Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Technologie kosmiczne w Instytucie Lotnictwa

Loroch L., Okniński A., Rarata G., Surmacz P., Kacprzak M., Krawczyk M., Cieśliński D., Sobczak K., Wolański P.

Przegląd Komunikacyjny

|

2018

|

R. 73, nr 1

29--33

PL

Praca stanowi podsumowanie działalności Instytutu Lotnictwa w dziedzinie technologii kosmicznych. Artykuł zawiera przegląd osiągnięć historycznych, natomiast nacisk położono na najnowsze osiągnięcia. Opisano kluczowe projekty i przedstawiono zakres prac realizowanych przez Centrum Technologii Kosmicznych. Omówiono technologie rakietowe oraz satelitarne, w tym związane z teledetekcją satelitarną. Rozwój technologii kosmicznych ma istotne znaczenie dla bezpieczeństwa i funkcjonowania państwa, stąd strategia rozwoju Instytutu Lotnictwa kładzie na nie szczególny nacisk. W pracy opisano perspektywy dalszego wykorzystywania opracowanych technologii i możliwości z tym związane.

EN

This paper gives a brief summary of the Institute of Aviation's activities in space technology. Review of historical achievements and latest developments are described. Scope of present work of Space Technology Center and key projects are discussed, that include rocket and satellite technologies. Importance of space technologies in lnstitute of Aviation's development strategy and their crucial role for safety and independence of the state is underlined. Possibilities and future use of the developed technologies are pointed out.

2

Safety aspects of hypergolic propellants with hydrogen peroxide

Rarata G., Florczuk W.

Materiały Wysokoenergetyczne

|

2017

|

T. 9

136--144

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.

3

Właściwości, otrzymywanie oraz zastosowanie nadtlenku wodoru 98%+ klasy HTP

Florczuk W., Rarata G., Rokicka K.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2016

|

Nr 3 (244)

215--226

PL

Przedstawiono podstawowe, a zarazem dość unikalne, właściwości stężonych roztworów nadtlenku wodoru klasy HTP (High Test Peroxide). Pokazano rownież zarys historyczny oraz możliwości zastosowania tego związku chemicznego w napędach wraz z uwzględnieniem aktualnych tendencji rozwojowych silników rakietowych wykorzystujących nadtlenek wodoru klasy HTP. Zwrócono także uwagę na możliwość wykorzystania dostępnych w Polsce 60%, chemicznie czystych, roztworów nadtlenku wodoru w celu otrzymania roztworów klasy HTP. Dodatkowo, opisano również proces preparatyki nadtlenku wodoru opracowany w Laboratorium Materiałów Pędnych będącego częścią Zakładu Technologii Kosmicznych Instytutu Lotnictwa. Wykazano także konkurencyjność w zakresie jakości oraz kosztów związanych z preparatyką własnego HTP w Instytucie Lotnictwa, w stosunku do aktualnie komercyjnie dostępnego w Europie.

EN

The paper presents potentially "novel" and "green" rocket chemical propellant known as hydrogen peroxide of HTP class. The laboratory technology of obtaining the substance has been developed at IoA. However, the compound already is under extensive experimental research for its practical utilisation within the space propulsion applications. This liquid rocket propellant may be successfully used in various rocket engines. What more, recently has become promising alternative for utilised so far toxic propellants. The novel (in terms of its quality and renewed interest) high-energy liquid green propellant called HTP is 98%+ aqua solution of hydrogen peroxide of high purity (High Test Peroxide). It does not suffer from the disadvantages of typically used rocket propellants. The paper also presents the authors1 work in the field of HTP utilisation within the relevant industry.

4

Explosives based on hydrogen peroxide - a historical review and novel applications

Rarata G., Smętek J.

Materiały Wysokoenergetyczne

|

2016

|

T. 8

56--62

EN

Highly concentrated hydrogen peroxide solutions have been widely known and used as rocket mono-propellants and oxidisers in the aerospace industry. However, the use of hydrogen peroxide is becoming more and more important in other fields of modern industry – being applicable to novel formulations of base high explosives for use in mining as a kind of industrial “green explosive”. The authors, explain the facts and dispel some of the myths concerning both the medium and the potentially explosive mixtures based on it. The method of preparation and safe handling of 98%+ hydrogen peroxide is briefly presented and advocated by some of the experimental and literature examples. The paper contains both historical and modern approaches to concentrated hydrogen peroxide based mixtures that have been reported as undergoing detonation. The safety concerns, especially those related to their potential explosiveness during preparation, handling or utilisation are analysed as well. New potential applications of hydrogen peroxide based mixtures that can be used as industrial explosives with low NOx emission levels are presented. The potential of the medium as a “green” and easy to handle oxidising compound that may replace ammonium nitrate in a variety of emulsion and blended ANFO-emulsion commercial explosives that currently constitute the majority of explosives used in the mining industry, is underlined.

5

Novel liquid compounds as hypergolic propellants with HTP

Rarata G., Florczuk W.

Journal of KONES

|

2016

|

Vol. 23, No. 1

271--278

EN

The paper presents both an experimental investigation and an up-to-date literature review over the hypergolicity of highly concentrated hydrogen peroxide with various liquid mixtures or novel chemical compounds that may be a potential candidate for rocket applications. Moreover, the coverage contains both, a historical and modern approach to hydrogen peroxide based hypergolic propulsion systems. In addition, the advantages of the oxidizer, especially in the form of 98% solution of hydrogen peroxide, are profiled in detail against the toxic ones that are currently utilized. Equally, the potential replacements for hydrazine, monomethyl hydrazine, unsymmetrical dimethyl hydrazine, dinitrogen tetroxide or their combinations, as propellants in rocket applications, are collected and discussed thoroughly in terms of their propulsive performance, availability on the market, storability, handling and general safety conditions for the technical staff as well as environmental compatibility. The ignition mechanism of the two main fuel groups, catalytically and energetically promoted, that reveal fast, spontaneous ignition with the highly concentrated hydrogen peroxide , is described too. Furthermore, the example that results from the simple drop tests are shown with special focus laid on the comparison of the minimum ignition delay time as the key parameter for the discussed fuel compositions. Lastly, the most prospective fuel combinations are discussed as desirable alternatives for the near-future bipropellant propulsion systems for the rocket or satellite applications, or other that demand high energy density.

6

Hydrogen Peroxide as a High Energy Compound Optimal for Propulsive Applications

Rarata G., Rokicka K., Surmacz P.

Central European Journal of Energetic Materials

|

2016

|

Vol. 13, no. 3

778--790

EN

This paper presents the authors’ experience in the field of the safe preparation and utilisation of HTP (98%+), a storable propellant that is finding use in various engineering applications. Brief characterisations of the material as well as examples of its potential use within relevant industries are provided. Additionally, some of the existing data and current research are included to demonstrate the full potential of this material which meets most of the needs of the propulsion industry. The laboratory technique for obtaining the substance that has been developed recently at the Institute of Aviation is briefly described. Utilisation of the method based on a special glass apparatus allows reproducible amounts of the substance to be obtained with relatively little risk.

7

The manganese oxides decomposition catalysts for highly concentrated hydrogen peroxide

Rarata G., Rokicka K.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2015

|

Nr 3 (240)

49--57

EN

The paper presents relatively simple but reliable laboratory method for the preparation of manganese oxides alumina supported catalysts for highly concentrated hydrogen peroxide decomposition. The number of batches of the pellet catalysts were prepared by simple wetness, impregnation method. In all cases the researched samples of the catalysts were impregnated with a precursor solution of potassium permanganate resulting in the formation of manganese oxide catalyst after the baking process. The primary assessment criterion performed after the preparation was percentage catalyst loading with respect to weight. The effect of various support kinds and the modifications of preparation process on the final properties of the catalyst has been evaluated. The activity and the durability have been assessed through the hot tests. The practical validation and application of the catalyst is its utilisation in the fixed catalyst bed in the rocket propulsion devices.

PL

Artykuł opisuje stosunkowo prosty i niezawodny sposób laboratoryjnego wytwarzania katalizatorów rozkładu wysoko stężonego nadtlenku wodoru. Każdą partię katalizatorów wytworzono w procesie impregnacji i spiekania. Tlenek glinu w postaci pelletów impregnowano w roztworze nadmanganianu potasu, następnie poddawano go spiekaniu i otrzymywano gotowy katalizator. Katalizatory po procesie poddawano ocenie zawartości fazy aktywnej, wpływu prekursorów oraz modyfikacji sposobu wytwarzania na jego trwałość.

8

Investigation of spontaneous ignition in a 100 n HTP/HTPB hybrid rocKet engine

Surmacz P., Rarata G.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2015

|

Nr 3 (240)

69--79

EN

The aim of the work is the research on self-ignition phenomena in a hybrid rocket engine. The engine uses 98% hydrogen peroxide as oxidizer and HTPB (Hydroxyl-Terminated Poly-Butadiene) as fuel. The condition, that is essential to initiate self-ignition in this system, is the application of a catalytic reactor, which enables the decomposition process of liquid hydrogen peroxide into the mixture of steam and oxygen with the temperature 800-950 deg C. The research has been based on the use of different catalyst materials as well as various configurations of catalyst beds. During the research (hot tests) the following parameters are collected: pressure and temperature at the end of the catalyst bed and the thrust of the engine. The evaluation of the ignition delay (that is counted from the start of the HTP flow) is made on the basis of the chamber pressure as well as on the video recording of the fire test.

PL

Celem pracy jest badanie zjawiska samozapłonu stałego paliwa w rakietowym silniku hybrydowym. Silnik jest zasilanym 98% nadtlenkiem wodoru (utleniaczem) oraz HTPB (paliwem). Warunkiem, koniecznym do zainicjowania samozapłonu, jest w tym przypadku zastosowanie reaktora katalitycznego, który umożliwia rozkład ciekłego nadtlenku wodoru na mieszaninę pary wodnej i tlenu o temperaturze 800-950 °C. Badania zostały oparte o wykorzystanie różnych katalizatorów (materiałów nośnika i fazy aktywnej) oraz różnych konfiguracji reaktorów katalitycznych. Podczas badań – gorących testów – rejestrowane są: ciśnienie oraz temperatura na granicy komory katalitycznej i komory spalania, a także siła ciągu silnika rakietowego. Ocena czasu wystąpienia zapłonu (liczona od momentu uruchomienia przepływu HTP) jest dokonywana na podstawie zapisu przebiegu ciśnienia w komorze oraz rejestracji video.

9

Prace badawcze i rozwojowe nad demonstratorem technologii rakietowego silnika hybrydowego wykorzystujacego 98% nadtlenek wodoru jako utleniacz

Surmacz P., Rarata G.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2014

|

Nr 1 (234) March 2014

51--61

PL

Prezentowana praca jest częścią Programu Rozwojowego Rakietowych Silników Hybrydowych, rozpoczętego w Instytucie Lotnictwa w 2012 roku. W ramach bieżącego projektu został wykonany i zbadany demonstrator technologii rakietowego silnika hybrydowego o ciągu 100÷140 N. Stałym paliwem, wykonywanym w Laboratorium Materiałów Pędnych (formowanym i kondycjonowanym), jest HTPB – polibutadien, zakończony grupami hydroksylowymi. Utleniaczem jest nadtlenek wodoru, zatężany do 98% i oczyszczany również na miejscu, tak aby spełniał wymogi klasy HTP. Katalizator rozkładu nadtlenku wodoru zamienia ciekły materiał pędny w mieszaninę gorących (o temperaturze, dochodzącej do 930°C) gazów: pary wodnej i tlenu. Reaktor katalityczny, zastosowany przed komorą spalania silnika, pozwala na wyeliminowanie urządzenia zapłonowego. Produkty rozkładu HTP – gorący gaz, zawierający 47% masowych tlenu – powoduje samoczynny zapłon ziarna paliwa. Praca prezentuje wyniki pomiarów ciągu silnika oraz ciśnienia na granicy komory katalitycznej i komory spalania, wykonywanych podczas kilkunastosekundowych doświadczeń pracy silnika. Na podstawie wykresów oraz nagrań wideo jest oceniany czas opóźnienia zapłonu w silniku.

EN

The Project, presented in the paper, is a part of the Hybrid Rocket Engine Development Program, which has been initiated in the Institute of Aviation in 2012. A small 100÷140 N hybrid engine technology demonstrator has been built and tested. The solid fuel, used for the engine, is HTPB – Hydroxyl-terminated Polybutadiene. It was casted and cured in the Propellant Laboratory. The oxidizer was 98% hydrogen peroxide HTP-class, prepared in-house. A catalyst changes liquid HTP into hot gas (up to 950°C) mixture of oxygen and steam. The catalyst bed replaces any ignition device. Hot HTP decomposition products, containing 47% of oxygen – by mass – makes the engine self-ignitable. The paper contains results of the investigation: engine thrust and the catalyst bed aft end pressure. On the basis of these results as well as video recordings, the ignition delay is estimated.

10

Nadtlenek wodoru 98% klasy HTP - alternatywa dla hydrazyny

Rarata G., Surmacz P.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2014

|

Nr 1 (234) March 2014

25--33

PL

Wartykule zwrócono uwagę na możliwość wykorzystania nadtlenku wodoru (H2O2) klasy HTP (do zastosowań napędowych – tzw. „High Test Peroxide” lub też „Rocket Grade Hydrogen Peroxide”) jako atrakcyjnej alternatywy dla obecnie stosowanych materiałów pędnych na platformach satelitarnych. Najpowszechniejszymi materiałami pędnymi aktualnie wykorzystywanymi jako napędy kosmiczne w satelitach są hydrazyna i jej pochodne (paliwa) oraz czterotlenek dwuazotu (utleniacz). Są to substancje odznaczające się bardzo wysoką toksycznością oraz korozyjnością. Zwłaszcza stosowanie hydrazyny poddawane jest coraz ostrzejszym restrykcjom w Europie (Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego w sprawie rejestracji, oceny, udzielania zezwoleń i stosowanych ograniczeń w zakresie chemikaliów – REACH). Rosnące trudności formalne związane z użytkowaniem hydrazyny oraz relatywnie wysokie koszty zabezpieczeń dla personelu naziemnego, sprawią, że sektor napędów satelitarnych intensywnie poszukuje odpowiednich zamienników tej substancji. Ocenia się, że nadtlenek wodoru klasy HTP o stężeniu 98% jest jednym z najpoważniejszych kandydatów do tego, aby ją skutecznie zastąpić. Nadtlenek wodoru klasy HTP jest silnym ciekłym utleniaczem i jednocześnie, relatywnie najbezpieczniejszym, rakietowym jednoskładnikowym materiałem pędnym. Niestety, obecnie substancja ta, zwłaszcza wmniejszych ilościach, jest praktycznie niedostępna na rynku europejskim. Skutkiem tego ośrodki akademickie oraz jednostki naukowo-badawcze, które wykazują zainteresowane są badaniami z wykorzystaniem HTP, nie są w stanie nabyć nawet niewielkich ilości HTP w rozsądnej cenie. Dlatego też w Instytucie Lotnictwa opracowano technologię uzyskiwania laboratoryjnych do technicznych ilości względnie taniego nadtlenku wodoru o stężeniu powyżej 80% (nawet 98%+) oraz odpowiednio wysokiej czystości.

EN

The paper presents modern approach as well as the potential of “novel” chemical “green” rocket propellant for satellite applications known as hydrogen peroxide of HTP class. The technology of obtaining the substance has been fully developed at IoA. However, the compound already is under experimental research for its practical utilisation within space propulsion applications. This liquid rocket propellant may be successfully used in thrusters and engines in RCS’s. What more, recently has become promising alternative for utilised so far toxic propellants. The novel (in terms of its quality and renewed interest) high-energy liquid green propellant called HTP is 98% aqua solution of hydrogen peroxide (High Test Peroxide). It does not suffer from the disadvantages typical for currently used rocket propellants and is now being extensively tested in many other space propulsion research centres around the world. The paper also presents the potential connected to the use of 98% HTP, also with comparison to the other liquid currently commonly used and very toxic propellant - hydrazine. Additionally, the authors try to prove that 98% HTP enables, due to low costs, the extensive research for alternative “green” propulsion systems may not always have to be done by the relevant industry itself but also by academia, research institutes and smaller private companies.

11

Badanie katalitycznego rozkładu 98% nadtlenku wodoru z wykorzystaniem katalizatorów Al2O3/MnxOy, promowanych tlenkami metali przejściowych

Surmacz P., Rarata G.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2014

|

Nr 1 (234) March 2014

34--40

PL

Nadtlenek wodoru w różnych stężeniach był i jest stosowany chemicznych w napędach rakietowych. Im wyższe stężenie wodnego roztworu, tym wyższe, możliwe do uzyskania, osiągi silnika. Jednak stosowanie nadtlenku wodoru o wysokim stężeniu (powyżej 90%) wymaga użycia specjalnych katalizatorów rozkładu, odpornych na udar termiczny i mechaniczny (wiele cykli szybkiego nagrzewania i chłodzenia) a także na długotrwałe przebywanie w temperaturze ponad 900°C w środowisku bogatym w tlen. Prezentowana praca ma na celu zbadanie grupy katalizatorów na nośnikach ceramicznych (różne odmiany polimorficzne tlenku glinu), z fazą aktywną w postaci tlenków manganu, domieszkowanych tlenkami: żelaza, chromu, kobaltu oraz promowanych samarem lub lantanem. Badania będą realizowane wspecjalnie do tego celu zaprojektowanych komorach katalitycznych, w warunkach zbliżonych do tych, jakie panują w silnikach rakietowych. Wyniki badań pozwolą na ocenę przydatności zastosowania różnych katalizatorów do rozkładu nadtlenku wodoru klasy HTP w silniach rakietowych na jedno- i dwuskładnikowy materiał pędny.

EN

Hydrogen Peroxide in various concentrations has been and still is used in chemical rocket propulsion. The higher concentration of HP water solution the higher, possible to obtain, performance of an engine. However, the use of highly concentrated hydrogen peroxide (above 90%) requires to use special catalysts for its decomposition. These catalysts should withstand thermal and mechanical stress for a lot of cycles as well as long stay-time in very hot – above 900°C – oxygen-rich environment. The project, presented in this paper, is to investigate a specific group of catalyst, consisted of ceramic aluminum oxide pellets, acting as support, with the active phase, containing manganese oxides. The active phase is doped with iron, chromium and cobalt oxides and promoted with samarium and lanthanum oxides. The investigation will be made using special catalyst chambers. Internal chamber conditions – flow, pressure, temperature – will be similar to those, which are in rocket engines. The result of this work will serve as a reference to assess the usefulness of various catalysts for HTP decomposition and its utilization in rocket propulsion.

12

Zapłon hipergoliczny stabilizowanego nadtlenku wodoru z węglowodorami promowanymi katalitycznie

Rarata G., Surmacz P.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2011

|

Nr 12 (221)

173-181

PL

W artykule zwrócono uwagę na możliwość wykorzystania sężonych, stabilizowanych roztworów nadtlenku wodoru (H2O2) w celu wypracowania jak najprostszej oraz skutecznej metody zapłonu węglowodorów ciekłych. Zastosowanie odpowiednio stężonego, stabilizowanego fosforanami, nadtlenku wodoru jako utleniacza (o stężeniu 85% i powyżej) oraz stałego katalizatora jego rozkładu (np. w postaci jego zawiesiny w paliwie) pozwala na uzyskanie samozapłonu spełniającego cechy tzw. zapłonu hipergolicznego (ang. hypergolic). Rzeczywiste układy hipergolowe (np. dwuskładnikowy układ ciekłego paliwa rakietowego oraz utleniacza) ulegają samoczynnemu zapłonowi w chwili, gdy ich składniki ulegną wymieszaniu. Są one jednak dość kłopotliwe w przechowywaniu i transporcie, ale raczej niezawodne w użytkowaniu w silniku rakietowym - gdyż nie wymagają dodatkowych systemów zapłonowych. W określonych warunkach stężony nadtlenek wodoru również może stanowić ciekły utleniacz, który posiada jednocześnie cechy hipergolika w stosunku do odpowiednio spreparowanych paliw weglowodorowych. Jedną z metod wykorzystywaną w tym celu może być dodatek katalizatora do paliwa węglowodorowego w postaci jego drobnokrystalicznej soli. Dalsze prace badawcze wymagane sa w kierunku określenia różnic w zachowaniu się układu przy zastosowaniu HTP (zamiast silnie stabilizowanego H2O2) czy też w warunkach odpowiadających pracy prawdziwego silnika rakietowego.

EN

The paper presents a simple and effective approach towards receiving the hypergolic ignition of a potential environmentally friendly liquid propellant consisting of stabilized hydrogen peroxide as a oxidizer (with a concentration of 85% or higher) and hydrocarbon fuels for use in rocket engines. Simple tests conducted up to now prove positive effect of relatively small amount of metal salt catalyst in fuels for elicitation of the hypergolic ignition. Such bipropellant formulation may be utilized in a real rocket engine environment - for instance in a pressure-fed liquid propellant rocket engine. However, to establish such technology more tests are needed to perform to find what kind of effects exerts the amount of catalyst and the initial temperature of the fuel on the ignition delay of such hypergolic bipropellants. An experimental program aimed at determining the effects of initial ambient pressure, initial ambient gas properties, and hydrogen peroxide concentration on ignition delay. Results show that ignition delay can be reduced by increasing the hydrogen peroxide concentration. The applicability of traditional vaporization and ignition theories to the ignition of a catalytically promoted fuel with rocket grade hydrogen peroxide are shortly discussed as well. However, the paper emphasizes that there are also many other important issues that must be taken into account, such as the level of stabilizers in the H202 or the difference between the ignition delay times from open cup tests and those from rocket engine static firings.

13

The safe preparation of HTP and concentrated H2O2 samples

Rarata G., Surmacz P.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2011

|

Nr 8 (217)

121-130

EN

The paper discusses the preparation of laboratory amounts of concentrated hydrogen peroxide solutions suitable for propulsion purposes (both types: stabilized and HTP class). A brief introduction to the physical properties, safety prescriptions, applications and material compatibility of hydrogen peroxide of HTP class is also presented for the sake of completeness. The final fragment concludes with a practical approach to the safe laboratory preparation method, handling and determination of purity and concentration of obtained concentrated hydrogen peroxide solutions.

PL

W artykule przedstawiono prosty sposób preparatyki laboratoryjnych ilości stężonego nadtlenku wodoru dla celów napędowych (zarówno stabilizowanego, jak i czystego, klasy HTP). Omówiono również podstawowe właściwości fizyczne tej substancji, wraz z uwzględnieniem wymogów związanych z jej bezpiecznym użytkowaniem podczas badań oraz w technicznych aplikacjach. Zwrócono uwagę na takie aspekty jak kompatybilność materiałowa oraz stabilność. Przedstawiono również prosty i skuteczny sposób określania czystości oraz stężenia uzyskiwanych w laboratoryjnych warunkach stężonych roztworów nadtlenku wodoru.

14

Innowacyjna technologia usuwania NOx z gazów odlotowych elektrowni oraz elektrociepłowni spalinowych za pomocą HTP

Rarata G.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2010

|

Nr 4 (206)

136-140

PL

Artykuł sygnalizuje nowatorskie podejście do problemu usuwania tlenków azotu oraz innych, uciążliwych zanieczyszczeń, z gazów odlotowych elektrowni oraz elektrociepłowni węglowych, za pomocą roztworów nadtlenku wodoru klasy HTP (jednoskładnikowego, rakietowego materiału pędnego oraz uniwersalnego utleniacza zarazem). Znane są już od dwóch dekad technologie bazujące na wykorzystaniu mniej stężonych roztworów H2O2 (rzędu 0,1 – 5%) usuwania NOx w fazie wodnej (wykorzystujące reakcje H2O2 z rozpuszczonymi NOx). Omawiana jednak, eksperymentalna technika, opracowana m.in. przy udziale NASA, opiera się o wykorzystanie niezwykle reaktywnych form rodnikowych tlenu, jakie powstają w procesie rozkładu (np. katalitycznego lub też termicznego) HTP, a które mogą wydajnie i szybko utleniać NO już w fazie gazowej.

EN

Innovative technology for NOx removal from coal-fired heat and power-plants developed by Phoenix Systems International and NASA is briefly presented. This is low temperature multipollutant control system. NASA jointly developed a gas-phase oxidizer system that effectively (~100%) converts nitric oxide (NO), the primary NOx component from fossil-fuel combustion, to NO2. Initial laboratory work found that some of the catalysts can effectively decompose hydrogen peroxide and produce oxidative species that quickly oxidizes NO to NO2. It was found that the NO oxidizer system also oxidizes elemental Mercury in the gas phase, which ultimately led to a system that captures >95 percent of the total Mercury emissions. Capture of SOx (primarily SO2) was necessary in order to efficiently oxidize NO to NO2.

15

Fenomen górnej granicy wybuchowości (GGW) paliw w powietrzu i tlenie w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury

Rarata G.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2010

|

Nr 2 (204)

1-70

PL

Przedstawiona paca doświadczalna została wykonana w laboratoriach Instytutu Techniki Cieplnej PW. Artykuł zawiera wyniki serii pomiarów, których celem było ustalenie wpływu wybranych parametrów fizycznych na wartość ciśnienia wybuchu dla mieszanin gazowych alkanów z tlenem. Dane takie, łącznie z wyznaczoną wartością górnej granicy wybuchowości (GGW) dla poszczególnych mieszanin, mają podstawowe znaczenie dla ustalania odpowiednich norm bezpieczeństwa w przemyśle chemicznym. Badaniom poddano gazowe alkany, a więc metan, etan, propan oraz n-butan. Wyniki, prezentowane w postaci sumarycznych danych (tabel), zostały uzyskane w wyniku przeprowadzenia pomiarów w stalowym naczyniu kulistym o objętości 2,3 dm3. Jako źródło zapłonu użyto tzw. eksplodujący drucik (exploding wire), który uwalniał około 0,1 J energii za każdym razem. Przebieg zmian ciśnienia w czasie rejestrowano przy użyciu szybkiego czujnika piezoelektrycznego. Zbadano wpływ temperatury początkowej mieszanin testowych, w zakresie od 20°C do 200°C. Przeprowadzono również pomiary w zakresie wzrastającego ciśnienia początkowego mieszanin. Na ich podstawie autor wyznaczył wyraźne zależności GGW od początkowej wartości T oraz p badanych mieszanin.

EN

The presented research work has been done in the Institute of Heat Engineering laboratories at Warsaw University of Technology. The explosive range of chosen gases is determined by specific conditions of temperature and pressure. These values also depend on different factors, such as the shape of the explosion vessel, ignition energy or the presence of other substances which may, for instance, have catalytic properties. The obtained results relate the influence of chosen physical parameters on the value of the Upper Explosive Limit (UEL). Other research data is also presented in the paper. This was obtained from specially designed spherical explosion chamber of a volume of 2.3 dm3. Exploding wire was used as the ignition source. It released about 0.1 J energy each time. The influence of the increased initial temperatures of those mixtures on their value of UEL was also investigated in the range of 20°C up to 200°C. Further experiments on the influence of elevated conditions, as well as the position of ignition source and residence time, were carried out as well. A number of higher alkanes were examined (up to n-butane), both in air and oxygen mixtures. These experiments allowed the author to find distinct dependencies in the values of UEL under the investigation conditions. The results have been compared and validated with literature data and numerical code, according to the experimental conditions, methodology and adopted criteria of UEL determination. Some of the effects found were possible to explain only by acceptance of such phenomenon as cool flames appearing in the regions close to UEL. This seems to be particularly important when safety parameters or numerical modelling standards for UEL are sought.

16

Aktualne potrzeby i możliwości wytwarzania paliwa typu Bio-Jet

Naumienko B., Rarata G.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2010

|

Nr 4 (206)

103-111

PL

W artykule przedstawiono skrót aktualnych osiągnięć technologicznych na temat potencjalnego zastosowania biopaliw w lotnictwie. Zaznaczono również, że osatnie dyrektywy Komisji Europejskiej także faworyzują wprowadzanie biopaliw do transportu lotniczego, celem zmniejszania zależności od importowanych paliw ropopochodnych oraz obniżania emisji gazów cieplarnianych. Wymieniono różne podejścia technologiczne do zagadnienia produkcji biopaliw dla lotnictwa. Autorzy identyfikują mikroalgi jako najlepszą alternatywę do produkcji biopaliwa lotniczego w dłuższej perspektywie. Podobnie wielu innych producentów biopaliw rozważa taki scenariusz. Biomasa z mikroalg bowiem wydaje się być najbardziej obiecującym źródłem do produkcji bio-zamiennika paliwa Jet A-1, jak również wielu innych, użytecznych związków organicznych. Ponadto, jak wynika z dotychczas prezentowanych badań, jedynie część biomasy z mikroalg jest użyteczna dla produkcji paliwa typu biodiesel, znacznie więcej zaś może zostać wykorzystane do produkcji benzyn oraz paliwa typu Bio-Jet.

EN

The paper presents current investigations on the potential of use of biofuels in aviation. The recent actions of EU Commission are also perceived in the paper as the need for the introduction of sustainable biofuels to help reduce dependence on fossil fuels in air transport and reduce GHG emissions by the air industry. Various feedstock and conversion technologies for production of biofuels for aviation are currently being investigated within EU (SWAFEA, ALFA-BIRD and Clean Sky JTI) are described. The authors identify microalgae, as a long-term option for the aviation biofuel production in the local market and a support of its development. As microalgae is certainly a feedstock considered by many future Bio-Jet producers. It seems to offer vast potential as a source of aviation biofuels, however on the more distant horizons of an industry, in which long-term time scales are certainty. Besides, microalgae co-products are utilised at making complex organic compounds like B and C vitamins and beta-carotene that are used as fragrances, flavourings, pigments and supplements. Generally, the research done so far have demonstrated that only a portion of the crude algal oil is suitable for making biodiesel fuel, and most of it can be used to produce gasoline and Bio-Jet like fuels.

17

Actual needs and Possibilities to producing Bio-Jet

Naumienko B., Rarata G.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2010

|

Nr 5 (207)

24-31

EN

Since the beginning of the century, various studies, reports and popular scientific papers have investigated the potential for use of biofuels in aviation. In its recent actions EU also perceives the need for he introduction of sustainable biofuels to help reduce dependence on fossil fuels in air transport and reduce GHG emissions by the air industry. Thus, various feedstocks and conversion technologies for production of biofuels for aviation are currently being investigated within EU (SWAFEA, ALFA-BIRD and Clean Sky JTI). The current EU policy states that sustainable bio-jet fuels are the only option that can be delivered over the medium term, in time to make a significant contribution to EU 2050 emission reduction targets [11]. However, it seems that commercial producers of fuels cannot justify investment in a Bio-Jet fuel production facility until guaranteed availability of sustainable feedstock and clear legislation. EU government is currently taking necessary steps to open a long-term option for the aviation biofuel production in the local market and to support its development. Whereas microalgae is certainly a feedstock considered by many future Bio-Jet producers. Only microalgae seems to offer vast potential as a source of aviation biofuels, however on the more distant horizons of an industry, in which long-term time scales are certainty. Besides, microalgae co-products are utilised at making complex organic compounds like B and C vitamins and beta-carotene that are used as fragrances, flavourings, pigments and supplements. Generally, the research done so far have demonstrated that only a portion of the crude algal oil is suitable for making biodiesel fuel, and most of it can be used to produce gasoline and Bio-Jet like fuels.

PL

W artykule przedstawiono skrót aktualnych osiągnięć technologicznych na temat potencjalnego zastosowania biopaliw w lotnictwie. Zaznaczono również, że ostanie dyrektywy Komisji Europejskiej także faworyzują wprowadzanie biopaliw do transportu lotniczego, celem zmniejszania zależności od importowanych paliw ropopochodnych oraz obniżania emisji gazów cieplarnianych. Wymieniono różne podejścia technologiczne do zagadnienia produkcji biopaliw dla lotnictwa. Autorzy identyfikują mikroalgi jako najlepszą alternatywę do produkcji biopaliwa lotniczego w dłuższej perspektywie. Podobnie wielu innych producentów biopaliw rozważa taki scenariusz. Biomasa z mikroalg bowiem wydaje się być najbardziej obiecującym źródłem do produkcji bio-zamiennika paliwa Jet A-1, jak również wielu innych, użytecznych związków organicznych. Ponadto, jak wynika z dotychczas prezentowanych badań, jedynie część biomasy z mikroalg jest użyteczna dla produkcji paliwa typu biodiesel, znacznie więcej zaś może zostać wykorzystane do produkcji benzyn oraz paliwa typu Bio-Jet.

18

Experiments on the upper explosion limits of gaseous alkanes-oxygen mixtures at elevated conditions of T and p in a spherical vessel

Rarata G., Szymczyk J., Wolański P.

Journal of Energy Science

|

2010

|

Vol. 1, nr 1

111-120

EN

This experimental work has been completed in the Institute of Heat Engineering Laboratories of Warsaw University of Technology. The article reports on the explosion pressure data and the influence of chosen physical parameters on the value of the Upper Explosive Limit (UEL) of gaseous alkanes oxygen mixtures. Such explosion behavior data of common gases for different initial conditions are essential for a quantitative risk assessment in many industrial environments. A number of higher alkanes-oxygen mixtures were examined (up to n-butane). Summarized research data is presented in the paper. All the presented data have been obtained from the experiments conducted in a 2.3 dm3 spherical, steel vessel. Exploding wire was used as the mean of ignition source. It released about 0.1 J energy each time. The pressure histories in the combustion vessel have been recorded by means of piezoelectric pressure transducer. The influence of the increased initial temperatures of the tested mixtures on their value of UEL was investigated in the range of 20°C up to 200°C. Further experiments on the influence of elevated pressure, as well as the position of the ignition source, were carried out too. The experiments allowed the authors to find a distinct dependencies in the values of obtained UEL under elevated conditions of pressure and temperature.

19

Współczesne stałe rakietowe materiały pędne

Rarata G., Surmacz P.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2009

|

Nr 7 (202)

112-124

PL

Artykuł zawiera poglądowy opis stałych, w tym także heterogenicznych, paliw rakietowych. Przedstawiony został podział paliw rakietowych, w tym przede wszystkim omówione zostały charakterystycznych cech stałych materiałów pędnych oraz ich podstawowe zastosowania, takie jak w silnikach rakiet balistycznych, pociskach kierowanych, artyleryjskich pociskach rakietowych, rakietach kosmicznych, itd. Nacisk położono na przedstawienie klasycznych stałych heterogenicznych rakietowych materiałów pędnych. Są to bowiem paliwa rakietowe, których podstawowymi składnikami są: utleniacz (np. NA), lepiszcze na bazie ciekłego kauczuk z grupami funkcyjnymi (np. PBAN, CTPB lub HTPB) i modyfikatory szybkości spalania oraz dodatkowo proszki metali (np. Al, Mg). Zaznaczono również coraz większy udział nowoczesnych paliw tzw. wysokoenergetycznych, w technikach rakietowych. A więc paliw zawierających nitroaminy (heksogen, oktogen) lub też tak perspektywiczne nitrozwiązki jak: CL-20, TNAZ lub ONC.

EN

The paper presents main characteristic features of solid rocket propellant compositions as well as their short development history, classification and engine performance. Such important parameters as: working time, magnitude of thrust, specific impulse, chamber pressure, and some others are also briefly discussed. All of analysed here parameters are the result of utilised fuel grain composition, its size, geometry as well as the structural nuances of an engine (combustion chamber diameter, type of nozzle, etc.). Emphasis has been put on more detailed analysis of composite type solid propellants (that contain separate fuel and oxidizer intimately mixed) especially because of their extensive current use in large non-military motors. The real, crucial step in manufacture of such solid propellants was possible to achieve when polyols were replaced with hydroxyl terminated polybutadiene (and practical utilization of HTPB reaction with isocyanates). The paper also presents a few most promising high-energy chemical compounds that are being considered as modern rocket composite propellants.

20

Rozwój i zastosowanie rakietowych napędów hybrydowych

Surmacz P., Rarata G.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2009

|

Nr 3 (198)

123-137

PL

Współczesny intensywny rozwój oraz wykorzystanie technik satelitarnych stawiają przed napedem rakietowym coraz większe wymagania. Jednym z najważniejszych jest dążenie do ograniczenia kosztów transportu kosmicznego, w przeliczeniu na 1 kilogram ładunku. Nie tylko rakiety kosmiczne wykorzystują silniki rakietowe. Ich zastosowanie obejmuje równiez korektę i transfer orbity sztucznych satelitów, napęd sond kosmicznych, pojazdów księżycowych i międzyplanetarnych, a także lądowników. Uwagę zwraca nowa dziedzina transportu, zwana turystyką kosmiczną. Wszystkie wymienione obszary wymagają zastosowania różych rodzajów i wielkości (impulsów całkowitych) napędów rakietowych. Upowszechnienie dostępu do rpzestrzeni kosmicznej wymaga redukcji kosztów rozwoju, produkcji i eksploatacji systemów transportu, przy zachowaniu wysokiego poziomu bezpieczeństwa. Od stosowanych materiałów pędnych wymaga się wysokich osiagów, bezpiecznego i długotrwałego przechowywania, a takż minimalnego wpływu produktów spalania na środowisko naturalne. Wymagania odnosnie silników rakietowych coraz częściej obejmują możliwość sterowania wartością ciągu oraz zdolność do wielokrotnego uruchomienia. Atrybuty te generalnie nie mają zastosowania w odniesieniu do tanich i prostych w budowie napędów rakietowych na stały materiał pędny. Natomiast silniki na materiał ciekły, pomimo znacznie szerszych możliwości zastosowania, charakteryzuje złożona budowa i związany z tym wysoki koszt rozwoju, produkcji i eksploatacji. W okreśIonych segmentach transportu kosmicznego rozważa się wykorzystanie napędu hybrydowego. Do zastosowań tych należą małe i średnie satelity (transfer i korekta orbit), lądowniki księżycowe i planetarne oraz samoloty do turystyki kosmicznej. Część z wymienionych potencjalnych zastosowań silników hybrydowych została sprawdzona i zyskała aprobatg do dalszych działań rozwojowych. Podstawowym kryterium stosowania tego typu napędu rakietowego są: prostota, bezpieczeństwo pracy, możliwość restartowania i sterowania siłą ciągu. Materiały pędne dla silników hybrydowych sa najcześciej łatwo przechowywalne i nietoksyczne. Co więcej, wstępne odseparowanie paliwa i utleniacza, znajdujących się podczas składowania w różnych fazach, istotnie wpływa na bezpieczeństwo przechowywania i transportu. Wszystkie te aspekty kwalifikują napęd hybrydowy do wykorzystania w określonej grupie zastosowań.

EN

Nowadays, the satellite technology development becomes very intensive. Progress in the satellite technology requires many desirable features from the rocket propulsion. One of the most important is reduction of the overall transport cost, with reference to one kilogram of payload. Rocket engines are being used not only for launch vehicles. The application includes also satellite manoeuvring and orbit transfer, space probe and lander propulsion. There is a very interesting new transport area called space tourism. In order to make the Space widely accessible, it is necessary to reduce the development, production and utilization cost of space transportation systems. It must also not influence the safety level. Features including high performance, storability, non-toxicity and safety of rocket propellants are required. There are also many other features essential for a rocket engine. Among them the most important are restart ability and throttling ability. These features cannot be reached by a solid rocket motor. Although a liquid rocket engine might be both restartable and throttlable, it is complicated and very expensive to develop. Hybrid rocket propulsion is being considered in several specific areas of space transportation. Those applications are: microsatelites (manoeuvring and orbit transfer), lunar and planetary landers, suborbital and orbital tourism vehicles. Some of these applications have been already approved and are still being developed. The most positive qualities of a hybrid propulsion are: simplicity, safety, stop and restart ability, throttling ability. Hybrid propellants are mostly storable and non-toxic. What is more, fuel and oxidiser are separated and stored in different phases, which positively affects on the safety level.