DE102010063452B4 - A cooled system exposed to hot gas flow, a drive device, a reentrant body, a method of operating a hot gas flow charged system, and a method of manufacturing a refrigerated system - Google Patents

A cooled system exposed to hot gas flow, a drive device, a reentrant body, a method of operating a hot gas flow charged system, and a method of manufacturing a refrigerated system Download PDF

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Abstract

Gekühltes System, welches einer Heißgasströmung ausgesetzt ist, umfassend mindestens eine Wandung (18; 92) und eine Kühleinrichtung (30), welche mindestens teilweise in die Wandung (18; 92) integriert ist, wobei die mindestens eine Wandung (18; 92) durch Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung gekühlt ist, und in der mindestens einen Wandung (18; 92) mindestens eine magnetfelderzeugende Spule (74; 102) aus supraleitendem Material angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (18; 92) mindestens in einem Teilbereich aus einem porösen keramischen Material hergestellt ist, und dass die mindestens eine Spule (74; 102) aus einem porösen keramischen Material hergestellt ist.A cooled system exposed to hot gas flow comprising at least one wall (18; 92) and cooling means (30) at least partially integrated in the wall (18; 92), the at least one wall (18; 92) passing through At least one magnetic field generating coil (74; 102) made of superconducting material is arranged in the at least one wall (18; 92), characterized in that the at least one wall (18; 92) at least in one Partial region is made of a porous ceramic material, and that the at least one coil (74, 102) is made of a porous ceramic material.

Description

Die Erfindung betrifft ein gekühltes System, welches einer Heißgasströmung ausgesetzt ist, umfassend mindestens eine Wandung und eine Kühleinrichtung, welche mindestens teilweise in die Wandung integriert ist, wobei die mindestens eine Wandung durch Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung gekühlt ist, und in der mindestens einen Wandung mindestens eine magnetfelderzeugende Spule aus supraleitendem Material angeordnet ist.The invention relates to a cooled system, which is exposed to a hot gas flow, comprising at least one wall and a cooling device, which is at least partially integrated into the wall, wherein the at least one wall is cooled by transpiration cooling and / or effusion cooling, and in the at least one wall at least one magnetic field generating coil of superconducting material is arranged.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebsvorrichtung für einen Flugkörper.The invention further relates to a drive device for a missile.

Ferner betrifft die Erfindung einen Wiedereintrittskörper.Furthermore, the invention relates to a reentrant body.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Systems.Furthermore, the invention relates to a method for producing a cooled system.

Aus der WO 99/04156 A1 ist eine Brennkammer bekannt, umfassend einen Brennraum, einen den Brennraum umschließenden Innenmantel, einen den Innenmantel umschließenden Außenmantel und zwischen dem Innenmantel und dem Außenmantel ausgebildete Kühlmittelkanäle, wobei der Außenmantel aus einem Faserkeramikmaterial gebildet ist und der Innenmantel aus einem Faserkeramikmaterial oder aus Graphit gebildet ist.From the WO 99/04156 A1 a combustion chamber is known, comprising a combustion chamber, an inner jacket surrounding the combustion chamber, an outer jacket surrounding the inner jacket and coolant channels formed between the inner jacket and the outer jacket, wherein the outer jacket is formed from a fibrous ceramic material and the inner jacket is formed from a fibrous ceramic material or from graphite.

Aus der DE 39 03 602 A1 ist ein Raketenmotor mit einer Brennkammer und einer angeschlossenen Expansionsdüse bekannt, wobei wenigstens im Austrittsbereich der Verbrennungsgase aus der Brennkammer eine elektrisch versorgbare Spulenanordnung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Felds angeordnet ist.From the DE 39 03 602 A1 a rocket motor with a combustion chamber and a connected expansion nozzle is known, wherein at least in the exit region of the combustion gases from the combustion chamber, an electrically energizable coil arrangement for generating an electromagnetic field is arranged.

Aus der US 7,506,497 B2 ist eine elektrische Antriebsanordnung bekannt, welche eine Anode und eine Kathode umfasst.From the US Pat. No. 7,506,497 B2 For example, an electric drive arrangement is known which comprises an anode and a cathode.

Aus der US 6,334,302 B1 ist ein Motor bekannt, welcher einen Plasmagenerator mit einem steuerbaren Ausgang, einem steuerbaren Heizer und eine Düse aufweist.From the US 6,334,302 B1 For example, a motor is known which has a plasma generator with a controllable output, a controllable heater and a nozzle.

Aus der US 3,243,954 ist ein Plasmabeschleuniger bekannt.From the US 3,243,954 a plasma accelerator is known.

Aus der US 6,938,406 B2 ist eine Antriebsvorrichtung bekannt, welche eine Einspritzkammer und eine Düse aufweist.From the US 6,938,406 B2 a drive device is known, which has an injection chamber and a nozzle.

Aus der US 4,815,279 ist ein Raumfahrzeug bekannt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gekühltes System der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches bei einfachem Aufbau und insbesondere einfachem geometrischen Aufbau einen effektiven Schutz bezüglich Heißgasströmungen liefert.From the US 4,815,279 is a spacecraft known. The invention has for its object to provide a cooled system of the type mentioned, which provides effective protection with respect to hot gas flows with a simple structure and in particular simple geometric structure.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten gekühlten System erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mindestens eine Wandung mindestens in einem Teilbereich aus einem porösen keramischen Material hergestellt ist, und dass die mindestens eine Spule aus einem porösen keramischen Material hergestellt ist.This object is achieved according to the invention in the cooled system mentioned above in that the at least one wall is made of a porous ceramic material at least in a partial region, and that the at least one coil is made of a porous ceramic material.

Die mindestens eine Spule ist in die Wandung integriert. Die Kühlung der mindestens einen Wandung lässt sich dazu nutzen, das Material der mindestens einen Spule auf eine Temperatur unterhalb der supraleitenden Sprungtemperatur zu kühlen. Dadurch lässt sich auf energiesparende Weise ein hohes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wiederum lässt sich dazu nutzen, eine ionisierte Heißgasströmung zu beeinflussen und insbesondere so umzulenken, dass die Wandung durch die Heißgasströmung minimal belastet wird.The at least one coil is integrated in the wall. The cooling of the at least one wall can be used to cool the material of the at least one coil to a temperature below the superconducting transition temperature. As a result, a high magnetic field can be generated in an energy-saving manner. This magnetic field, in turn, can be used to influence an ionized hot gas flow and, in particular, to divert it so that the wall is minimally stressed by the hot gas flow.

Die Kühlung der Wandung sorgt für das Erreichen der supraleitenden Sprungtemperatur. Es wird an der Wandung ein Film ausgebildet, welcher ebenfalls vor Heißgasströmung schützt. Ferner wird bei der Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung durch den Durchtritt von Fluid durch die mindestens eine Wandung Wärme aus der mindestens einen Wandung abgeführt, welche durch verbleibende Aufheizung der mindestens einen Wandung entstanden ist.The cooling of the wall ensures that the superconducting transition temperature is reached. It is formed on the wall, a film which also protects against hot gas flow. Furthermore, in the case of the transpiration cooling and / or effusion cooling, heat is removed from the at least one wall by the passage of fluid through the at least one wall, which is produced by remaining heating of the at least one wall.

Grundsätzlich lässt sich dann die Wandung geometrisch einfacher ausgestalten, da mindestens ein Teil der Funktion der Heißgasströmungsführung, für die sonst bestimmte Wandungsformen und insbesondere besondere Düsenformen notwendig sind, sich mindestens teilweise über eine ”magnetische Düse” ersetzen lässt.In principle, the wall can then be made geometrically simpler, since at least part of the function of the hot gas flow guide, for which otherwise specific wall forms and in particular special nozzle shapes are necessary, can at least partially be replaced by a "magnetic nozzle".

Ferner lässt sich die mindestens eine Spule, wenn sie aus einem Hochtemperatursupraleiter und insbesondere keramischen Supraleiter hergestellt ist, auf einfache Weise in den Fertigungsprozess einer porösen Wandung, wenn diese aus einem keramischen Material hergestellt ist, in die Wandung integrieren.Furthermore, the at least one coil, when made of a high-temperature superconductor and in particular a ceramic superconductor, can be easily integrated into the wall in the production process of a porous wall, if it is made of a ceramic material.

Die mindestens eine Wandung ist in dem mindestens einen Teilbereich aus einem keramischen Material hergestellt. Ein solches keramisches Material lässt sich mit hoher Temperaturbeständigkeit porös herstellen.The at least one wall is made of a ceramic material in the at least one subregion. Such a ceramic material can be produced porous with high temperature resistance.

Die mindestens eine Spule ist aus einem porösen keramischen Material hergestellt ist. Dadurch ergibt sich bei einfacher Herstellbarkeit eine effektive Führung von Kühlfluid.The at least one coil is made of a porous ceramic material. This results in ease of manufacture effective management of cooling fluid.

Günstig ist es, wenn das Material für die mindestens eine Spule so gewählt ist, dass in einem Arbeitspunkt oder in einem Arbeitspunktbereich der Kühleinrichtung die Temperatur an der mindestens einen Spule unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials liegt. Dadurch sorgt die Kühleinrichtung gleichzeitig dafür, dass die mindestens eine Spule im supraleitenden Bereich betrieben wird. It is favorable if the material for the at least one coil is selected so that the temperature at the at least one coil is below the transition temperature of the superconducting material at an operating point or in an operating point range of the cooling device. As a result, the cooling device simultaneously ensures that the at least one coil is operated in the superconducting region.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Wandung mit der mindestens einen Spule mindestens im Teilbereich als Umlenkungseinrichtung und/oder magnetische Düse für die ionisierte Heißgasströmung ausgebildet ist. Bei der Ausbildung als Umlenkungseinrichtung lässt sich eine Beaufschlagung der mindestens einen Wandung mit der Heißgasströmung zumindest reduzieren. Bei der Ausbildung als magnetische Düse lässt sich die Heißgasströmung entsprechend einer geometrischen Düsenform wie beispielsweise einer Lavaldüse beispielsweise durch eine Schubkammer führen. Dadurch lässt sich der gleiche Effekt wie bei einer geometrisch komplexeren Schubkammer erreichen, wobei bei der erfindungsgemäßen Lösung beispielsweise die Schubkammer als zylindrisches Rohr ausgebildet werden kann.It is particularly advantageous if the at least one wall with the at least one coil is formed at least in the partial region as a deflection device and / or magnetic nozzle for the ionized hot gas flow. In the embodiment as a deflection device, an admission of the at least one wall with the hot gas flow can be at least reduced. In the design as a magnetic nozzle, the hot gas flow can be performed in accordance with a geometric nozzle shape such as a Laval nozzle, for example, by a thrust chamber. As a result, the same effect as in a geometrically more complex thrust chamber can be achieved, wherein in the solution according to the invention, for example, the thrust chamber can be formed as a cylindrical tube.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die mindestens eine Wandung mit der mindestens einen Spule mindestens in einem Teilbereich als Beschleunigungseinrichtung für Ionen der Heißgasströmung ausgebildet ist. Dadurch kann beispielsweise nach Durchlaufen der Heißgasströmung durch eine Schubkammer eine nachfolgende Beschleunigung von Ionen und damit der Heißgasströmung erreicht werden.It can also be provided that the at least one wall with the at least one coil is formed at least in a partial region as an acceleration device for ions of the hot gas flow. As a result, for example, after passing through the hot gas flow through a thrust chamber subsequent acceleration of ions and thus the hot gas flow can be achieved.

Insbesondere führt eine Durchtrittsrichtung für Fluid an der mindestens einen Wandung zur Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite der mindestens einen Wandung, wobei die zweite Seite durch die Heißgasströmung direkt belastet ist. Dadurch lässt sich zum einen die Wandung kühlen und es lässt sich dadurch Wärme abführen. An der zweiten Seite lässt sich ein Film bilden, welcher die Wandung zusätzlich von Heißgasbeaufschlagung schützt.In particular, a passage direction for fluid at the at least one wall for transpiration cooling and / or effusion cooling leads from a first side to a second side of the at least one wall, wherein the second side is directly loaded by the hot gas flow. As a result, on the one hand cool the wall and it can thereby dissipate heat. On the second side can form a film, which additionally protects the wall from Heißgasbeaufschlagung.

Es ist dann vorteilhaft, wenn die mindestens eine Wandung an dem mindestens einen Teilbereich aus einem faserkeramischen Material hergestellt ist.It is advantageous if the at least one wall is made of a fiber-ceramic material on the at least one subregion.

Die mindestens eine Wandung ist in dem mindestens einen Teilbereich aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt und/oder der mindestens einen Spule ist eine elektrische Isoliereinrichtung zu der mindestens einen Wandung zugeordnet. Beispielsweise ist die mindestens eine Wandung aus einem oxidkeramischen Material hergestellt, welches elektrisch isolierende Eigenschaften hat. Grundsätzlich ist es auch möglich, die mindestens eine Wandung beispielsweise aus einem C/C-Material herzustellen, wenn für eine ausreichende elektrische Isolierung gesorgt wird, um insbesondere bei Zusammenbrechen der Supraleitung einen Kurzschluss zu vermeiden.The at least one wall is produced in the at least one subregion from an electrically insulating material and / or the at least one coil is assigned an electrical insulation device to the at least one wall. By way of example, the at least one wall is made of an oxide-ceramic material which has electrically insulating properties. In principle, it is also possible to produce the at least one wall, for example, from a C / C material, if sufficient electrical insulation is provided in order to avoid a short circuit, in particular when the superconducting energy collapses.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Spule in die mindestens eine Wandung eingebettet ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein kompaktes System erreichen.It is particularly advantageous if the at least one coil is embedded in the at least one wall. This makes it easy to achieve a compact system.

Es ist dann insbesondere günstig, wenn die mindestens eine Spule in der mindestens einen Wandung zwischen Gewebelagen der mindestens einen Wandung liegt. Dadurch lässt sich die Wandung mit integrierter mindestens einer Spule auf einfache Weise herstellen. Insbesondere wenn für die Wandung ein keramisches Material und für die mindestens eine Spule ein keramisches Material verwendet wird, lassen sich die ähnlichen Herstellungsschritte zu einer integralen Herstellung nutzen.It is particularly favorable if the at least one coil is located in the at least one wall between layers of fabric of the at least one wall. As a result, the wall with integrated at least one coil can be produced in a simple manner. In particular, if a ceramic material is used for the wall and a ceramic material is used for the at least one coil, the similar production steps can be used for an integral production.

Erfindungsgemäß wird Fluid sowohl zur Kühlung der mindestens einen Wandung und/oder Ausbildung eines Schutzfilms an der mindestens einen Wandung als auch zur Kühlung des supraleitenden Materials unter die Sprungtemperatur eingesetzt. Das Fluid ist dann ein entsprechendes Kühlfluid.According to the invention, fluid is used both for cooling the at least one wall and / or forming a protective film on the at least one wall and for cooling the superconducting material below the transition temperature. The fluid is then a corresponding cooling fluid.

Günstig ist es dann, wenn das Fluid auch als Treibstoff eingesetzt ist. Wenn das gekühlte System beispielsweise eine Schubkammer umfasst und die Wandung eine Wandung dieser Schubkammer ist, dann erfolgt durch das Kühlfluid keine Verunreinigung in der Schubkammer, wenn der zum Betrieb der Schubkammer verwendete Treibstoff auch als Kühlfluid verwendet ist. In diesem Falle wird das Fluid für die Transpirationskühlung bzw. Effusionskühlung (das heißt zur Wandkühlung bzw. Ausbildung eines Schutzfilms) zur Kühlung des Supraleiters unter die Sprungtemperatur und als Treibstoff verwendet.It is favorable if the fluid is also used as fuel. For example, if the refrigerated system includes a thrust chamber and the wall is a wall of that thrust chamber, then there is no contamination in the thrust chamber by the cooling fluid when the fuel used to operate the thrust chamber is also used as the cooling fluid. In this case, the fluid for the transpiration cooling or effusion cooling (ie for wall cooling or formation of a protective film) for cooling the superconductor is used below the transition temperature and as fuel.

Bei einer Ausführungsform bildet die mindestens eine Wandung eine Kammer und begrenzt einen Hohlraum oder eine Ausnehmung. Beispielsweise bildet die mindestens eine Wandung eine Schubkammer, welche einen Schubraum begrenzt. Es ist beispielsweise auch möglich, dass die mindestens eine Wandung einen Wiedereintrittskörper bildet und dabei einen Innenraum begrenzt.In one embodiment, the at least one wall forms a chamber and defines a cavity or a recess. For example, the at least one wall forms a thrust chamber which limits a thrust chamber. It is also possible, for example, that the at least one wall forms a reentrant body and thereby limits an interior space.

Insbesondere ist ein Fluid zur Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung in den Hohlraum oder in die Ausnehmung eingekoppelt. Bei einer Schubkammer wird beispielsweise Treibstoff über die mindestens eine poröse Wandung in einen Schubraum als Hohlraum eingekoppelt. Bei einem Wiedereintrittskörper wird beispielsweise ein Fluid in den Hohlraum bzw. die Ausnehmung eingekoppelt, damit dieses durch die Wandung in einen Außenraum treten kann, um insbesondere einen Film an einer Außenseite des Wiedereintrittskörpers zu erzeugen.In particular, a fluid for transpiration cooling and / or effusion cooling is coupled into the cavity or into the recess. In a thrust chamber, for example, fuel is coupled via the at least one porous wall into a thrust chamber as a cavity. In a reentrant body, for example, a fluid is coupled into the cavity or the recess so that this can pass through the wall in an outer space, in particular to produce a film on an outer side of the reentrant body.

Bei einer Ausführungsform weist die Kammer eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung außerhalb von Poren der mindestens einen porösen Wandung auf. Dadurch lässt sich eine Hauptströmung eines Treibstoffs beispielsweise durch eine Schubkammer durchführen.In one embodiment, the chamber has an inlet opening and an outlet opening outside pores of the at least one porous wall. As a result, a main flow of a fuel can be performed, for example, by a thrust chamber.

Bei einer anderen Ausführungsform weist die Kammer eine Einlassöffnung und keine Auslassöffnung außerhalb von Poren der mindestens einen porösen Wandung auf. Eine solche Kammer wird beispielsweise im Zusammenhang mit einem Wiedereintrittskörper eingesetzt. Die Einlassöffnung dient allein dazu, der mindestens einen Wandung Fluid für die Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung bereitzustellen.In another embodiment, the chamber has an inlet opening and no outlet opening outside pores of the at least one porous wall. Such a chamber is used, for example, in connection with a reentrant body. The inlet opening serves solely to provide fluid for the transpiration cooling and / or effusion cooling to the at least one wall.

Erfindungsgemäß wird eine Antriebsvorrichtung für einen Flugkörper bereitgestellt, welche mindestens eine Brennkammer und/oder Schubkammer umfasst, wobei ein erfindungsgemäßes gekühltes System verwendet wird.According to the invention, a propulsion device for a missile is provided which comprises at least one combustion chamber and / or thrust chamber, wherein a cooled system according to the invention is used.

Unter Flugkörper wird hier allgemein ein Luftfahrzeug oder Raumfahrzeug verstanden.A missile is generally understood to mean an aircraft or spacecraft.

Auch ein Wiedereintrittskörper lässt sich mit einem erfindungsgemäßen gekühlten System versehen.A reentrant body can also be provided with a cooled system according to the invention.

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines mit einer Heißgasströmung belasteten Systems, bei dem eine effektive Heißgasführung mit minimaler Wandbelastung erreicht ist, ist in der mindestens einen Wandung mindestens eine Spule aus einem supraleitenden Material angeordnet ist und die Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung kühlt die mindestens eine Spule unter die Sprungtemperatur, und durch die mindestens eine Spule wird ein magnetisches Feld erzeugt, welches auf eine ionisierte Heißgasströmung wirkt und Ionen umlenkt und/oder beschleunigt.In a method for operating a system loaded with a hot gas flow, in which an effective hot gas guide is achieved with minimal wall load, at least one coil of a superconducting material is arranged in the at least one wall and the transpiration cooling and / or effusion cooling cools the at least one coil below the transition temperature, and by the at least one coil, a magnetic field is generated which acts on an ionized hot gas flow and deflects ions and / or accelerated.

Günstig ist es, wenn ein Kühlfluid für die Transpirationskühlung und die Kühlung des supraleitenden Materials auch als Treibstoff verwendet wird. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Transpirationskühlung bzw. Effusionskühlung mit gleichzeitiger Kühlung des Supraleiters unter die Sprungtemperatur erreichen, wobei an der mindestens einen Wandung ein Schutzfilm ausbildbar ist, und wobei das Kühlfluid als Treibstoff beispielsweise in einer Schubkammer verwendbar ist.It is advantageous if a cooling fluid for the transpiration cooling and the cooling of the superconducting material is also used as fuel. As a result, a transpiration cooling or effusion cooling with simultaneous cooling of the superconductor can be achieved below the critical temperature in a simple manner, wherein a protective film can be formed on the at least one wall, and wherein the cooling fluid can be used as fuel in a thrust chamber, for example.

Das Verfahren lässt sich insbesondere mittels des erfindungsgemäßen gekühlten Systems durchführen.The method can be carried out in particular by means of the cooled system according to the invention.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Herstellungsverfahren bereitzustellen, mit dem sich auf einfache Weise ein gekühltes System realisieren lässt.The invention is further based on the object to provide an aforementioned production method with which can be realized in a simple manner, a cooled system.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Herstellungsverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mindestens eine Wandung über einen Vorkörper hergestellt wird, wobei der Vorkörper Gewebelagen umfasst, welche mit Harz infiltriert sind oder werden, wobei bei der Vorkörperherstellung mindestens ein spiralförmiges Leitergehäuse zwischen Gewebelagen eingelegt wird.This object is achieved according to the invention in the production method mentioned above, wherein the at least one wall is fabric layers, which are or are infiltrated with resin, wherein at least one spiral conductor housing is inserted between layers of fabric in the preform manufacture.

Es lässt sich dadurch ein Vorkörper herstellen, welcher eine poröse Wandung bildet oder zur Herstellung einer porösen Wandung eingesetzt werden kann, in welchem mindestens eine Spule bzw. ein Teil davon integriert ist.It can thereby produce a preform, which forms a porous wall or can be used to produce a porous wall, in which at least one coil or a part thereof is integrated.

Beispielsweise wird der Vorkörper nach dessen Herstellung (mit integriertem mindestens einen spiralförmigen Leitergehäuse) anschließend pyrolisiert.For example, the preform is subsequently pyrolyzed after its production (with integrated at least one spiral-shaped conductor housing).

Wenn die poröse Wandung aus einem keramischen Material hergestellt ist und die mindestens eine Spule aus einem keramischen Material hergestellt ist, dann lassen sich die ähnlichen Herstellungsschritte dazu nutzen, die mindestens eine Spule in die mindestens eine Wandung zu integrieren.If the porous wall is made of a ceramic material and the at least one coil is made of a ceramic material, then the similar manufacturing steps can be used to integrate the at least one coil in the at least one wall.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments is used in conjunction with the drawings for further explanation of the invention. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Antriebsvorrichtung für einen Flugkörper; 1 a schematic representation of an embodiment of a drive device for a missile;

2 eine Teildarstellung einer Wandung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen gekühlten Systems; 2 a partial view of a wall of an embodiment of a cooled system according to the invention;

3 eine Variante der Wandung gemäß 2 mit einem Teilbereich, in welchem eine weitere Beschleunigung von Ionen möglich ist; und 3 a variant of the wall according to 2 with a partial area in which a further acceleration of ions is possible; and

4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines gekühlten Systems, welches an einem Wiedereintrittskörper realisiert ist. 4 a schematic representation of another embodiment of a cooled system, which is realized on a reentrant body.

Ein Ausführungsbeispiel einer Antriebsvorrichtung eines Flugkörpers (insbesondere einer Rakete), welches in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Schubkammer 12. Diese Schubkammer 12 erstreckt sich in einer axialen Richtung 14. Ein Schubraum 16 der Schubkammer 12 ist insbesondere rotationssymmetrisch zu der axialen Richtung 14 ausgebildet. Es sind auch andere Geometrien wie beispielsweise eine Quaderausbildung mit rechteckförmiger Kontur möglich.An embodiment of a drive device of a missile (in particular a Rocket), which is in 1 shown schematically and there with 10 is designated, comprises a thrust chamber 12 , This thrust chamber 12 extends in an axial direction 14 , A thrust room 16 the thrust chamber 12 is in particular rotationally symmetrical to the axial direction 14 educated. There are also other geometries such as a cuboid formation with a rectangular contour possible.

Die Schubkammer weist eine Wandung 18 auf, welche umlaufend ausgebildet ist und den Schubraum 16 begrenzt.The push chamber has a wall 18 on which is formed circumferentially and the thrust room 16 limited.

Die Schubkammer 12 hat eine Einlassöffnung 20. Sie weist einen ersten Bereich 22 auf, an welchem die Einlassöffnung 20 sitzt, wobei in der axialen Richtung 14 von der Einlassöffnung 20 weg der Schubraum 16 sich in einem ersten Bereich 22 verjüngt.The thrust chamber 12 has an inlet opening 20 , It has a first area 22 on which the inlet opening 20 sits, being in the axial direction 14 from the inlet opening 20 away the thrust room 16 in a first area 22 rejuvenated.

An den ersten Bereich 22 schließt sich in der axialen Richtung 14 ein zweiter Bereich 24 an. In diesem zweiten Bereich 24 ist der Schubraum zylindrisch ausgebildet. Es sind auch andere Geometrien wie beispielsweise eine Quaderausbildung mit rechteckförmiger Kontur möglich.At the first area 22 closes in the axial direction 14 a second area 24 at. In this second area 24 the pusher space is cylindrical. There are also other geometries such as a cuboid formation with a rectangular contour possible.

An den zweiten Bereich 24 schließt sich in der axialen Richtung 14 ein dritter Bereich 26 an. Der Schubraum erweitert sich in diesem dritten Bereich 26 von dem zweiten Bereich 24 weg.To the second area 24 closes in the axial direction 14 a third area 26 at. The thrust room expands in this third area 26 from the second area 24 path.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass an den dritten Bereich 26 sich ein vierter Bereich 28 anschließt. Dieser ist insbesondere als Düsenerweiterung ausgebildet.It can also be provided that to the third area 26 a fourth area 28 followed. This is designed in particular as a nozzle extension.

Die Wandung 18 der Schubkammer 12 umfasst eine als Ganzes mit 30 bezeichnete Kühleinrichtung, durch welche die Wandung 18 kühlbar ist. Die Kühlung erfolgt dabei durch Transpirationskühlung (Schwitzkühlung mit Phasenübergang) oder Effusionskühlung (Schwitzkühlung ohne Phasenübergang).The wall 18 the thrust chamber 12 includes one as a whole 30 designated cooling device through which the wall 18 is coolable. The cooling takes place by transpiration cooling (sweat cooling with phase transition) or effusion cooling (sweat cooling without phase transition).

Die Wandung 18 ist porös ausgebildet. Sie weist eine erste Seite 32 auf, welche an einer Außenseite der Schubkammer 12 liegt, und weist eine zweite Seite 34 auf, welche direkt den Schubraum 16 begrenzt. Die zweite Seite 34 ist direkt mit einer Heißgasströmung belastet.The wall 18 is porous. She has a first page 32 on which on an outside of the thrust chamber 12 lies, and has a second page 34 on which directly the thrust room 16 limited. The second page 34 is directly loaded with a hot gas flow.

Bei der Transpirationskühlung und entsprechend der Effusionskühlung wird der ersten Seite 32 ein Fluid und insbesondere Treibstoff zugeführt. Dieses durchströmt in einer Durchtrittsrichtung 36, welche zwischen der ersten Seite 32 und der zweiten Seite 34 liegt, die Wandung 18 und strömt in den Schubraum 16 ein. Bei der Transpirationskühlung wird dabei ein gasförmiges Fluid durch die Wandung 18 geführt. Es bildet sich an der zweiten Seite 34 ein (Flüssig-)Film 38. Es erfolgt dabei eine Kühlung der Wandung 18 und durch die Filmbildung an der zweiten Seite 34 wird ein direkter Kontakt der Heißgasströmung mit der Wandung 18 vermieden.During the transpiration cooling and according to the effusion cooling becomes the first page 32 a fluid and in particular supplied fuel. This flows through in a direction of passage 36 which is between the first page 32 and the second page 34 lies, the wall 18 and flows into the thrust room 16 one. During transpiration cooling, a gaseous fluid is passed through the wall 18 guided. It forms on the second side 34 a (liquid) film 38 , There is a cooling of the wall 18 and by the film formation on the second side 34 becomes a direct contact of the hot gas flow with the wall 18 avoided.

Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Antriebsvorrichtung 10 (mindestens) einen Tank 40 für Treibstoff. Diesem Tank 40 ist eine Mischungseinrichtung 42 nachgeschaltet. Ein Ausgang 44 des Tanks 40 ist fluidwirksam mit einem Eingang 46 der Mischungseinrichtung 42 verbunden.In one embodiment, the drive device comprises 10 (at least) one tank 40 for fuel. This tank 40 is a mixing device 42 downstream. An exit 44 of the tank 40 is fluid effective with an input 46 the mixing device 42 connected.

In den Tank 40 ist insbesondere flüssiger Treibstoff wie Wasserstoff gespeichert. Eine typische Speichertemperatur ist 20 K.In the tank 40 In particular, liquid fuel such as hydrogen is stored. A typical storage temperature is 20K.

Dem Tank 40 ist ein Sperrventil 48 zugeordnet.The tank 40 is a check valve 48 assigned.

Ein Ausgang 50 der Mischungseinrichtung 42 ist fluidwirksam mit einer Pumpe 52 verbunden. Durch die Pumpe 52 wird Treibstoff über eine oder mehrere Leitungen 54 der Einlassöffnung 20 zugeführt. Es lässt sich dadurch Treibstoff in den Schubraum 16 einkoppeln.An exit 50 the mixing device 42 is fluid effective with a pump 52 connected. Through the pump 52 will fuel over one or more lines 54 the inlet opening 20 fed. It can thereby fuel in the pusher chamber 16 inject.

In der Leitung 54 kann ein Sperrventil/Drosselventil 56 angeordnet sein.In the line 54 may be a check valve / throttle valve 56 be arranged.

An der Leitung 54 ist ferner eine Abzweigungseinrichtung 58 angeordnet. Durch diese wird Treibstoff abgezweigt und der ersten Seite 32 der Wandung 18 zugeführt, beispielsweise über eine oder mehrere Leitungen 60. Der Treibstoff wird dabei entsprechend über einen Verteiler an der ersten Seite 32 verteilt, sodass großflächig Treibstoff in der Durchtrittsrichtung 36 durch die Wandung 18 in den Schubraum 16 treten kann.On the line 54 is also a branching device 58 arranged. Through this fuel is diverted and the first page 32 the wall 18 fed, for example via one or more lines 60 , The fuel is doing accordingly via a distributor on the first page 32 distributed so that fuel over a large area in the passage direction 36 through the wall 18 in the thrust room 16 can occur.

Bei einem Ausführungsbeispiel sind in dem Schubraum 16 insbesondere in dem ersten Bereich 22 ein oder mehrere Brennstäbe und insbesondere nukleare Brennstäbe 62 angeordnet. Ein solcher Brennstab 62 heizt den Treibstoff ohne Verbrennung auf. Es muss dann kein Oxidator mitgeführt werden und die Molmasse der Reaktionsprodukte wird auch nicht durch reagierenden Oxidator erhöht.In one embodiment, in the pusher room 16 especially in the first area 22 one or more fuel rods and in particular nuclear fuel rods 62 arranged. Such a fuel rod 62 heats up the fuel without combustion. It must then be carried no oxidizer and the molecular weight of the reaction products is not increased by reacting oxidizer.

Der heiße, durch den oder die Brennstäbe 62 aufgeheizte Treibstoff bildet in dem Schubraum 16 eine Heißgasströmung aus, welche die Wandung 18 belastet.The hot, by the one or more fuel rods 62 heated fuel forms in the pusher chamber 16 a hot gas flow from which the wall 18 loaded.

Durch Transpirationskühlung (und/oder Effusionskühlung) mit der Kühleinrichtung 30 lässt sich die Wandung 18 kühlen.By transpiration cooling (and / or effusion cooling) with the cooling device 30 lets go the wall 18 cool.

Durch eine oder mehrere Öffnungen in der Wandung 18 kann Heißgas entnommen werden (sogenanntes Tap-Off). Dieses Heißgas kann in einer Mischungseinrichtung 64 mit kaltem Treibstoff aus der Leitung 54 vermischt werden. Der kalte Treibstoff ist dabei über ein Drosselventil 72 geführt. Über das Drosselventil 72 lassen sich Massenstrom und Temperatur der Mischungseinrichtung 64 steuern und/oder regeln. Der entsprechende Fluidstrom lässt sich dann beispielsweise auf eine zulässige Betriebstemperatur einer Turbine 66 abkühlen. Er wird der Turbine 66 zugeführt und treibt diese an.Through one or more openings in the wall 18 hot gas can be removed ( so-called tap-off). This hot gas can be used in a mixing device 64 with cold fuel from the pipe 54 be mixed. The cold fuel is via a throttle valve 72 guided. About the throttle valve 72 can be mass flow and temperature of the mixing device 64 control and / or regulate. The corresponding fluid flow can then be, for example, to a permissible operating temperature of a turbine 66 cooling down. He becomes the turbine 66 fed and drives this.

Die Turbine 66 kann dabei wiederum die Pumpe 52 und/oder den elektrischen Generator 68 antreiben. Von der Turbine 66 kommendes ”abgekühltes” Heißgas wird an den Eingang 70 der Mischungseinrichtung 42 geleitet.The turbine 66 can turn the pump 52 and / or the electric generator 68 drive. From the turbine 66 Coming "cooled" hot gas is sent to the entrance 70 the mixing device 42 directed.

In die Wandung 18 ist (mindestens) in einem oder mehreren Teilbereichen (mindestens) eine magnetfelderzeugende Spule 74 eingebettet. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in dem zweiten Bereich 24, dem dritten Bereich 26 und dem vierten Bereich 28 jeweils eine oder mehrere Spulen 74 eingebettet.In the wall 18 is (at least) in one or more subregions (at least) a magnetic field generating coil 74 embedded. At the in 1 shown embodiment are in the second area 24 the third area 26 and the fourth area 28 one or more coils each 74 embedded.

Die Spule oder Spulen 74 erzeugen ein magnetisches Feld, welches auf Ionen in der Heißgasströmung in dem Schubraum 16 wirkt. Das magnetische Feld wird durch entsprechende Spulenanordnung bzw. -ausbildung und Ansteuerung dabei so gewählt, dass die Ionen und damit auch mindestens ein Teil der Heißgasströmung umgelenkt wird und an der zweiten Seite 34 der Wandung 18 vorbeigeführt wird. Es wird eine magnetische Düse gebildet, welche auf das Heißgas wirkt und einen direkten Kontakt der Wandung 18 mit dem Heißgas vermeidet.The coil or coils 74 generate a magnetic field which is due to ions in the hot gas flow in the pusher chamber 16 acts. The magnetic field is selected by appropriate coil arrangement or formation and control in such a way that the ions and thus at least a portion of the hot gas flow is deflected and on the second side 34 the wall 18 is passed. It is formed a magnetic nozzle, which acts on the hot gas and a direct contact of the wall 18 avoids with the hot gas.

Da das Heißgas eine Temperatur von mehreren 1000 K aufweist, ist es zu einem erheblichen Teil ionisiert. Das Magnetfeld der mindestens einen Spule 74 wird so stark gewählt und mit einem solchen Feldlinienverlauf gewählt, dass insbesondere die Heißgasströmungen in Form einer konvergent-divergenten Lavaldüse gelenkt wird, ohne dass eine solche Lavaldüse als ”Hardware” vorhanden sein muss. Durch Einstellung der Feldstärke des Magnetfelds lässt sich insbesondere ein Halsquerschnitt und damit auch ein Schub während des Betriebs steuern bzw. regeln. Es ist entsprechend eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 76 vorgesehen, durch welche die magnetische Düse über Strombeaufschlagung der Spulen 74 gesteuert bzw. geregelt bzw. eingestellt wird.Since the hot gas has a temperature of several 1000 K, it is ionized to a considerable extent. The magnetic field of the at least one coil 74 is selected so strong and chosen with such a field line course, that in particular the hot gas flows in the form of a convergent-divergent Laval nozzle is directed without such a Laval nozzle as "hardware" must be present. By adjusting the field strength of the magnetic field, it is possible in particular to control or regulate a neck cross-section and thus also a thrust during operation. It is accordingly a control / regulation device 76 provided by which the magnetic nozzle via current loading of the coils 74 is controlled or regulated or adjusted.

Die Spule oder Spulen 74 weisen eine Spulenachse auf, welche mindestens näherungsweise koaxial zu der axialen Richtung 14 ist.The coil or coils 74 have a coil axis which is at least approximately coaxial with the axial direction 14 is.

Die mindestens eine Spule 74 ist aus einem supraleitenden Material und insbesondere Hochtemperatur-Supraleiter-Material hergestellt. Das Material ist dabei so gewählt, dass in einem Arbeitspunkt oder in einem Arbeitspunktbereich der Kühleinrichtung 30 für die Kühlung der Wandung 18 die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials unterschritten wird, sodass die Spule 74 im supraleitenden Bereich betrieben wird.The at least one coil 74 is made of a superconductive material and in particular high-temperature superconductor material. The material is chosen so that in an operating point or in an operating point range of the cooling device 30 for cooling the wall 18 the transition temperature of the superconducting material is exceeded, so that the coil 74 is operated in the superconducting region.

Der Treibstoff, welcher für die Transpirationskühlung bzw. Effusionskühlung von der ersten Seite 32 zu der zweiten Seite 34 tritt, kühlt die Wandung 18 ab (die durch Strahlung aufgeheizt werden kann). Er bildet an der Innenseite der Wandung 18, das heißt an der zweiten Seite 34, welche den Schubraum 16 begrenzt, den Film 38 aus, welcher die Wandung 18 schützt. Die Spule oder Spulen 74 sind aus einem Hochtemperatursupraleiter hergestellt. Der durchtretende Treibstoff kühlt den in die Wandung 18 eingebetteten Supraleiter (insbesondere Hochtemperatursupraleiter) auf die unterhalb der Sprungtemperatur liegende Betriebstemperatur. Dadurch wiederum lässt sich ein starkes Magnetfeld zur Heißgasströmungsführung ausbilden.The fuel, which for the transpiration cooling or effusion cooling from the first page 32 to the second page 34 occurs, cools the wall 18 (which can be heated by radiation). It forms on the inside of the wall 18 that is on the second page 34 which the thrust room 16 limited, the movie 38 from which the wall 18 protects. The coil or coils 74 are made of a high temperature superconductor. The passing fuel cools the wall 18 embedded superconductors (in particular high-temperature superconductors) at the operating temperature below the critical temperature. This in turn allows a strong magnetic field to form the hot gas flow guide.

Dies ist in 2 nochmals veranschaulicht. Mit dem Pfeil 78 ist eine Hauptströmungsrichtung der Heißgasströmung angedeutet. Treibstoff tritt zur Transpirationskühlung von der ersten Seite 32 in der Durchtrittsrichtung 36 zu der zweiten Seite 34 durch die Wandung 18 und bildet an der zweiten Seite 34 den Film 38 an der Wandung 18 aus.This is in 2 illustrated again. With the arrow 78 is a main flow direction of the hot gas flow indicated. Fuel enters for transpiration cooling from the first page 32 in the direction of passage 36 to the second page 34 through the wall 18 and forms on the second page 34 the movie 38 on the wall 18 out.

Durch das Magnetfeld der Spule und Spulen 74 lässt sich ein mit dem Bezugszeichen 80 angedeuteter Verlauf bezüglich der Führung von Ionen erreichen, sodass eine magnetische Düse realisiert ist.Through the magnetic field of the coil and coils 74 can be with the reference number 80 reach indicated course with respect to the guidance of ions, so that a magnetic nozzle is realized.

Es ist dabei grundsätzlich auch möglich, dass eine oder mehrere Spulen 82 in einem Wandungsbereich 84 angeordnet sind und dabei so angeordnet und/oder so ausgestaltet bzw. angesteuert sind, dass Ionen in der Heißgasströmung beschleunigt werden und insbesondere induktiv beschleunigt werden (3). Ein solcher Wandungsbereich 84 liegt dabei vorteilhafterweise außerhalb der Schubkammer 12 und beispielsweise an einer Düsenerweiterung 28. Der Wandungsbereich 84 ist dann einem Wandungsbereich (insbesondere der Schubkammer 12) nachgeschaltet, an welchem eine magnetisch Düse ausgebildet ist.It is also possible in principle that one or more coils 82 in a wall area 84 are arranged and thereby arranged and / or configured or driven so that ions are accelerated in the hot gas flow and in particular are inductively accelerated ( 3 ). Such a wall area 84 is advantageously outside the thrust chamber 12 and for example on a nozzle extension 28 , The wall area 84 is then a wall area (in particular the thrust chamber 12 ) downstream, on which a magnetic nozzle is formed.

Die poröse Wandung 18 ist vorzugsweise aus einem keramischen Material und insbesondere faserkeramischen Material hergestellt. Ein mögliches Material ist beispielsweise C/C.The porous wall 18 is preferably made of a ceramic material and in particular fiber-ceramic material. One possible material is, for example, C / C.

Die Spule oder Spulen 74 müssen gegenüber der Wandung 18 isoliert sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Wandung 18 selber aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Dies lässt sich beispielsweise erreichen, wenn die Wandung 18 aus einem oxidkeramischen Material wie Aluminiumoxid hergestellt ist.The coil or coils 74 have to face the wall 18 be isolated. This can be achieved by using the wall 18 itself made of an electrically insulating material. This can be achieved, for example, if the wall 18 is made of an oxide ceramic material such as alumina.

Wenn die Wandung 18 aus einem Material hergestellt ist, welches eine gewisse elektrische Leitfähigkeit hat (beispielsweise aufgrund enthaltener Kohlenstofffasern), dann ist vorzugsweise eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen einer inneren Grenzfläche der Wandung 18 und der mindestens einen Spule 74 vorgesehen, um insbesondere beim Zusammenbruch der Supraleitung einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern.If the wall 18 is made of a material having a certain electrical conductivity (for example, due to carbon fibers contained), then it is preferable that a sufficient electrical insulation between an inner boundary surface of the wall 18 and the at least one coil 74 provided in order to prevent in particular the collapse of the superconductivity an electrical short circuit.

Das supraleitende Material der Spule oder Spulen 74 ist vorzugsweise ein keramisches Material und besonders bevorzugt ein poröses keramisches Material. Beispielsweise ist das dafür verwendete Material YBa2Cu3O7.The superconducting material of the coil or coils 74 is preferably a ceramic material and more preferably a porous ceramic material. For example, the material used for this purpose is YBa 2 Cu 3 O 7 .

Beispielsweise wird zur Herstellung der Schubkammer 12 zunächst ein Vorkörper hergestellt, welcher dann pyrolisiert wird. Der Vorkörper wird beispielsweise mittels Gewebelagen hergestellt, welche harzinfiltriert sind oder mit Harz infiltriert werden. Zwischen Gewebelagen werden dabei vor der Pyrolyse ein oder mehrere spiralförmige Leitergehäuse des Ausgangsmaterials zur Herstellung des Supraleiters angeordnet. Der Vorkörper wird durch Konsolidierung hergestellt. Beispielsweise erfolgt dies in einem Autoklavverfahren.For example, for the production of the thrust chamber 12 first a preform made, which is then pyrolyzed. The preform is produced for example by means of fabric layers which are resin-infiltrated or infiltrated with resin. Between fabric layers, one or more spiral-shaped conductor housings of the starting material for the production of the superconductor are arranged before the pyrolysis. The preform is made by consolidation. For example, this is done in an autoclave process.

Grundsätzlich können dabei die Temperaturen und Prozessdauern des Pyrolysevorgangs zur Herstellung des Materials für die poröse Wandung 18 ähnlich sein zu denen für die Herstellung des supraleitenden Materials.In principle, the temperatures and process times of the pyrolysis process for the production of the material for the porous wall 18 similar to those for the preparation of the superconducting material.

Aus fertig hergestellten Vorkörpern werden dann beispielsweise Segmente für eine Schubkammer oder dergleichen ausgeschnitten.For example, segments for a thrust chamber or the like are cut out of finished preforms.

Die Antriebsvorrichtung 10 umfasst mit der Schubkammer 12 ein aktiv gekühltes System 86. Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines (aktiv) gekühlten Systems 88, welches in 4 schematisch gezeigt ist, ist an einem Wiedereintrittskörper 90 realisiert. Der Wiedereintrittskörper 90 umfasst eine Wandung 92 mit einer ersten Seite 94 und einer zweiten Seite 96. Die zweite Seite 96 ist eine Außenseite und die erste Seite 94 ist eine Innenseite. (Bei der Schubkammer 12 ist die zweite Seite 34 eine Innenseite und die erste Seite 32 eine Außenseite.) Die Wandung 92 bildet ein Vorderteil (Vorderspitze) des Wiedereintrittskörpers 90.The drive device 10 includes with the thrust chamber 12 an actively cooled system 86 , Another embodiment of an (actively) cooled system 88 which is in 4 is shown schematically is at a reentrant body 90 realized. The reentry body 90 includes a wall 92 with a first page 94 and a second page 96 , The second page 96 is an outside and the first side 94 is an inside. (At the thrust chamber 12 is the second page 34 an inside and the first page 32 an outside.) The wall 92 forms a front part (front tip) of the reentry body 90 ,

Die zweite Seite 96 ist einer Heißgasströmung 98 ausgesetzt. Beim Wiedereintritt in die Atmosphäre (welche ionisiert ist) wirkt die Heißgasströmung 98 auf den Wiedereintrittskörper 90. Es können dabei Temperaturen in der Größenordnung von 10.000 K vorliegen.The second page 96 is a hot gas flow 98 exposed. Upon re-entry into the atmosphere (which is ionized), the hot gas flow acts 98 on the reentry body 90 , There may be temperatures of the order of 10,000 K in this case.

Die Wandung 92 ist so ausgebildet, dass sie einen Innenraum 100 umschließt. Sie ist beispielsweise kegelförmig ausgebildet.The wall 92 is designed to have an interior space 100 encloses. It is for example conical.

In der Wandung 92 ist (mindestens) eine Spule 102 aus einem supraleitenden Material angeordnet.In the wall 92 is (at least) a coil 102 arranged from a superconducting material.

Der ersten Seite 94 wird über den Innenraum 100 ein Fluid zur Transpirationskühlung bzw. Effusionskühlung zugeführt, welches dann von der ersten Seite 94 in einer Durchtrittsrichtung 104 an der zweiten Seite 96 austritt und dort einen Film 106 bildet. Dieser Film 106 schützt vor der Heißgasströmung 98.The first page 94 is about the interior 100 a fluid for transpiration cooling or effusion cooling supplied, which then from the first page 94 in a direction of passage 104 on the second page 96 exit and there a movie 106 forms. This movie 106 protects against the hot gas flow 98 ,

Die Spule oder Spulen 92 aus einem Hochtemperatursupraleiter erzeugen ein Magnetfeld 108, welches so ausgebildet ist, dass Ionen der Heißgasströmung an dem Wiedereintrittskörper 90 vorbeigelenkt werden.The coil or coils 92 from a high-temperature superconductor generate a magnetic field 108 , which is designed such that ions of the hot gas flow at the reentrant body 90 be steered past.

An dem Wiedereintrittskörper 90 ist über die poröse Wandung 92 mit integrierter Kühleinrichtung und der oder den supraleitenden Spulen 102 ein Thermalschutzsystem (TPS – Thermal Protection System) realisiert, über das sich der Wärmeeintrag der über die ionisierte Atmosphäre bewirkten Heißgasströmung 98 beim Wiedereintritt reduzieren lässt. Außerdem lassen sich die aerodynamischen Eigenschaften des Wiedereintrittskörpers 90 gezielt einstellen bzw. beeinflussen.At the reentry body 90 is over the porous wall 92 with integrated cooling device and the one or more superconducting coils 102 a thermal protection system (TPS) realized, on the heat input of the over the ionized atmosphere caused hot gas flow 98 Reduce when re-entering. In addition, the aerodynamic properties of the reentry body can be 90 selectively adjust or influence.

Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich im Zusammenhang mit Transpirationskühlung bzw. Effusionskühlung ein magnetfelderzeugendes System bereitstellen, welches starke Magnetfelder erzeugt. Es werden dabei supraleitende Spulen eingesetzt, welche beispielsweise aus einem supraleitenden Keramikmaterial hergestellt sind. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Einbettung von supraleitenden Spulenbahnen in eine keramische poröse Wandung erreichen und der Fertigungsaufwand lässt sich reduzieren. Der Supraleiter benötigt dabei keine separate Kühlung, sondern er wird über die in die Wandung integrierte Kühleinrichtung 30 unter die Sprungtemperatur gekühlt.By means of the solution according to the invention, in connection with transpiration cooling or effusion cooling, it is possible to provide a magnetic field generating system which generates strong magnetic fields. It superconducting coils are used, which are made for example of a superconducting ceramic material. As a result, embedding of superconducting coil tracks in a ceramic porous wall can be achieved in a simple manner and the manufacturing outlay can be reduced. The superconductor does not require separate cooling, but it is on the integrated cooling device in the wall 30 cooled below the transition temperature.

Man erhält dadurch eine konstruktive Vereinfachung bezüglich der Formgebung der Wandung, da das erzeugte Magnetfeld zur Strömungsführung beiträgt. So lässt sich beispielsweise eine geometrisch komplizierte Düsenkontur, welche sonst über die Wandung realisiert werden muss, durch die über die mindestens eine Spule realisierte magnetische Düse ersetzen.This gives a constructive simplification with regard to the shaping of the wall, since the magnetic field generated contributes to the flow guidance. Thus, for example, a geometrically complicated nozzle contour, which otherwise has to be realized via the wall, can be replaced by the magnetic nozzle realized via the at least one coil.

Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich beispielsweise für eine Antriebsvorrichtung eines Flugkörpers einsetzen. Beispielsweise lässt sich dadurch eine Antriebsvorrichtung für interplanetare Missionen oder für Explorationsmissionen im cis-Iunaren Raum realisieren.The solution according to the invention can be used, for example, for a drive device of a missile. For example, this can be used to implement a drive device for interplanetary missions or for exploration missions in the cis -unun space.

Weiterhin lässt sich dadurch beispielsweise ein Wiedereintrittskörper mit einem thermischen Schutzsystem realisieren.Furthermore, this can be used, for example, to realize a reentrant body with a thermal protection system.

Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich beispielsweise bei einer nuklearthermischen Antriebsvorrichtung realisieren oder auch bei anderen, nichtnuklearthermischen Antriebsvorrichtungen.The solution according to the invention can be realized, for example, in a nuclear-thermal drive device or in other non-heat-thermal drive devices.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Antriebsvorrichtungdriving device
1212
Schubkammerthrust chamber
1414
Axiale RichtungAxial direction
1616
Schubraumthrust space
1818
Wandungwall
2020
Einlassöffnunginlet port
2222
Erster BereichFirst area
2424
Zweiter BereichSecond area
2626
Dritter BereichThird area
2828
Vierter BereichFourth area
3030
Kühleinrichtungcooling device
3232
Erste SeiteFirst page
3434
Zweite SeiteSecond page
3636
DurchtrittsrichtungPassage direction
3838
FilmMovie
4040
Tanktank
4242
Mischungseinrichtungmixing device
4444
Ausgangoutput
4646
Eingangentrance
4848
Sperrventilcheck valve
5050
Ausgangoutput
5252
Pumpepump
5454
Leitungmanagement
5656
Sperrventil/DrosselventilShutoff valve / throttle valve
5858
Abzweigungseinrichtungbranching means
6060
Leitungmanagement
6262
Brennstäbefuel rods
6464
Mischungseinrichtungmixing device
6666
Turbineturbine
6868
Elektrischer GeneratorElectric generator
7070
Eingangentrance
7272
Drosselventilthrottle valve
7474
SpuleKitchen sink
7676
Steuerungs-/RegelungseinrichtungControl / regulating device
7878
HauptströmungsrichtungMain flow direction
8080
Verlaufcourse
8282
SpuleKitchen sink
8484
Wandungsbereichwall region
8686
Gekühltes SystemCooled system
8888
Gekühltes SystemCooled system
9090
WiedereintrittskörperRe-entry
9292
Wandungwall
9494
Erste SeiteFirst page
9696
Zweite SeiteSecond page
9898
HeißgasströmungHot gas flow
100100
Innenrauminner space
102102
SpuleKitchen sink
104104
DurchtrittsrichtungPassage direction
106106
FilmMovie
108108
Magnetfeldmagnetic field

Claims (20)

Gekühltes System, welches einer Heißgasströmung ausgesetzt ist, umfassend mindestens eine Wandung (18; 92) und eine Kühleinrichtung (30), welche mindestens teilweise in die Wandung (18; 92) integriert ist, wobei die mindestens eine Wandung (18; 92) durch Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung gekühlt ist, und in der mindestens einen Wandung (18; 92) mindestens eine magnetfelderzeugende Spule (74; 102) aus supraleitendem Material angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (18; 92) mindestens in einem Teilbereich aus einem porösen keramischen Material hergestellt ist, und dass die mindestens eine Spule (74; 102) aus einem porösen keramischen Material hergestellt ist.Cooled system exposed to hot gas flow comprising at least one wall ( 18 ; 92 ) and a cooling device ( 30 ), which at least partially into the wall ( 18 ; 92 ), wherein the at least one wall ( 18 ; 92 ) is cooled by transpiration cooling and / or effusion cooling, and in the at least one wall ( 18 ; 92 ) at least one magnetic field generating coil ( 74 ; 102 ) is arranged from superconducting material, characterized in that the at least one wall ( 18 ; 92 ) is produced at least in a partial region from a porous ceramic material, and that the at least one coil ( 74 ; 102 ) is made of a porous ceramic material. Gekühltes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die mindestens eine Spule (74; 102) so gewählt ist, dass in einem Arbeitspunkt oder in einem Arbeitspunktbereich der Kühleinrichtung (30) die Temperatur an der mindestens einen Spule (74; 102) unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials liegt.Cooled system according to claim 1, characterized in that the material for the at least one coil ( 74 ; 102 ) is selected such that at an operating point or in an operating point range of the cooling device ( 30 ) the temperature at the at least one coil ( 74 ; 102 ) is below the transition temperature of the superconducting material. Gekühltes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (18; 92) mit der mindestens einen Spule (74; 102) mindestens im Teilbereich als Umlenkungseinrichtung und/oder magnetische Düse für eine ionisierte Heißgasströmung ausgebildet ist.Cooled system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one wall ( 18 ; 92 ) with the at least one coil ( 74 ; 102 ) is formed at least in the partial area as a deflection device and / or magnetic nozzle for an ionized hot gas flow. Gekühltes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (18; 92) mit der mindestens einen Spule (74; 102) mindestens in einem Teilbereich als Beschleunigungseinrichtung für Ionen in der Heißgasströmung ausgebildet ist.Cooled system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one wall ( 18 ; 92 ) with the at least one coil ( 74 ; 102 ) is formed at least in a partial region as an accelerating device for ions in the hot gas flow. Gekühltes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchtrittsrichtung (36; 104) für Fluid an der mindestens einen Wandung (18; 92) zur Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung von einer ersten Seite (32; 94) zu einer zweiten Seite (34; 96) der mindestens einen Wandung (18; 92) führt, wobei die zweite Seite (32; 94) durch die Heißgasströmung direkt belastet ist.Cooled system according to one of the preceding claims, characterized in that a passage direction ( 36 ; 104 ) for fluid at the at least one wall ( 18 ; 92 ) for transpiration cooling and / or effusion cooling from a first side ( 32 ; 94 ) to a second page ( 34 ; 96 ) of the at least one wall ( 18 ; 92 ), the second page ( 32 ; 94 ) is directly loaded by the hot gas flow. Gekühltes System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Seite (34; 96) der mindestens einen Wandung (18; 92) eine Filmbildung des Fluids erfolgt. Cooled system according to claim 5, characterized in that on the second side ( 34 ; 96 ) of the at least one wall ( 18 ; 92 ) a film formation of the fluid takes place. Gekühltes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (18; 92) in dem mindestens einen Teilbereich aus einem faserkeramischen Material hergestellt ist.Cooled system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one wall ( 18 ; 92 ) is made in the at least one portion of a fiber-ceramic material. Gekühltes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (18; 92) in dem mindestens einen Teilbereich aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und/oder der mindestens einen Spule (74; 102) eine elektrische Isoliereinrichtung zu der mindestens einen Wandung (18; 92) zugeordnet ist.Cooled system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one wall ( 18 ; 92 ) in which at least a portion of an electrically insulating material is made and / or the at least one coil ( 74 ; 102 ) an electrical insulation device to the at least one wall ( 18 ; 92 ) assigned. Gekühltes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Spule (74; 102) in die mindestens eine Wandung (18; 92) eingebettet ist.Cooled system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one coil ( 74 ; 102 ) into the at least one wall ( 18 ; 92 ) is embedded. Gekühltes System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Spule (74; 102) in der mindestens einen Wandung zwischen Gewebelagen der mindestens einen Wandung (18; 92) liegt.Cooled system according to claim 9, characterized in that the at least one coil ( 74 ; 102 ) in the at least one wall between fabric layers of the at least one wall ( 18 ; 92 ) lies. Gekühltes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fluid sowohl zur Kühlung der mindestens einen Wandung (18; 92) und/oder Ausbildung eines Schutzfilms an der mindestens einen Wandung (18; 92) als auch zur Kühlung des supraleitenden Materials eingesetzt ist.Cooled system according to one of the preceding claims, characterized in that fluid for cooling both the at least one wall ( 18 ; 92 ) and / or forming a protective film on the at least one wall ( 18 ; 92 ) as well as for cooling the superconducting material is used. Gekühltes System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid auch als Treibstoff eingesetzt ist.Cooled system according to claim 11, characterized in that the fluid is also used as fuel. Gekühltes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (18; 92) eine Kammer (12) bildet und einen Hohlraum (16; 100) oder eine Ausnehmung begrenzt.Cooled system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one wall ( 18 ; 92 ) a chamber ( 12 ) and a cavity ( 16 ; 100 ) or a recess limited. Gekühltes System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluid zur Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung in den Hohlraum (16; 100) oder in die Ausnehmung eingekoppelt ist.Cooled system according to claim 13, characterized in that a fluid for transpiration cooling and / or effusion cooling into the cavity ( 16 ; 100 ) or is coupled into the recess. Gekühltes System nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (12) aus Segmenten zusammengesetzt ist.Cooled system according to claim 13 or 14, characterized in that the chamber ( 12 ) is composed of segments. Gekühltes System nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (12) eine Einlassöffnung (20) und eine Auslassöffnung außerhalb von Poren der mindestens einen porösen Wandung (18) aufweist.Cooled system according to one of claims 13 to 15, characterized in that the chamber ( 12 ) an inlet opening ( 20 ) and an outlet opening outside of pores of the at least one porous wall ( 18 ) having. Gekühltes System nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer eine Einlassöffnung und keine Auslassöffnung außerhalb von Poren der mindestens einen porösen Wandung (92) aufweist.Cooled system according to one of claims 13 to 15, characterized in that the chamber has an inlet opening and no outlet opening outside of pores of the at least one porous wall ( 92 ) having. Antriebsvorrichtung für einen Flugkörper, welche mindestens eine Schubkammer und/oder Schubkammer (12) umfasst, welche als gekühltes System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet ist.Propulsion device for a missile, which has at least one thrust chamber and / or thrust chamber ( 12 ), which is designed as a cooled system according to one of claims 1 to 16. Wiedereintrittskörper, welcher ein gekühltes System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 17 umfasst.Reentry body comprising a refrigerated system according to any one of claims 1 to 15 or 17. Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die mindestens eine Wandung über einen Vorkörper hergestellt wird, wobei der Vorkörper Gewebelagen umfasst, welche mit Harz infiltriert sind oder werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorkörperherstellung mindestens ein spiralförmiges Leitergehäuse zwischen Gewebelagen eingelegt wird.A method of manufacturing a refrigerated system according to any one of claims 1 to 17, wherein the at least one wall is made via a preform, the preform comprising layers of fabric infiltrated or infiltrated with resin, characterized in that at least one spiral Conductor housing is inserted between fabric layers.
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