Safety aspects of hypergolic propellants with hydrogen peroxide

• Autorzy: Rarata G. , Florczuk W.

Identyfikatory

DOI

10.22211/matwys/0141

Warianty tytułu

PL

Aspekty bezpieczeństwa materiałów pędnych hipergolicznych z nadtlenkiem wodoru

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The hazards and risks associated with the handling, transportation and storage of hypergolic propellants based on highly concentrated hydrogen peroxide as an oxidiser, are discussed in the paper. The main focus has been placed on the assessment of possible hazards and preventative methods for the protection of technical staff and hardware associated with 98% hydrogen peroxide and the fast developing new “green” hypergolic propellants. The basic risks connected with the use of incompatible materials, human error and propellant properties have been described. The dangerous incidents and catastrophic accidents hitherto known with hypergolic propellants are related mainly to the toxic compounds based on hydrazine derivatives and dinitrogen tetroxide. The conclusions and remarks from available literature have been discussed and transferred into a form of handling procedures for “green” hypergols. As a result, the data, comparison with existing literature and the authors’ experience presented in this paper, try to illustrate what steps need to be taken during various research operations in a laboratory environment, when working with hypergolic rocket propellants. There are many ways of preventing unwanted events with the implementation of some being necessary to avoid or mitigate possible technical problems, incidents or even accidents. Some of the most important factors in risk minimization, when working with 98% hydrogen peroxide and hypergolic fuels, are presented.

PL

W artykule omówione zostały zagrożenia oraz ryzyka związane ze stosowaniem, transportem oraz przechowywaniem hipergolicznych materiałów pędnych, bazujących na wysoko stężonym nadtlenku wodoru, jako utleniacz rakietowy. W tym celu określone zostały potencjalne zagrożenia i metody ich zapobieganiu w odniesieniu do ochrony fizycznej personelu technicznego oraz aparatury, która może mieć bezpośredni kontakt z 98% nadtlenkiem wodoru oraz paliwami hipergolicznymi klasy „green”, tj. „ekologicznymi” i niskotoksycznymi. Przedstawiono podstawowe ryzyka wynikające ze stosowania materiałów konstrukcyjnych, niekompatybilnych z wybranymi cieczami, ludzkich błędów oraz właściwości wybranych paliw i 98% nadtlenku wodoru. Znane są groźne zdarzenia oraz katastroficzne w skutkach wypadki związane z wykorzystaniem samozapłonowych, toksycznych rakietowych materiałów pędnych bazujących na hydrazynie i jej pochodnych, w kontakcie z czterotlenkiem diazotu. Zdobyte doświadczenia oraz uwagi zawarte w dostępnej literaturze, a związane z toksycznymi, hipergolicznymi materiałami pędnymi, zostały przedstawione i zasugerowane jako procedury do zastosowania przy stosowaniu nowych, „ekologicznych” związków samozapłonowych. Na tej podstawie dokonano próby opisania środków zapobiegawczych przeciw potencjalnym zagrożeniom, występującym w praktyce badań laboratoryjnych z tego typu związkami. Opisane zostały również scenariusze zdarzeń i związane z nimi zagrożenia, a także wskazano procedury i metody, które je minimalizują lub całkowicie eliminują.

Słowa kluczowe

EN

hydrogen peroxide; HTP; hypergolicity; ignition; propulsion; oxidiser

PL

nadtlenek wodoru; HTP; hipergoliczność; zapłon; napęd; utleniacz

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Przemysłu Organicznego
• Czasopismo: Materiały Wysokoenergetyczne
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 9
• Strony: 136--144
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Rarata G.

• Zakład Technologii Kosmicznych, Instytut Lotnictwa, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa, PL

autor

Florczuk W.

• Zakład Technologii Kosmicznych, Instytut Lotnictwa, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa, PL

Bibliografia

• [1] Ventura M., Heister S., Yuan S. 2007. Rocket Grade Hydrogen Peroxide (RGHP) for use in Propulsion and Power Devices - Historical Discussion of Hazards. 43rd IAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Cincinnati.
• [2] Ventura M., Wernimont E., Heister S., Yuan S. 2007. Rocket Grade Hydrogen Peroxide (RGHP) for use in Propulsion and Power Devices. Proceedings of the 43rd IAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Cincinnati.
• [3] Palmer R., Rusek J. 2004. Low Toxicity Reactive Hypergolic Fuels for Use with Hydrogen Peroxide. Second Conference on Green Propellants for Space Propulsion, Cagliari.
• [4] Pourpoint T.L., Anderson W.E. 2005. Environmental effects on hypergolic ignition. Proceedings of the 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE, Tuscon.
• [5] Blevins J., Gostowski R., Chianese S. 2004. An Experimantal Investigation of Hypergolic Ignition Delay of Hydrogen Peroxide with Fuel Mixtures. America Institute of Aeronautics Astronautics Pennsylvania State University.
• [6] Ak M., Ulas A., Sumer B., Yazici B., Yildirim C., Gonc L., Orhan F. 2011. An experimental study on the hypergolic ignition of hydrogen peroxide and ethanolamine. Fuel 90: 395-398.
• [7] Melof B., Grubelich M. 2001, Investigation of hypergolic fuels with hydrogen peroxide. Proceedings of the 1st International Conference on Green Propellants for Space Propulsion, Noordwijk.
• [8] Sippel T., Shark S., Hinkelman M., Heister S. 2011. Hypergolic Ignition of Metal Hydride-based Fuels with Hydrogen Peroxide. 7th US National Combustion Meeting, Atlanta.
• [9] Yuan T., Chen Y., Huang B. 2015. Semi-Hypergolic Kerosene/Hydrogen Peroxide Fuel System and Its Auto-Ignition Injector Design. 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Orlando.
• [10] Kang H., Kwon S. 2015. Development of 500 N Scale Green Hypergolic Bipropellant Thruster using Hydrogen Peroxide as an Oxidizer. 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Orlando.
• [11] Florczuk W., Rarata G. 2016. Novel liquid compounds as hypergolic propellants with HTP. Journal of KONES 23 (1): 271-278.
• [12] Florczuk W., Rarata G. 2015. Hypergolic Green Propellants Based on the HTP for a Future Next-Generation Satellite Platrorms. 66th International Astronautical Congress, Jerusalem.
• [13] Rarata G., Surmacz P., Sobczak K. 2013. Near Future Green Propellant for Space Transportation. VIII International Scientific Conference Development Trends in Space Propulsion Systems, Warsaw.
• [14] Constantine M., Cain E. 1967. Hydrogen Peroxide Handbook. Rocketdyne Report.
• [15] Walter H. 1947. Report on Rocket Power Plants Based on T-Substance. National Advisory Committee for Aeronautics, Washington.
• [16] Andrews D. 1990. Advantages of Hydrogen Peroxide as a Rocket Oxidant. Journal of the British Interplanetary Society 43: 319-328.
• [17] Chehroudi B., Talley D., Yang V. 2010. Liquid Propellants and Combustion: Fundamentals and Classifications. In: Encyclopedia of Aerospace Engineering.
• [18] Wernimont E., Ventura M., Garboden G., Mullens P. 1999. Past and Present Uses of Rocket Grade Hydrogen Peroxide. Second International Hydrogen Peroxide Propulsion Conference, West Lafayette.
• [19] Constantine M., Cain E. 1967. Hydrogen Peroxide Handbook. Defense Technical Information Center, Canoga Park.
• [20] Sellers J., Meerman M., Paul M., Sweeting M. 1995. A Low-cost Propulsion Option for Small Satellites. Journal of the British Interplanetary Society 48 (3): 1-8.
• [21] Fire, explosion, compatibility and Safety Hazards of Hydrogen Peroxide. NASA, 2005.
• [22] Nufer B. 2010. A Summary of NASA and USAF Hypergolic Propellant Related Spills and Fires. NASA Kennedy Space Center, Mail Stop.
• [23] Committee L.P. 2001. Fire, Explosion, Compatibility, and Safety Hazards of Nitrogen Tetroxide. AIAA Standards SP-086-2001.
• [24] Christos T., James H., Miron Y., Prelee H. 1967. Combustion characteristics of condensed-phase hydrazine-typ fuels with nitrogen tetroxide. Journal of Spacecraft and Rockets 4 (9): 1224-1229.
• [25] Castellano J., Wander S. 2006. Death on the Steppes. National Aeronautics and Space Administration, Kennedy Space Center.
• [26] Greene B., Baker W.F.D. 2005. Hydrogen Peroxide Accidents and Incidents: What We Can Learn from History. NASA In-house report.
• [27] Soil and Groundwater Remediation. Solvay. Online Available: http://www.solvay.com.au. [accessed 24 April 2017].

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).