DE10040755C2

DE10040755C2 - Treibstofftank

Info

Publication number: DE10040755C2
Application number: DE10040755A
Authority: DE
Inventors: Gaston Netter; Ulrich Renner
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2000-08-19
Filing date: 2000-08-19
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2020-08-20
Also published as: DE10040755A1

Description

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.

Claims

1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmevorrichtung (3) aus Rohrleitungen (8-11) besteht, an deren Enden Adapter (12-15) angeordnet sind, wobei die Rohrleitungen (8-11) auf einer Basisplatte (4) und durch eine Abdeckung (5) mit einer zentralen Öffnung (6) vom Tankraum getrennt angeordnet und sowohl miteinander als auch mit einem zentralen Sammelbehälter (27) mit einem zu den Triebwerken führenden Auslaß (28) verbunden sind.

2. Treibstofftank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitungen (8-11) asymmetrisch in Bezug auf die Basisplatte (4) angeordnet.

3. Treibstofftank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ober- und Unterseite der Basisplatte (4) Kapillarbleche (16-21) angeordnet sind, die über Anschlüsse (23-26) mit den Förderleitungen (2) verbunden sind.