Liquid Oxygen Compatibility of Materials for High-Performance Rocket Propellant Pumps

Abstract

Det ble undersøkt om det er gjennomførbart å utvikle en elektrisk pumpe for flytende oksygen i små bæreraketter, uten tetning mellom impeller og motor. Flytende oksygen er et kraftig oksidasjonsmiddel, som kan føre til brannfare. Retningslinjer for design som minimerer antenningsmekanismer og anbefalinger for materialvalg ble utarbeidet basert på eksisterende forskningslitteratur.

Et utvalg kandidatmaterialer, bestående av 14 metaller og 4 polymerer, ble vurdert og sammenlignet. Materialegenskapene som ble sett på er spesifikk styrke, styrke per volum, nedre drifstemperatur, oksygenindeks, selvantennings-temperatur og forbrenningsvarme. I tillegg ble resultater fra tester relatert til oksygensikkerhet sammenlignet. Testene omfattet blant annet antenning ved friksjon, partikkelsammenstøt og slag.

De lettere metalliske materialene, nærmere bestemt Titan Ti-6Al-4V og Aluminium 6061-T6 og 7075-T6, viste dårligst ytelse i testene relatert til oksygensikkerhet. Stållegeringene hadde lav til middels ytelse i testene relatert til oksygensikkerhet og var sprø ved de temperaturene som forventes i pumpen. Verken stållegeringene eller de lettere metallene anbefales. Av de utvalgte metalliske materialene hadde nikkellegeringene gode resultater i testene relatert til oksygensikkerhet. Alle nikkellegeringene kan anbefales, spesielt MONEL K-500, grunnet materialets høye spesifikke styrke.

Av de utvalgte polymeriske materialene anbefales kun polytetrafluoretylen, PTFE, for bruk i pumpen for flytende oksygen. PTFE vil føre til høyere masse og volum sammenlignet med de andre polymeriske materialene, men ytelsen i oksygenberikede omgivelser, kombinert med den lave forbrenningsvarmen samt lav nedre driftstemperatur, gjør PTFE til det foretrukne materialet blant polymerene.

Resultatene tyder på at det er gjennomførbart å lage en pumpe uten tetning mellom impeller og motor, så fremt egnede materialer benyttes og muligheten for antenning minimeres gjennom hensiktmessig utforming. Videre testing og analyse bør utføres før produksjon startes. En strømningsanalyse av flytende oksygen i pumpen kan være behjelpelig for å avdekke potensielle antenningsfarer. Prototypetesting kan bidra til validering av materialkompatibilitet.

The feasibility of an electric seal-less liquid oxygen pump, for use in small launch vehicles, was investigated. Liquid oxygen, a strong oxidizer, poses several fire hazards. Through literature research, design guidelines for minimizing ignition mechanisms and recommendations for material selection were obtained.

A decision was made to focus on 14 metallic candidate materials and 4 polymeric candidate materials. The material properties that were considered include specific strength, strength per volume, minimum service temperature, oxygen index rating, autogenous ignition temperature and heat of combustion. Additionally, test results from friction ignition tests, particle impact ignition tests and mechanical impact ignition tests were gathered. These material properties formed the basis for a comparison between the candidate materials.

The lighter metallic materials, specifically Titanium Ti-6Al-4V and Aluminium 6061-T6 and 7075-T6, showed the worst performance in the tests related to oxygen safety. The steels compared showed low to mediocre performance in the tests related to oxygen safety and were prone to becoming brittle in the the cold temperatures expected in the pump. Neither the steels or the lighter metals are recommended.

Of the metallic candidate materials, the nickel alloys performed reasonably well in the tests related to oxygen safety. All of the nickel alloys are recommendable, but MONEL K-500 is especially recommended due to its high specific strength.

Of the polymeric candidate materials, only polytetrafluoroethylene (PTFE) is recommended for use in the liquid oxygen pump. PTFE would add more mass and volume than the other polymeric materials, but its performance in oxygen-enriched environments combined with its low heat of combustion and minimum service temperature, make it the preferred polymer for this application.

A seal-less pump design seems like a feasible approach, given that suitable materials are used and that the possibility of ignition is minimized through careful design. Further testing and analysis should be performed before production is initiated. A computational fluid dynamics analysis of the flow of liquid oxygen in the pump could help uncover potential ignition hazards. Prototype testing could help validate material compatibility.