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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 die in der Zersetzungskammer entstehenden gasförmigen Komponenten über eine Expansionsdüse in die
Umgebung austreten und wobei 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.
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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 auf der Basis von
Hydrazin (N
2H
4)
betriebenen Mono-Propellant-Triebwerk
der eingangs genannten Art, wie es aus der
DE 43 27 900 C2 bekannt
geworden ist, durchgeführt
wird, oder mit einem Treibwerk auf der Basis eines Bi-Propellants,
wie MMH (Monomethyl-Hydrazin) und MON (Mixed Oxides of Nitrogen).
weiterhin sind Antriebssysteme mit Monopropellant-Hauptmotoren in
Gebrauch, bei denen sowohl die Kickstufe als auch das Lageregelungssystem
vorzugsweise über
ein gemeinsames Treibstoffsystem mit Hydrazin (N
2H
4) 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.
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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.
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Weiterhin
sind, beispielsweise aus der
DE 692 28 068 T2 , 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.
Ein Vorteil dieser Systeme liegt in ihrem hohen Wirkungsgrad.
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Schließlich sind
aus der
DE 22 41 424
A das Funktionsprinzip eines Triebwerks der eingangs genannten
Art und insbesondere seine Einbindung in das Treibstoffmanagement
eines Antriebssystems bekannt geworden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Antriebssystem dieser Art bereitzustellen,
das einen möglichst
kompakten Aufbau mit einem geringen Gewicht und niedrigen Kosten
aufweist und das über
eine hohe Zuverlässigkeit
verfügt.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe dadurch, daß bei
einem derartigen Triebwerk die Expansionsdüse und die Zersetzungskammer
in einem Gehäuse koaxial
ineinanderliegend angeordnet sind, wobei die Zersetzungskammer die
Expansionsdüse
konzentrisch umgibt, daß sich
die Brennkammer in einem separaten Gehäuse befindet, das über eine
die Zersetzungskammer abschließende
ringförmige
Zwischenplatte ebenfalls koaxial an der Zersetzungskammer gehaltert
ist, wobei die Zwischenplatte mit Bohrungen versehen ist, die das
Innere der Zersetzungskammer mit einem im Gehäuse der Brennkammer angeordneten
Sammelraum für
die erzeugten Zersetzungsgase verbinden, und wobei der Sammelraum
zugleich mit der Brennkammer in Verbindung steht.
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Zwar
ist es bereits aus der
DE
22 41 424 A für
sich genommen bekannt, daß bei
einem Triebwerk auf der Basis der katalytischen und/oder thermischen
Zersetzung eines flüssigen
Energieträgers, insbesondere
Hydrazin, die Expansionsdüse
und die Zersetzungskammer in einem Gehäuse koaxial ineinanderliegend
angeordnet sind und die Zersetzungskammer die Expansionsdüse konzentrisch
umgibt, jedoch handelt es sich bei diesem bekannten Triebwerk nicht
um ein Triebwerk gemäß dem Gattungsbegriff
der vorliegenden Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen
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1 einen
teilweisen Längsschnitt
durch ein Triebwerk,
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2 einen
Schnitt gemäß II-II
der in 1 dargestellten Anordnung.
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3 einen
Schnitt gemäß III-III
der in 1 dargestellten Anordnung
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4 eine
schematische Darstellung eines vollständigen Antriebssystems für einen
Satelliten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.