DE102008058722A1

DE102008058722A1 - Festtreibstoffelement, insbesondere für Kleinsatelliten

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Publication number: DE102008058722A1
Application number: DE200810058722
Authority: DE
Inventors: Anuscheh Nawaz; Michael Dr. Schlipf; Georg Dr. Herdrich; Monika Prof. Auweter-Kurtz
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2010-12-23

Abstract

Um ein Festtreibstoffelement zur Verwendung als Treibstoffvorrat, insbesondere für elektrische Triebwerke, insbesondere des PTT(pulsed plasma thruster)-Typs, zur Verfügung zu stellen, das zur Bereitstellung eines größeren Treibstoffvorrats geeignet und ausreichend dimensionsstabil ist und sich damit auch in Marschtriebwerken einsetzen lässt, wird ein Festtreibstoffelement in Form einer monolithischen Helix aus einem Festtreibstoff vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Festtreibstoffelement zur Verwendung als Treibstoffvorrat, insbesondere für elektrische Triebwerke, insbesondere des PPT(pulsed plasma thruster)-Typs, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Antriebssysteme der genannten Art sind in Kleinsatelliten für die Lage- und Bahnregulierung im Einsatz und sind in ihrem Antriebsvermögen begrenzt aufgrund des räumlich bedingt geringen mitführbaren Treibstoffvorrats.
Die Einzelleistung der PPT-Antriebssysteme ist darüber hinaus begrenzt, so dass sich die Verwendung als Marschtriebwerk bislang verboten hat.
Ein großes Problem sind darüber hinaus die während einer Raummission auftretenden Temperaturschwankungen, die beispielsweise Materialspannungen sowie Veränderungen der Geometrie des Aufbaus des Triebwerks auslösen können, und daraus resultierende Funktionsstörungen.
Dies stellt zum einen bei der Konstruktion der Zuführvorrichtung für den Treibstoff eine Herausforderung dar, zum anderen muss insbesondere der Festtreibstoff als solcher in einer Weise bereitstellbar sein, in der er trotz dieser enormen Temperaturschwankungen seine Form nicht so ändert, dass es bei der Treibstoffzufuhr zum Triebwerk zu Störungen und somit zum Ausfall der Treibstoffzufuhr kommt. Der Festtreibstoff ist diesbezüglich als Konstruktionselement des Antriebssystems zu betrachten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Festtreibstoffelement der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das zur Bereitstellung eines größeren Treibstoffvorrat geeignet und ausreichend dimensionsstabil ist und sich damit auch in Marschtriebwerken einsetzen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Festtreibstoffelemente gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Bereitstellung des Festtreibstoffvorrats in Helixform erlaubt eine kompakte Bevorratung auch größerer Treibstoffmengen. Außerdem erleichtert dies die Konstruktion der Zuführvorrichtung, die den eingangs genannten Anforderungen genügt.
Die Bereitstellung des Festtreibstoffelements in monolithischer Form erlaubt die Vermeidung von Materialspannungen im Treibstoffelement, die häufig bei der extremen Temperaturwechselbeanspruchung, wie sie in Satelliten vorkommt, Ursache für Dimensionsänderungen sind, die insbesondere bei der komplexen Form des erfindungsgemäßen Treibstoffelements zu Funktionsstörungen des Triebwerks führen können.
Das erfindungsgemäße Treibstoffelement kann in einfacher und verlässlicher Weise, insbesondere auch mechanisch von der Zuführvorrichtung und deren Antriebsvorrichtung mittels einer Drehbewegung dem Triebwerk zuverlässig zugeführt werden. Dies gilt insbesondere für den angestrebten Langzeiteinsatz im All.
Das erfindungsgemäße Festtreibstoffelement erlaubt damit nicht nur den sicheren Betrieb auch bei einem höheren Antriebsbedarf, sondern erlaubt auch eine kompakte Bauweise des Antriebssystems. Damit ergibt sich die Möglichkeit, Cluster zu bilden und so den Antrieb insgesamt auf ein Niveau zu bringen, das ausgedehnte Raummissionen, insbesondere auch für mehrere Jahre, erlaubt.
Triebwerke vom PPT-Typ sind robuste Triebwerke, da sie insbesondere einfach aufgebaut sind. Sie werden deshalb bevorzugt im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet. Aufgrund ihrer gepulsten Arbeitsweise sind sie flexibel einsetzbar, der mittlere Schub ist einfach durch Variation der Pulsfrequenz regelbar. Eine Mindestleistung muss nicht abgerufen werden, so dass ihnen zu geführte Leistung beispielsweise zwischen 1 und 200 W beliebig variiert werden kann, ohne dass die Charakteristik des Einzelpulses geändert wird.
Auch die mittlere Austrittsgeschwindigkeit lässt sich über die von Kondensatoren bereitgestellte Energie (d. h. z. B. durch Änderung der Ladespannung) variieren.
Vorteilhaft ist der Festtreibstoff, da ein Schwappen des Treibstoffmaterials, wie bei Flüssigtreibstoffen der Fall, vermieden wird.
Aufgrund der Verwendung des Festtreibstoffs in Helixform kann ein größerer Treibstoffvorrat in kompakter Weise bereitgestellt und auch in Kleinsatelliten untergebracht werden. So sind insbesondere Treibstoffvorräte von 10 kg Festtreibstoff und mehr selbst in Kleinsatelliten unterzubringen, die ca. 1 m³ Rauminhalt aufweisen, ohne das noch für die Nutzlast verfügbare Restvolumen zu stark einzuschränken.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden zwei Treibstoffelemente in Helixform verwendet, die gegensinnig angetrieben werden und damit einem einzigen Triebwerk als Treibstoffvorrat dienen können.
Die Zuführvorrichtung für das erfindungsgemäße Festtreibstoffelement kann einfach aufgebaut sein. Sie weist bevorzugt drei oder mehr parallel zur Helixmittelachse angeordnete Führungselemente auf, welche in vorgegebenen Winkelabständen und mit gleichem Abstand zur Helixmittelachse angeordnet sind. Weiter bevorzugt ist zumindest die Mehrzahl der Führungselemente mit regelmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet. Sie lässt sich so mit einem geringen Materialaufwand und damit gewichtssparend konstruieren.
Insbesondere lassen sich die Führungselemente so ausgestalten, dass sie das oder die Festtreibstoffelemente an außen und/oder innen liegenden Flächen derselben gleitend führen.
In diesem Zusammenhang umfassen die Führungselemente bevorzugt parallel zur Helixmittelachse ausgerichtete Stützpfosten, wobei ein Teil der Stützpfosten innerhalb der Helix und der andere Teil der Stützpfosten außerhalb der Helix angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Stützpfosten mittels Sprossen miteinander verbunden. Beispielsweise können die Stützpfosten mit quer zu der Helixachse verlaufenden Sprossen zu leiterartigen Strukturen verbunden werden. Die Sprossen müssen dabei nicht notwendigerweise radial verlaufen, wenn sie Stützpfosten im Innern der Helix mit Stützpfosten am Außenumfang der Helix miteinander verbinden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Stützpfosten mittels eines oder mehrerer, quer zu den Stützpfosten angeordneten helixförmigen Flächenelement bzw. Flächenelementen miteinander verbunden und auf Abstand zueinander gehalten.
Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Stützpfosten die einzelnen Windungen des helixförmigen Flächenelements auf einem vorgegebenen Abstand halten.
Bei bevorzugten Triebwerken weisen die Führungselemente Führungsbuchsen aus einem gleitreibungsarmen Material auf, wobei die Führungsbuchsen die Festtreibstoff-Helix bei ihrer Drehbewegung führen.
Das gleitreibungsarme Material der Führungsbuchsen wird bevorzugt aus Fluorpolymeren ausgewählt.
Vorzugsweise werden bei der Herstellung der Zuführvorrichtung metallische Materialien verwendet. Besonders bevorzugte Zuführvorrichtungen sind ganz überwiegend, wenn nicht fast ausschließlich, z. B. bis auf die vorgenannten Führungsbuchsen, aus metallischen Materialien hergestellt.
Allerdings sind gute Ergebnisse auch mit Stützpfosten aus Kunststoffmaterialien erzielbar.
Als besonders wartungsarm haben sich Antriebsvorrichtungen mit einem mechanischen Antriebsmechanismus erwiesen. Besonders bevorzugt sind hierbei federkraftbetriebene Antriebsmechanismen. Sie lassen sich besonders einfach mit den erfindungsgemäßen Festtreibstoffelementen in Helixform einsetzen.
Einen besonders störungsfreien Transport des Festtreibstoffs erhält man, wenn die Antriebsvorrichtung ein Kraftübertragungselement umfasst, welches die Antriebskraft der Antriebsvorrichtung auf das dem Triebwerk abgewandte Ende der Helix einleitet.
Der für die erfindungsgemäßen Festtreibstoffelemente zu verwendende Festtreibstoff wurde bislang noch nicht näher diskutiert.
Grundsätzlich kommt eine ganze Reihe von Festtreibstoffen in Betracht, deren Hauptkomponente einen Werkstoff umfasst, der elektrisch nicht leitend ist und der sich mittels Oberflächenkriechströmen ionisieren lässt.
Typische Beispiele für solche Werkstoffe sind TFE-Homopolymere, TFE-Copolymere, chemisch modifizierte TFE-Homopolymere, und TFE-Copolymere, voll- oder teilfluorierte TFE-Copolymere, andere teilfluorierte Homo- und Copolymere sowie nicht fluorierte Homo- und Copolymere.
Spezifische Vertreter für die einzelnen Werkstoffgruppen sind:

TFE-Homopolymere: Polytetrafluorethylen (PTFE)
Chemisch modifizierte TFE-Homopolymere: mit PPVE (Perfluorpropylvinylether) modifiziertes PTFE mit einem Modifiergehalt ≤ 1 Gew.-%, das aufgrund seines Molekulargewichts nach den selben Methoden verarbeitet wird, die auch für PTFE-Homopolymere angewandt werden; mit PPVE modifiziertes PTFE mit einem Modifiergehalt ≤ 1 Gew.-%, das aufgrund seines Molekulargewichts Eigenschaften aufweist, die eine Verarbeitung nach den klassischen Methoden der Thermoplastverarbeitung zulässt, also z. B. Spritzguss oder Extrusion.
TFE-Copolymere, vollfluoriert: mit PPVE modifiziertes PTFE mit einem Modifiergehalt von > 1 Gew.-%, das aufgrund seines Molekulargewichts Eigenschaften aufweist, die eine Verarbeitung nach den klassischen Methoden der Thermoplastverarbeitung zulässt, also z. B. Spritzguss oder Extrusion. Schmelzverarbeitbare PTFE-Materialien, wie sie z. B. in der WO 2000/008071 und der WO 2001/060911 beschrieben sind. PFA (Perfluoralkoxy-modifiziertes PTFE), MFA (Perfluormethylvinylethermodifiziertes PTFE), FEP (fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer)
TFE-Copolymere, teilfluoriert: ETFE (Ethylentetrafluorethylen), HTE (Hexafluorpropylen-Tetrafluorethylen-Ethylen-Terpolymer), THV (Fluorterpolymer aus TFE, HFP (Hexafluorpropylen) und VDF (Vinylidenfluorid)) Weitere teilfuorierte Homo- und Copolymere: ECTFE (Ethylenchlortrifluorethylen-Copolymer), PCTFE (Polychlortrifluorethylen-Homopolymer), PVDF (Polyvinylidenfluorid), PVF (Polyvinylfluorid)
Nicht fluorierte Homo- und Copolymere: PE (Polyethylen), PP (Polypropylen), Polyoxymethylen (POM, Polyacetal), Polyamide (PA), Polyester (PET = Polyethylenterephthalat und PBT = Polybutylenterephthalat), und/oder Copolymere hiervon.

Besonders bevorzugt hiervon sind Fluorpolymere, insbesondere vollfluorierte Homo- oder Copolymere.
Hiervon eignen sich besonders PTFE, chemisch modifiziertes PTFE oder Mischungen hiervon.
Von hervorragendem Interesse sind darüber hinaus so genannte schmelzverarbeitbare PTFE-Materialien, wie sie z. B. in der WO 2000/008071 und der WO 2001/060911 beschrieben sind.
Diese Werkstoffe lassen sich in reiner Form oder in Abmischung mit weiteren Komponenten in Form von Füllstoffen verwenden, mit welchen sich das Abbrandverhalten der Werkstoffe im Treibwerk optimieren lässt.
Solche Füllstoffe sind insbesondere Molybdändisulfid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Zinkoxid und Bornitrid oder Mischungen dieser Komponenten. Die bevorzugten mengenmäßigen Anteile variieren je nach der Natur des Werkstoffs und auch je nach der Natur des Füllstoffs.
Für die oben genannten spezifischen Füllstoffe ergeben sich regelmäßig folgende bevorzugt Anteile am Festtreibstoff:

MoS₂: ca. 0,01 bis ca. 0,4 Gew.-%

Al₂O₃: ca. 0,1 bis ca. 10 Gew.-%

SiC: ca. 0,2 bis ca. 5 Gew.-%

ZnO: ca. 0,02 bis ca. 5 Gew.-%

BN: ca. 1 bis ca. 15 Gew.-%
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Treibstoffelemente gemäß Anspruch 15.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen monolithischen helixförmigen Festtreibstoffelements muss unterschieden werden zwischen Elementen, die aus einem Festtreibstoff hergestellt sind, der sich als nicht thermoplastisch verarbeitbares Polymermaterial qualifiziert, oder solchen Materialien, die Thermoplast-Eigenschaften aufweisen.
Im Folgenden seien zunächst bevorzugte Maßnahmen besprochen, die im Zusammenhang mit der Herstellung von Festtreibstoffelementen aus Festtreibstoffen zu empfehlen sind, die sich als nicht thermoplastisch verarbeitbar qualifizieren. Hierzu gehören, wie weiter oben schon ausgeführt, TFE-Homopolymere oder chemisch modifizierte TFE-Homopolymere. Diese werden zunächst in einem Presswerkzeug zu einem hohlzylindrischen Pressrohling verarbeitet, der nachfolgend gesintert wird, um einen Sinterrohling zu ergeben. Der Sinterrohling entspricht dem vorstehend beschriebenen hohlzylindrischen Rohling, der dann wie beschrieben spanend bearbeitet wird, um das helixförmige Festtreibstoffelement zu ergeben.
Als nicht thermoplastisch verarbeitbare Festtreibstoffe sind insbesondere die TFE-Homopolymere oder chemisch modifizierte TFE-Homopolymere zu nennen. Diese werden bevorzugt in Pulverform oder Pulveragglomeratform verwendet und in die Pressform gefüllt.
Dabei werden die Abmessungen der hohlzylindrischen Kavität der Pressform vorzugsweise so gewählt, dass unter Berücksichtigung des während des nachfolgenden Sinterprozesses eintretenden Schrumpfvorgangs der Innendurchmesser kleiner und der Außendurchmesser größer als die jeweiligen Durchmesser der herzustellenden Helixstruktur des Festtreibstoffelements sind.
Die TFE-Homopolymer- oder chemisch modifizierte TFE-Homopolymerpulver werden vorzugsweise mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von ca. 15 μm bis ca. 220 μm, weiter bevorzugt im Bereich von ca. 15 μm bis ca. 90 μm, am meisten bevorzugt im Bereich von ca. 15 μm bis ca. 50 μm, verwendet. Feinere Partikel haben den Vorteil, dass eine bessere Porenfreiheit und Produkthomogenität beim Sintern erzielbar ist.
Im Fall von Pulveragglomeraten liegen die mittleren Agglomeratgrößen vorzugsweise im Bereich von ca. 150 μm bis ca. 1.100 μm, weiter bevorzugt im Bereich von ca. 150 μm bis ca. 800 μm, am meisten bevorzugt im Bereich von ca. 150 μm bis ca. 300 μm.
Bei dem Pressvorgang wird das Pulver bzw. Agglomerat vorzugsweise auf ca. 70% seiner theoretischen Dichte oder mehr verpresst.
Insbesondere wird beim Verpressen eine Dichte von ca. 80% der theoretischen Dichte oder mehr erreicht; am meisten bevorzugt werden ca. 90% oder mehr erreicht.
Für das Pressverfahren bietet sich insbesondere ein hydraulisches Pressverfahren an oder ein isostatisches Pressverfahren, wobei letzteres als so genanntes Nasssack- oder Trockensackverfahren durchgeführt werden kann.
Bevorzugt wird die Pressform so ausgestaltet, dass die Höhe des beim Pressen und Sintern erhaltenen Rohlings der Höhe in Axialrichtung von mindestens einer Helix des Festtreibstoffelements entspricht. Je nach Anzahl der gewünschten Windungen für die Helix des Festtreibstoffelements können in einem Press- und Sintervorgang auch Rohlinge erhalten werden, aus denen mehrere Festtreibstoffelemente gefertigt werden können.
Das Pressen der Festtreibstoffe geschieht häufig mit Pressdrucken im Bereich von ca. 75 bar bis ca. 700 bar, insbesondere ca. 75 bar bis ca. 500 bar.
Die Druckhaltezeit beim Pressen liegt bevorzugt im Bereich von ca. 10 sec. bis ca. 1 h, weiter bevorzugt im Bereich von ca. 10 sec. bis ca. 10 min..
Beim so genannten hydraulischen Pressvorgang kann der Pressdruck in Axialrichtung einseitig bezüglich des Presswerkzeuges bzw. des hohlzylindrischen Rohlings aufgebracht werden oder aber auch in Axialrichtung beidseitig. Letz teres ist bevorzugt, da damit ein Pressrohling mit homogenerer Dichte erzeugt werden kann.
Eine noch homogenere Dichte beim Pressrohling wird beim so genannten isostatischen Pressvorgang erzielt, bei dem typischerweise die Kräfte radial von außen wirken.
Anzustreben sind generell Pressrohlinge mit im Wesentlichen homogener Dichte, da diese von vornherein günstiger sind, um bei einem Sinterprozess Rohlinge zu erhalten, die über das Volumen gesehen gleichförmige Materialeigenschaften, insbesondere auch mechanische Materialeigenschaften, aufweisen.
Nach dem Sinterprozess wird der Pressrohling bevorzugt aus der Form entnommen und in einem Freisinterverfahren, d. h. in einem Sinterverfahren ohne formgebendes Werkzeug, gesintert.
Zum Sintern wird vorzugsweise ein Umluftofen eingesetzt, da mit diesem eine gleichmäßige Einwirkung der Sintertemperatur innen und außen bei dem Hohlzylindrischen Pressrohling erzielt werden kann.
Während des Sinterverfahrens wird der Pressrohling vorzugsweise rotieren gelassen, um noch gleichmäßigere Sinterbedingungen zu schaffen. Der Rohling kann dabei stehend oder liegend unter Rotation gesintert werden.
Nach Abschluss des Sintervorgangs wird ein hohlzylindrischer Rohling erhalten, dessen Material eine Dichte aufweist, die ca. 98% oder mehr der theoretischen Dichte des Festtreibstoffs entspricht, weiter bevorzugt ca. 99% oder mehr.
Im Anschluss an das Sintern wird der dabei erhaltene Sinterrohling als hohlzylindrischer Rohling spanend bearbeitet werden. Vorzugsweise wird dann jedoch noch in ein zusätzlicher Temperschritt vorgeschaltet.
Bei den erwähnten Materialien, die nicht thermoplastisch verarbeitbar sind, haben sich als Temperungstemperaturen ca. 200°C bis ca. 280°C als günstig erwiesen, wobei Temperungsdauern im Bereich von ca. 5 h bis ca. 15 h optimale Ergebnisse liefern. Der im Vorgehenden beschriebene Temperungsschritt schließt die Phasen des Aufheizens auf die Maximaltemperatur des Temperns sowie die Abkühlung in die Nähe der Raumtemperatur mit ein.
Wird der Festtreibstoff als ein thermoplastisch verarbeitbares Polymermaterial ausgewählt, wird für die Verarbeitung des Polymermaterials bevorzugt ein Press-Schmelzwerkzeug mit hohlzylindrischer Kavität verwendet und das thermoplastisch verarbeitbare Polymer wird bevorzugt in Granulatform eingesetzt.
Auch hier gilt, dass die geometrischen Abmessungen der Kavität des Press-Schmelzwerkzeugs so gewählt werden, dass ein hohlzylindrischer Rohling erhalten werden kann, der einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Helix des Festtreibstoffelements. In gleicher Weise bevorzugt ist die geometrische Abmessung der Kavität des Press-Schmelzwerkzeugs so ausgestaltet, dass ein hohlzylindrischer Rohling erhalten wird, der einen Außendurchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser der Helix des Festtreibstoffelements.
Ähnlich wie bereits bei der Verarbeitung von nicht thermoplastisch verarbeitbaren Festtreibstoffen wird die Höhe des Press-Schmelzwerkzeugs so gewählt, dass ein Press-Schmelzrohling erhalten wird, dessen axiale Höhe mindestens der axialen Höhe der Helix eines Festtreibstoffelements entspricht. Ebenfalls kann hier in einem Vorgang ein Rohling erhalten werden, aus dem mehrere Rohlinge für die spanende Bearbeitung zur Herstellung des endgültigen helixförmigen monolithischen Festtreibstoffelements gewonnen werden können.
Der Press-Schmelzvorgang wird zunächst mit einem Press-Schritt begonnen, bei dem ein Pressdruck von vorzugsweise im Bereich von ca. 40 bar bis ca. 100 bar angewendet wird.
Die Zeitdauer für die Aufrechterhaltung des Pressdrucks ist relativ unkritisch und liegt vorzugsweise bei ca. 5 min..
Die Bedingungen des Press-Schmelzvorgangs werden so gewählt, dass der Press-Schmelzrohling nach dem Press-Schritt mit einer Dichte erhalten wird, die ca. 60% oder mehr der theoretischen Dichte des Festtreibstoffmaterials beträgt.
Im Anschluss an den Pressvorgang wird die geschlossene Form samt Inhalt in einen Schmelzofen überführt, in dem das Werkzeug samt dem darin enthaltenen verpressten Kunststoffgranulat erwärmt wird, so dass das Kunststoffgranulat vollständig aufgeschmolzen wird. Typische Bedingungen für diesen Schmelz-Schritt sind beispielsweise für verschiedene Werkstoffe im Folgenden aufgelistet:

Moldflon 360°C 36 h Haltezeit

PFA 343°C 36 h Haltezeit

ETFE 290°C 72 h Haltezeit

PVDF 200°C 36 h Haltezeit

THV 200°C 36 h Haltezeit
Die genannten Haltezeiten gelten für hohlzylindrische Rohlinge mit einer Wandstärke von ca. 50 bis ca. 80 mm.
Unter dem Werkstoff Moldflon wird im vorliegenden Zusammenhang ein PTFE-Copolymer verstanden, welches einen Gehalt von 1,2 Gew.-% des Comonomers PPVE aufweist und einen Schmelzflussindex MFI (372°C/5 kg) von 2 g/10 min zeigt.
Typische Aufheizzeiten liegen im Bereich von ca. 3 h bis ca. 4 h.
Das noch heiße Werkzeug wird bevorzugt samt Inhalt dem Schmelzofen entnommen und in eine Presse überführt. Das Erkalten der Schmelze erfolgt dann unter gleichzeitigem Aufbringen eines Pressdrucks. Dadurch wird sichergestellt, dass die Polymerschwindung während des Abkühlens nicht zu Lunkerbildung führt. Nach dem Erkalten wird der hohlzylindrische Rohling dem Press-Schmelzwerkzeug entnommen, und um innere Spannungen abzubauen, wird vorzugsweise ein Temperschritt nachgeschaltet.
Die Bedingungen eines Temperschritts sind bei den vorgenannten Polymerwerkstoffen beispielsweise die Folgenden:

Moldflon 260°C 5 bis 15 h Haltezeit

PFA 240°C 5 bis 15 h Haltezeit

ETFE 175°C 5 bis 15 h Haltezeit

PVDF 100°C 5 bis 15 h Haltezeit

THV 100°C 5 bis 15 h Haltezeit
Alternativ können die thermoplastisch verarbeitbaren Festtreibstoffe auch mittels Extrusion oder Transfermolding zu einem hohlzylindrischen Rohling verarbeitet werden.
Erzielt man mit den vorstehend beschriebenen Verfahren zunächst einen hohlzylindrischen Rohling, wird dieser durch spanabhebende Bearbeitung wie vorstehend schon im Einzelnen ausgeführt zum fertigen Festtreibstoffelement in monolithischer Form verarbeitet.
Das fertige helixförmige monolithische Festtreibstoffelement lässt sich mit höheren Werkzeugkosten auch direkt im Spritzguss, mittels Extrusion oder Transfermolding herstellen.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im Einzelnen anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
1a und 1b ein Antriebssystem für Kleinsatelliten in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen mit erfindungsgemäßen Festtreibstoffeelementen;
2 ein Triebwerk des Antriebssystems von 1;
3a und 3b erfindungsgemäße Festtreibstoffelemente in Helixform für das Antriebssystem von 1; und
4 eine alternative Ausführungsform einer Zuführvorrichtung des Antriebs von 1 mit erfindungsgemäßen Festtreibstoffelementen.
Die 1a und 1b zeigen ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehenes Antriebssystem mit einem elektrischen Triebwerk 12, welches mit einem Festtreibstoffvorrat 14 betrieben wird. Der Festtreibstoffvorrat 14 besteht aus zwei erfindungsgemäßen helixförmigen monolithisch aufgebauten Festtreibstoffelementen 16 und 18, die in einer Zuführvorrichtung 20 gelagert und dem Triebwerk 12 bedarfsweise zugeführt werden.
Das Triebwerk 20 ist als so genanntes PPT-Triebwerk ausgestaltet, dessen Funktion im Zusammenhang mit 2 noch näher erläutert wird, und umfasst vier Hochleistungskondensatoren 22, 24, 26, 28, die in Form einer kompakten Kondensatorbank 30 auf einer Grundplatte 31 montiert sind. Die Anschlüsse der Kondensatoren 22, 24, 26, 28 sind mittels Metallplatten 32, 34 parallel geschaltet.
Die Metallplatten 32, 34 sind mit den Elektroden 36, 38 des Triebwerks 12 verbunden oder mit ihnen, wie in 2 gezeigt, bevorzugt jeweils einstückig ausgebildet.
Die im Wesentlichen hohlzylindrische Zuführvorrichtung 20 umfasst je eine Antriebsvorrichtung 40 bzw. 41 für die erfindungsgemäßen Festtreibstoffele mente 16 und 18, die bei der Ausführungsform des Antriebssystems 10 gemäß 1a am Außenumfang der Zuführvorrichtung 20 angeordnet und von der Grundplatte 31 gehalten ist.
1b zeigt die alternative Anordnung der Antriebsvorrichtung 40 im Inneren der Zuführvorrichtung 20, wobei hier die Antriebsvorrichtung 40 von einer Montageplatte 39 gehalten wird.
Die Arbeitsweise des PPT-Triebwerks 20 soll nun im Zusammenhang mit 2 kurz skizziert werden.
Zunächst werden die Kondensatoren 22, 24, 26, 28 mit einer elektrischen Energie E₀ aufgeladen, die bei einer vorgegebenen Ladespannung V₀ erreichbar ist.
Die erfindungsgemäßen Festtreibstoffelemente 16, 18 sind mit ihrem vorderen Ende zwischen den Elektroden 36, 38 des Triebwerks 12 angeordnet und füllen den Zwischenraum zwischen den Elektroden in der Höhe im Wesentlichen vollständig aus (in 2 ist das Element 16 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt).
Die Elektrode 38 weist auf ihrer der Elektrode 36 zugewandten Fläche Anschläge 44 bzw. 46 auf, gegen die die erfindungsgemäßen helixförmigen Festtreibstoffelemente 16 bzw. 18 durch die Antriebsvorrichtungen 40, 41 gefördert werden.
Es ist nicht erforderlich, dass die beiden erfindungsgemäßen helixförmigen Festtreibstoffelemente 16, 18 innerhalb des Triebwerks gegeneinander anliegen; vielmehr kann zwischen den Stirnflächen ein Abstand von mehreren mm oder gar mehr vorgesehen sein, ohne dass dies die Funktion des Triebwerks beeinträchtigt.
Die vorderen Enden der erfindungsgemäßen Festtreibstoffelemente 16 bzw. 18 sind vorzugsweise abgeschrägt (vgl. 3a und 3b), so dass sich hier ein keilförmiger Zwischenraum 48 zwischen den beiden vorderen Enden der Festtreibstoffelemente bildet.
Im Bereich dieses Zwischenraums 48 ist kathodenseitig (hier Elektrode 36) eine Zündkerze 50 angeordnet.
Die Ladespannung V₀ wird nun so vorgegeben, dass sich unter Berücksichtigung des Elektrodenabstands und des elektrischen Widerstands des bevorzugten erfindungsgemäßen Festtreibstoffs bei in das Triebwerk 12 eingerückten Festtreibstoffelementen 16 und 18 keine Entladung der Kondensatoren einstellen kann.
Wird jedoch von der Zündkerze 50 ein Zündimpuls gegeben, wird der Festtreibstoff an den innerhalb des Triebwerks 12 den Zwischenraum 48 bildenden Stirnseiten der bevorzugten erfindungsgemäßen Festtreibstoffelemente 16 und 18 in einer dünnen Oberflächenschicht ionisiert und ein Plasma erzeugt, über welches sich die Kondensatoren 22, 24, 26, 28 entladen.
Der dabei auftretende Entladungsstrom erzeugt ein magnetisches Feld, welches mit dem durch das Plasma fließenden Strom in Wechselwirkung tritt (Lorentzkraft). Dadurch wird die Plasmaschicht entlang der Elektroden 36, 38 zu deren freien Enden 52, 54 hin beschleunigt und tritt dann an den freien Enden der Elektroden aus. Nach erneuter Ladung der Kondensatoren ist das Antriebssystem 10 für die nächste Zündung bereit.
Im Folgenden seien anhand von beispielhaften Geometrien Anhaltspunkte für mögliche Betriebs- und Leistungsparameter eines erfindungsgemäßen Festtreibstoffelements gegeben. Jedoch sind auch diese Werte nur als beispielhafte Angaben zu werten, die in weiten Grenzen variiert werden können.
Die nachfolgenden Leistungsparameter beziehen sich auf eine beispielhafte Festtreibstoffelementgeometrie mit einer vorderen Stirnfläche von ca. 20 mm Höhe und ca. 50 mm Breite.
Die Kapazität der Kondensatoren 22, 24, 26, 28 beträgt beispielsweise jeweils ca. 10 μF. Die Spannung V₀ liegt beispielsweise im Bereich von ca. 1000 V bis ca. 2000 V. Damit sind Speicherenergien von ca. 5 bis ca. 80 J realisierbar.
Im Fall der Verwendung von PTFE als Polymer-Werkstoff und damit eng verwandten Polymer-Werkstoffen als Festtreibstoff ergibt sich aufgrund des spezifischen elektrischen Widerstands dieser Materialien eine maximale Spannung für die Kondensatorladung von ca. 50 kV/mm Elektrodenabstand. Die realisierbaren Ladespannungen sind damit primär von den zulässigen Ladespannungen der Kondensatoren abhängig.
Der auftretende Entladestrom, der besser als Stromstoß zu bezeichnen wäre, kann beispielsweise einen I_max bis ca. 50 kA aufweisen und ca. 8 μs dauern. Der so erzeugte Impuls erreicht einen Wert bis ca. 1,5 mNs. Die auftretenden Ausstoßgeschwindigkeiten liegen im Bereich von ca. 10.000 bis ca. 20.000 m/s.
Im Falle von PTFE und PTFE-ähnlichen Festtreibstoffen entspricht ein Verbrauch oder Abtrag an der Stirnfläche von 40 μg pro Puls bei der oben genannten Geometrie ca. 0,001 μm Länge pro Helixelement.
Die Frequenz, mit der das PPT-Triebwerk betrieben werden kann, ist durch die Temperatur, die die Elektroden im Betrieb erreichen, begrenzt. Diese muss geringer bleiben als die Verdampfungstemperatur des Festtreibstoffs. Typische Pulsfrequenzen liegen bei ca. 0,5 bis ca. 1,5 Hz.
Die Betriebsdauer der Antriebssysteme mit erfindungsgemäßen Festtreibstoffelementen kann beispielsweise für ca. 2 Jahre bis ca. 3 Jahre oder auch erheblich mehr konzipiert werden (entsprechend 50 bis 100 Mio. Pulse).
Nach überschlägigen Berechnungen sollte für einen 200 kg schweren Satelliten für das Zurücklegen einer Distanz bis zu einer Mondumlaufbahn ein Treibstoffvorrat von ca. 50 kg antizipiert werden.
Die 3a und 3b dienen der Illustration des Festtreibstoffvorrats 14, der erfindungsgemäß als monolithische und in Form einer Helix ausgebildete bevorzugte erfindungsgemäße Festtreibstoffelemente 16, 18 vorliegt.
Die erfindungsgemäßen Festtreibstoffelemente 16 und 18 weisen jeweils ein vorderes Ende 86 bzw. 88 auf, deren Stirnflächen 90 bzw. 92 bevorzugt in einem spitzen Winkel zur Radialrichtung der Helixgeometrie ausgerichtet sind.
Dadurch bildet sich zwischen den vorderen Enden 86 und 88 der erfindungsgemäßen Festtreibstoffelemente 16 und 18 ein keilförmiger Zwischenraum aus, oberhalb dessen die Zündkerze des Triebwerks 12 positioniert werden kann. Damit kann mit einem Zündvorgang eine Ionisierung der Stirnseiten beider erfindungsgemäßer Festtreibstoffhelices 16 und 18 erfolgen. Wie weiter oben bereits erwähnt, müssen die erfindungsgemäßen Festtreibstoffelemente 16 und 18 innerhalb des Triebwerks 12 nicht notwendigerweise direkt in Kontakt. miteinander stehen, wie dies in den 3a und 3b gezeigt ist.
In dem in den 3a und 3b abgebildeten Ausführungsbeispiel weisen die Helices 16 und 18 jeweils zwei vollständige Windungen auf. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl an Windungen beschränkt ist. Vielmehr wird die Zahl der Windungen entsprechend der mitzuführenden Festtreibstoffmenge unter Berücksichtigung der sonstigen Abmessungen der Helices bestimmt.
Das jeweils hintere Ende 96, 98 der Helices 16 und 18 wird in der Regel von einer im Wesentlichen radial zur Helixgeometrie verlaufenden hinteren Stirnseite 100, 102 gebildet. Vorzugsweise greifen die Antriebsmechanismen der Antriebssysteme an diesen hinteren Stirnseiten an.
Um die erfindungsgemäßen Festtreibstoffelemente in monolithischer Form bereitzustellen, eignen sich verschiedene Verfahren, wobei jedoch stets darauf zu achten ist, dass durch das jeweilige Herstellungsverfahren keine unzuträglichen Spannungen im Material der Festtreibstoffelemente erzeugt bzw. ausreichend durch geeignete Maßnahmen abgebaut werden. Ungeeignet sind in dieser Hinsicht Verfahren wie beispielsweise ein Schichtaufbau der Helices, der ebenfalls keine ausreichende Gewähr für eine über lange Zeiträume und unter extremen Temperaturwechselbedingungen stabile Helix-Geometrie bietet. Diese sind im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht als monolithisch zu werten.
Ebenfalls als nicht monolithisch sind Treibstoffelemente anzusehen, die aus einer Mehrzahl von separat gefertigten Helixelementen nachträglich zusammengesetzt sind.
Je nach Werkstoffgruppe sind unterschiedliche Verfahren für die Herstellung der helixförmigen monolithischen Festtreibstoffelemente möglich. Im Folgenden wird zwischen den nicht thermoplastisch verarbeitbaren TFE-Homopolymeren und chemisch modifizierten TFE-Homopolymeren einerseits und den thermoplastisch verarbeitbaren anderen Polymer-Werkstoffgruppen andererseits unterschieden.
1. TFE-Homopolymere und chemisch modifizierte TFE-Homopolymere
Die Herstellung der Festtreibstoffelemente erfolgt durch Anwendung von drei Fertigungsstufen:

– Pressen eines Polymer-Pulvers oder -Agglomerats zu einem Pressrohling;
– Sintern des Pressrohlings zu einem Sinterrohling;
– Herstellung des helixförmigen Festtreibstoffs aus dem Sinterrohling mittels spanabhebender Bearbeitung.

Pressen:
Für das Pressen eignen sich sowohl das hydraulische Pressverfahren als auch das isostatische Pressverfahren. Beim letztgenannten Verfahren kann sowohl das Nasssack- als auch das Trockensackverfahren angewandt werden.
Beim hydraulischen Pressen wird zunächst eine Pressform mit einer hohlzylindrischen Kavität mit dem in Pulverform oder Agglomeratform vorliegenden Polymerpulver gefüllt. Die Abmessungen der Pressform werden vorzugsweise so gewählt, dass unter Berücksichtigung des während des Sinterprozesses eintretenden Schrumpfvorgangs der Innendurchmesser kleiner und der Außendurchmesser größer als die jeweiligen Durchmesser der herzustellenden Helixstruktur sind. Dadurch ist gewährleistet, dass bei der spanabhebenden Herstellung der Helixform eine allumseitige Bearbeitung der Struktur erfolgen kann. Dadurch ist sichergestellt, dass exakte Endabmessungen gefertigt werden können.
Die Höhe der Pressform kann so gewählt werden, dass entweder eine oder mehrere Helixstrukturen aus einem hohlzylindrischen Rohling herausgearbeitet werden können.
Als Pressdruck zur Verdichtung des Pulvers zu einem sogenannten Pressrohling werden Drücke, je nach Art des vorliegenden Polymerpulvers, insbesondere im Bereich von ca. 75 bar bis ca. 500 bar angewandt. Die Druckhaltezeit bei maximalem Druck wird dabei vorzugsweise im Bereich von ca. 10 sec. bis ca. 1 Std. gewählt.
Bei der Durchführung des hydraulischen Pressverfahrens kann der Pressaufbau so gewählt werden, dass entweder eine einseitige axiale Einwirkung des Pressdrucks erfolgt oder eine beidseitige.
Das Pressverfahren mit beidseitiger Durckeinwirkung ist zu bevorzugen, weil dadurch ein Rohling mit homogenerer Dichteverteilung hergestellt werden kann. Durch eine homogene Druckverteilung bei der Herstellung eines Rohlings können von vornherein innere Spannungen reduziert werden.
Nach der Verdichtung des Pulvers wird der Pressrohling entformt und steht dann für die anschließende Sinterung, insbesondere mittels Freisinterverfahren, im Umluftofen zur Verfügung.
Sintern:
Das Sintern erfolgt bevorzugt in einem Umluftofen. Das anzuwendende Sinterprogramm wird entsprechend den Pressrohlingsabmessungen ausgewählt.
Beispielsweise hat ein Rohling für zwei Helices mit jeweils zwei vollständigen Windungen die Abmessungen:

Innendurchmesser: 250 mm
Außendurchmesser: 500 mm
Höhe: 300 mm

Ein solcher Rohling eignet sich für die Fertigung von fertigen helixförmigen Festtreibstoffelementen mit einem Innendurchmesser von 300 mm und einem Außendurchmesser von 400 mm.
Hier kann das folgende Sinterprogramm angewandt werden:
Aufheizen:

Aufheizgeschwindigkeit 20 K/h für die Temperaturerhöhung von 23°C auf 345°C.
Haltezeit bei 345°C: 12 h
Aufheizgeschwindigkeit 20 K/h für die Temperaturerhöhung von 345°C auf 375°C.
Halten bei maximaler Temperatur von 375°C: 12 h

Abkühlphase:

Abkühlgeschwindigkeit 10 K/h für eine Temperaturabsenkung von 375°C auf 23°C.

Während des Sinterns kann der Rohling stehend im Ofen verweilen oder liegend unter Rotation der Hitzeeinwirkung ausgesetzt werden. Auch ist es möglich, den Rohling vertikal stehend auf einer rotierenden Unterlage möglichst gleichmäßig von allen Seiten der Hitzeeinwirkung auszusetzen.
Nach dem Sintern wird bevorzugt ein Temperschritt angefügt werden. Hierbei wird der Rohling beispielsweise über eine Gesamtdauer von ca. 5 bis ca. 15 Std. auf ca. 250 bis ca. 280°C erwärmt. Der Temperschritt schließt die Phasen Aufheizen auf Maximaltemperatur und Abkühlen auf Raumtemperatur mit ein.
Spanabhebende Bearbeitung:
Die Herstellung des helixförmigen Festtreibstoffelements erfolgt vorzugsweise durch spanabhebende Fertigung unter Verwendung des gesinterten Hohlzylinders als Rohling. Dabei erfolgt die Formgebung durch Bearbeitung häufig vom Außendurchmesser her. Jedoch ist auch eine Bearbeitung vom Innendurchmesser her möglich.
Um Spannungsarmut bei dem helixförmigen Festtreibstoffelement sicherzustellen, sollten vorzugsweise iterativ, abwechselnd spanabhebende Bearbeitungsschritte und dazwischengeschaltete Temperschritte vor genommen werden. Das Zwischenschalten von Temperschritten dient dem Abbau interner Spannungen. Dadurch wird die Voraussetzung dafür geschaffen, dass sich das helixförmige Festtreibstoffelement im Einsatz unter den unwirtlichen Bedingungen im Weltall seine Dimensionen beibehält und sich nicht verzieht und damit das einwandfreie Funktionieren der Treibstoffzufuhr nicht gefährdet wird.
2. Thermoplastisch verarbeitbare Polymere
Die Herstellung des helixförmigen Treibstoffsegments erfolgt auch hier vorzugsweise durch spanabhebende Bearbeitung unter Verwendung eines hohlzylindrischen Halbzeugs oder Rohlings. Dabei wird vorzugsweise durch iteratives Vorgehen mit spanabhebenden Prozessschritten und Temperschritten sichergestellt, dass ein spannungsarmes Endprodukt erhalten wird.
Jedoch ist auch die Herstellung des helixförmigen Treibstoffelements über Spritzguss, Extrusion oder Transfermodulierung möglich. Falls erforderlich, kann in diesen Fällen eine spanabhebende Bearbeitung nachgeschaltet werden.
Die Herstellung des hohlzylindrischen Halbzeugs oder Rohlings aus diesen thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoffen erfolgt vorzugsweise nach dem nachfolgend beschriebenen Verfahren:
Pressen:
Der Kunststoff wird in Granulatform in ein hohlzylindrisches Press-Schmelzwerkzeug eingebracht.
Die Abmessungen der Kavität des Press-Schmelzwerkzeugs sind vorzugsweise so zu wählen, dass unter Berücksichtigung etwaiger Schrumpfvorgänge der Innendurchmesser kleiner und der Außendurch messer größer als die jeweiligen Durchmesser der herzustellenden Helixstruktur für das erfindungsgemäße Festtreibstoffelement sind. Dadurch ist gewährleistet, dass bei der spanabhebenden Herstellung der Helixform eine allumseitige Bearbeitung der Struktur erfolgen kann. Dadurch ist sichergestellt, dass exakte Endabmessungen gefertigt werden können.
Die Höhe der Press-Schmelzform wird bevorzugt so gewählt, dass entweder eine oder mehrere Helixstrukturen aus einem Hohlzylinder herausgearbeitet werden können.
Das Granulat wird nach dem Einbringen in das Press-Schmelzwerkzeug durch Aufbringen eines Pressdrucks im Druckbereich von ca. 40 bar bis ca. 100 bar während ca. 5 min. verdichtet.
Aufschmelzen:
Anschließend wird das mittels Pressstempel verschlossene Press-Schmelzwerkzeug mitsamt Inhalt in einen Schmelzofen überführt. Durch Anwendung eines geeigneten Schmelzprogramms wird das Press-Schmelzwerkzeug erwärmt und das darin enthaltene Kunststoffgranulat vollständig aufgeschmolzen.
Typische Bedingungen für einen Schmelzprozess für einen Rohling mit den Abmessungen

Innendurchmesser: 280 mm

Außendurchmesser: 420 mm

Höhe: 710 mm

werden im Folgenden beschrieben. Ein solcher Rohling eignet sich für die Fertigung von helixförmigen Festtreibstoffelementen mit einem In nendurchmesser von 300 mm und einem Außendurchmesser von 400 mm.
Temperaturprogramm:
Einbringen des mit Moldflon^® befüllten Presswerkzeugs bei Raumtemperatur

Aufheizen des Ofens auf 360°C während 4 h
Haltezeit: 36 h bei 360°C

Das heiße Presswerkzeug wird dann samt Inhalt dem Schmelzofen entnommen und in eine Presse überführt. Das Erkalten der Schmelze erfolgt dann unter gleichzeitigem Aufbringen eines Pressdrucks. Dadurch wird sichergestellt, dass die Polymerschwindung während des Abkühlens nicht zu Lunkerbildung führt.
Nachdem die heiße Pressform in die Presse überführt worden ist, wird der Pressdruck aufgebracht. Während ca. 20 min. bis 25 min. wird dabei der Pressdruck kontinuierlich erhöht, bis der Enddruck von ca. 100 bar erreicht ist. Zur Abkühlung wird die Pressform unter diesem Druck weitere ca. 8 h belassen. Dabei sinkt die am Presswerkzeug außen ermittelte Temperatur auf einen Wert < 100°C ab.
Nach dem Erkalten wird der zylindrische Rohling dem Presswerkzeug entnommen und interne Spannungen werden ggf. durch einen nachgeschalteten Temperschritt reduziert.
Das dermaßen hergestellte Halbzeug steht dann für die anschließende Helixfertigung mittels spanabhebendem Prozess zur Verfügung, wie bereits im Zusammenhang mit dem Herstellverfahren unter 1. beschrieben wurde.

Andere thermoplastische Werkstoffe lassen sich analog verarbeiten, wobei die nachfolgende Tabelle 1 für ausgewählte Beispiele, die von den vorstehend beschriebenen Parametereinstellungen abweichenden empfohlenen Werte wiedergibt. Tabelle 1

	PFA	ETFE	PVDF	THV
Aufschmelzen Temperaturprogramm
Aufheizen des Ofens auf [°C]	343	290	200	200
während [h]	4	3,5	3	3
Haltezeit [h]	36	72	36	36
bei [°C]	343	290	200	200
Abkühlen bei
Druck [bar]	100	100	120	120
auf Temperatur unter [°C]	100	80	70	70
Zeit [h]	8	10	7	7

3. Ermittlung der inneren Spannungen

Für die Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Helices ist deren Formstabilität von wesentlicher Bedeutung. Zum Nachweis von internen Spannungen, die während des Einsatzes der Helices zu Verformung und damit zu Funktionsstörungen bzw. Funktionsausfall führen können, wird folgendes Verfahren angewandt:
Die Helix mit zwei vollständigen Windungen wird an einem Helixende so in eine Aufnahmevorrichtung eingespannt, dass ihre Längsachse senkrecht ausgerichtet ist. Beide Helixenden sind senkrecht übereinander positioniert. Anschließend wird die an einem Ende fixierte Helix in einen Umluftofen eingebracht und folgendem Temperaturprogramm ausgesetzt: Tabelle 2

Werkstoff	Maximaltemperatur (°C)	Haltezeit bei Maximaltemperatur (h)
TFE Homopolymer	250	6
Modifiziertes TFE-Homopolymer	250	6
Moldflon^®	240	6
PFA	220	6
MFA	220	6
FEP	180	6
ETFE	170	6
PVDF	80	6
THV	80	6

Bei anderen erfindungsgemäß verwendbaren Werkstoffen wird die jeweils anzuwendende Maximaltemperatur entsprechend den unterschiedlichen Kristallitschmelztemperaturen, bezogen auf PTFE, angepasst.
Die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit kann entsprechend der Heiz- und Kühlleistung des verwendeten Umluftofens angepasst werden und ist für den Test von untergeordneter Bedeutung.
Nach erfolgtem Abkühlen auf Raumtemperatur wird die Helix weitere 24 h bei 23 ± 2°C gelagert.
Anschließend wird über den Versatz der beiden Helixenden die infolge interner Spannungen erfolgte Deformation der Helix ermittelt.
Für ein fertiges helixförmiges Festtreibstoffelement mit einem Innendurchmesser von 300 mm und einem Außendurchmesser von 400 mm gilt beispielsweise:
Die erfindungsgemäße Helix soll vorzugsweise unter diesen Testbedingungen in tangentialer Richtung gemessen maximal einen Versatz der Stirnseiten von 5% des Außendurchmessers der Helix aufweisen oder weniger, weiter bevorzugt ist ein Versatz von 3% oder weniger.
Im Folgenden sei anhand der 4 noch eine alternative Zuführvorrichtung des erfindungsgemäßen Festtreibstoffelemente besprochen.
Wichtig für die Auslegung der Zuführvorrichtung 20 und insbesondere deren Antriebsvorrichtungen 40 ist, dass diese bei der Nachführung der Helices keine bzw. bestenfalls vernachlässigbare Kraftmomente erzeugen, die sich auf die Lage des Satelliten auswirken könnten.
Eine günstige Voraussetzung hierfür wird schon mit einer möglichst präzisen Festtreibstoffgeometrie geschaffen.
Eine ganz andere Art des Aufbaus der Zuführvorrichtung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems ist in 4 gezeigt und dort mit dem Bezugszeichen 150 versehen. Bei dieser Art von Zuführvorrichtung sind vertikale Führungselemente 152, 154 vorhanden, die in regelmäßigen Winkelabständen in Radialrichtung der Helixstruktur angeordnet und gegeneinander mithilfe einer Montageplatte 156 in einer vorgegebenen Position fixiert sind. Die Montageplatte 156 dient gleichzeitig der Halterung der Antriebsvorrichtungen 40, 41.
Die Vertikal-Führung für die Festtreibstoffelemente 16, 18 übernehmen hier in Radialrichtung angeordnete Bolzen 160, die oberhalb und unterhalb des jeweiligen Verlaufs der erfindungsgemäßen Festtreibstoffelemente 16, 18 angeordnet sind und diese gleitend führen.
Die Vertikalstützen 152, 154 weisen Langlöcher auf, durch die die Bolzen 160 ragen und gehalten werden. Die Vertikalstützen 152, 154 lassen sich kostengünstig als Spritzgussteile fertigen.
Die Führung für das Antriebselement oder den Faden 124 können wiederum die Vertikal-Führungselemente 152, die im Inneren der Helix angeordnet sind, übernehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2000/008071 [0032, 0035]
- WO 2001/060911 [0032, 0035]

Claims

Festtreibstoffelement, insbesondere für ein elektrisches Triebwerk vom PPT(pulsed plasma thruster)-Typ in Form einer monolithischen Helix aus einem Festtreibstoff.
Festtreibstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Helixform mindestens eine vollständige Windung aufweist.
Festtreibstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Helix im Wesentlichen zwei vollständige Windungen oder mehr aufweist.
Festtreibstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festtreibstoff als Hauptkomponente einen Polymer-Werkstoff umfasst, welcher sich mittels Oberflächenkriechströmen ionisieren lässt.
Festtreibstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Festtreibstoff einen Füllstoff umfasst.
Festtreibstoffelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff ausgewählt ist aus elektrisch schlecht leitenden, halbleitenden und/oder nichtleitenden Füllstoffen.
Festtreibstoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff ausgewählt ist aus MoS₂, Al₂O₃, SiC, ZnO, BN und Mischungen dieser Materialien.
Festtreibstoffelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Füllstoffmaterialien am Festtreibstoff bis zu ca. 15 Gew.-% beträgt.
Festtreibstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Werkstoff mindestens ein Polymer umfasst, welches aus Fluorpolymeren ausgewählt ist.
Festtreibstoffelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorpolymere ausgewählt ist aus PTFE, chemisch modifiziertem PTFE, schmelzverarbeitbarem PTFE, PFA, FEP, MFA, HTE, THV, ETFE, PCTFE, PVF, ECTFE, PCTFE und PVDF.
Festtreibstoff nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorpolymere ein vollfluoriertes Homo- oder Copolymeres ist.
Festtreibstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das vollfluorierte Fluorpolymere PTFE, chemisch modifiziertes PTFE, schmelzverarbeitbares PTFE oder Mischungen hiervon umfasst.
Festtreibstoffelement nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Werkstoff Kohlenwasserstoffpolymere und -copolymere, Polymere und Copolymere von Polyamiden und/oder Polyestern umfasst.
Festtreibstoffelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Werkstoff eines oder mehrere der Polymere PE, PP, POM, PA, PET und PBT und/oder Copolymere hiervon umfasst.
Verfahren zu Herstellung eines Festtreibstoffelements für Satellitenantriebssysteme nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die Schritte – Herstellen eines zylindrischen oder hohlzylindrischen Rohlings aus einem Festtreibstoff mit einer Außenumfangsfläche mit einem Außendurchmesser; – spanende Bearbeitung des Rohlings beginnend von seiner Außenumfangsfläche her in zwei oder mehr Schritten, wobei in einem ersten Schritt in die Außenumfangsfläche eine auf dieser schraubenlinienförmig verlaufende Nut eingebracht wird und wobei in jedem der folgenden Schritte die schraubenlinienförmige Nut vertieft wird bis zu einer Tiefe, die der Differenz des Außen- und Innendurchmessers des fertigen helixförmigen Festtreibstoffelementes entspricht, wobei zwischen den einzelnen Schritten der spanenden Bearbeitung mindestens ein thermischer Relaxier-schritt durchgeführt wird, um durch die spanende Bearbeitung entstandene Materialspannungen abzubauen; und – Abtragen des Festtreibstoffmaterials im Innern des Rohlings bis ein Innendurchmesser erreicht ist, der dem Innendurchmesser des fertigen helixförmigen Festtreibstoffelements entspricht.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Festtreibstoff ein TFE-Homopolymer oder ein chemisch modifiziertes TFE-Homopolymer in Pulverform oder Pulveragglomeratform verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das TFE-Homopolymer oder chemisch modifizierte TFE-Homopolymer als Pulver mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von ca. 15 μm bis ca. 220 μm verwendet wird oder im Fall von Pulveragglomeraten mit einer mittleren Agglomeratgröße im Berich von ca. 150 μm bis ca. 1100 μm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver oder das Agglomerat des Festtreibstoffs zunächst in einer hohlzylindrischen Kavität zu einem Pressrohling gepresst und danach zu dem hohlzylindrischen Rohling gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver oder Agglomerat beim Pressen auf 70% seiner theoretischen Dichte oder mehr gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das verpresste Pulver oder Agglomerat beim Sintern auf 98% seiner theoretischen Dichte oder mehr gesintert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressen ein hydraulisches Pressverfahren oder ein isostatisches Pressverfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das isostatische Pressverfahren als sogenanntes Nasssack- oder Trockensackverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressen eine Form verwendet wird, die einen Innendurchmesser des hohlzylindrischen Rohlings vorgibt, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Helix des Festtreibstoffelements.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressen eine Form verwendet wird, die einen Außendurchmesser des hohlzylindrischen Rohlings vorgibt, der größer ist als der Außendurchmesser der Helix des Festtreibstoffelements.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des beim Pressen und Sintern erhaltenen Rohlings der Höhe in Axialrichtung von mindestens einer Helix eines Festtreibstoffelements entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressen ein Pressdruck im Bereich von ca. 75 bar bis ca. 700 bar verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressen die Druckhaltezeit im Bereich von ca. 10 sec. bis ca. 1 h gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass beim hydraulischen Pressen der Pressdruck in Axialrichtung einseitig oder in Axialrichtung beidseitig eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressen ein Pressrohling mit im Wesentlichen homogener Dichte erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressrohling aus der Form mit hohlzylindrischer Kavität entnommen und in einem Freisinterverfahren gesintert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressrohling in einem Umluftofen gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressrohling stehend oder liegend unter Rotation gesintert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterrohling gesintert und in einem Temperschritt zu dem hohlzylindrischen Rohling verarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Temperschritts im Bereich von ca. 5 bis ca. 15 h gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterrohling beim Temperschritt auf eine Temperatur im Bereich von ca. 200°C bis ca. 280°C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Festtreibstoff ein thermoplastisch verarbeitbares Polymermaterial verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastisch verarbeitbare Polymer in Granulatform verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastisch verarbeitbare Polymermaterial in ein Press-Schmelzwerkzeug mit hohlzylindrischer Kavität eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Abmessungen der Kavität des Press-Schmelzwerkzeugs so gewählt sind, dass ein hohlzylindrischer Rohling erhalten wird, der einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Helix des Festtreibstoffelements.
Verfahren nach Anspruch 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Abmessungen des hohlzylindrischen Press-Schmelzwerkzeugs so gewählt sind, dass ein hohlzylindrischer Rohling erhalten wird, der einen Außendurchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser der Helix des Festtreibstoffelements.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Kavität des Press-Schmelzwerkzeugs so gewählt wird, dass ein Press-Schmelzrohling erhalten wird, dessen axiale Höhe mindestens der axialen Höhe der Helix des Festtreibstoffelements entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressvorgang bei einem Pressdruck im Bereich von ca. 40 bar bis ca. 100 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingungen beim Pressvorgang so gewählt werden, dass ein Pressrohling erhalten wird mit einer Dichte, die ca. 60% der theoretischen Dichte oder mehr beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Press-Schmelzwerkzeug enthaltene verpresste Granulat in dem geschlossenen Werkzeug in einen Schmelzofen überführt und auf eine Schmelztemperatur aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Press-Schmelzwerkzeug mit dem aufgeschmolzenen Granulat in heißem Zustand in eine Pressvorrichtung überführt und unter Aufrechthaltung eines Pressdrucks abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass dem Press-Schmelzvorgang ein Temperschritt nachgeschaltet wird, in dem der Press-Schmelzrohling zu dem hohlzylindrischen Rohling verarbeitet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Festtreibstoffelments nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Festtreibstoff ein thermoplastisch verarbeitbares Polymermaterial gewählt wird, wobei das Polymermaterial mittels Extrusion oder Transfermolding zu einem zylindrischen oder hohlzylindrischen Rohling verarbeitet wird, der in einem spanabhebenden Verfahren zu dem Festtreibstoffelement weiterverarbeitet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Festtreibstoffelments nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Festtreibstoff ein thermoplastisch verarbeitbares Polymermaterial gewählt wird, wobei das Polymermaterial mittels Spritzguss, Extrusion oder Transfermolding zu einem helixförmigen Festtreibstoffelement verarbeitet wird, welches gegebenenfalls in einem spanabhebenden Verfahren fertigbearbeitet wird.