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Die
Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem mit einem Festtreibstoff
zu betreibenden elektrischen Triebwerk, insbesondere des PPT(pulsed
plasma thruster)-Typs sowie einer Zuführvorrichtung für
den Treibstoff.
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Antriebssysteme
dieser Art sind in Kleinsatelliten für die Lage- und Bahnregulierung
im Einsatz und sind in ihrem Antriebsvermögen begrenzt
aufgrund des räumlich bedingt geringen mitführbaren
Treibstoffvorrats.
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Die
Einzelleistung der PPT-Antriebssysteme ist darüber hinaus
begrenzt, so dass sich die Verwendung als Marschtriebwerk bislang
verboten hat.
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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.
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Dies
stellt insbesondere bei der Konstruktion der Zuführvorrichtung
für den Treibstoff eine Herausforderung dar.
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Ferner
muss 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 berücksichtigen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Antriebssystem der eingangs beschriebenen
Art zu schaffen, das sich auch als Marschtriebwerk einsetzen lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Antriebssysteme
gemäß dem Anspruch 1 und dem Anspruch 2 gelöst.
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Die
Verwendung als Marschtriebwerk stellt besondere Anforderungen, da
hier ein wesentlich höherer Antriebsbedarf gedeckt werden
muss als bei der Nutzung zur Bahn- und Lageregulierung.
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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.
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Die
von der Zuführvorrichtung und deren Antriebsvorrichtung
zu erzeugende Drehbewegung beim Festtreibstoffelement kann in einfacher
und verlässlicher Weise, insbesondere auch mechanisch,
erfolgen. Dies gilt insbesondere für den angestrebten Langzeiteinsatz
im All.
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Das
erfindungsgemäße Antriebssystem erlaubt damit
nicht nur den sicheren Betrieb auch bei einem höheren Antriebsbedarf,
sondern bietet aufgrund der kompakten Bauweise die Möglichkeit,
Cluster zu bilden und so den Antrieb insgesamt auf ein Niveau zu
bringen, das ausgedehnte Raummissionen, insbesondere auch für
mehrere Jahre, erlaubt.
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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 ihren zugeführte elektrische Leistung beispielsweise
zwischen 1 und 200 W beliebig variiert werden kann, ohne dass die
Charakteristik des Einzelpulses geändert wird.
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Auch
die mittlere Austrittsgeschwindigkeit lässt sich über
die von Kondensatoren bereitgestellte Energie (d. h. z. B. durch Änderung
der Ladespannung) variieren.
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Vorteilhaft
ist auch die Möglichkeit, Festtreibstoff zu verwenden,
bei dem ein Schwappen des Treibstoffmaterials, wie bei Flüssigtreibstoffen
der Fall, vermieden wird.
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Aufgrund
der Verwendung des Festtreibstoffs in Helixform kann in kompakter
Weise ein größerer Treibstoffvorrat 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.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung werden zwei Treibstoffelemente
in Helixform verwendet, die gegensinnig angetrieben werden und damit
einem einzigen Triebwerk als Treibstoffvorrat dienen können.
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Die
Zuführvorrichtung des erfindungsgemäßen
Antriebssystems weist bevorzugt eine Zuführvorrichtung
für den Festtreibstoff auf, welche drei oder mehr parallel
zur Helixmittelachse angeordnete Führungselemente umfasst,
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.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Führungselemente
so ausgestaltet, dass sie das oder die Festtreibstoffelemente an
außen und/oder innen liegenden Flächen derselben gleitend
führen.
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In
diesem Zusammenhang umfassen die Führungselemente gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform parallel zur Helixmittelachse
ausgerichtete Stützpfosten, wobei ein Teil der Stützpfosten
innerhalb der Helix und der andere Teil der Stützpfosten
außerhalb der Helix angeordnet ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 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.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Stützpfosten mittels einem oder mehreren, quer zu den
Stützpfosten angeordneten helixförmigen Flächenelement
bzw. Flächenelementen miteinander verbunden und auf Abstand
zueinander gehalten.
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Hierbei
kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Stützpfosten
die einzelnen Windungen des helixförmigen Flächenelements
auf einem vorgegebenen Abstand halten.
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Besonders
bevorzugt sind helixförmige Flächenelemente, welche
eine Vielzahl an Durchbrechungen aufweisen. Für die Funktion
der Flächenelemente ist es nicht von Bedeutung, ob diese
eine geschlossene Oberfläche aufweisen. Dies lässt
sich zur Verminderung des Gewichts der Flächenelemente
und damit zur weiteren Gewichtsoptimierung des Triebwerks nutzen.
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Bevorzugt
weisen deshalb die Durchbrechungen des Flächenelements
einen Flächenanteil von ca. 40% oder mehr auf. Bei vielen
Materialien, insbesondere bei einem aus einem Metallblech hergestellten
Flächenelement, lässt sich der Flächenanteil
der Durchbrechungen auf ca. 80% steigern, ohne dass ein für
die Funktion des Triebwerks abträglicher Stabilitätsverlust
zu erwarten wäre.
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Bei
bevorzugten Triebwerken der vorliegenden Erfindung weisen die Führungselemente
Führungsbuchsen aus einem gleitreibungsarmen Material auf,
wobei die Führungsbuchsen die Festtreibstoff-Helix bei ihrer
Drehbewegung führen.
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Das
gleitreibungsarme Material der Führungsbuchsen wird bevorzugt
aus Fluorpolymeren ausgewählt.
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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.
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Allerdings
sind gute Ergebnisse auch mit Stützpfosten aus Kunststoffmaterialien
erzielbar.
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Bei
der Auswahl der metallischen Materialien steht deren mechanische
Stabilität im Vordergrund. Ebenso ist das Gewicht des konzipierten
Bauteils von Bedeutung. Ein höheres spezifisches Gewicht
eines metallischen Materials kann durchaus kompensiert werden durch
eine erhöhte mechanische Festigkeit, die z. B. geringere
Wanddicken zulässt.
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Ein
weiterer Gesichtspunkt ist die Magnetisierbarkeit der metallischen
Materialien. Stehen sonst keine weiteren Gründe für
die Auswahl eines bestimmten metallischen Materials dagegen, so
wird vorzugsweise ein nicht oder schlecht magnetisierbares metallisches
Material, wie z. B. Aluminium oder Edelstahl, eingesetzt.
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Bei
besonders bevorzugten Antriebssystemen gemäß vorliegender
Erfindung wird die Antriebsvorrichtung für den helixförmigen
Festtreibstoff im Innern der Helix angeordnet. Dadurch wird eine
besonders kompakte Bauweise erzielt.
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Als
besonders wartungsarm haben sich Antriebsvorrichtungen mit einem
mechanischen Antriebsmechanismus erwiesen. Besonders bevorzugt sind
hierbei federkraftbetriebene Antriebsmechanismen.
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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.
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Hierbei
kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Führungselemente,
deren primäre Aufgabe es ist, den helixförmigen
Festtreibstoff zu führen, so ausgestaltet sind, dass sie
darüber hinaus auch noch eine Führung für
das Kraftübertragungselement bilden.
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Das
Kraftübertragungselement wird bevorzugt benachbart zum
Helixinneren geführt und umfasst vorzugsweise ein Filament
oder einen Faden. Dies vereinfacht insbesondere die Überbrückung
der Strecke, die das Kraftübertragungsteil am Treibwerk
vorbei oder durch dieses hindurch führt.
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Bevorzugte
erfindungsgemäße Triebwerke umfassen eine Zündvorrichtung
für die Erzeugung eines elektrischen Zündfunkens,
der die oberflächliche Ionisierung des Festtreibstoffs
an seiner im Triebwerk angeordneten Stirnfläche initialisiert.
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Der
dem erfindungsgemäßen Antriebssystem zuzuführende
Festtreibstoff wurde bislang noch nicht näher diskutiert.
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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.
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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.
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Spezifische
Vertreter für die einzelnen Werkstoffgruppen sind:
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TFE-Homopolymere: Polytetrafluorethylen
(PTFE)
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- 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 (Perfluormethylvinylether-modifiziertes
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.
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Besonders
bevorzugt hiervon sind Fluorpolymere, insbesondere vollfluorierte
Homo- oder Copolymere.
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Hiervon
eignen sich besonders PTFE, chemisch modifiziertes PTFE oder Mischungen
hiervon.
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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.
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Die
vorstehend genannten 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.
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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.
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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.-% |
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Die
vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Reihe von Verwendungen
des erfindungsgemäßen Antriebssystems.
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Im
Vordergrund steht zunächst die Verwendung des erfindungsgemäßen
Antriebssystems als Teil eines Satellitenantriebs.
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Insbesondere
eignen sich die erfindungsgemäßen Antriebssysteme
für die Erzeugung von Bewegungsänderungen eines
Satelliten.
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Weiterhin
eignen sich die erfindungsgemäßen Antriebssysteme
für die Durchführung von Orbitmanövern
eines Satelliten. Diese werden zum Teil nach dem Aussetzen des Satelliten
durch den Träger notwendig, wenn z. B. der Satellit den
beim Aussetzen erreichten Orbit verlassen und einen Zielorbit ansteuern
muss. Ebenfalls notwendig sind Orbitmanöver, wenn aufgrund
technischer Probleme während der Mission der erlangte Orbit
verlassen werden muss.
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Des
Weiteren eignen sich die erfindungsgemäßen Antriebssysteme
für die Lage- und Bahnregulierung eines Satelliten. Die
Lage- und Bahnregulierung regelt den Satelliten auf seinem Zielorbit
hinsichtlich seiner Ausrichtung, beispielsweise zur Erde oder zur
Sonne, oder hält ihn auch bei durch aerodynamischen Widerstand
hervorgerufenen Störungen auf seiner Bahn.
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Schließlich
eignen sich die erfindungsgemäßen Antriebssysteme
auch als Marschtriebwerke eines Satelliten.
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Die
erfindungsgemäßen Antriebssysteme sind insbesondere
geeignet, um in ein so genanntes Antriebscluster für einen
Satellitenantrieb integriert zu werden.
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Solche
Antriebscluster kommen insbesondere als Marschtriebwerk eines Satelliten
zum Einsatz.
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Diese
und weitere Vorteile der Erfindung werden im Einzelnen anhand der
Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen im
Einzelnen:
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1a und 1b ein
erfindungsgemäßes Antriebssystem für
Kleinsatelliten in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen;
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2 ein
Triebwerk des Antriebssystems von 1;
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2a eine
Detaildarstellung einer Modifikation des Triebwerks von 2;
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2b eine
Detaildarstellung einer Modifikation des Triebwerks von 2;
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3a und 3b einen
erfindungsgemäßen Festtreibstoffvorrat in Helixform
für das Antriebssystem von 1;
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4 eine
partielle Darstellung einer Zuführvorrichtung für
den Festtreibstoff des Antriebssystems von 1;
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4a eine
Detailansicht des Triebwerks von 2;
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5 ein
Detail der Zuführvorrichtung von 4;
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6 ein
Detail der Zuführvorrichtung von 4;
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7 eine
alternative Ausführungsform einer Zuführvorrichtung
des Antriebs von 1; und
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8a und 8b ein
Cluster mit acht Antriebssystemen der 1 in
perspektivischer Darstellung und Draufsicht.
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Die 1a und 1b zeigen
ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehenes erfindungsgemäßes
Antriebssystem mit einem elektrischen Triebwerk 12, welches
mit einem Festtreibstoffvorrat 14 betrieben wird. Der Festtreibstoffvorrat 14 besteht
aus zwei helixförmigen monolithisch aufgebauten Festtreibstoffelementen 16 und 18,
die in einer Zuführvorrichtung 20 gelagert und
dem Triebwerk 12 bedarfsweise zugeführt werden.
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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.
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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.
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Die
im Wesentlichen hohlzylindrische Zuführvorrichtung 20 umfasst
je eine Antriebsvorrichtung 40 bzw. 41 für
ein Festtreibstoffelement 16 und 18, die bei der
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antriebssystems 10 gemäß 1a am
Außenumfang der Zuführvorrichtung 20 angeordnet
und von der Grundplatte 31 gehalten ist.
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1b zeigt
die alternative Anordnung der Antriebsvorrichtung 40 im
Inneren der Zuführvorrichtung 20, wobei hier die
Antriebsvorrichtung 40 von einer Montageplatte 39 gehalten
wird.
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Die
Arbeitsweise des PPT-Triebwerks 20 soll nun im Zusammenhang
mit 2 kurz skizziert werden.
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Zunächst
werden die Kondensatoren 22, 24, 26, 28 mit
einer elektrischen Energie E0 aufgeladen,
die bei einer vorgegebenen Ladespannung V0 erreichbar
ist.
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Die
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).
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Die
Elektrode 38 weist auf ihrer der Elektrode 36 zugewandten
Fläche Anschläge 44 bzw. 46 auf,
gegen die die helixförmigen Festtreibstoffelemente 16 bzw. 18 durch
die Antriebsvorrichtungen 40, 41 gefördert werden.
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Es
ist nicht erforderlich, dass die beiden 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.
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Die
vorderen Enden der Festtreibstoffelemente 16 bzw. 18 sind
abgeschrägt (vgl. 3a und 3b), so
dass sich hier ein keilförmiger Zwischenraum 48 zwischen
den beiden vorderen Enden der Festtreibstoffelemente bildet.
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Im
Bereich dieses Zwischenraums 48 ist kathodenseitig (hier
Elektrode 36) eine Zündkerze 50 angeordnet.
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Die
Ladespannung V0 wird nun so vorgegeben,
dass sich unter Berücksichtigung des Elektrodenabstands
und des elektrischen Widerstands des Festtreibstoffs bei in das
Triebwerk 12 eingerückten Festtreibstoffelementen 16 und 18 keine
Entladung der Kondensatoren einstellen kann.
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Wird
jedoch von der Zündkerze 50 ein Zündimpuls
gegeben, wird der Festtreibstoff an den innerhalb des Triebwerks 12 den
Zwischenraum 48 bildenden Stirnseiten der Festtreibstoffelemente 16 und 18 in
einer dünnen Oberflächenschicht ionisiert und
ein Plasma erzeugt, über welches sich die Kondensatoren 22, 24, 26, 28 entladen.
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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.
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Im
Folgenden seien anhand von beispielhaften Geometrien Anhaltspunkte
für mögliche Betriebs- und Leistungsparameter
eines erfindungsgemäßen Antriebssystems gegeben.
Jedoch sind auch diese Werte nur als beispielhafte Angaben zu werten,
die in weiten Grenzen variiert werden können.
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Die
nachfolgenden Leistungsparameter beziehen sich auf eine beispielhafte
Festtreibstoffgeometrie mit einer vorderen Stirnfläche
von ca. 20 mm Höhe und ca. 50 mm Breite.
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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.
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Im
Fall der Verwendung von PTFE 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.
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Der
auftretende Entladestrom, der besser als Stromstoß zu bezeichnen
wäre, kann beispielsweise einen Imax 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.
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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.
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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.
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Die
Betriebsdauer der erfindungsgemäßen Antriebssysteme
kann beispielsweise für ca. 2 Jahre bis ca. 3 Jahre oder
auch erheblich mehr konzipiert werden (entsprechend 50 bis 100 Mio.
Pulse).
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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.
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2a zeigt
einen Ausschnitt des Triebwerks 12 mit einer alternativen
Elektrodenanordnung. Das freie Ende der Kathode 60 nimmt
dabei relativ zu dem freien Ende der Anode 62 einen Winkel α von
ca. 10° bis ca. 20° ein, während in der
in 2 gezeigten Ausführungsform die Elektroden 36, 38 im
Wesentlichen parallel angeordnet sind. Vorteilhaft bei der Elektrodenanordung
nach 2a ist die höhere Austrittsgeschwindigkeit
des Plasmas verglichen mit parallel gestalteten Elektroden und damit
verbesserte Leistungsparameter. Die erzielbare Leistungssteigerung
beträgt mehr als 10%.
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Auch
hier ist die Oberfläche der Anode 62 in dem Bereich 64,
in dem der Festtreibstoff zugeführt wird, für
die zuzuführenden helixförmigen Festtreibstoffelemente
mit Anschlagkanten 66, 68 versehen. Die Zündkerze 70 ist
in dem hinteren Teil der Kathode 60 angeordnet, in dem
bei der hier vorliegenden Ausführungsform noch eine parallele
Ausrichtung zum entsprechenden hinteren Teil der Anode 62 gegeben
ist.
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2b zeigt
einen Ausschnitt des Triebwerks 12 mit einer weiteren alternativen
Elektrodengestaltung. Hier weisen die Elektroden 72, 74 eine
ebene, parallele Konfiguration wie in 2 auf, jedoch
laufen die freien Enden 76, 78 von Kathode 72 und
Anode 74 jeweils spitz zu. Diese Konfiguration hat den
Vorteil, dass ebenfalls höhere Austrittsgeschwindigkeiten
realisierbar sind. Die damit verbundene Leistungssteigerung ist
größer als 10% verglichen mit der Konfiguration
der 2.
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Die
Leistungssteigerungen, die mit den spezifischen Konfigurationen
der Elektroden gemäß den 2a und 2b erzielbar
sind, lassen sich kombinieren, so dass bei spitz zulaufenden freien
Elektrodenenden 76, 78, die einen Winkel α im
Bereich von ca. 10° bis ca. 20° zueinander einnehmen,
eine Leistungssteigerung von mehr als 20% verglichen mit der Elektrodenkonfiguration
der 2 erzielbar ist.
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Die 3a und 3b dienen
der Illustration des Festtreibstoffvorrats 14, der erfindungsgemäß als monolithische
und in Form einer Helix ausgebildete Festtreibstoffelemente 16, 18 vorliegt.
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Die
Festtreibstoffelemente 16 und 18 weisen jeweils
ein vorderes Ende 86 bzw. 88 auf, deren Stirnflächen 90 bzw. 92 in
einem spitzen Winkel zur Radialrichtung der Helixgeometrie ausgerichtet
sind.
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Dadurch
bildet sich zwischen den vorderen Enden 86 und 88 der
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 Festtreibstoffhelices 16 und 18 erfolgen.
Wie weiter oben bereits erwähnt, müssen die Festtreibstoffelemente 16 und 18 innerhalb
des Triebwerks 12 nicht notwendigerweise direkt in Kontakt
miteinander stehen, wie dies in den 3a und 3b gezeigt
ist.
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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.
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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 erfindungsgemäßen
Antriebssysteme an diesen hinteren Stirnseiten an.
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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.
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Ebenfalls
als nicht monolithisch sind Treibstoffelemente anzusehen, die aus
einer Mehrzahl von separat gefertigten Helixelementen nachträglich
zusammengesetzt sind.
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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.
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1. TFE-Homopolymere und chemisch
modifizierte TFE-Homopolymere
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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.
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Pressen:
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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.
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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.
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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 vorgenommen
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 Außendurchmesser 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 Innendurchmesser 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 bis 7 die Zuführvorrichtung
des erfindungsgemäßen Antriebssystems im Einzelnen
anhand zweier spezifischer Ausführungsbeispiele 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
erste günstige Voraussetzung hierfür wird schon
mit einer möglichst präzisen Festtreibstoffgeometrie
geschaffen. Die Anforderungen an die Zuführvorrichtung 20,
die sich aus obiger Zielsetzung ergeben, und wie diese zu lösen
sind, sei an den folgenden zwei Beispielen für Zuführvorrichtungen
aufgezeigt.
-
4 zeigt
ausschnittsweise die Zuführvorrichtung 20 mit
einem Abschnitt des Festtreibstoffs 14 in Form des hinteren
Endes des Festtreibstoffelements 16. Die Zuführvorrichtung 20 hält
das helixförmige Festtreibstoffelement 16 um seine
Helixlängsachse drehbar mit Hilfe von Führungselementen 110, 112,
die am inneren bzw. äußeren Umfang der Zuführvorrichtung 20 in
regelmäßigen Winkelabständen angeordnet
sind.
-
Die
Führungselemente 110, 112 weisen die
Form von Bolzen auf, welche vorzugsweise aus einem gleitreibungsarmen
Material, beispielsweise PTFE, gefertigt sind oder zumindest an
ihrer Oberfläche damit beschichtet sind. Die Führungselemente 110, 112 bilden
einen helixförmigen Gang, innerhalb dessen das Festtreibstoffelement 116 angeordnet
und gelagert werden kann.
-
Die
Führungselemente 110, 112 sind voneinander
mittels helixförmiger Flächenelemente 114, 116 radial
auf Abstand gehalten, welche oberhalb und unterhalb des für
das Festtreibstoffhelixelement 16 definierten Ganges angeordnet
sind.
-
Die
Flächenelemente 114, 116 sind vorzugsweise
aus einem metallischen Material gefertigt und weisen zur Gewichtsersparnis
in regelmäßigen Abständen angeordnete
Durchbrüche 117, 118 auf, die bevorzugt mindestens
ca. 40% der Oberfläche der Flächenelemente 114, 116 einnehmen.
-
Es
ist wichtig zu betonen, dass das helixförmige Festtreibstoffelement 16 nicht
in Berührung mit den metallischen Flächenelementen 114, 116 kommt,
sondern ausschließlich von den Führungselementen 110, 112 gehalten
und geführt wird.
-
Um
sicher einen Abstand zwischen den Flächenelementen 114, 116 und
dem Festtreibstoffelement 16 zu schaffen, sind die Führungselemente 110, 112 an
ihrem jeweils oberen und unteren, an die Flächenelemente 114, 116 angrenzenden
Enden mit je einem Ringbund 120, 122 versehen,
der radial von den Führungselementen 110, 112 absteht
und zum einen die Flächenelemente 114, 116 in
vertikaler Richtung voneinander auf Abstand hält und zum
anderen als vertikale Anlage und Führung für das
Festtreibstoffelement 16 fungiert.
-
Der
körperliche Kontakt des Festtreibstoffelements 16 ist
damit beschränkt auf den Kontakt mit Bestandteilen der
Führungselemente 110, 112, die – wie
zuvor erwähnt – vorzugsweise aus einem gleitreibungsarmen
Material, insbesondere PTFE, gefertigt sind. Dies gilt auch für
die Ringbünde 120, 122.
-
4 zeigt
darüber hinaus, wie an dem rückwärtigen
Ende des Festtreibstoffelements 16, d. h. an dessen rückwärtiger
Stirnseite 100, ein als Antriebselement wirkender Faden 124 befestigt
ist, der in Richtung zur Antriebsvorrichtung 40 von den
innen liegenden Stützelementen 110, 112 mittels
einer dort angeordneten Nut 126 geführt wird.
-
Das
Antriebselement 40 beinhaltet einen Federmechanismus 128,
mithilfe dessen der Faden 124 unter Spannung gehalten und
das Festtreibstoffelement 16 in Richtung zum Triebwerk 12 unter
einer Vorspannung gehalten wird. In dem Umfang, in dem das Festtreibstoffelement 16 im
Triebwerk 12 verbraucht wird, wird das Festtreibstoffelement 16 um
die Helixachse gedreht und bedarfsgerecht dem Triebwerk 12 zugeführt.
Dabei wird der Faden 124 mittels des Federmechanismus' 128 in
die Antriebsvorrichtung 40 hineingezogen und dort auf einer
Spule aufgewickelt. Der Teil des Verlaufs des Fadens 124,
der durch das Triebwerk 12 führt, wird durch eine
Abschirmhülse 125 geschützt.
-
4a zeigt
nun einen Ausschnitt der Zuführvorrichtung 20 im
Bereich, in dem die beiden Festtreibstoffelemente 16 und 18 in
das Triebwerk 12 eintreten. Von dem Triebwerk 12 ist
in 4a nur die Anode 38 gezeichnet, um so besser
den Zwischenraum 48 zwischen den Stirnseiten 90 und 92 der
beiden helixförmigen Festtreibstoffelemente 16 und 18 zeigen
zu können.
-
5 zeigt
nochmals im Detail einen Ausschnitt des Flächenelements 114,
das mit verschiedentlichen Durchbrüchen 117, 118 versehen
ist, die zum einen der Gewichtsersparnis und zum anderen der Aufnahme der
Führungselemente 110 dienen (Durchbrüche 119,
die die jeweiligen Enden der Führungselemente 110, 112 aufnehmen).
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6 zeigt
in größerer Darstellung eines der Führungselemente 110,
die baulich gleich gestaltet sind wie die Führungselemente 112.
Im vorliegenden Beispiel in 6 besteht
das Führungselement aus einem Schraubbolzen 130,
der von unten zunächst durch ein Flächenelement 114 bzw. 116 im
Bereich eines Durchbruchs 119 durchgeführt wird
und der an diesem mit seinem Kopf 132 von unten anliegt.
Auf das dann zunächst anzuordnende Flächenelement 116 wird
dann ein Ringbund 134 gesetzt und darauffolgend ein hohlzylindrisches
Führungsteil 136, an welchem auch die Führungsnut 126 für
den Antriebsfaden 124 vorgesehen ist. Auf das zylindrische
Element 136 wird dann wieder ein Ringbund 138 aufgesetzt,
auf dem dann das Flächenelement 116 zur Anlage
kommen kann. Schließlich wird der gesamte Verbund mit einer
Mutter 140, die auf den Schraubbolzen 130 aufgeschraubt
wird, gesichert. Anstelle von einzelnen Führungselementen 110, die
unabhängig voneinander entlang der Helixstruktur der Zuführvorrichtung 20 angeordnet
sind, können auch durchgängige Führungselemente
vorgesehen sein, die die Windungen der Zuführvorrichtung 20 gegeneinander
zusätzlich noch auf Abstand halten und sichern.
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Hierzu
werden dann Gewindebolzen 130 verwendet, die über
die gesamte Höhe der Zuführvorrichtung 20 reichen
und die einzelnen Elemente an Ringbünden 134, 138 sowie
zylindrischen Elemente 136 sukzessive auf den Schaft des
Gewindebolzens aufgeschoben und dazwischen die helixförmigen
Flächenelemente eingefügt, die dann wiederum für
eine Beabstandung der innen und außen angeordneten Schraubbolzen
sorgen.
-
Eine
ganz andere Art des Aufbaus der Zuführvorrichtung eines
erfindungsgemäßen Antriebssystems ist in 7 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 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.
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Die
Führung für das Antriebselement oder den Faden 124 können
wiederum die Vertikal-Führungselemente 152, die
im Inneren der Helix angeordnet sind, übernehmen.
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Die 8a und 8b zeigen
nun die Möglichkeit, die erfindungsgemäßen
Antriebssysteme zu so genannten Clustern zusammenzufügen,
und bei den in 8a bzw. 8b gezeigten
Clustern sind jeweils acht Antriebssysteme zu einem Cluster zusammengefasst
und auf einer gemeinsamen Grundplatte 170 montiert.
-
Die
Triebwerke der einzelnen Antriebssysteme 10 weisen nach
unten, so dass die Antriebsrichtung eines solchen Clusters vertikal
nach oben gerichtet wäre.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2000/008071 [0041, 0044]
- - WO 2001/060911 [0041, 0044]