N2O Safety - Swiss Propulsion Laboratory

N 2 O für RaketenantriebeVorteile• Rel. gut verfügbar (Auto-Tuning, Gas-Händler)• Selbstbedrückend (Dampfdruck bei 20°C ist ~50.1 bar)• Ungiftig, reaktionsträge rel. sicheres Handling (Generell sicher???)• Zusätzl. Energie aus Decomposition (als Monopropellant: ISP von 170 s)• Spez. Impuls ändert nur wenig bei Änderung des O/FIsp Ethanol / N 2 OP Chamber = 40 bar, expanded to 1 barIsp [m/s]250024002300220021002000190018001700160015000 5 10 15 20 25 30 35 40m % Ethanol/Water mix (rest N 2O)pure EthanolEthanol with 10% WaterEthanol with 20% WaterEthanol with 30% Water4. AMRAS Symposium, DLR Trauen 1© SPL, 5.10.2007

N 2 O für RaketenantriebeNachteile• Hohe Drücke (Unnötig für Amateur). Nur in Druckbehälter lagerbar (ansonsten nurunterkühlt möglich). Endtanken meist nicht möglich: Verlust• niedrige Dichte (Flüssigphase: 750 kg/m 3 bei 20°C), sehr schlechter Dichte-ISP• Teuer ( >20x teurer als LOX)• Nur moderate Leistung• starke Abhängigkeit des Drucks von der Temp. (an heissen Tagen sogar überkritisch!)• Treibhausgas• Durchsatz schwierig messbar da zweiphasige Strömung• Rel. Grosser Massenanteil in Gasphase und daher meist unbrauchbar.• Monopropellant (wie H 2O 2oder Hydrazin. Risiko einer Kettenreaktion, siehe weitereFolien)• Gesättigtes Fluid (kleinste Druck- und Temperaturänderungen Sieden Kavitation implodierende Blasen)4. AMRAS Symposium, DLR Trauen 2© SPL, 5.10.2007

VorfälleExplosion bei Scaled Composites (Erbauer von SS1 & 2)• 3 Tote• cold flow Test eines Hybrid Antriebs (ohne Grain und ohne Verbrennung!)• Starke Verbrennungen der Opfer ( zersetztes N 2O, also nicht nur reineDruckenergie)• Auslöser noch unbekannt. Evt. Druckschläge (water hammering) durch Kavitation inVerbindung mit organischen Verunreinigungen.4. AMRAS Symposium, DLR Trauen 3© SPL, 5.10.2007

Vorfälle 2Explosion N 2O Tankwagen in Eindhoven [1]• Tankwagen mit 7.5 Tonnen unterkühltem N 2O (rel. tiefer Druck)• Resultat der Untersuchungen: Nicht vorgekühlte Kreiselpumpe lief heiss und starteteDecomposition des Lachgases. N 2O bei > 5.7 bar und einer Zündquelle kann sich ineiner explosionsartigen Kettenreaktion zersetzen [2]. Zurückzünden in Tank.4. AMRAS Symposium, DLR Trauen 4© SPL, 5.10.2007

Vorfälle 3Explosion N 2O Hybrid-Triebwerk (Flashback) [3]• Zu kleines ∆p über Injektor Verbrennungsinstabilitäten Zurückdrücken vonVerbrennungsgasen in Lachgastank• Anschliessende Decomposition desLachgases• Film (Danke an Troy Prideaux)4. AMRAS Symposium, DLR Trauen 5© SPL, 5.10.2007

Potentielle Gefahren• N 2O wird i.d.R. im Sattdampf-Gebiet genutzt: 2-Phasenströmung mit hohem Potentialzu Wasserschlag (water hammering) adiabate Kompression von Kavitationsblasen "Dieselzündung" speziell bei Verunreinigungen und an brennbaren Oberflächen(Dichtungen, Leitungen, CFK-Tanks etc.)Implodierende Dampfblase mit Jet (bis zu100000 bar am Boden des Jets undTemperaturen von mehreren tausend K !)4. AMRAS Symposium, DLR Trauen 7© SPL, 5.10.2007

Potentielle Gefahren• Sehr gute Löslichkeit in Ölen, Fetten und sonstigen Kohlenwasserstoffen wieKunststoffe etc. (Das ist der Grund weshalb es in Rahmbläsern verwendet wird!). Auchfeste Kunststoffe wie HTPB oder GFK/CFK können sich bei längerer Exposition damitsättigen und dabei zu hochexplosiven Stoffen mutieren.• Statische Aufladung des Fluids beim Einspritzen in die Brennkammer. In Kombinationmit obigen Punkt kann dies laut diverser Quellen bereits zur Zündung kommen.• Vereisen von Ventilen und Entlüftungsbohrungen• Unbekannter Voodoo [5]:4. AMRAS Symposium, DLR Trauen 9© SPL, 5.10.2007

Empfehlungen• ∆p über Injektor > 10 bar. Schriller Ton bei Hybrids (sog. Screaming) ist meist einAnzeichen von Verbrennungsinstabilitäten und zuwenig ∆p ). Auch wenn das zu LastenKammerdruck und daher Performance geht• Nur Flüssigphase benutzen• Bei Hybriden: Grain nicht lange Lachgas aussetzen (keine Sättigung der Oberfläche).Venting und Dumpen über Öffnungen ausserhalb des Brennraumes• Tank usw. erden• KEINE brennbaren Materialien für Dichtungen, Leitungen (auch Füllleitungen!) undTanks (KEINE reinen GFK/CFK Tanks... nur mit Metall-Liner). Metalle (INOX, Alu),PTFE, PCTFE oder diverse Silicone sind ok (Viton, FKM, FPM sind chemisch kompatibel,schwellen aber stark auf). Kupferverbindungen vermeiden. Nur kompatibleSchmiermittel wie CRYTOX verwenden. Im Zweifelsfall Lieferant fragen!• Einbau von Deflagrationsbremsen (meist reicht ein grosser Sinterfilter) in Leitungen,Berstscheiben für Tank. Tanks hydrotesten > 100-150 bar.• Dichte von N 2O ändert stark (da nahe am kritischen Punkt) mit der Temperatur. DaherTank nicht ganz füllen: 13-15% Tankleerraum vorsehen für eine allfälligeTemperaturerhöhung von 15°C auf 25°C (Restvolumen dann noch ca. 1%) [6],[7]4. AMRAS Symposium, DLR Trauen 10© SPL, 5.10.2007

Empfehlungen• Füllen und Entleeren ferngesteuert. Tanks und Leitungen erden.• Aufpassen nach misslungener Zündung. Mit N 2O gesättigtes Grain oder sonstigerTreibstoff kann explosiv sein.• Um Blasenbildung und somit Kavitation zu vermeiden: Unterkühltes N 2O verwendenund mit N 2oder Helium bedrücken.• LOX verwenden ;-)4. AMRAS Symposium, DLR Trauen 11© SPL, 5.10.2007

FazitRaketentreibstoffe sind hochenergetisch (deshalb verwendetman sie ja) und daher immer potentiell gefährlich! Wie jederOxidator hat Lachgas seine Vor- und Nachteile. Aber auchLachgas kann mit entsprechenden Vorkehrungen beim Designund Handling sicher sein. Das setzt aber voraus, dass mansich der Gefahren bewusst ist und mit allem rechnet. Das giltganz generell, also auch für LOX, H 2 O 2, N 2 O 4, Salpetersäureetc.4. AMRAS Symposium, DLR Trauen 12© SPL, 5.10.2007

Quellen1. "Nitrous Oxide Trailer Rupture, July 2, 2001" Präsentation von Konrad Munke,Linde Gas AG2. "Untersuchungen von Zerfallsfähigkeit von Disticksoffoxid", Forschungsbericht 89,Bundesanstalt für Materialprüfung BAM, 19833. Bilder und Film von Troy Prideaux4. Film Henrik Schulz DARK, http://www.dark.dk/5. "Investigations of Decomposition Characteristics of gaseous and liquid NitrousOxide" by G.W. Rhodes, AD-784 802, Air Force Weapons Laboratory, KirtlandAirforce Base, 19746. "Calculation and Verification of Filling Ratios for Liquified Gases DTRS56-02-X-0049" NIST and DOT7. http://www.aspirespace.org.uk/ (technical papers)Sonstige:• Catalytic Ignition of Nitrous Oxide With Propane/Propylene Mixtures for RocketMotors, AIAA 2005-3919• Catalytic Decomposition of Nitrous Oxide for Spacecraft Propulsion, ADA 3929354. AMRAS Symposium, DLR Trauen 13© SPL, 5.10.2007