Brevet 3813875 – Roquette équipée d’un système de libération de baryum pour créer des nuages ​​d’ions dans l’atmosphère supérieure (Nasa) – 1974

Ce qui est revendiqué comme nouveau et désiré par les Lettres patentes des États-Unis est

1. Dispositif de libération d’atomes de baryum libres et d’ions baryum dans la haute atmosphère pour émettre un rayonnement de résonance sous la forme d’un nuage lumineux comprenant:

2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel le combustible liquide est choisi dans le groupe constitué par l’hydrazine et l’ammoniac liquide.

3. Appareil selon la revendication 2, dans lequel les sels de baryum contenus dans le carburant liquide sont un mélange de chlorure de baryum et de nitrate de baryum.

4. Appareil selon la revendication 1, dans lequel l’oxydant liquide est choisi dans le groupe constitué par F2, OF2 et ClF3.

L’invention décrite dans le présent document a été faite dans le cadre d’un contrat de la NASA et est assujettie aux dispositions de l’article 303 de la Loi nationale sur l’aéronautique et l’espace de 1958, Public Law 85-568 (72 Stat 435, 42 USC 2457).

SPÉCIFICATION

La présente invention concerne de manière générale un système de libération chimique et concerne en particulier un système de libération de baryum en phase vapeur de sorte qu’il puisse être ionisé par rayonnement solaire et également excité pour émettre un rayonnement de résonance dans le visible. Le nuage lumineux ionisé du baryum devient alors une indication visible des caractéristiques magnétiques et électriques dans l’espace et permet la détermination de ces propriétés sur des zones relativement grandes de l’espace à un moment donné par rapport aux instruments à fusée ou orbitant. Par exemple, une ligne de champ géomagnétique pourrait être éclairée par la présente invention d’un pôle à l’autre.

Actuellement, les systèmes de libération de baryum sont utilisés pour créer des nuages ​​d’ions dans la haute atmosphère pour l’étude des propriétés géophysiques de l’atmosphère. Ces systèmes connus utilisent un système chimique solide utilisant un mélange de thermite de baryum et d’oxyde de cuivre comme réaction de production de chaleur et un excès de baryum à vaporiser. Ce système est lancé par une fusée appropriée et, à un moment prédéterminé, les ingrédients sont enflammés et libérés d’une cartouche à travers un diaphragme à éclatement et une buse. Le nuage de baryum qui en résulte donne une couleur brillante qui peut être observée et étudiée depuis la terre pour donner des indications sur les courants de vent et autres. Ce système connu de libération de baryum s’est avéré efficace mais est intrinsèquement d’une faible efficacité dans la production de vapeur de baryum, ne donnant en pratique que 2 à 4% du poids chimique total alors qu’en réalité jusqu’à 48% sont disponibles. En outre, le mélange d’oxyde de baryum et de cuivre présente un risque d’incendie lors du mélange et du pressage dans le réservoir et doit être effectué dans des conditions atmosphériques inertes qui se révèlent chronologiquement coûteuses et coûteuses. En outre, il y a peu ou pas d’ionisation dans ce système connu en raison de la réaction initiale de génération de chaleur.

C’est par conséquent un objet de la présente invention de fournir un nouveau et nouveau système de libération de baryum pour des études atmosphériques et spatiales.

Un autre objet de la présente invention est un système pour libérer du baryum dans la phase vapeur de sorte qu’il puisse être ionisé par le rayonnement solaire et excité pour émettre un rayonnement de résonance dans la plage visible.

Un autre objet de la présente invention est un nouveau mélange chimique permettant de libérer un bon rendement en atomes libres et en ions baryum.

Un autre objet de la présente invention est un système de libération chimique hypergolique liquide binaire dans lequel du baryum est formé sous la forme d’une vapeur au moment de la libération.

Les objets ci-dessus et d’autres sont atteints dans un aspect de la présente invention en fournissant un combustible liquide, dans lequel des sels de baryum sont dissous, et un oxydant à haute énergie qui allume spontanément le combustible au contact. La libération de baryum est accomplie en empilant des jets de combustible et d’oxydant dans une chambre de combustion ouverte qui expulse les gaz ou le plasma du produit de réaction et qui comprend les atomes neutres de baryum désirés (Ba °) et les ions baryum (Ba +) comme espèces individuelles.

Une appréciation plus complète de l’invention et de nombreux avantages associés de celle-ci apparaîtra facilement au fur et à mesure qu’elle sera mieux comprise en se référant à la description détaillée suivante lorsqu’elle est considérée en relation avec les dessins annexés dans lesquels:

FIGUE. 1 est une représentation schématique des réservoirs de carburant et d’oxydant reliés à une chambre de combustion à extrémité ouverte dans une fusée de lancement pour la libération de baryum selon la présente invention; et

FIGUE. 2 est un tracé de coordonnées triangulaires qui définit les mélanges nitrate de baryum-chlorure de baryum-hydrazine de la présente invention.

En se référant maintenant aux dessins et plus particulièrement à la Fig. 1, on a représenté un segment d’un véhicule porteur approprié 10, tel par exemple un moteur-fusée. Le véhicule 10 est utilisé pour transporter le réservoir de carburant 11, le réservoir d’oxydant isolé 13 et la chambre de combustion 15, avec l’instrumentation nécessaire, de la terre dans la haute atmosphère ou dans l’espace interplanétaire. Le réservoir de carburant 11 est en liaison fluidique avec la chambre de combustion 15 et le réservoir d’oxydant 13 est en liaison fluidique avec la chambre de combustion 15 par l’intermédiaire des conduits respectifs 17 et 19. Une paire de vannes 21 et 23 sont disposées dans les conduites respectives 17 et 19. 21 et 23 sont adaptés pour être ouverts de manière sélective et simultanée par un mécanisme de synchronisation alimenté par batterie, un signal radio ou similaire, pour libérer le combustible et l’oxydant sous pression des réservoirs 11 et 13. Le combustible et l’oxydant s’écoulent ensuite à travers les conduits 17 et 19 et se heurtent l’une l’autre à travers un collecteur positionné centralement et des jets appropriés (non représentés) dans la chambre de combustion 15 où l’inflammation spontanée se produit. Les produits de réaction sont ensuite expulsés à travers les extrémités ouvertes de la chambre de combustion 15 en tant que plasma qui comprend les atomes neutres de baryum désirés et les ions baryum en tant qu’espèces individuelles.

Le carburant utilisé dans le réservoir de carburant 11 est soit l’hydrazine (N2H4) soit l’ammoniac liquide (NH3) tandis que l’oxydant utilisé est choisi dans le groupe constitué du fluor liquide (F2), du trifluorure de chlore (ClF3) et du difluorure d’oxygène (OF2). Lorsque l’hydrazine est utilisée comme combustible, le baryum peut y être dissous sous forme de chlorure de baryum, de BaCl2 ou de nitrate de baryum, de Ba (NO3) 2 ou d’une combinaison des deux. Lors de l’utilisation d’ammoniac liquide comme combustible, le métal de baryum peut y être dissous. La combinaison trouvée pour produire la plus haute intensité de rayonnement de résonance Ba ° et Ba + dans des essais au sol impliquait un carburant de 16% Ba (NO3) 2, 17% BaCl2 et 67% N2 H4; et en tant qu’oxydant, le fluor liquide cryogénique F2 et dans lequel un rapport en poids oxydant à carburant était de 1,32.

D’autres combinaisons d’ingrédients testées sont présentées dans le tableau I ci-dessous:

Tableau I ____________________________________ Système optimal O / F Pourcentage d’ionisation Calculé ____________________________________ 16,7% BaCl2 – 83,3% N2 H4 / ClF3 2,36 68,0 26% BaCl2 – 74% N2 H4 / ClF3 2,08 70,0 50% Ba (NO3) 2 – 50% NH3 / ClF3 1,52 – 42,9% Ba (NO3) 2 – 57,1% N2 H4 / ClF3 1,19 50,0 16,7% BaCl2 – 83,3% N2 H4 / F2 1,95 68,8 26% BaCl2 – 74% N2 H4 / F2 1,71 70,6 21% BaCl2 – 9% Ba (NO3 2 – 70% N2 H4 / F2 1,57 68,5 17% BaCl2 – 16% Ba (NO3) 2 – 67% N2 H4 / F2 1,31 68,1 13% BaCl2 – 21,5% Ba (NO3) 2 – 65,5% N2 H4 / F2 1,34 63,7 9% BaCl2 – 30% Ba (NO3) 2 – 61% N2 H4 / F2 1,04 63,7 42,9% Ba (NO3) 2 – 57,1% N2 H4 / F2 0,976 43,0 42,9% Ba (NO3) 2 – 57,1% N2 H4 / OF2 0,694 46,9 26% BaCl2 – 74% N2 H4 / OF2 1,22 52,8 ______________________________________

Les conditions dans lesquelles chacune des combinaisons énumérées dans le tableau I ont été testées étaient ambiantes et le pourcentage d’ionisation a été calculé par des équations énoncées dans le contrat CR-1415 de la NASA publié en août 1969.

Le fournisseur de produits chimiques et les fabricants ont indiqué que la pureté des divers produits chimiques utilisés est indiquée dans le tableau II ci-dessous: ______________________________________ Pureté du fournisseur de produits chimiques N2 H4 Olin Mathieson Chemical Grade technique Company, Lake Charles, 97-98% N2 H4 Louisiana (2-3% H2 O) NH3 Air Produits et produits chimiques Qualité technique Allentown, Pa. BaCl2 JT Baker & Co. Catégorie de réactif Phillipsburg, NJ Ba (NO3) 2 JT Baker & Co. Catégorie de réactif Phillipsburg, NJ Air Products & Chemicals 98% Allentown, PA. ClF3 Allied Chemical Co. 99,5% Baton Rouge, La. OF2 Allied Chemical Co. 98% Baton Rouge, La. ______________________________________

Une étude de solubilité de divers mélanges contenant du Ba (N03) 2, du BaCl2 et du N2H4 a été effectuée à température ambiante et est montrée dans le diagramme triangulaire de la Fig. 2. Sept solutions qui ont été utilisées dans les tests énumérés dans le tableau I sont indiquées par des lettres de référence sur la figure 1. 2 comme suit:

une. 16,7% BaCl2 – 83,3% N2 H4 b. 26% BaCl2 – 74% N2 H4 c. 21% BaCl2 – 9% Ba (NO3) 2 – 70% N2 H4 d. 17% BaCl2 – 16% Ba (NO3) 2 – 67% N2 H4 e. 13% BaCl2 -21,5% Ba (NO3) 2 -65,5% N2 H4 f. 9% BaCl2 – 30% Ba (NO3) 2 – 61% N2 H4 g. 42,9% Ba (NO3) 2 – 57,1% N2 H4

Un mélange en dessous de la ligne de saturation, c’est-à-dire vers les coins Ba (NO3) 2 ou BaCl2, contenait une phase solide et une solution, tandis que les sels étaient en solution complète au-dessus de la ligne de saturation.

Tous les mélanges de carburant ou systèmes décrits ont été facilement manipulés à l’exception du système à 50% de Ba (NO3) 2-50% NH3. Ce système a provoqué le colmatage des vannes d’alimentation en raison de la précipitation du Ba (NO3) 2. De plus, les valeurs de lumière obtenues en utilisant ce système étaient relativement faibles.

Dans l’essai de chacun des mélanges de carburants indiqués dans le tableau I, la lumière Ba ° était supérieure à la lumière Ba + pour un rapport oxydant / carburant donné dans chacun des mélanges. La lumière maximale s’est produite dans tous les systèmes à un point situé entre le O / F stoechiométrique et 3 pour cent de moins que le O / F stoichiométrique. Le rapport O / F stoechiométrique est défini comme étant le rapport pondéral oxydant / carburant dans une équation équilibrée en supposant que le sel est converti en Ba libre, F en HF, Cl en HCl et O en H2 O. Par exemple, un système testé avait un ratio O / F de 142 grammes d’oxydant pour 100 grammes de carburant ou 1,42 / 1,00. Si l’on suppose que le baryum est converti en BaF2, le rapport O / F stoechiométrique est de 1,47. Puisque la plus grande production de lumière dans tous les cas s’est produite avec O / F moins que stoechiométrique, il est apparent que peu de Ba a été combiné comme BaF2 ou BaCl2. Cela a été confirmé par analyse spectrographique.

Dans le tableau II, les divers systèmes sont énumérés en termes de production de lumière décroissante ou d’intensité de lumière relative telle que mesurée par des phototubes en millivolts, indiquant ainsi le rendement relatif en baryum.

TABLEAU III __________________________________________________________________________ SYSTÈME MAXIMUM RELATIVE (pourcentage poids pour le carburant) INTENSITÉ, millivolts Ba ° 5535 A Ba + 4554 A

__________________________________________________________________________ 17% BaCl2 -16% Ba (NO3) 2 -67% N2 H4 / F2 27600 11800 13% BaCl2 -21,5% Ba (NO3) 2 -65,5% N2 H4 / F2 23600 8340 21% BaCl2 -9% Ba (NO3 2 -70% N2 H4 / F2 20600 9100 9% BaCl2 -30% Ba (NO3) 2 -61% N2 H4 / F2 16600 5970 26% BaCl2 -74% N2 H4 / F2 16600 6520 26% BaCl2 -74% N2 H4 / ​​OF2 11800 2100 16,7% BaCl2 -83,3% N2 H4 / F2 9100 3350 42,9% Ba (NO3) 2 -57,1% N2 H4 / F2 9000 1800 42,9% Ba (NO3) 2 -57,1% N2 H4 / OF2 7300 1330 42,9 % Ba (NO3) 2 -57,1% N2 H4 / ClF3 663 94 50% Ba (NO3) 2 -50% NH3 / ClF3 221 44 __________________________________________________________________________

D’après les informations ci-dessus, on voit facilement que le système BaCl2 à 16% de Ba (NO3) 2 à 67% de N2H4 / F2 donne la plus grande intensité lumineuse des raies spectrales 4554 A Ba + et 5535 A Ba °. Les tests ambiants ont montré que le rapport optimal entre l’oxydant et le carburant était de 1,32 à 1,00. Ce système contenant 8,52% en poids de baryum a été estimé être 68,1% ionisé. De plus, étant donné que ce système avait l’intensité lumineuse relative la plus élevée, il devrait donner la plus grande quantité de Ba ° et Ba + et semblerait être le système optimal pour une charge utile de baryum. Dans tous les systèmes testés, on a trouvé que la lumière relative atteignait un maximum à l’O / F correspondant à l’équation stoechiométrique produisant du baryum comme l’un des produits de réaction et que la sortie de lumière relative était sensible à l’O / F. Le déplacement de chaque côté de l’O / F optimal a provoqué une forte diminution de la lumière relative.

Dans les essais sous vide, l’allumage de chaque système testé était lisse et, comme les essais ambiants, a eu lieu dans la chambre de combustion. L’expansion rapide dans le vide a provoqué une diminution de la densité des atomes et des ions dans la flamme lumineuse, ce qui a fait que l’intensité de la lumière était d’environ 1/37 à 1/50 de l’intensité mesurée dans les tests ambiants. Le pourcentage d’ionisation était approximativement le même pour les essais sous vide et ambiants.

Le fonctionnement de l’invention est maintenant considéré comme apparent. Initialement, le réservoir de carburant 11 est chargé avec le carburant contenant la quantité désirée de sel de baryum dissous et mis sous pression avec de l’hélium. La pression du réservoir de carburant peut être comprise entre 6,89 et 20,06 × 105 Newton / mètre2. Le réservoir d’oxydant 13 est également chargé de l’oxydant approprié et mis sous pression. Les oxydants cryogéniques tels que OF2 et F2 sont condensés à partir des gaz dans le réservoir d’oxydant fermé qui doit être maintenu enfermé dans un bain d’azote liquide. La vanne d’alimentation en comburant 23 et la conduite 19 doivent également être maintenues à la température de l’azote liquide avec une enveloppe d’azote liquide lors de l’utilisation d’un oxydant cryogénique.

L’oxydant non cryogénique, ClF3, peut être mis sous pression dans le réservoir d’oxydant fermé 13 à partir d’une bouteille d’alimentation en azote super sec.

La chambre de combustion 15 est formée d’acier inoxydable, d’aluminium ou de métaux similaires compatibles avec F2 et est compartimentée intérieurement par le collecteur, non représenté. Les conduits 17 et 19 se terminent par un collecteur ayant des orifices d’injecteur (non représentés) montés à 90 ° l’un de l’autre dans chaque extrémité de la chambre 15 et dimensionnés pour des chutes de pression de 5,24 à 10,2 x 105 Newton / mètre2 à travers l’orifice. Les débits de combustible et d’oxydant sont compris entre 2,05 et 6,82 kg / s chacun. Le système entier est transporté dans la haute atmosphère ou dans l’espace interplanétaire par un véhicule fusée 10 où, en réponse à un signal approprié, un mécanisme de synchronisation ou analogue, les vannes 21 et 23 peuvent être sélectivement ouvertes et fermées et le combustible liquide sous pression Par l’intermédiaire des conduits 17 et 19 dans l’unité de combinaison 15. Lorsque les liquides hypergoliques s’entrechoquent, ils s’enflamment spontanément pour expulser les gaz du produit de réaction ou le plasma comprenant les atomes neutres de baryum hautement lumineux et les ions baryum en tant qu’espèces individuelles. Tout le baryum atteignant la chambre de combustion est vaporisé et libéré par les extrémités opposées de celui-ci, de sorte qu’une efficacité de rendement élevée est obtenue. La température élevée de la flamme qui en résulte, environ 4 000 ° K, et une activation chimique encore non déterminée, produit une quantité relativement importante d’ions baryum dans la flamme, ce qui est une condition hautement souhaitable. Des mesures spectroscopiques ont estimé que le degré d’ionisation peut atteindre 75% dans le plasma libéré, alors qu’il est de l’ordre de 1% pour le système solide Ba-CuO précédemment utilisé, qui dépend presque entièrement de la photo-ionisation solaire, un phénomène dépendant du temps qui réduit encore le rendement en baryum utilisable de ce système connu.

Ainsi, il est facilement apparent que la présente invention fournit un processus intrinsèquement plus efficace de production de nuages ​​de baryum dans lequel le degré d’ionisation dans le plasma libéré est beaucoup plus grand. L’ouverture sélective et la fermeture des vannes 21 et 23 donnent la possibilité d’une charge utile avec des rejets multiples autorisés en raison des capacités de démarrage et d’arrêt du système de liquide. De plus, le système liquide de la présente invention donne la possibilité de contrôler les vitesses de sorte qu’une libération de type de type trailing peut être obtenue ainsi qu’un type de source ponctuelle. De plus, le système liquide de la présente invention affecte la formation d’atomes et d’ions de baryum au moment de la combustion et de la dilatation à des températures élevées et conduit à une faible possibilité de condensation du baryum pendant la libération.

Il existe évidemment de nombreuses variantes et modifications de la présente invention qui apparaîtront facilement à l’homme de l’art sans s’écarter de l’esprit ou de la portée de la divulgation ni de la portée des revendications.