mass.-% ADN oder des Aufkonzentrierens einer Mischung aus ADN und Ammoniak auf einen Anteil an ADN von wenigstens 65 Mass.-% ADN, jeweils bezogen auf die Mischung aus ADN und Ammoniak, umfasst.A gas generator fuel is proposed which comprises a monergous ammonium dinitramide (ADN) based fuel and at least one solvent, wherein the gas generator fuel is at least 65 mass% ADN and at most 5 mass% water, each based on the mixture of ADN and solvent, and wherein at least one solvent of ammonia (NH3) is formed. The gas generator fuel is preferably substantially anhydrous and contains no other solvents. The invention further relates to a process for producing such a gas generator fuel, which comprises the process step of dissolving ADN in ammonia with an amount of ADN of at least 65% by mass of ADN, of condensing ammonia to ADN with an amount of ADN of at least 65% by mass of ADN or of concentrating a mixture of ADN and ammonia to a content of ADN of at least 65% by mass of ADN, based in each case on the mixture of ADN and ammonia.
Description
Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator-Treibstoff, enthaltend einen monergolen Treibstoff auf der Basis von Ammoniumdinitramid (ADN) und wenigstens ein Lösungsmittel, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a gas generator fuel containing a monergolene fuel based on ammonium dinitramide (ADN) and at least one solvent, and a process for its preparation.
Derartige Gasgenerator-Treibstoffe finden in flüssiger Form insbesondere für Raketen-Treibstoffe in der Raumfahrt, aber auch für militärische Zwecke einschließlich militärischer Flugkörper und für Torpedo-Treibstoffe, für Nottreibstoffe von Flugzeugen und U-Booten etc. Verwendung. Gegenüber herkömmlichen monergolischen Gasgenerator-Treibstoffen, wie solchen auf der Basis von Wasserstoffperoxid oder Hydrazin, weist Ammoniumdinitramid insbesondere eine relativ gute Langzeitstabilität (z. B. im Vergleich mit Wasserstoffperoxid) und Einsatzfähigkeit bei tiefen Temperaturen unterhalb –20°C sowie ein ungleich geringeres gesundheitliches Gefährdungspotenzial (z. B. im Vergleich mit Hydrazin) auf.Such gas generator fuels are used in liquid form, in particular for rocket propellants in aerospace, but also for military purposes, including military missiles and for torpedo fuels, for fuel of aircraft and submarines etc. In contrast to conventional gas generator gasoline propellants, such as those based on hydrogen peroxide or hydrazine, ammonium dinitramide has, in particular, a relatively good long-term stability (eg in comparison with hydrogen peroxide) and usefulness at low temperatures below -20 ° C., as well as a much lower potential health hazard (eg in comparison with hydrazine).
Flüssige Gasgenerator-Treibstoffe auf der Basis von ADN, Wasser sowie Brennstoff-Additiven wurden bereits gegen Ende des vergangenen Jahrhunderts als Ersatz von Hydrazin-basierte Treibstoffe entwickelt (
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bei Raumtemperatur flüssigen Gasgenerator-Treibstoff auf der Basis von Ammoniumdinitramid (ADN) der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass er unter zumindest weitestgehender Vermeidung der vorgenannten Nachteile eine verbesserte Tieftemperaturbeständigkeit bei einer erhöhten massenspezifischen Leistung aufweist. Sie ist ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gasgenerator-Treibstoffes gerichtet.The invention has the object of providing a liquid at room temperature gas generator fuel on the basis of ammonium dinitramide (ADN) of the type mentioned in that it has at least largely avoiding the aforementioned disadvantages improved low temperature resistance at an increased mass-specific performance. It is further directed to a method of making such gas generator fuel.
Der erste Teil dieser Aufgabe wird bei einem Gasgenerator-Treibstoff der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Gasgenerator-Treibstoff wenigstens etwa 65 Mass.-% ADN und höchstens etwa 5 Mass.-% Wasser, jeweils bezogen auf die Mischung aus ADN und Lösungsmittel, enthält, wobei wenigstens ein Lösungsmittel von Ammoniak (NH3) gebildet ist.The first part of this object is achieved according to the invention in a gas generator fuel of the type mentioned that the gas generator fuel at least about 65 Mass .-% ADN and at most about 5 Mass .-% water, each based on the mixture of ADN and Solvent, wherein at least one solvent of ammonia (NH 3 ) is formed.
In verfahrenstechnischer Hinsicht sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung eines Gasgenerator-Treibstoffes der eingangs genannten Art ferner vor, dass es wenigstens einen Verfahrensschritt aus der Gruppe
- – Lösen von ADN in Ammoniak mit einem Anteil an ADN von wenigstens etwa 65 Mass.-% ADN;
- – Aufkondensieren bzw. ”Aufpressen” von Ammoniak auf ADN mit einem Anteil an ADN von wenigstens etwa 65 Mass.-%; und
- – Aufkonzentrieren einer Mischung aus ADN und Ammoniak auf einen Anteil an ADN von wenigstens 65 Mass.-%, beispielsweise durch Abdampfen eines entsprechenden Anteils an Ammoniak,
- Dissolving ADN in ammonia with an amount of ADN of at least about 65 mass% of ADN;
- - Condensation or "pressing" of ammonia on ADN with a proportion of ADN of at least about 65 Mass .-%; and
- Concentrating a mixture of ADN and ammonia to a proportion of ADN of at least 65% by mass, for example by evaporating off a corresponding proportion of ammonia,
Der erfindungsgemäße Gasgenerator-Treibstoff, welcher bis zu einer Temperatur im Bereich von –30°C in flüssiger Phase vorliegt, weist aufgrund seines hohen Anteils an ADN eine hohe massenspezifische Leistung auf, wobei insbesondere auf die
Aufgrund der hervorragenden Löslichkeit von ADN in Ammoniak weist der flüssige Gasgenerator-Treibstoff auch bei Raumtemperatur eine geringe Flüchtigkeit sowie hervorragende Tieftemperatureigenschaften auf. In diesem Zusammenhang sei zunächst auf die
Während in
Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Gasgenerator-Treibstoff je nach Auswahl etwaiger Additive (siehe hierzu weiter unten) im Wesentlichen frei von kanzerogenen Inhaltsstoffen sowie insbesondere auch im Wesentlichen frei von Kohlenstoff sein, so dass bei seinem Abbrand kein toxisches Kohlenmonoxid oder Blausäure gebildet werden kann. Entsprechendes gilt für eine Bildung fester Abbrandprodukte, wie sie beim Stand der Technik entstehen können. Ferner sei erwähnt, dass der erfindungsgemäße Gasgenerator-Treibstoff je nach Auswahl etwaiger Additive sowie insbesondere in von Additiven freier Form die Möglichkeit bietet, die vornehmlich aus Stickstoff, Wasserstoff und Wasser bestehenden Verbrennungsprodukte einer Wasserstoff-Brennstoffzelle als Brennstoff aufzugeben, so dass der Gasgenerator-Treibstoff zusätzlich als Wasserstoffgenerator genutzt werden kann, welcher keine Abtrennung von etwaigem Kohlenmonoxid oder -dioxid erfordert.In addition, the gas generator fuel according to the invention depending on the selection of any additives (see below) substantially free of carcinogenic ingredients and in particular also be substantially free of carbon, so that when it burns no toxic carbon monoxide or hydrogen cyanide can be formed. The same applies to a formation of solid burn-off products, as they can arise in the prior art. It should also be mentioned that the gas generator fuel according to the invention, depending on the selection of any additives and in particular in additives free form offers the opportunity to abandon the existing primarily nitrogen, hydrogen and water combustion products of a hydrogen fuel cell as fuel, so that the gas generator fuel can additionally be used as a hydrogen generator, which does not require separation of any carbon monoxide or dioxide.
Im Übrigen sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich das erfindungsgemäße Verhältnis von wenigstens 65 Mass.-% ADN auf die Mischung aus ADN und allen vorhandenen Lösungsmitteln (also insbesondere Ammoniak einschließlich des gegebenenfalls vorhandenen, maximal 5%-igen Anteils an Wasser sowie gegebenenfalls vorhandenen weiteren Lösungsmitteln) bezieht, was einem Massenverhältnis von wenigstens etwa 1,85:1 von ADN zu Lösungsmittel entspricht.Incidentally, it should be noted at this point that the ratio according to the invention of at least 65% by mass of ADN to the mixture of ADN and all solvents present (ie in particular ammonia, including the optionally present, maximum 5% proportion of water and optionally additional solvent present) corresponding to a mass ratio of at least about 1.85: 1 of ADN to solvent.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des flüssigen Gasgenerator-Treibstoffes, welches ein Lösen von ADN in flüssigem Ammoniak, ein Aufkondensieren von Ammoniak auf das ADN, wie beispielsweise ein Aufkondensieren von gasförmigem Ammoniak bei etwa –30°C auf festes ADN unter Atmosphärendruck, und/oder ein Aufkonzentrieren einer ammoniakalischen ADN-Lösung vorsieht, erlaubt schließlich eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung desselben, wobei es aus wirtschaftlichen Gründen selbstverständlich auch möglich ist, das ADN in als solcher bekannter Weise aus Guanylharnstoffdinitramid (GUDN, FOX 12) zu synthetisieren. The inventive method for producing the liquid gas generator fuel, which is a dissolution of ADN in liquid ammonia, a condensation of ammonia on the ADN, such as a condensation of gaseous ammonia at about -30 ° C to solid ADN under atmospheric pressure, and / or Finally, a concentration of an ammoniacal ADN solution allows finally a very simple and inexpensive preparation of the same, and it is of course also possible for economic reasons to synthesize the ADN in such a known manner from guanyl urea dinitramide (GUDN, FOX 12).
In vorteilhafter Ausgestaltung kann aus den vorgenannten Gründen vorgesehen sein, dass der Gasgenerator-Treibstoff höchstens etwa 4 Mass.-% Wasser, insbesondere höchstens etwa 3 Mass.-% Wasser, vorzugsweise höchstens etwa 2 Mass.-% Wasser, jeweils bezogen auf die Mischung aus ADN und Lösungsmittel, enthält, wobei er höchst vorzugsweise höchstens etwa 1 Mass.-% Wasser enthält und insbesondere im Wesentlichen frei von Wasser sein kann.In an advantageous embodiment may be provided for the aforementioned reasons that the gas generator fuel at most about 4 mass .-% water, in particular at most about 3 mass .-% water, preferably at most about 2 mass .-% water, each based on the mixture of ADN and solvent, most preferably containing at most about 1% by weight of water and, in particular, being substantially free of water.
Wie bereits angedeutet, kann in weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Gasgenerator-Treibstoff im Wesentlichen frei von kohlenstoffhaltigen Lösungsmitteln ist, wobei er insbesondere wenigstens 15 Mass.-%, vorzugsweise wenigstens 20 Mass.-%, höchst vorzugsweise wenigstens 20 Mass.-%, jeweils bezogen auf die Mischung aus ADN und Lösungsmittel, an Ammoniak enthält und vorzugsweise im Wesentlichen ausschließlich Ammoniak als Lösungsmittel enthält und etwaige weitere Lösungsmittel z. B. in einem Anteil von höchstens etwa 5 Mass.-%, vorzugsweise von höchstens etwa 4 Mass.-%, insbesondere von höchstens etwa 3 Mass.-%, höchst vorzugsweise von höchstens etwa 2 Mass.-% und besonders bevorzugt von höchstens etwa 1 Mass.-% oder insbesondere zu 0 Mass.-%, vorhanden sind.As already indicated, it can be provided in a further advantageous embodiment that the gas generator fuel is substantially free of carbonaceous solvents, in particular at least 15% by mass, preferably at least 20% by mass, most preferably at least 20% by mass. %, in each case based on the mixture of ADN and solvent, of ammonia and preferably contains substantially exclusively ammonia as the solvent and any further solvents, for. In a proportion of at most about 5 mass%, preferably at most about 4 mass%, in particular at most about 3 mass%, most preferably at most about 2 mass%, and most preferably at most about 1 Mass .-% or in particular to 0 Mass .-%, are present.
Die Herstellung eines solchen Gasgenerator-Treibstoffes kann beispielsweise dadurch geschehen, dass
- – das ADN in im Wesentlichen wasserfreiem Ammoniak gelöst; und/oder
- – im Wesentlichen wasserfreier Ammoniak auf das ADN aufkondensiert; und/oder
- – eine Mischung aus ADN und im Wesentlichen wasserfreiem Ammoniak aufkonzentriert
- The ADN is dissolved in essentially anhydrous ammonia; and or
- - Essentially anhydrous ammonia condensed on the ADN; and or
- - Concentrated a mixture of ADN and substantially anhydrous ammonia
Um für einen möglichst hohen spezifischen Impuls des Gasgenerator-Treibstoffes zu sorgen, kann in weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass er wenigstens etwa 70 Mass.-%, insbesondere wenigstens etwa 75 Mass.-%, ADN, beispielsweise zwischen etwa 75 Mass.-% und etwa 80 bis etwa 85 Mass.-% ADN, jeweils bezogen auf die Mischung aus ADN und Lösungsmittel, enthält. Zur Herstellung eines solchen Gasgenerator-Treibstoffes kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das ADN mit einem Anteil von wenigstens 70 Mass.-%, insbesondere von wenigstens 75 Mass.-%, in – vorzugweise weitestgehend reinem und wasserfreiem – Ammoniak gelöst oder – vorzugweise weitestgehend reiner und wasserfreier – Ammoniak mit einem entsprechenden Anteil auf das ADN aufkondensiert bzw. ”aufgepresst” wird.In order to ensure the highest possible specific impulse of the gas generator fuel, it can be provided in a further advantageous embodiment that it contains at least about 70% by mass, in particular at least about 75% by mass, of ADN, for example between about 75% by mass. % and about 80 to about 85% by mass of ADN, based in each case on the mixture of ADN and solvent. For the preparation of such a gas generator fuel, it may be provided, for example, that the ADN is dissolved in a proportion of at least 70% by weight, in particular at least 75% by weight, preferably largely pure and anhydrous, ammonia or is preferably substantially pure and anhydrous - ammonia is condensed with a corresponding proportion of the ADN or "pressed" is.
Während der erfindungsgemäße Gasgenerator-Treibstoff, wie bereits erwähnt, grundsätzlich in flüssiger Phase vorliegen kann, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung auch vorgesehen sein, dass er als gelförmiger Treibstoff vorliegt und wenigstens einen Gelbildner enthält, welcher zweckmäßigerweise in einem Anteil von etwa 0,1 Mass.-% bis etwa 15 Mass.-%, insbesondere von etwa 0,5 Mass.-% bis etwa 10 Mass.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmischung (d. h. auf die Gesamtmischung aus ADN, Lösungsmittel, Gelbildner und gegebenenfalls vorhandenen Additiven (siehe hierzu weiter unten)), vorhanden sein kann.While the gas generator propellant according to the invention, as already mentioned, may in principle be in the liquid phase, according to an advantageous development it can also be provided that it is present as a gelatinous propellant and contains at least one gelling agent, which is expediently contained in a proportion of about 0.1 mass % to about 15 mass%, in particular from about 0.5 mass% to about 10 mass%, in each case relative to the total mixture (ie to the total mixture of ADN, solvent, gelling agent and optionally present additives ( see below)), may be present.
Vorteilhafte Vertreter von geeigneten Gelbildnern umfassen Kohlenstoff-Nanoröhren einschließlich funktionalisierter Kohlenstoff-Nanoröhren, insbesondere mit funktionellen Gruppen aus der Gruppe Aminogruppen, Alkylaminogruppen und anderen funktionellen Gruppen mit einer Basenstärke größer als Ammoniak, und/oder dotierter Kohlenstoff-Nanoröhren, insbesondere stickstoffdotierte Kohlenstoff-Nanoröhren, wie beispielsweise CN2-Nanoröhren. Die Kohlenstoff-Nanoröhren (”carbon nanotubes”) können als einwandige (single wall), doppelwandige (double wall) oder mehrwandige (multi wall) Nanoröhren und/oder in Form von modifizierten, Seitengruppen aufweisenden Kohlenstoff-Nanoröhren eingesetzt werden. Die vorgenannten funktionellen Gruppen solcher Kohlenstoff-Nanoröhren können sich in dem Gasgenerator-Treibstoff zu energetischen ionischen Flüssigkeiten (EIL, energetic ionic liquids) umsetzen: 
Weitere Vertreter von vorteilhaften Gelbildnern umfassen pulverförmige Metalle, Halbmetalle, Metalloxide und/oder Halbmetalloxide, insbesondere auf der Basis von Silicium, wie beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Aerosil” (Evonik Industries) erhältliche pyrogene Kieselsäure. Die Partikelgröße derartiger pulverförmiger Metalle oder Metalloxide beträgt vorzugsweise zwischen etwa 1 nm und etwa 10 μm, insbesondere zwischen etwa 1 nm und etwa 1 μm.Further representatives of advantageous gelling agents include powdered metals, semimetals, metal oxides and / or semi-metal oxides, in particular based on silicon, such as, for example, available under the trade name "Aerosil" (Evonik Industries) fumed silica. The particle size of such powdered metals or metal oxides is preferably between about 1 nm and about 10 μm, in particular between about 1 nm and about 1 μm.
Weitere Vertreter von vorteilhaften Gelbildnern umfassen OH-funktionalisierte, wie insbesondere alkoholische Gelbildner, insbesondere auf der Basis von energetischen Di- und/oder Triolen, wie beispielsweise Glycidyl-Azid-Polymer-Diole (GAP-Diole), sowie polymere Gelbildner, insbesondere mit Stickstoff enthaltenden funktionellen Gruppen, wie auf Isocyanat- und/oder Harnstoffbasis, einschließlich Triazin-Polymeren und polymeren Harnstoffurethanen. Vertreter von geeigneten Harnstoffurethanen sind z. B. aus der
Weitere Vertreter von vorteilhaften Gelbildnern umfassen Lösungen von Harnstoffurethanen, welche durch Umsetzung von Mono-, Di- und/oder Polyalkoholen, insbesondere von energetischen Monoalkoholen und/oder Diolen, wie beispielsweise Nitroalkoholen, GAP-Diolen oder dergleichen, mit Diisocyanaten und anschließender Reaktion mit Mono- und/oder Diaminen bzw. Mono- und/oder Dinitraminen einschließlich Mischungen derselben erhalten worden sind, mit ionischen Flüssigkeiten (ionic liquids, IL), insbesondere mit energetischen ionischen Flüssigkeiten (energetic ionic liquids, EIL), als Lösungsmittel.Other representatives of advantageous gelling agents include solutions of urea-urethane, which by reacting mono-, di- and / or polyalcohols, especially of energetic monoalcohols and / or diols, such as nitro alcohols, GAP-diols or the like, with diisocyanates and subsequent reaction with mono - And / or diamines or mono- and / or dinitramines including mixtures thereof have been obtained with ionic liquids (IL), in particular with energetic ionic liquids (EIL), as a solvent.
Zur Herstellung eines solchen Geltreibstoffes wird der Gasgenerator-Treibstoff unter Zusatz eines geeigneten Gelierungsmittels bzw. Gelbildners, insbesondere der vorgenannten Art, geliert, wobei das Gelierungsmittels zweckmäßigerweise möglichst feindispers in die Mischung aus ADN und Lösungsmittel eindispergiert werden sollte, beispielsweise mittels Ultraschall und/oder Eintrag von Scherkräften, z. B. unter Einsatz entsprechender Homogenisatoren, Scheibenrührern (Dissolvern) und dergleichen.To produce such a natural fuel, the gas generator fuel is gelled with the addition of a suitable gelling agent or gelling agent, in particular of the aforementioned type, wherein the gelling agent should expediently be dispersed as finely as possible into the mixture of ADN and solvent, for example by means of ultrasound and / or entry of shear forces, e.g. B. using appropriate homogenizers, Scheibenrührern (dissolvers) and the like.
Alternativ oder zusätzlich zu einem Einsatz von Gelierungsmitteln kann vorgesehen sein, dass der Gasgenerator-Treibstoff zur weiteren Verbesserung seiner Tieftemperatureigenschaften, wie insbesondere zur Erniedrigung seines Schmelz- bzw. Erstarrungspunktes, wenigstens ein Additiv aus der Gruppe der
- – Diaminoharnstoffe,
- – Oxalhydrazine,
- – Acetamide,
- – N-Guanylharnstoffsalze,
- – Hydrazodicarbonamide,
- – Amine, insbesondere mit einer höheren Basenstärke als Ammoniak (d. h. mit einem pKb-Wert kleiner als der von Ammoniak),
- – stickstoffhaltigen Heterocyclen, insbesondere aus der Gruppe der Pyrazole, Imidazole, Triazole, Tetrazine und Oxadiazole, mit wenigstens einer der Strukturformeln enthält, wobei R, R1, R2, R3, R4 aus der Gruppe der Alkylreste mit einem bis sechs Kohlenstoffatomen, Allyl-, Vinyl-, Hydroxyalkyl-, Ether-, Cyanoalkyl-, Azidoalkyl-, Nitromethyl-, Amino-, Aminoalkylgruppen und Wasserstoff gewählt ist, einschließlich Pyridin, Pyrrol und deren Derivate,
- – ionischen Flüssigkeiten (IL), insbesondere mit einem Dinitramid-Anion,
- - diamino ureas,
- - oxalhydrazines,
- Acetamides,
- N-guanyl urea salts,
- - hydrazodicarbonamides,
- Amines, in particular with a higher base strength than ammonia (ie with a pK b value less than that of ammonia),
- - nitrogen-containing heterocycles, in particular from the group of the pyrazoles, imidazoles, triazoles, tetrazines and oxadiazoles, having at least one of the structural formulas where R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 is selected from the group of alkyl radicals having one to six carbon atoms, allyl, vinyl, hydroxyalkyl, ether, cyanoalkyl, azidoalkyl, nitromethyl, amino, , Aminoalkyl groups and hydrogen, including pyridine, pyrrole and their derivatives,
- Ionic liquids (IL), in particular with a dinitramide anion,
Aufgrund ihrer hervorragenden Löslichkeit mit in Ammoniak gelöstem ADN erweisen sich insbesondere ionische Flüssigkeiten mit Dinitramid-Anionen als besonders bevorzugte Additive zur Schmelzpunktverringerung, wobei geeignete Kationen solcher ionischer Flüssigkeiten beispielsweise durch N-Quarternisierung entsprechender Stickstoffverbindungen erhalten werden können. Dies kann beispielsweise durch Protonierung und/oder Alkylierung der vorgenannten stickstoffhaltigen heterocyclischen Verbindungen geschehen, um hieraus ein Kation zu erzeugen. Besonders vorteilhafte ionische Flüssigkeiten stellen dabei beispielsweise 1,4,5-Trimethyltetrazolium-Dinitramid, 1-(2-Hydroxyethyl)-4,5-dimethyltetrazolium-Dinitramid, 1-(2-Hydroxyethyl)-4-methyl-5-aminotetrazolium-Dinitramid und 1-(2-Hydroxyethyl)-3-methyl-1,2,3-triazolium-Dinitramid einschließlich Isomerengemischen der vorgenannten ionischen Flüssigkeiten, Diaminoharnstoff-Dinitramid, Oxalhydrazinium-Dinitramid, 2-Hydroxyethylhydrazinium-Dinitramid, 2-Hyxdroxyethylammonium-Dinitramid, 2-Azidoethylammonium-Dinitramid, Ethylammonium-Dinitramid und dergleichen dar. Hierunter erweisen sich aufgrund ihrer vorteilhaften Sauerstoffbilanz insbesondere energetische ionische Flüssigkeiten (EIL) als besonders geeignet, wie beispielsweise Ethylammonium-Dinitramid mit einer Sauerstoffbilanz von –42,1%. Der Einsatz von protischen ionischen Flüssigkeiten, welche auf einem basischeren Amin basieren als der als Lösungsmittel für das ADN verwendete Ammoniak, bietet im Übrigen ferner die Möglichkeit, das entsprechende freie Amin direkt der Gasgenerator-Treibstoffmischung zuzusetzen und die jeweilige (energetische) ionische Flüssigkeit auf diese Weise in situ zu erzeugen: 
Der Zusatz von 1,4 Mass.-% 2-Hydroxyethylhydrazinium-Dinitramid (HEHDN) zu einem monergolischen Gasgenerator-Treibstoff aus etwa 75 Mass.-% ADN und etwa 23 Mass.-% Ammoniak (±3 Mass.-%) gemäß
Darüber hinaus ist grundsätzlich auch die Zugabe von ionischen Flüssigkeiten bzw. Salzen mit anderen Anionen als Dinitramid zur Schmelzpunkterniedrigung möglich, wobei im Hinblick auf die Sauerstoffbilanz insbesondere sauerstoffreiche Anionen von Vorteil sind, welche eine hohe Löslichkeit in dem erfindungsgemäße als Lösungsmittel eingesetzten Ammoniak besitzen, wie beispielsweise Anionen aus der Gruppe der Nitrate, Perchlorate, Formiate und Azolate, insbesondere mit Nitro- und/oder Nitramin-Substituenten, wie beispielsweise 3,5-Dinitro-1,2,4-triazolat, 5-Nitro-1,2,3,4-tetrazolat, 3,4,5-Trinitropyrazolat, 5,5'-Dinitramin-3,3'-bis(1,2,4-triazol), 1,2,4-Triazolat einschließlich deren N-Oxid-Derivaten und dergleichen. Weitere Beispiele für vorteilhafte heterocyclische Anionen von geeigneten ionischen Flüssigkeiten bzw. Salzen umfassen 
Alternativ oder zusätzlich zu einem Einsatz von Gelierungsmitteln und/oder Additiven zur Verbesserung der Tieftemperatureigenschaften kann ferner vorgesehen sein, dass der Gasgenerator-Treibstoff zur Steigerung seiner Sauerstoffbilanz und/oder seiner Leistung wenigstens ein partikelförmiges Additiv zur Leistungssteigerung aus der Gruppe der
- – Metalle, insbesondere aus der Gruppe Aluminium, Magnesium, Silicium, Titan, Wolfram, Zirconium und Bor, einschließlich deren Legierungen,
- – Metallhydride, insbesondere aus der Gruppe Aluminium, Magnesium, Silicium, Titan, Wolfram, Zirconium und Bor,
- – energetische Verbindungen aus der Gruppe der Treib-, Explosivstoffe und Oxidatoren und
- – oberflächig mit wenigstens einem in dem Gasgenerator-Treibstoff unlöslichen Polymer beschichteten ADN-Partikel
- Metals, in particular from the group of aluminum, magnesium, silicon, titanium, tungsten, zirconium and boron, including their alloys,
- Metal hydrides, in particular from the group consisting of aluminum, magnesium, silicon, titanium, tungsten, zirconium and boron,
- - energetic compounds from the group of propellants, explosives and oxidizers and
- Superficially coated with at least one polymer insoluble in the gas generator fuel insoluble ADN particles
Alternativ oder zusätzlich zu einem Einsatz von Gelierungsmitteln, Additiven zur Verbesserung der Tieftemperatureigenschaften, und/oder partikelförmigen Additiven zur Leistungssteigerung kann überdies vorgesehen sein, dass der Gasgenerator-Treibstoff zur Modifikation bzw. Anpassung des Abbrandverhaltens an den jeweiligen Verwendungszweck wenigstens einen Abbrandmodifikator aus der Gruppe der
- – Ferrocene,
- – Metallsalze, insbesondere mit einem Metall aus der Gruppe Kupfer, Eisen, Aluminium, Vanadium, Chrom, Mangan, Kobalt, Molybdän, Hafnium und Wolfram,
- – Komplexsalze, insbesondere mit einem Metall aus der Gruppe Kupfer, Eisen, Aluminium, Vanadium, Chrom, Mangan, Kobalt, Molybdän, Hafnium und Wolfram, und
- – metallorganischen Gerüste, insbesondere auf der Basis von Hydrazin, Triazol, Tetrazol, Tetrazin, Nitrat, Perchlorat und/oder Dinitramid mit wenigstens einem Metall aus der Gruppe Kupfer, Eisen, Aluminium, Vanadium, Chrom, Mangan, Kobalt, Molybdän, Hafnium und Wolfram,
- - ferrocenes,
- Metal salts, in particular with a metal from the group consisting of copper, iron, aluminum, vanadium, chromium, manganese, cobalt, molybdenum, hafnium and tungsten,
- - Complex salts, in particular with a metal from the group copper, iron, aluminum, vanadium, chromium, manganese, cobalt, molybdenum, hafnium and tungsten, and
- Organometallic scaffolds, in particular those based on hydrazine, triazole, tetrazole, tetrazine, nitrate, perchlorate and / or dinitramide, with at least one metal selected from copper, iron, aluminum, vanadium, chromium, manganese, cobalt, molybdenum, hafnium and tungsten .
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen monergolischen Gasgenerator-Treibstoffen mit verschiedenen Anteilen an Ammoniumdinitramid wiedergegeben.Embodiments of monergolic gas generator propellants according to the present invention having various proportions of ammonium dinitramide are shown below.
Beispiel 1:Example 1:
- 75,0 Mass.-% ADN,75.0% by mass of ADN,
- 25,0 Mass.-% NH3.25.0 mass% NH 3 .
- Sauerstoffbilanz: –15,88%Oxygen balance: -15.88%
- Massenspez. Impuls (Isp, frz equilibrium 70:1): 2464 Ns/kgMassenspez. Pulse (I sp , frz equilibrium 70: 1): 2464 Ns / kg
- Vol. spez. Impuls (Isp vol, frz equilibrium 70:1): 3195 Ns/dm3 Vol. Spec. Momentum (I sp vol, frz equilibrium 70: 1): 3195 Ns / dm 3
- Spez. Impuls Vakuum (Isp vac, frz equilibrium 70:0): 2641 Ns/kgSpec. Pulse vacuum (I sp vac, frz equilibrium 70: 0): 2641 Ns / kg
Die Abbrandtemperatur beträgt 2377°K bei einem Brennkammerdruck von 70 bar (Expansion gegen Umgebungsdruck); die Abgaszusammensetzung beträgt etwa 44 Mass.-% Wasser (H2O), etwa 54 Mass.-% Stickstoff (N2) und etwa 2 Mass.-% Wasserstoff (H2). Die Abgaszusammensetzung kann z. B. direkt einer Wasserstoff-Brennstoffzelle als Brennstoff aufgegeben werden.The burnup temperature is 2377 ° K at a combustion chamber pressure of 70 bar (expansion against ambient pressure); the exhaust gas composition is about 44 mass% water (H 2 O), about 54 mass% nitrogen (N 2 ) and about 2 mass% hydrogen (H 2 ). The exhaust gas composition may, for. B. can be abandoned as fuel directly to a hydrogen fuel cell.
Beispiel 2:Example 2:
- 68,0 Mass.-% ADN,68.0% by mass of ADN,
- 32,0 Mass.-% NH3.32.0 mass% NH 3 .
- Sauerstoffbilanz: –27,55%Oxygen balance: -27.55%
- Massenspez. Impuls (Isp, frz equilibrium 70:1): 2339 Ns/kgMassenspez. Pulse (I sp , frz equilibrium 70: 1): 2339 Ns / kg
- Vol. spez. Impuls (Isp vol, frz equilibrium 70:1): 2810 Ns/dm3 Vol. Spec. Momentum (I sp vol, frz equilibrium 70: 1): 2810 Ns / dm 3
- Spez. Impuls Vakuum (Isp vac, frz equilibrium 70:0): 2500 Ns/kgSpec. Pulse vacuum (I sp vac, frz equilibrium 70: 0): 2500 Ns / kg
Die Abbrandtemperatur beträgt 1985°K bei einem Brennkammerdruck von 70 bar (Expansion gegen Umgebungsdruck); die Abgaszusammensetzung beträgt etwa 40 Mass.-% Wasser (H2O), etwa 56 Mass.-% Stickstoff (N2) und etwa 4 Mass.-% Wasserstoff (H2). Die Abgaszusammensetzung kann z. B. gleichfalls direkt einer Wasserstoff-Brennstoffzelle als Brennstoff aufgegeben werden.The burnup temperature is 1985 ° K at a combustion chamber pressure of 70 bar (expansion against ambient pressure); the exhaust gas composition is about 40 mass% water (H 2 O), about 56 mass% nitrogen (N 2 ) and about 4 mass% hydrogen (H 2 ). The exhaust gas composition may, for. B. also be given directly to a hydrogen fuel cell as fuel.
Beispiel 3:Example 3:
- Sauerstoffbilanz: –24,19% Oxygen balance: -24.19%
- Massenspez. Impuls (Isp, frz equilibrium 70:1): 2679 Ns/kgMassenspez. Pulse (I sp , frz equilibrium 70: 1): 2679 Ns / kg
- Vol. spez. Impuls (Isp vol, frz equilibrium 70:1): 3938 Ns/dm3 Vol. Spec. Momentum (I sp vol, frz equilibrium 70: 1): 3938 Ns / dm 3
- Spez. Impuls Vakuum (Isp vac, frz equilibrium 70:0): 2879 Ns/kgSpec. Pulse vacuum (I sp vac, frz equilibrium 70: 0): 2879 Ns / kg
- Abbrandtemperatur: 3103°K bei einem Brennkammerdruck von 70 bar (Expansion gegen Umgebungsdruck).Burning temperature: 3103 ° K at a combustion chamber pressure of 70 bar (expansion against ambient pressure).
Beispiel 4:Example 4:
- Sauerstoffbilanz: –29,95%Oxygen balance: -29.95%
- Massenspez. Impuls (Isp, frz equilibrium 70:1): 2722 Ns/kgMassenspez. Pulse (I sp , frz equilibrium 70: 1): 2722 Ns / kg
- Vol. spez. Impuls (Isp vol, frz equilibrium 70:1): 4162 Ns/dm3 Vol. Spec. Pulse (I sp vol, frz equilibrium 70: 1): 4162 Ns / dm 3
- Spez. Impuls Vakuum (Isp vac, frz equilibrium 70:0): 2958 Ns/kgSpec. Pulse vacuum (I sp vac, frz equilibrium 70: 0): 2958 Ns / kg
- Abbrandtemperatur: 3349°K bei einem Brennkammerdruck von 70 bar (Expansion gegen Umgebungsdruck).Burning temperature: 3349 ° K at a combustion chamber pressure of 70 bar (expansion against ambient pressure).
Beispiel 5:Example 5:
- Sauerstoffbilanz: –27,54%Oxygen balance: -27.54%
- Massenspez. Impuls (Isp, frz equilibrium 70:1): 2685 Ns/kgMassenspez. Pulse (I sp , frz equilibrium 70: 1): 2685 Ns / kg
- Vol. spez. Impuls (Isp vol, frz equilibrium 70:1): 3986 Ns/dm3 Vol. Spec. Momentum (I sp vol, frz equilibrium 70: 1): 3986 Ns / dm 3
- Spez. Impuls Vakuum (Isp vac, frz equilibrium 70:0): 2907 Ns/kgSpec. Pulse vacuum (I sp vac, frz equilibrium 70: 0): 2907 Ns / kg
- Abbrandtemperatur: 3126°K bei einem Brennkammerdruck von 70 bar (Expansion gegen Umgebungsdruck).Burning temperature: 3126 ° K at a combustion chamber pressure of 70 bar (expansion against ambient pressure).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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