DE10117557A1 - Containers for the storage of cryogenic liquids - Google Patents
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Abstract
Bei einem Oberflächenspannungstank, der insbesondere zur Lagerung kryogener Treibstoffe zum Beispiel in Raumflugkörpern dient und der mit einem als Fördermedium dienenden Treibgas betrieben wird, erfolgt die Separation des Treibstoffes vom Treibgas in einer Treibstoffentnahmevorrichtung mittels Sieben und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung. Die Entnahmevorrichtung besitzt die Form eines wiederbefüllbaren Reservoirs, das am Boden des Treibstofftanks angeordnet und über Förderleitungen mit dem Inneren des Treibstofftanks verbunden ist. Sie besteht je nach Tankgeometrie aus einem Gehäuse in Ringform, das durch eine zentrale oder durch eine kreisförmig angeordnete Öffnung mit dem Tankraum verbunden ist, oder aus einer Basisplatte mit einer Abdeckung. Kapillarbleche, die über Anschlüsse mit den Förderleitungen im Tankraum verbunden sind, sind je nach Tankausführung auf der Ober- bzw. Unterseite der Basisplatte angeordnet. In Abhängigkeit von der Treibstoffart verhindert ein Wärmetauscher die Bildung von Gasblasen bei der Entnahme von Treibstoff aus dem Reservoir.In the case of a surface tension tank, which is used, in particular, for storing cryogenic fuels, for example in spacecraft, and which is operated with a propellant gas which serves as the conveying medium, the fuel is separated from the propellant gas in a fuel removal device by means of sieves and using the surface tension. The removal device is in the form of a refillable reservoir which is arranged at the bottom of the fuel tank and is connected to the interior of the fuel tank via delivery lines. Depending on the tank geometry, it consists of a housing in the form of a ring, which is connected to the tank space through a central or circular opening, or from a base plate with a cover. Capillary plates, which are connected to the delivery lines in the tank space via connections, are arranged on the top and bottom of the base plate, depending on the tank version. Depending on the type of fuel, a heat exchanger prevents the formation of gas bubbles when fuel is removed from the reservoir.
Description
Die Erfindung betrifft einen Behälter, insbesondere einen Tank zur Lagerung kryogener Flüssigkeiten für den Betrieb von Raumflugkörpern, mit einem als Fördermedium dienenden Treibgas sowie wenigstens einer Entnahmevorrichtung für die gelagerte Flüssigkeit, bei der mittels Sieben und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung eine Separation der Flüssigkeit vom Treibgas herbeigeführt wird.The invention relates to a container, in particular a tank for storing cryogenic liquids for the Operation of spacecraft, with one as a conveying medium serving propellant and at least one Removal device for the stored liquid, at which by means of seven and using the Surface tension a separation of the liquid from the Propellant gas is produced.
Ein derartiger Behälter ist als Treibstofftank aus der DE 196 23 017 C1 bekannt geworden. 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 oder Stickstoff eingesetzt, die unter Druck in den Treibstoffbehälter gepreßt werden und 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.Such a container is a fuel tank from the DE 196 23 017 C1 became known. With spacecraft, like satellites or orbital stations, are used for both the engines that serve to control the attitude in space as also for engines to carry out the Apogee maneuvers predominantly liquid fuels used in suitable containers carried and the from these usually under Use of a propellant in the fuel or Reaction chambers of the corresponding engines be promoted. Usually used as propellants Inert gases such as helium or nitrogen are used be pressed under pressure into the fuel tank and thereby the fuel into the respective Press engine-leading piping system. Important is a complete and safe separation between the propellant and the the fuel entering the engine, because the latter must be absolutely free of foreign gas deposits got to.
Aufgrund ihrer höheren Effektivität bei geringerem Gewicht werden kryogene Treibstoffe den herkömmlichen flüssigen Treibstoffen, wie zum Beispiel Monomethylhydrazin (MMH), nach Möglichkeit vorgezogen. Nachteilig wirkt sich bei diesen kryogenen Treibstoffen jedoch aus, daß sie im Gegensatz zu den herkömmlichen Treibstoffen im allgemeinen nur bedingt lagerfähig sind. Flüssiger Wasserstoff (LH2) geht beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 30 K in den gasförmigen Zustand über, so daß unbedingt eine ausreichende Isolierung des Treibstofftanks erforderlich ist, um die Lagerfähigkeit dieses Treibstoffs über einen ausreichend langen Zeitraum zu gewährleisten.Because of their greater effectiveness and lower weight, cryogenic fuels are preferred to conventional liquid fuels such as monomethylhydrazine (MMH) wherever possible. A disadvantage of these cryogenic fuels is that, in contrast to conventional fuels, they can generally only be stored to a limited extent. Liquid hydrogen (LH 2 ), for example, changes to the gaseous state at a temperature of about 30 K, so that sufficient insulation of the fuel tank is absolutely necessary to ensure that this fuel can be stored for a sufficiently long period of time.
Ein wichtiges Problem stellt die blasenfreie Treibstofförderung unter dem Zustand der Schwerelosigkeit dar. Eine solche blasenfreie Treibstofförderung läßt sich zum Beispiel durch eine Vorbeschleunigung mittels Zusatzraketen erreichen, die zu einer Reorientierung der im Tank befindlichen Flüssigkeit in der Nähe des Auslaßrohres führt. Bubble-free poses an important problem Fuel production under the state of Weightlessness. Such a bubble-free For example, fuel can be subsidized through a Achieve pre-acceleration using additional rockets to reorient the ones in the tank Liquid leads near the outlet pipe.
Im Gegensatz zu nicht kryogenen, lagerbaren Treibstoffen kann bei kryogenen Flüssigkeiten die im allgemeinen wärmere Tankwand zu einer Evaporation der in der Nähe der Tankwand befindlichen Flüssigkeit führen, wodurch eine blasenfreie Treibstofförderung zusätzlich erschwert wird. Dies gilt in besonderem Maße auch für Kapillarbleche, die üblicherweise zur Treibstofförderung innerhalb des Tanks verwendet werden und deren Pumpwirkung auf einer lokalen Änderung des Kapillardrucks beruht. Diese Kapillarbleche befinden sich meist in der Nähe der Tankwand, da sich Flüssigkeiten im Zustand der Schwerelosigkeit dort bevorzugt anlagern. Eine Kavitation in der Nähe der Kapillarbleche kann daher zu einer Unterbrechung der Pumpwirkung führen, so daß eine spezielle Formgebung der Bleche notwendig wird. Daher stellt neben einer möglichst guten thermischen Isolierung des Reservoirs zur Vermeidung von Gasbildung innerhalb dieses Reservoirs die Gestaltung solcher Kapillarbleche besondere Anforderungen an die Ausbildung eines Tanks für derartige Treibstoffe.In contrast to non-cryogenic, storable With cryogenic liquids, fuels can be stored in general warmer tank wall to evaporation of the liquid near the tank wall cause a bubble-free fuel delivery is made more difficult. This is particularly true also for capillary sheets, which are usually used for Fuel delivery can be used within the tank and their pumping action on a local change in Capillary pressure. These capillary sheets are located mostly near the tank wall because Liquids in a state of weightlessness there prefer to invest. A cavitation near the Capillary plates can therefore interrupt the Pump effect, so that a special shape the sheets become necessary. Therefore, next to one the best possible thermal insulation of the reservoir to avoid gas formation within this Reservoirs the design of such capillary sheets special requirements for the formation of a tank for such fuels.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Behälter der » eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch bei kryogenen Flüssigkeiten eine blasenfreie Förderung unter Ausnutzung der Oberflächenspannung gewährleistet ist.The object of the invention is to provide a container of the » type mentioned so that even at cryogenic liquids are bubble-free guaranteed by utilizing the surface tension is.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Behälter, bei dem die Entnahmevorrichtung in Form eines wiederbefüllbaren Reservoirs an dessen Boden angeordnet ist. The invention solves this problem by a container, in which the removal device in the form of a refillable reservoirs arranged at the bottom thereof is.
Das Reservoir ist über Förderleitungen mit dem Inneren des Treibstofftanks verbunden. Die Geometrie des erfindungsgemäß vorgesehenen wiederbefüllbaren Reservoirs hängt dabei von der jeweiligen Tankgeometrie bzw. der zu lagernden Flüssigkeit ab. Zwei Behälter werden als Treibstofftank vorgesehen, die sich nach der Erfindung in vorteilhafter Weise zur Lagerung von flüssigem Wasserstoff (LH2-Tank) und flüssigem Sauerstoff (LOX-Tank) verwenden lassen. Die Reservoire sind unter Schwerelosigkeit wiederfüllbar und entleeren sich beim Absaugen unter Schub weitestgehend zuletzt, so daß die im Tank verbleibende Restmenge soweit wie möglich reduziert wird. Für den Fall größerer Füllgrade wird sichergestellt, daß sich die Reservoire auch unter Schub wiederfüllen.The reservoir is connected to the interior of the fuel tank via delivery lines. The geometry of the refillable reservoir provided according to the invention depends on the respective tank geometry or the liquid to be stored. Two containers are provided as a fuel tank, which according to the invention can be used advantageously for storing liquid hydrogen (LH 2 tank) and liquid oxygen (LOX tank). The reservoirs are refillable under weightless conditions and empty to the greatest possible extent when they are sucked off under thrust, so that the remaining amount in the tank is reduced as much as possible. In the case of larger fill levels, it is ensured that the reservoirs refill even under thrust.
Die Ausgestaltung der bei den Behältern nach der Erfindung vorgesehenen Entnahmevorrichtung weist dabei den Vorteil auf, daß sie eine geringe Masse und eine sehr geringe Einbauhöhe besitzen und zugleich kostengünstig zu fertigen sind. Der durch die Entnahmevorrichtungen möglich gewordene Verzicht auf eine Vorbeschleunigung vor dem Beginn der Treibstoffentnahme und somit auf die Mitnahme von Zusatzraketen erlaubt eine wesentliche Gewichtsersparnis und folglich höhere Nutzlasten.The design of the containers according to the Invention device provided here has the advantage that they have a low mass and a have very low installation height and at the same time are inexpensive to manufacture. The one through the Removal devices made possible a pre-acceleration before the start of the Withdrawal of fuel and thus the taking of Additional missiles allowed an essential one Weight saving and consequently higher payloads.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.Further advantageous embodiments of the invention are characterized by the features of the subclaims.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen: The invention is based on Embodiments are explained in more detail. It demonstrate:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Treibstofftank, Fig. 1 shows a section through a fuel tank,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Teils der Anordnung gemäß Fig. 1, Fig. 2 is a perspective view of part of the arrangement according to FIG. 1,
Fig. 3 einen Wärmetauscher als Teil der Anordnung gemäß Fig. 1, Fig. 3 shows a heat exchanger as part of the arrangement according to FIG. 1,
Fig. 4 eine vergrößerte Schnittdarstellung des unteren Bereichs des Treibstofftanks gemäß Fig. 1, Fig. 4 is an enlarged sectional view of the lower portion of the fuel tank of FIG. 1,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines zweiten Tanks, Fig. 5 is a sectional view of a second tank,
Fig. 6 eine Draufsicht auf den unteren Teil der Anordnung gemäß Fig. 5 und Fig. 6 is a plan view of the lower part of the arrangement shown in FIGS. 5 and
Fig. 7 eine Schnittdarstellung der in Fig. 6 dargestellten Anordnung. Fig. 7 is a sectional view of the arrangement shown in Fig. 6.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Treibstofftank 1 handelt es sich um einen Oberflächenspannungstank für die Aufnahme und die Lagerung von flüssigem Wasserstoff (LH2) als Treibstoff für die oberste Stufe einer Rakete. Der Tank besteht aus zwei angenähert halbschalig ausgebildeten Teilsegmenten, die miteinander verschweißt sind. In der Nahtstelle der beiden Halbschalen bildet die Tankwand eine relativ starke Krümmung aus, so daß sich die im Tank gelagerte Flüssigkeit im Zustand der Schwerelosigkeit bevorzugt in diesen Bereichen sammelt. Zudem ist in diesen Bereichen der Kapillardruck besonders niedrig, so daß eine Pumpwirkung in Richtung der Ecken eintritt. Dieser Bereich des Treibstofftanks eignet sich daher besonders für die Positionierung eines wiederbefüllbaren Reservoirs 2. In the example shown in FIG. 1, the fuel tank 1 is a surface tension tank for receiving and storage of liquid hydrogen (LH 2) as a fuel for the uppermost stage of a rocket. The tank consists of two approximately half-shell partial segments that are welded together. In the interface between the two half-shells, the tank wall forms a relatively strong curvature, so that the liquid stored in the tank collects preferentially in these areas in the state of weightlessness. In addition, the capillary pressure is particularly low in these areas, so that a pumping action occurs in the direction of the corners. This area of the fuel tank is therefore particularly suitable for positioning a refillable reservoir 2 .
Das Reservoir 2 besitzt, wie insbesondere anhand von Fig. 2 zu erkennen ist, die Gestalt einer ringförmigen Röhre mit V-förmigem Querschnitt. Wie ferner aus der vergrößerten Darstellung Fig. 4 ersichtlich ist, ist es über Siebe 7, 8 mit dem Tankinnenraum 1 verbunden. Die Maschenweite der Siebe ist dabei so ausgelegt, daß lediglich Flüssigkeit in das Reservoir 2 eindringen kann, Gasblasen aber ferngehalten werden. Um eine ausreichend hohe Durchflußrate durch die Siebe 7 und 8 zu gewährleisten, ist die Siebfläche möglichst groß gewählt und es sind mehrere Siebe über den Umfang des Reservoirs 2 verteilt angeordnet.The reservoir 2 , as can be seen in particular from FIG. 2, has the shape of an annular tube with a V-shaped cross section. As can also be seen from the enlarged illustration in FIG. 4, it is connected to the tank interior 1 via screens 7 , 8 . The mesh size of the sieves is designed so that only liquid can penetrate the reservoir 2 , but gas bubbles are kept away. In order to ensure a sufficiently high flow rate through the screens 7 and 8 , the screen area is chosen to be as large as possible and several screens are arranged distributed over the circumference of the reservoir 2 .
Eine Entnahmevorrichtung 3 ist mit dem Reservoir 2 verbunden und ermöglicht die Entnahme von Treibstoff. Um eine Blasenbildung in der Entnahmevorrichtung 3 zu verhindern, ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich, ferner ein zur Entnahmevorrichtung 3 gehöriges Abzugsrohr 6 über einen Wärmetauscher 5 mit dem Reservoir 2 verbunden.A removal device 3 is connected to the reservoir 2 and enables the removal of fuel. In order to prevent the formation of bubbles in the removal device 3 , as can be seen from FIG. 3, an exhaust pipe 6 belonging to the removal device 3 is also connected to the reservoir 2 via a heat exchanger 5 .
Um die Wiederfüllbarkeit des Reservoirs 2 über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten, muß sichergestellt werden, daß die Kapillarwirkung nicht durch die Bildung von Kavitationsblasen eingeschränkt oder unterbunden wird. Solche Gasblasen würden sich aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und der Tankwand 9 vornehmlich an der Tankwand 9 bilden. Ein dünnes Blech 11, welches die Siebe 7, 8 von der Tankwand 9 trennt, verhindert, daß der Flüssigkeitstransport durch Gasblasen unterbunden oder behindert wird.In order to ensure the refillability of the reservoir 2 over a longer period of time, it must be ensured that the capillary action is not restricted or prevented by the formation of cavitation bubbles. Such gas bubbles would be formed due to the temperature difference between the fluid and the tank wall 9 mainly on the tank wall. 9 A thin sheet 11 , which separates the screens 7 , 8 from the tank wall 9 , prevents the liquid transport from being prevented or hindered by gas bubbles.
Die Kapillarwirkung zwischen dem Blech 11 und den Sieben 7 und 8 bewirkt, daß die Siebe ständig mit Flüssigkeit benetzt sind. Der Spalt zwischen dem Blech 11 und den Sieben 7 bzw. 8 ist so dimensioniert, daß die Flüssigkeit in der Nähe der Siebe eine möglichst geringe freie Oberfläche bildet. Dadurch bleibt die Evaporation der Flüssigkeit in der Nähe der Siebflächen minimal.The capillary action between the sheet 11 and the screens 7 and 8 causes the screens to be constantly wetted with liquid. The gap between the sheet 11 and the screens 7 and 8 is dimensioned so that the liquid in the vicinity of the screens forms the smallest possible free surface. As a result, the evaporation of the liquid in the vicinity of the screen surfaces remains minimal.
Das Blech 11 ist am Reservoir 2 befestigt. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß das Blech 11 nicht direkt mit der Tankwand 9 verbunden ist, damit eine übermäßige Erwärmung des Bleches 11 vermieden wird. Das Reservoir 2 ist mit Hilfe einer in der Figur nicht dargestellten thermischen Isolierung an der Tankwand 9 angebracht. Auf diese Weise läßt es sich, je nach Mission, als zusätzliche Komponente in den Tank 2 einbauen.The plate 11 is attached to the reservoir 2 . It is important in this context that the plate 11 is not directly connected to the tank wall 9 , so that excessive heating of the plate 11 is avoided. The reservoir 2 is attached to the tank wall 9 by means of a thermal insulation, not shown in the figure. In this way, depending on the mission, it can be installed in tank 2 as an additional component.
In Fig. 5 ist eine entsprechende Entnahmevorrichtung mit einem Reservoir 12 zur Verwendung in einem Tank 21 für flüssigen Sauerstoff, einem sogenannten LOX-Tank, in der obersten Stufe der Rakete dargestellt. Dieser Tank 21 ist im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels so geformt, daß er in den Bereich einer von der Hülle des vorangehend beschriebenen Treibstofftanks 1 gebildeten Ausnehmung integriert ist.In Fig. 5 a corresponding extraction device is shown with a reservoir 12 for use in a tank 21 for liquid oxygen, a so-called LOX-tank, in the top stage of the rocket. In the case of the exemplary embodiment shown here, this tank 21 is shaped such that it is integrated in the region of a recess formed by the casing of the fuel tank 1 described above.
In diesem Tank 21 breiten sich vier Leitbleche 13 von einem als Entnahmevorrichtung dienenden Reservoir 12 ausgehend rechtwinklig zueinander entlang des Tankbodens aus. Sie bewirken, daß sich das Reservoir 12 mit Flüssigkeit füllt. Die Leitbleche werden so dimensioniert, daß sie den Wärmeübergang von der Wand in die Flüssigkeit minimieren. Treten in der Flüssigkeit an der Tankwand Kavitationsblasen auf, so führt die geometrische Anordnung der Bleche aufgrund der an der Wand angelagerten Gasphase zu einer Reduzierung des Wärmeübergangs und somit zu einer zusätzlichen Isolierung zwischen Tankwand und Flüssigkeit.In this tank 21 , four baffles 13 spread out from a reservoir 12 serving as a removal device at right angles to one another along the tank bottom. They cause the reservoir 12 to fill with liquid. The baffles are dimensioned so that they minimize heat transfer from the wall to the liquid. If cavitation bubbles occur in the liquid on the tank wall, the geometrical arrangement of the sheets leads to a reduction in the heat transfer due to the gas phase attached to the wall and thus to additional insulation between the tank wall and the liquid.
Wie in den Fig. 6 und 7 erkennbar, besteht die Entnahmevorrichtung 12 aus einer Basisplatte 22 und einer Abdeckung 23 mit einer zentralen Öffnung 18. Das Reservoir 12 ist in zwei Teilbereiche unterteilt, die durch eine kegelförmige Wand 20 voneinander getrennt sind. Es ist dabei so ausgelegt, daß sich zunächst das Volumen unterhalb des Kegels 20 über vier Leitbleche 19 füllt, die auf der Ober- und Unterseite der Basisplatte 22 ebenfalls rechtwinklig zueinander im Inneren des Reservoirs 12 angebracht sind. Zur Verdeutlichung des Füllvorgangs ist dabei in Fig. 7 die Strömungsrichtung des einströmenden flüssigen Sauerstoffs durch Pfeile angedeutet. Von den Ecken ausgehend füllt sich zunächst das Volumen unterhalb des Kegels 20; anschließend füllt sich auch der Bereich oberhalb des Kegels.As can be seen in FIGS. 6 and 7, the removal device 12 consists of a base plate 22 and a cover 23 with a central opening 18 . The reservoir 12 is divided into two sections, which are separated from one another by a conical wall 20 . It is designed so that the volume below the cone 20 fills via four baffles 19 , which are also attached at right angles to one another in the interior of the reservoir 12 on the top and bottom of the base plate 22 . To illustrate the filling process, the direction of flow of the inflowing liquid oxygen is indicated by arrows in FIG. 7. Starting from the corners, the volume fills below the cone 20 ; then the area above the cone also fills up.
Zur Entlüftung befindet sich an der Oberseite des Reservoirs eine Öffnung 18, die so dimensioniert ist, daß unter Mikrogravitationsbedingungen lediglich Gas entweichen kann.For venting, there is an opening 18 on the top of the reservoir which is dimensioned such that only gas can escape under microgravity conditions.
Während der Beschleunigungsphase durch das Triebwerk fließt der flüssige Sauerstoff durch ein Sieb 17 zu einem Tankauslaß in Form eines Abzugsrohrs 24. Infolge der Oberflächenspannung bildet das engmaschige Sieb 17, das vom flüssigen Sauerstoff benetzt wird, eine Barriere gegen Treibgas, so daß nur der blasenfreie flüssige Sauerstoff durch das Abzugsrohr 24 in Richtung des Triebwerks gefördert wird. Das Sieb 17 bildet dabei eine zusätzliche Sicherheit, um die blasenfreie Sauerstofförderung zu gewährleisten.During the acceleration phase through the engine, the liquid oxygen flows through a sieve 17 to a tank outlet in the form of an exhaust pipe 24 . As a result of the surface tension, the close-meshed sieve 17 , which is wetted by the liquid oxygen, forms a barrier against propellant gas, so that only the bubble-free liquid oxygen is conveyed through the exhaust pipe 24 in the direction of the engine. The sieve 17 forms an additional security to ensure the bubble-free oxygen delivery.
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