DE102005005156A1

DE102005005156A1 - Triebwerk

Info

Publication number: DE102005005156A1
Application number: DE200510005156
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing. Ehrig; Hans-Bruno Dipl.-Ing. Stegemann; Hartmut Fuhrken
Original assignee: EADS Space Transportation GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-02-05
Also published as: DE102005005156B4

Abstract

Bei einem Antriebssystem für Satelliten mit einem Haupttriebwerk sowie mehreren Lageregelungstriebwerken sind sämtliche Triebwerke auf der Basis der katalytischen und/oder thermischen Zersetzung eines flüssigen Energieträgers, insbesondere Hydrazin, betreibbar. In das Haupttriebwerk kann zusätzlich in einer der Zersetzungskammer für den flüssigen Energieträger nachgeschalteten Brennkammer ein Oxidator eingespritzt werden, so daß dieses Triebwerk, beispielsweise für das Apogäumsmannöver, sowohl als Zweistofftriebwerk wie auch, nach dem Abschalten der Oxidatorzufuhr, als Einstofftriebwerk betrieben werden kann. Sämtliche Triebwerke werden dabei über eine gemeinsame Anordnung mit flüssigem Energieträger versorgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Triebwerk auf der Basis der katalytischen und/oder thermischen Zersetzung eines flüssigen Energieträgers, insbesondere Hydrazin, bei dem der flüssige Energieträger aus einem Vorratsbehälter in eine Zersetzungskammer gefördert wird und bei dem die in der Zersetzungskammer entstehenden gasförmigen Komponenten über eine Expansionsdüse in die Umgebung austreten.

Es sind eine Reihe verschiedener Antriebssysteme in Gebrauch, mit deren Hilfe einerseits Satelliten, die von einem Träger zunächst in einen niedrigeren Orbit gebracht wurden, in einem sogenannten Apogäumsmannöver mittels eines auch als Kickstufe bezeichneten Hauptantriebes auf ihre eigentlich vorgesehene geostationäre Bahn befördert werden und bei denen dann andererseits zu einem späteren Zeitpunkt erforderlich werdende Lageregelungen der Satelliten mittels separater Lageregelungstriebwerke vorgenommen werden. So sind beispielsweise Anordnungen mit Feststoffhauptmotoren bekannt, bei denen die nachfolgende Lageregelung des Satelliten entweder mit einem Mono-Propellant, wie Hydrazin (N₂H₄), oder mit einem Bi-Propellant, wie MMH (Monomethyl-Hydrazin) und MON (Mixed Oxides of Nitrogen), durchgeführt wird. Weiterhin sind Antriebssysteme mit Monopropellant-Hauptmotoren der eingangs genannten Art in Gebrauch, bei denen sowohl die Kickstufe als auch das Lageregelungssystem vorzugsweise über ein gemeinsames Treibstoffsystem mit Hydrazin (N₂H₄) versorgt werden. Der Vorteil dieses Systems liegt darin, daß zumeist nur ein Tank und ein Rohrleitungssystem, das zudem extrem einfach ausgeführt werden kann, erforderlich ist, wobei der Hauptmotor mehrfach gezündet werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt bei diesem bekannten System darin, daß bei diesem Konzept das Lageregelungssystem problemlos mit kleinen Schubtriebwerken mit Schüben bis etwa 0,5 N realisiert werden kann. Einen Nachteil stellt hingegen der in der Regel schlechte Wirkungsgrad dieser bekannten Systeme dar.

Eine weitere bereits bekannte Lösung besteht aus einem mit einem Bi-Propellant, beispielsweise MMH (Monomethyl-Hydrazin) und MON (Mixed Oxides of Nitrogen), betriebenen Hauptmotor, bei dem sowohl die Kickstufe als auch das Lageregelungssystem über ein Zweistoffsystem betrieben werden. Vorteil dieser Lösung ist ihr hoher Wirkungsgrad, ein wesentlicher Nachteil liegt jedoch in der Tatsache, daß ein derartiges System in der Regel aufwendig und teuer ist und zudem ein hohes Gewicht aufweist. Ferner kann dieses bekannte System nicht mit geringen Schüben von beispielsweise weniger als 4 N betrieben werden, so daß für die Feinregulierung im Rahmen der Lageregelung zumeist ein zusätzliches Kaltgassystem vorgesehen werden muß.

Schließlich sind sogenannte Dual-Mode Systeme bekannt geworden, die aus einem Zweistoff-Hauptmotor und einem Monopropellant-Lageregelungssystem bestehen. Dabei wird die Kickstufe über ein Zweistoffsystem betrieben, das ca. 80 % des gesamten Treibstoffverbrauches beansprucht, während das Lageregelungssystem mit einem einfachen, zuverlässigen und präzisen Monopropellant-Triebwerk auf der Basis von Hydrazin betrieben wird. Der Vorteil dieses relativ einfachen und zuverlässigen Systems liegt in seinem hohen Wirkungsgrad.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebssystem für Satelliten und Sonden bereitzustellen, das bei einem möglichst geringen Treibstoffverbrauch des Hauptmotors eine hohe Flexibilität des Lageregelsystems aufweist und das zugleich einfach und zuverlässig arbeitet und ein geringes Gewicht und geringe Kosten beansprucht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß bei einem Triebwerk der eingangs genannten Art vorsieht, daß der Zersetzungskammer eine Brennkammer nachgeschaltet ist, in die über ein Einspritzrohr ein Oxidator einleitbar ist und deren Auslaß mit dem Einlaß der Expansionsdüse verbunden ist.

Das Triebwerk nach der Erfindung kann dabei einerseits, beispielsweise zur Durchführung des Apogäumsmannövers für Satelliten und Sonden, als Kickstufe in Form eines Zweistoffhauptmotors betrieben werden, andererseits kann nach dem Erreichen der vorgesehenen Position, z. B. einem geostationären Orbit, das erfindungsgemäß vorgesehene Zuführsystem für den Oxidator außer Betrieb genommen werden und die weitere Lageregelung kann dann ausschließlich mittels der mit dem gleichen flüssigen Energieträger, vorzugsweise Hydrazin (N₂H₄), betriebenen Lageregelungstriebwerke erfolgen, mit welchen sich die erforderlichen extrem kleinen und genauen Schübe erzeugen lassen. Darüber hinaus ist jedoch jederzeit ein erneutes Zünden des Haupttriebwerkes, in diesem Fall ausschließlich mittels Hydrazin, möglich.

Da das erfindungsgemäße Triebwerk sowohl als Bipropellant-Triebwerk wie auch als Monopropellant-Triebwerk betrieben werden kann, vereinigt es die Vorteile beider Systeme, d. h., es wird der hohe Wirkungsgrad von Zweistofftriebwerken mit einem spezifischen Impuls von über 310 s beim Anheben auf eine höhere Bahn – hier findet der höchste Brennstoffverbrauch durch die lange Brenndauer statt – kombiniert mit einem einfachen und zuverlässigen Lageregelungssystem auf der Basis von Hydrazintriebwerken mit geringerem spezifischen Impuls von ca. 230 s bei kleinen und extrem kurzen Pulsen und Schüben zwischen 0,5 N und 20 N.

Insgesamt besteht der wesentliche Vorteil des Triebwerks nach der Erfindung darin, ein flexibles, einfaches, leichtes und kostengünstiges Antriebssystem zu ermöglichen, das im Gegensatz zu den bekannten Dual-Mode-Systemen auch dann noch mit einem hohem Hauptmotorschub betrieben werden kann, wenn der Oxidator-Tank bereits leer gefördert ist, z. B. bei später vorzunehmenden Bahnverschiebungen, die einen relativ hohen Schub erfordern, oder bei eventuell notwendig werdenden schnellen Ausweichmanövern.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
1 einen teilweisen Längsschnitt durch ein Triebwerk,
2 einen Schnitt gemäß II-II der in 1 dargestellten Anordnung.
3 einen Schnitt gemäß III-III der in 1 dargestellten Anordnung
4 eine schematische Darstellung eines vollständigen Antriebssystems für einen Satelliten.
Das in 1 dargestellte Triebwerk ist Teil eines Antriebssystems für Satelliten und Sonden, das in seiner Gesamtheit in 4 dargestellt ist und das in Zusammenhang mit dieser Figur noch näher erläutert wird. Bei dem Triebwerk handelt es sich um ein sogenanntes Dual-Mode Apogäumstriebwerk, bei dem in einem zylindrischen Gehäuse 1 eine Austritts- oder Expansionsdüse 2 sowie eine Zersetzungskammer 3, in diesem Fall koaxial ineinanderliegend, vorgesehen sind. Die Außenwand 4 des Gehäuses 1 bildet bei dem hier dargestellten Treibwerk zugleich die äußere Wand der Zersetzungskammer 3, während die rotationssymmetrische Wandfläche 5 der Expansionsdüse 2 gleichzeitig die Innenwand der Zersetzungskammer 3 darstellt. Die beiden Wände 4 und 5 sind am auslaßseitigen Ende der Expansionsdüse 2 fest miteinander verbunden, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels verschweißt. An ihrem Eingangsbereich ist die Expansionsdüse 2 mit dem Auslaß einer Brennkammer 7 verbunden. Diese Brennkammer 7 befindet sich in einem separaten Gehäuse 8, das über eine die Zersetzungskammer 3 abschließende ringförmige Zwischenplatte 6 an der Zersetzungskammer 3 gehaltert ist. Die Zwischenplatte 6 ist mit Bohrungen 21 versehen, die das Innere der Zersetzungskammer 3 mit einem weiterhin im Gehäuse 8 angeordneten Sammelraum 9 für die erzeugten Zersetzungsgase verbinden, wobei dieser Sammelraum 9 seinerseits mit der Brennkammer 7 in Verbindung steht. In die Brennkammer 7 mündet ferner ein tangential angeordnetes Einspritzrohr 10, das, wie in 4 dargestellt, über eine Rohrleitung 31 mit zwischengeschaltetem Einlaßventil 32 mit einem Vorratstank 30 für einen Oxidator verbunden ist.
Das Innere der Zersetzungskammer 3 ist mit einem Katalysatorbett 11, 12 gefüllt, das im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels aus zwei unterschiedlich große Körnungen aufweisenden Granulaten eines katalytisch wirksamen Werkstoffs, beispielsweise mit Iridium dotierte bzw. beschichtete Aluminiumoxid-Keramik, besteht. Die unterschiedlich gekörnten Füllungen 11 und 12 sind dabei in zwei Teilräumen 13 und 14 der Zersetzungskammer 3 jeweils in der dichtest möglichen Packung angeordnet, wobei diese beiden Teilräume 13 und 14 durch ein ringförmiges Trennsieb 15 voneinander separiert sind. An den Ein- und Auslaßbereichen der Zersetzungskammer 3 sind jeweils mehrlagige Endsiebe 16 und 17 angeordnet, durch die das Katalysatorbett fixiert wird.
Die Zuführung des als Monopropellant eingesetzten flüssigen Energieträgers in die Zersetzungskammer 3 erfolgt mittels eines über ein Einlaßventil 33 sowie eine Rohrleitung 34 mit einem Vorratsbehälter 35 für den flüssigen Energieträger verbundenen Einspritzrohres 18 für den flüssigen Energieträger, das tangential in die Außenwand 4 des Gehäuses 1 eingesetzt, in diesem Fall eingelötet, ist. Das Einspritzrohr 18 mündet in einen Ringkanal 19, in dem das mehrlagige Endsieb 16 an der Außenwand 4 fixiert ist und der über Bohrungen 20 mit dem ersten Teilraum 13 der Zersetzungskammer 3 verbunden ist. Wie aus den Detaildarstellungen der 3 und 4 hervorgeht, weisen die beiden Einspritzrohre 10 für den Oxidator sowie 18 für den flüssigen Energieträger einen gegenüber der jeweils zuführenden Rohrleitungen 31 bzw. 34 erweiterten Querschnitt sowie eine als Wärmesenke dienende Einschnürung 36 bzw. 37 auf. Letztere verhindert jeweils, im Fall des Einspritzrohres 18, ein Vorzersetzen des Treibstoffs bzw. im Fall des Einspritzrohres 10, ein vorzeitiges verdampfen des Oxidators.
Das gesamte Antriebssystem ist schematisch in 4 dargestellt. Zu ihm gehören neben dem vorangehend beschriebenen, als Dual-Mode Apogäumstriebwerk ausgebildeten Haupttriebwerk 1 eine Reihe von Monopropellant-Triebwerken 38 auf der Basis von Hydrazin, die zur Lageregelung vorgesehen sind und die ebenfalls über das Rohrleitungssystem 34, ein weiteres Ventil 39 sowie einen Filter 40 mit einem Vorratsbehälter 35 für den flüssigen Energieträger verbunden sind. Vervollständigt wird dieses Monopropellant-System durch ein Treibstoffventil 41 zur Befüllung des Vorratsbehälters 35 sowie ein Druckgasventil 42, über das der Vorratsbehälter 35 beaufschlagt und das Hydrazin aus diesem ausgetrieben wird. Das Haupttriebwerk 1 steht über das Einspritzrohr 10 sowie die Rohrleitung 31 mit dem Ventil 32 mit dem Vorratstank 30 für den Oxidator in Verbindung. Letzterer ist zum Austreiben des in ihm enthaltenen Oxidators über eine Druckregeleinheit 43 mit einem Druckgastank 44 verbunden, der über ein Druckgasventil 46 befüllt werden kann. Weiterhin kann der Vorratstank 30 vor dem Start über ein weiteres Ventil 47 mit dem Oxidator befüllt werden.
Das in den 1 bis 3 beschriebene Haupttriebwerk 1 kann sowohl als Einstoff- wie auch als Zweistofftriebwerk betrieben werden. In beiden Fällen 1 strömt der Energieträger, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels das flüssige Hydrazin (N₂H₄), vom Ringkanal 19 über die Bohrungen 20 in den ersten Teilraum 13 der Zersetzungskammer 3, wo bei Temperaturen von ca. 800 bis 1000°C die katalytische, stark exotherme Zersetzung des Hydrazins in seine gasförmigen Komponenten Wasserstoff (H₂) Stickstoff (N₂) und Ammoniak (NH₃) erfolgt. Die entstehenden heißen Reaktionsgase strömen zusammen mit noch unzersetzten Hydrazinresten durch das Trennsieb 15 in den zweiten Teilraum 14 und, nach erfolgter vollständiger Zersetzung, von hier durch Bohrungen 21 in der Zwischenplatte 6 weiter in den Sammelraum 9. Aus diesem treten sie schließlich durch schlitzförmige Durchlässe in der Zwischenplatte 6 in die Brennkammer 7 ein.
Im Zweistoffbetrieb des Haupttriebwerkes 1 wird über das Einspritzrohr 10 zusätzlich MON In die Brennkammer 7 eingespritzt, wobei sich die Gase mischen und bei einer Brennkammertemperatur von ca. 1400 °C verbrennen. Die Wandung der Brennkammer 7 wird dabei gleichzeitig durch das, wie in 3 angedeutet, tangential eingespritzte MON gekühlt. Durch die Expansionsdüse 2 wird schließlich der sich in der Brennkammer 7 aufbauende Druck in Geschwindigkeit umgewandelt, indem die entstehenden Reaktionsgase über die Ausströmöffnung der Expansionsdüse 2 ins Freie gelangen.
Im Einstoffbetrieb ist über das Ventil 32 die MON-Versorgung abgeschaltet, während der Monopropellant-Treibstoff N₂H₄ auf die gleiche Weise wie beim Zweistoffbetrieb durch das Katalysatorbett 11, 12 gedrückt wird, wobei wieder die gleichen Zersetzungsprodukte wie vorangehend beschrieben entstehen. Diese strömen zwar ebenfalls durch die Brennkammer 7 in die Expansionsdüse 2, infolge des nicht vorhandenen MON-Zusatzes ist jedoch in diesem Fall der spezifische Impuls der austretenden Reaktionsgase reduziert.
Abschließend sei darauf hingewiesen, daß der vorangehend im Detail beschriebene Aufbau eines Hydrazintriebwerkes, insbesondere die beschriebene integrale Anordnung mit einer die Expansionsdüse konzentrisch umgebenden Zersetzungskammer, lediglich exemplarischen Charakter hat und daß selbstverständlich auch anders ausgebildete Hydrazintriebwerke durch den zusätzlichen Einbau einer Einspritzvorrichtung für einen Oxidator für ein Antriebssystem gemäß der Erfindung eingesetzt werden können.

Claims

Triebwerk auf der Basis der katalytischen und/oder thermischen Zersetzung eines flüssigen Energieträgers, insbesondere Hydrazin, bei dem der flüssige Energieträger aus einem Vorratsbehälter in eine Zersetzungskammer gefördert wird und bei dem die in der Zersetzungskammer entstehenden gasförmigen Komponenten über eine Expansionsdüse in die Umgebung austreten, dadurch gekennzeichnet, daß der Zersetzungskammer (3) eine Brennkammer (7) nachgeschaltet ist, in die über ein Einspritzrohr (10) ein Oxidator einleitbar ist und deren Auslaß mit dem Einlaß der Expansionsdüse (2) verbunden ist.
Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzrohr (10) tangential in die Brennkammer (7) eingesetzt ist.
Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidator aus MMH (Monomethyl-Hydrazin) und MON (Mixed Oxides of Nitrogen) besteht.
Antriebssystem für Satelliten, bestehnd aus einem Haupttriebwerk sowie aus Lageregelungstriebwerken auf der Basis der katalytischen und/oder thermischen Zersetzung eines flüssigen Energieträgers, insbesondere Hydrazin, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupttriebwerk (1) aus einem Triebwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 besteht und daß sämtliche Triebwerke (1, 38) über eine gemeinsame Versorgungsanordnung (33, 34, 35, 39, 40) mit flüssigem Energieträger beaufschlagbar sind.