Por que a Hydrazine é usada para alimentar o EPU do F-16?

A EPU de F-16 é alimentada com uma mistura de hidrazina monopropelante, H-70, que contém 70% de hidrazina ($ N_ {2} H_ {4} $) e 30% de água, em peso.

Os principais requisitos para a EPU são que ela seja simples, livre de manutenção, forneça energia imediatamente e de forma consistente pelo tempo necessário. O uso de Hydrazine assegura isso, ao mesmo tempo em que requer um manuseio cuidadoso.

Basicamente, a decomposição catalítica da hidrazina produz amônia, nitrogênio e hidrogênio. Gases Exhuast da Turbina EPU contêm 40% de Amoníaco, 17% de Nitrogénio, 15% de Hidrogénio e 28% de Água.

$ 3N_ {2} H_ {4} \ rightarrow 4NH_ {3} + N_ {2} $

$ 4NH_ {3} \ rightarrow 2N_ {2} + 6H_ {2} $

$ 3N_ {2} H_ {4} \ rightarrow 4 (1-x) NH_ {3} + 6xH_ {2} + (2x + 1) N_ {2} $

em que x é a fração do $ NH_ {3} $ desassociado.

A água modifica a temperatura de decomposição (a EPU atinge temperaturas de ~ 870 $ ^ {\ circ} C $), evitando danos térmicos no leito do catalisador e nas peças da turbina. À medida que a água remove o calor, é transformada em vapor, o que ajuda a alimentar o EPU.

A EPU, usando hidrazina, gira até aproximadamente 75.000 rpm em 2-3 segundos (a EPU F-16 inicia dentro de 2 segundos). Levaria muito mais tempo se outro combustível, como o JP-8, fosse usado. Quando necessário (a EPU funciona normalmente no ar de sangria do motor), a hidrazina é forçada a entrar câmara de decomposição por pressão de nitrogênio , onde as reações acima produzem os gases para operar a turbina / caixa de engrenagens. A decomposição da hidrazina produz pressão suficiente, eliminando a necessidade de um compressor, economizando peso e eliminando a necessidade de um dispositivo de ignição, reduzindo a complexidade.

Para o peso determinado, ele fornece operação contínua pelo tempo necessário. No F-16, a EPU transporta ~ 25l de hidrazina, o que permite a operação por cerca de 10 minutos sob condições normais de carga e 15 minutos se as cargas forem menores (ou seja, no solo). Se qualquer outra forma (como bateria ou cartucho) fosse usada, seria difícil ter um longo tempo de operação sem um grande aumento de massa.

Para uma aeronave de combate, o RAT não é uma opção. Além disso, uma EPU alimentada com hidrazina funcionaria em qualquer altitude ou durante manobras, já que não precisa de um suprimento de oxidante externo.

Referências:

Composição do gás de escape da unidade de energia de emergência F-16 por Harry J. Suggs et al.

Ordem técnica 00-105E-9, USAF

AFR 110-14 Relatório de investigação de acidentes de aeronaves da USAF.

manual

Obrigado ao @Peter por apontar erros.

Para preencher os espaços vazios na resposta da aeroalias:

A hidrazina é um monopropelente , algo que não precisa ser misturado e queimado para liberar a energia contida em seu ligações químicas. Essa energia é liberada deixando a hidrazina fluir por um catalisador , no caso da EPU F-16 que é irídio . Isso quebra a ligação química, produzindo amônia, gás nitrogênio, gás hidrogênio e calor que converte a água em vapor. O aquecimento aumenta o volume dos gases e do vapor, assim eles aumentam a velocidade, assim como os gases no trabalho. / 159822 # 159822 "> câmara de combustão de um motor a jato . Na câmara de catalisador da EPU do F-16, a temperatura atinge mais de 800 ° C em apenas alguns milissegundos, e não há combustão envolvida! Esse gás de alta pressão e alta velocidade flui através de uma pequena turbina que, por sua vez, aciona um gerador e fornece pressão hidráulica.

A compressão não é necessária porque a pressão é fornecida a partir do frasco contendo a mistura hidrazina-água. Usar um monopropelente também evita problemas de ignição e torna a configuração muito simples. Como a hidrazina é bastante estável em alta pressão e temperatura ambiente, a vida útil de um motor de hidrazina é alta, e o estado líquido da mistura hidrazina-água torna seu armazenamento muito compacto. Apenas o que você precisa em um avião de combate.

O uso de hidrazina está relacionado à estabilidade da aeronave. Sem energia para os computadores, a atitude de voo preferida do F-16 é voar primeiro. O projeto básico da aeronave é aerodinamicamente instável, intencionalmente, para alcançar alto desempenho. Os computadores de controle de vôo mantêm a estabilidade.

Se a energia elétrica cair, o piloto de repente precisa de botas. Para evitar tais circunstâncias infelizes, o APU foi especificado para estar on-line na potência máxima 0,25 segundos após a falha de energia.

Aparentemente, no final dos anos 60 até o início dos anos 70 (anos de design), nada mais poderia atender aos requisitos de início rápido, peso e resistência de potência.