Die Erfindung betrifft einen Treibstofftank,
insbesondere zur Lagerung aggressiver Flüssigkeiten zum
Betrieb von Raumflugkörpern, mit einem als Fördermedium
dienenden Treibgas sowie mit wenigstens einer
Treibstoffentnahmevorrichtung, die in Form eines
befüllbaren Reservoirs am Boden des Treibstofftanks
angeordnet und über Förderleitungen mit dem Inneren des
Treibstofftanks verbunden ist und bei der mittels
Sieben und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung
eine Separation des Treibstoffes vom Treibgas
herbeigeführt wird.
Bei Raumflugkörpern, wie Satelliten oder
Orbitalstationen, werden sowohl für die Triebwerke, die
der Lageregelung im All dienen, als auch für Triebwerke
zur Durchführung des Apogäummanövers überwiegend
flüssige Treibstoffe verwendet, die in hierfür
geeigneten Behältern mitgeführt und die aus diesen in
der Regel unter Verwendung eines Treibgases in die
Brenn- bzw. Reaktionskammern der entsprechenden
Triebwerke gefördert werden. Als Treibgase werden
üblicherweise Inertgase wie Helium (He) oder Stickstoff
(N2) eingesetzt, die unter Druck in den
Treibstoffbehälter gepreßt werden und die dadurch den
Treibstoff in das zum jeweiligen Triebwerk führende
Rohrleitungssystem pressen. Wichtig ist dabei eine
vollständige und sichere Trennung zwischen dem als
Fördermedium dienenden Treibgas und dem in das
Triebwerk gelangenden Treibstoff, da letzterer
unbedingt frei von Fremdgaseinlagerungen sein muß.
Eine solche blasenfreie Treibstofförderung kann
beispielsweise dadurch erreicht werden, daß das Treib-
oder Fördergas einerseits und der zu fördernde
Treibstoff andererseits durch eine Kunststoffmembran
voneinander getrennt werden. Dies ist allerdings immer
dann problematisch, wenn der Treibstoff chemisch
aggressive Komponenten enthält, die insbesondere bei
Langzeitmissionen zu einer Beschädigung oder Zerstörung
der Trennmembran führen können. Letzteres gilt
insbesondere für Zweikomponententreibstoffe, die aus
einer Brennstoffkomponente und einem dem Triebwerk
separat zugeführten Oxidator bestehen und die sich
wegen ihrer vergleichsweise höheren Energiedichte vor
allem für Langzeitmissionen eignen.
Da das als Oxidator für diesen Zweck vielfach ver
wendete Stickstofftetroxid (N2O4), auch als MON be
zeichnet, außerordentlich aggressiv ist und den Einsatz
von Kunststoffmembranen praktisch unmöglich macht,
wurde in der DE 31 46 262 C2 ein Treibstofftank
vorgeschlagen, bei dem anstelle einer mechanischen
Trennung von Treibgas und Treibstoff die
Oberflächenspannung von Flüssigkeiten, die im nahezu
schwerefreien Raum beträchtliche Bedeutung hat, zur
Trennung der beiden Phasen ausgenutzt wird. Dieser
bekannte Treibstofftank kann sowohl den Treibstoff für
das V-Manöver als auch den Treibstoff für den Betrieb
im Orbit, also insbesondere für die Lageregelung,
aufnehmen. Er ist auch geeignet, die beiden Komponenten
eines Zweikomponententreibstoffes in getrennten
Kompartments aufzunehmen.
Daneben ist aus der DE 196 23 017 C1 ein Treibstofftank
für Anwendungen in der Raumfahrttechnik
bekanntgeworden, bei dem in einer toroidförmigen
Anordnung mehrere Teilräume über gemeinsame Leitungen
für ein als Austreibgas dienendes Druckfluid sowie über
gemeinsame Entnahmeleitungen miteinander verbunden sind
und bei dem ebenfalls die Oberflächenspannung zur
Trennung der beiden Phasen genutzt wird.
Schließlich ist aus der US 4,399,831 ein Treibstofftank
gemäß dem Oberbegriff bekannt geworden, bei dem eine
Treibstoffentnahmevorrichtung in Form eines befüllbaren
Reservoirs am Boden angeordnet und über Förderleitungen
mit seinem Inneren verbunden ist und bei dem die
Separation des Treibstoffes vom Treibgas gleichfalls
mittels Sieben und unter Ausnutzung der
Oberflächenspannung erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen
Treibstofftank so auszubilden, daß er durch eine
optimale Ausnutzung des auf der Oberflächenspannung von
Flüssigkeiten beruhenden Prinzips der Separation des
Treibstoffes vom Treibgas eine wiederholte Entleerung
und Befüllung der in diesem Tank vorgesehenen
Entnahmevorrichtung ermöglicht und dabei die
störungsfreie Entnahme unterschiedlicher Treibstoffe
bzw. Treibstoffkomponenten, insbesondere auch von
flüssigem Wasserstoff, gewährleistet.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen
Treibstofftank, bei dem die Entnahmevorrichtung aus
Rohrleitungen besteht, an deren Enden Adapter
angeordnet sind, wobei die Rohrleitungen auf einer
Basisplatte und durch eine Abdeckung mit einer
zentralen Öffnung vom Tankraum getrennt angeordnet und
sowohl miteinander als auch mit einem zentralen
Sammelbehälter mit einem zu den Triebwerken führenden
Auslaß verbunden sind. Die Ausgestaltung der bei dem
Treibstofftank nach der Erfindung vorgesehenen
Entnahmevorrichtung weist dabei nicht nur den Vorteil
auf, daß sie eine geringe Masse und eine sehr geringe
Einbauhöhe aufweist und kostengünstig zu fertigen ist,
sondern vielmehr die Tatsache, daß die erfindungsgemäß
vorgesehenen Förderleitungen eine Struktur bilden, bei
der eine Verbindung zwischen der Flüssigkeit in einem
Reservoir und der Flüssigkeit im Tankraum außerhalb
dieses Reservoirs gegeben ist und bei der die
Förderleitungen derart ausgelegt sind, daß die
Flüssigkeit aufgrund ihrer Oberflächenspannung in
dieses Reservoir geleitet wird. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß der erfindungsgemäße Treibstofftank
in bereits gefülltem Zustand vor dem Start auf der Erde
auch in waagerechter Position, beispielsweise per
Schiff oder mit der Eisenbahn, transportiert werden
kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Treibstofftanks nach
der Erfindung, die in den weiteren Ansprüchen angegeben
sind, machen diesen besonders geeignet für die
speziellen Anforderungen an Komponenten, die in
Raumflugkörpern eingesetzt werden.
Nachfolgend soll der erfindungsgemäße Treibstofftank
anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Treibstofftank in perspektivischer
Ansicht in teilweise geschnittener Darstellung,
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des unteren
Teils der Anordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 dargestellte
Anordnung nach Entfernen der oberen Abdeckung
und
Fig. 4 bis 6 jeweils vergrößerte Detaildarstellungen aus
Fig. 2 und 3.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Treibstofftank 1
handelt es sich um einen Oberflächenspannungstank für
die Aufnahme und Lagerung von Treibstoff für einen
geostationären Satelliten mit einer Aufnahmekapazität
von etwa 700 bis 1200 Litern. An den Innenwänden des
Tanks 1 sind Förderleitungen 2 als kapillare Bleche
angeordnet, die zur einer am Boden des Tanks 1
angeordneten Entnahmevorrichtung 3 in Form eines
wiederbefüllbaren Reservoirs, auch als Propellant
Refillable Reservoir (PRR) bezeichnet, führen. Diese
Entnahmevorrichtung 3 ist in den nachfolgenden Figuren
im Detail dargestellt.
Wie insbesondere die in Fig. 2 dargestellte
Schnittzeichnung zeigt, ist die Entnahmevorrichtung 3
auf einer kreisförmigen Basisplatte 4 angeordnet und
durch eine sphärischen obere Abdeckung 5 mit einer
zentralen Öffnung 6 vom übrigen Tankraum getrennt.
Weitgehend unterhalb einer zweiten, konusförmigen
Abdeckung 7 sind asymmetrisch in Bezug auf die
Basisplatte 4 insgesamt vier Rohrleitungen 8 bis 11
verlegt, an deren Enden sogenannte Adapter 12 bis 15
angeordnet sind. Die drei Adapter 13, 14 und 15 sind
dabei auf der Basisplatte 4 angeordnet. Jeder dieser
Adapter 13 bis 15 besteht aus einem ringförmigen
Gehäuse, dessen Ober- und Unterseite jeweils durch ein
engmaschiges Sieb abgedeckt ist. Die Maschenweite des
Siebs ist dabei so gewählt, daß ein Eindringen von
Gasblasen verhindert wird. Der kleinere Adapter 12
besitzt ein auf der Ober- und Unterseite konisch
ausgebildetes, ebenfalls mit einem Sieb versehenes
Gehäuse und erhebt sich senkrecht oberhalb der
Basisplatte 4. Die Adapter 10 bis 13 sind, wie die
Abbildung in Fig. 4 zeigt, durch entsprechende
Öffnungen mit dem Raum oberhalb der konusförmigen
Abdeckung 7 verbunden.
Jeweils auf der Ober- und Unterseite der Basisplatte 4
sind Kapillarbleche oder Vanes 16 bis 18 bzw. 19 bis 21
angeordnet. Diese Kapillarbleche, deren genaue Form aus
den Fig. 5 und 6 ersichtlich wird, haben die
Aufgabe, unter den Bedingungen einer weitgehenden
Schwerelosigkeit den Treibstoff in das Innere der
Entnahmevorrichtung 3 zu fördern. Die Förder- oder
Pumpwirkung der Kapillarbleche 16 bis 21 beruht dabei
auf einer Änderung des Kapillardruckes entlang dieser
Bleche, der durch ihre spezielle Formgebung erzielt
wird und der die Oberflächenspannung der flüssigen
Treibstoffkomponenten ausnutzt. Im Endbereich der
Kapillarbleche 16 bis 18 sind zu diesem Zweck
Durchlässe 22 in der Basisplatte 4 vorgesehen, durch
die der Treibstoff in die Entnahmevorrichtung 3
gelangt. Die Kapillarbleche 19 bis 21 sind über
Anschlüsse 23 bis 26 mit den Förderleitungen 2
verbunden.
Über die Adapter 12 bis 15 tritt der Treibstoff in die
Rohrleitungen 8 bis 11 ein und gelangt durch diese zu
einem zentralen Sammelbehälter 27 am unteren Teil der
Basisplatte 4 mit einem Auslaß 28 und über diesen zu
den Triebwerken.
Der Effekt der Oberflächenspannung bewirkt dabei auch
die Trennung des Treibstoffs bzw. im Fall einer
mehrkomponentigen Treibstoffs der Treibstoffkomponenten
vom Treibgas, das zum Zweck der Treibstofförderung zu
den Triebwerken über in der Zeichnung nicht
dargestellte Gaseinlässe in den Tank 1 gedrückt wird.
Infolge der Oberflächenspannung der flüssigen
Treibstoffkomponenten bilden die engmaschigen Siebe,
die vom Treibstoff benetzt werden, eine Barriere gegen
das Treibgas, so daß nur die blasenfreien
Treibstoffkomponenten in die Rohrleitungen gelangen und
infolge des vom Treibgas außerhalb der Adapter 12 bis
15 aufgebauten hydrostatischen Drucks in Richtung
Triebwerk gefördert werden. Aufgabe der zentralen
Öffnung 6 in der oberen Abdeckung 5 ist es dabei, das
Treibgas in beide Richtungen hindurchtreten zu lassen,
d. h. in der Antriebs- oder Beschleunigungsphase in die
Entnahmevorrichtung 3 hinein, in der sich daran
anschließenden 0-g-Phase, d. h. nach Beendigung eines
Manövers, aus dieser wieder hinaus.
Bei Adaptern, die, insbesondere bei weitgehend
entleertem Tank und bei auf den Treibstofftank
einwirkenden Querbeschleunigungen beispielsweise als
Folge von Lagekorrekturmanövern, nicht vom flüssigen
Treibstoff umgeben sind, verhindert die dennoch
erhalten bleibende Benetzung der Siebe durch den
Treibstoff, daß Treibgas in das Rohrleitungssystem
eindringen kann.
Anzumerken ist, daß es selbstverständlich im Rahmen der
Erfindung möglich ist, anstelle der in der Zeichnung
dargestellten Anordnung mit nur einer Treibstoffkammer
eine Aufteilung des Treibstofftanks in mehrere
Kompartments vorzusehen. Dabei kann sowohl die Anzahl
als auch das Größenverhältnis der Kompartments
untereinander variiert werden.