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Die Erfindung gehört zur Vorrichtung eines elektrischen Düsenantriebs des Magnetoplasmatyps und der für die Schubkraftschaffung eines Raumflugkörpers für den Flug zum Mars bestimmt ist.
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Bekannt sind elektrische Düsenantriebe des Magnetoplasmatyps, bei denen als Arbeitsstoff Argon auftritt, das im flüssigen Zustand in Tanks aufbewahrt wird, die wie Dewar-Gefäße [1] ausgeführt sind. Im Gaszustand wird das Argon in die Arbeitskammer des Antriebs zwischen zwei axialen Elektroden zugeführt, von denen eine an der Achse plaziert ist und die andere eine zylindrische oder Kegeldüsenform hat, im Zwischenraum derselben fließt elektrischer Strom, der das Argon bis zum Plasmazustand erhitzt. An der äußeren Oberfläche hat die Arbeitskammer eine Wicklung, welche ein Magnetfeld erzeugt und die sich in einem Zylinder befindet, der einen Außen- und einen Innenmantel hat.
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Der Raumflugkörper muss bis zum Mars fliegen und auf die Erde zurückkehren, wofür bei der Anwendung der bekannten Konstruktion des elektrischen Düsenantriebs die Masse des Argon-Arbeitsstoffs mehr als die Hälfte der gesamten Startmasse des Raumflugkörpers betragen kann.
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In diesem Vorschlag wird das Ziel der Nutzlastzunahme des Raumflugkörpers dadurch erreicht, dass der Flug zum Mars mit einem Nachtanken des Argon-Arbeitsstoffs auf dem Mars verwirklicht wird, wobei das Argon direkt aus der Marsatmosphäre in der Menge entnommen wird, die für den Rückflug zur Erde notwendig ist. Zu diesem Zwecke beinhaltet die Konstruktion des elektrischen Düsenantriebs einen Verflüssiger (eine Verflüssigungsmaschine). Dieser Verflüssiger saugt die Gasmischung – die Marsatmosphäre, die gasförmiges Argon beinhaltet, auf und stoßt flüssiges Argon aus, das in Behälter abgegossen wird. Dabei ist der Verflüssiger mit einem elektrischen Antrieb versehen, der von Elektroenergiequellen an Bord gespeist wird.
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Bekannt ist auch die Konstruktion des elektrischen Düsenantriebs des Magnetoplasmatyps, bei dem der Arbeitsstoff Argon in den Plasmazustand durch Bogenentladung zwischen der inneren axialen Elektrode – Anode und der äußeren Elektrode – Kathode zylindrischer Form gebracht wird. Die Schubkraft wird durch das Ausströmen des Arbeitsstoffes bei Drucksteigerung innerhalb der Arbeitskammer erzeugt. Von der Außenseite der äußeren Elektrode befindet sich eine Wicklung, die in der Art einer koaxialen Solenoidspule ausgeführt wurde. [2] Diese Konstruktion des elektrischen Düsenantriebs hat einen Nachteil: die äußere Wicklung erzeugt ein axialgerichtetes Magnetfeld, das beim Zusammentreffen mit dem elektrischen Strom zwischen den Elektroden, die eine radiale Richtung haben, eine Kraft erzeugt wird, die hinsichtlich der Antriebsachse tangential gerichtet ist. Deshalb wird im Antrieb dieser Konstruktion der magnetohydrodynamische Effekt schwach benutzt und er hat einen verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad.
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Zur Beseitigung des genannten Nachteils wird mit dem Ziel der Erzeugung einer axialen Schubkraft, als Resultat des direkten Zusammentreffens des Magnetfeldes mit dem radialgerichteten Strom zwischen den Elektroden an der Oberfläche der Antriebsdüse eine Erregungswichlung montiert, die ein Magnetfeld mit maximaler Bedeutung der tangentialen Komponente erzeugt.
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Die Wicklung besteht aus einzelnen, serienweise eingeschalteten Rechteckspulen gleicher Polarität, die so plaziert sind, dass nur ein Teil der Spule mit Halbwindungen, die in gerader Richtung gewickelt (parallel der Antriebsachse) sind, sich an die Düsenoberfläche anschließt. Der andere Teil der Spule mit Halbwindungen entgegengesetzter Richtung entfernt sich von der Achse und biegt in radialer Richtung ab.
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Die Arbeitseffektivität des elektrischen Düsenantriebs des Magnetoplasmatyps hängt von der Größe des durch die Wicklung erregten Magnetfeldes ab, deshalb muss sie aus supraleitendem Stoff hergestellt werden. Am meisten eignen sich zu diesem Zweck sogenannte Supraleiter von hoher Temperatur, z. B. Drähte aus Itrium und Barium. Die supraleitende Wicklung der Konstruktion, die hier vorgeschlagen wird, wird innerhalb einer zylindrischen Ummantelung montiert und in ein flüssigen Kältemittel gesetzt (untergebracht), das Wasserstoff, Neon oder Stickstoff sein kann. Die Festigkeit der Konstruktion wird durch Montage radialer Metallrippen innerhalb des Zylinders gewährleistet. Zur Senkung der Verdampfung des Kältemittels wird die zylindrische Ummantelung in der Form eines Dewar-Gefäßes ausgeführt und in einem zylindrischen Behälter mit flüssigen Argon untergebracht.
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Auf dem Bild 1 ist die Konstruktion eines elektrischen Düsenantriebes für den Flug zum Mars dargestellt. Die Arbeitskammer 1 hat eine innere axiale Elektrode – Anode 2 und eine äußere zylindrische mit einer kegelförmigen Ende Elektrode – Kathode 3.
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Der Bildungsprozess von Plasma und deren Beschleunigung findet in der Arbeitskammer 1 zwischen den Elektroden 2 und 3 statt. Der Arbeitsstoff fließt in die Arbeitskammer aus der Verteilungskammer 4 in Form gasartigen Argons, welches aus der Gassammelkammer 5 zugeführt wird. Im flüssigen Zustand befindet sich der Arbeitsstoff im zylindrischen Behälter 6, der mit einem Vakuummantel 7 (wie ein Dewar-Gefäß) versehen ist. Für das Nachtanken des Argon-Arbeitsstoffes direkt aus der Marsatmosphäre gehört zum Kryogensystem ein Verflüssiger 8, dessen Elektromotor von der Bordelektroenergiequelle mit Strom versorgt wird. Der Argonverflüssiger 8 ist mit dem Arbeitsstoffbehälter mit einer Vakuumrohrleitung 9 verbunden. Die supraleitende Erregungswicklung 10 befindet sich im flüssigen Kältemittel (Kälteträger): Wasserstoff, Neon oder Stickstoff, welches in den Kryostat 11 gegossen wird. Der Kryostat hat einen äußeren Vakuummantel 12 und ist in den zylindrischen Hohlbehälter 13 mit flüssigem Argon untergebracht, der einen inneren zylindrischen Mantel 14 hat. Der Innenmantel, des Behälters 14 ist mit der Elektrode 3 mit Hilfe zylindrischer Wärmebrücken 15 und 16 verbunden. Das an der Oberfläche des Zylinders 14 verdunstende Argon kommt über die Rohrleitung 17 in die Gassammelkammer 5.
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Auf dem Bild 2 ist die Konstruktion des supraleitenden Systems im Längsschnitt „a” und im Querschnitt „b” dargestellt.
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Die Wicklung wird am zylindrischen Gestell 1 montiert. Sie wird aus einzelnen Polspulen der gleichen Polarität gebildet. Eine Seite der Spule 2 mit Strom, der parallel zur Achse der Arbeitskammer des elektrischen Düsenantriebs gerichtet ist, hat eine zylindrische Form. Die Seite der Spule 2 schließt sich an die Oberfläche des Gestells 1 an.
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Die andere Seite der Spule mit entgegengesetzter Stromrichtung 3 ist von der Arbeitskammer des Antriebs entfernt. Die Seite der Spule 3 hat eine rechtwinklige Form und ist an die radialen Metallrippen 4 angebracht, die mit dem Gestell 1 verbunden sind.
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Jede Spule der Wicklung wird nach der Aufwicklung an einer speziellen Schablone geformt, die eine geometrische Form hat, die der Aufbiegung der Seiten entspricht, die auf dem Bild 2 gezeigt ist.
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Möglich ist auch die Formung der Spule mit Hilfe einer Kompoundmaschine bei der darauffolgenden Wärmebearbeitung.
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Der elektrische Düsenantrieb des Magnetoplasmatyps wird folgendermaßen in Betrieb gesetzt.
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Beim Start von der Erde werden die Behälter 6 und 13 (Bild 1) mit flüssigen Argon gefüllt. Danach wird der Kryostat 11 mit Kältemittel – flüssigem Wasserstoff oder Neon oder Stickstoff gefüllt. Die Erregungswicklung 10 wird in die supraleitenden Zustand gebracht.
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Im getanktem Zustand wird der elektrische Düsenantrieb zusammen mit dem Raumfahrzeug von der Erde in die erdnahe Startumlaufbahn mit Hilfe bekannter chemischer Düsenantriebe gebracht, zum Beispiel mit Wasserstoff-Sauerstoffantrieben. Beim Start des Raumfahrzeuges von der erdnahen Startumlaufbahn zum Mars wird die Arbeitskammer 1 des elektrischen Düsenantriebs mit gasartige Argon gefüllt. Bei der Zuführung der Spannung von der Quelle der Energiespeisung des Antriebs zu den Elektroden 2 und 3 bildet sich im Raum zwischen ihnen ein elektrischer Lichtbogen. Argon erwärmt sich und übergeht in den Plasmazustand. Dabei erwärmt sich die Elektrode 3 und ein Teil der Wärme wird über die zylindrischen Wärmebrücken 15 und 16 zu dem inneren zylindrischen Mantel 14 des Behälters 13 geleitet, wo die Verdunstung des Argons vor sich geht. Das gasartige Argon kommt über die Rohrleitung 17 in die Sammelkammer und von dort in die Sammelkammer 5 und von dort in die Verteilungskammer 4 und weiter in die Arbeitskammer 1 in den Raum zwischen den Elektroden 2 und 3. Auf diese Weise entsteht eine ununterbrochene Zufuhr des Arbeitsstoffes in die Arbeitskammer des elektrischen Düsenantriebs. Bei der Einleitung von Gleichstrom in die supraleitende Wicklung 10 entsteht in der Arbeitskammer 1 ein Magnetfeld, welches senkrecht zur Achse und zum Radius der Arbeitskammer gerichtet ist. Beim Zusammenwirken des Stroms mit dem Magnetfeld entsteht eine Kraft, die entlang der Achse der Arbeitskammer gerichtet ist, die den notwendigen Schub des elektrischen Düsenantriebs für den Flug des Raumfahrzeuges in Richtung Mars schafft. Die Regulierung der Schubkraft kann man mit Hilfe der Energiequelle verwirklichen indem man die Stromstärke zwischen den Elektroden 2 und 3 ändert, oder durch Stromänderung in der supraleitenden Wicklung 10.
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Nach der Landung des Raumfahrzeuges auf der Oberfläche des Mars schaltet sich der Verflüssiger 8 ein, der von der Bordquelle der Elektroenergie mit Strom versorgt wird. In den Eingang des Verflüssigers 8 tritt eine gasartige Mischung aus Kohlensäuregas, Stickstoff und Argon ein, aus welchen die Atmosphäre des Mars besteht. Das am Ausgang der Verflüssigers 8 erhaltene flüssige Argon wird über die Rohrleitung 9 in den Aufbewahrungsbehälter des Arbeitsstoffes 6 gegossen. Nach der Füllung der Arbeitsstoffbehälter 6 ist der elektrische Düsenantrieb für die Rückreise zur Erde bereit.
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Auf diese Weise macht der Flug eines Raumfahrzeuges mit Nachtanken des Arbeitsstoffes auf dem Mars es möglich, die Masse und das Volumen der Arbeitsstoffbehälter um die Hälfte zu reduzieren, und die vorgeschlagene Konstruktion der supraleitenden Wicklung, die ein tangentiales Magnetfeld in der Arbeitskammer des Antriebs erzeugt, wird die Effektivität des Antriebs wesentlich erhöhen. Das Gesamtergebnis wird eine wesentliche Steigerung der Nutzlast des Raumfahrzeuges für den Flug zum Mars sein.
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Literatur:
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- 1. E. Messerschmid
S. Fasoulas
Raumfahrtsysteme
Springer 2000 S. 242
- 2. PatentPST
WO 02/069364 A2
