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Die Erfindung gehört zur Vorrichtung eines elektrischen Raketentriebwerks des Magnetplasmatyps. Sie ist die für die Schubkraftschaffung der Raumflugkörper bestimmt, die interorbitale Dauerweltraumflüge zu den Planeten des Sonnensystems und darüber hinaus ausführen.
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Die Druckschriften
DE 20 2008 012 562 U1 ,
US 2012/0031070 A1 ,
DE 10 2006 022 559 A1 und
US 3 238 413 A zeigen jeweils Triebwerksvorrichtungen mit Magnetfeldspulen und in einer Arbeitskammer angeordneten Elektroden. Bei diesen Triebwerksformen sind jedoch die in den Arbeitskammern angeordneten Elektroden unbeweglich, so dass nach derem Verschleiß der Betrieb des Triebwerks nicht mehr sichergestellt ist.
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Bekannt ist das elektrische Düsentriebwerk des Magnetplasmatyps, dessen Hauptparameter und Konstruktion in [1] und die Beschreibung des Patents in [2] angegeben sind. Bei dieser Konstruktion des MPD Triebwerks wird die Arbeitskammer mit Hilfe der äußeren Anodenelektrode gebildet, die eine zylindrische Form hat. Die andere Kathodenelektrode wird entlang der Achse der Arbeitskammer platziert. Sie hat auch eine zylindrische Form, aber der Durchmesser der Kathodenelektrode (Kathode) ist um einige Male kleiner als das Durchmesser der Anodenelektrode (Anode). Am Ende der zylindrischen Anode befindet sich die Ausströmdüse der Arbeitskammer. Der Arbeitskörper im gasförmigen Zustand wird in den Raum zwischen den Elektroden zugeführt. Bei der Spannungszuführung entsteht zwischen den Elektroden ein Lichtbogen und der Arbeitskörper übergeht in den Plasmazustand. Beim Durchfluss zwischen den Elektroden erzeugt der Strom ein Magnetfeld, das eine Querkomponente hat. Dank des Zusammenwirkens des Stroms mit dem Quermagnetfeld wirkt auf das Plasma eine Kraft, die das Plasma aus der Düse der Arbeitskammer ausstößt. Wie in [1] auf der Seite 60 in der bekannten Konstruktion des Magnetplasma-Raketentriebwerks dargestellt ist, die das Analogon dieser Anmeldung ist, beträgt die Höhe des Wirkungsgrades des Triebwerks 40–60%.
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Dies ist ein wesentlicher Mangel des Analogons.
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Grund dieses Mangels der Konstruktion des MPD Triebwerks [1], [2] besteht darin, dass das Quermagnetfeld zwischen den Elektroden vom Strom selber erregt und für die Erzeugung der Schubkraft eine bedeutende Menge an Strom notwendig ist. Die führt zu großen Energieverlusten beim Durchfließen des Stroms durch das Plasma. Bekannt ist auch die Konstruktion des Magnetplasma-Raketentriebwerks, deren Beschreibung in [3] gegeben ist, und der Prototyp dieser Anmeldung ist. Als Hauptelemente der Konstruktion [3] dienen auch die zylindrische Anode und die axiale Kathode. Der Unterschied des Analogons [1], [2] vom Prototyp [3] besteht darin, dass das Quermagnetfeld außerhalb mit Hilfe der äußeren Supraleitungswicklung erzeugt wird. Die äußere Supraleitungswicklung besteht aus einzelnen Spulen, die so auf die zylindrische Oberfläche der Anode auferlegt sind, dass der Strom in der Spule entlang der Triebwerksachse gerichtet ist. Die Erregung des Quermagnetfeldes zwischen den Elektroden mit Hilfe der äußeren Supraleitungswicklung ermöglicht eine mehrfache Senkung der Höhe des Nominalstroms des MPD. Dies führt zur Beseitigung des angegebenen Mangels des Analogons [1], [2]. Wegen der Senkung des Stroms werden die Energieverluste wesentlich reduziert und der Wirkungsgrad des Magnetplasmatriebwerks steigt von 40–60% bis zu 90%.
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Ein anderer wesentlicher Mangel der Konstruktion des Analogons [1], [2] sowie des Prototyps [3] ist die beschränkte Nutzungsdauer des Magnetplasmatriebwerks. Die beschränkte Nutzungsdauer des Magnetplasmatriebwerks ist damit verbunden, dass beim Durchfluss des Stroms zwischen den Elektroden die Oberfläche der Kathode mit Hochenergieionen bombardiert wird. Dabei ist die Kathode einer ständigen Zerstäubung ausgesetzt. Beim Betrieb des Triebwerks wird die Masse der Kathode allmählich kleiner. Die Erosionsgeschwindigkeit bei der Zerstäubung wird durch die Dichte des Ionenstroms bestimmt. Bei den gebrachten Analoga der Erfindung [1], [2] und des Prototyps [3] hat das Triebwerk eine Arbeitskammer zylindrischer Form. In dieser Konstruktion ist die Oberfläche der entlang der Achse angeordneten Kathode um 5–6-mal kleiner der Oberfläche der zylindrischen Anode. Deshalb ist die Stromdichte auf der Oberfläche der Kathode 5–6-mal höher als auf der Oberfläche der Anode. Dies kann zum schnellen Verschleiß der Kathode und Verkürzung der Nutzungsdauer des Triebwerkes führen. Der Zweck der Erfindung besteht in der Beseitigung des angegebenen Mangels des Prototyps [3] und dem Bau einer Konstruktion des Magnetplasma-Raketentriebwerks, die imstande ist, die negativen Folgen des Zerstörungseffekts der Elektroden im Arbeitsprozess zu reduzieren. Das technische Ergebnis, an das die Erfindung gerichtet ist, wird der Bau eines Elektroraketentriebwerks sein, dessen Nutzungsdauer viel höher sein wird, als bei den Triebwerken der bekannten Konstruktion. Dies wird dauerhafte Raumflüge zu den Planeten des Sonnensystems uns außerhalb ihrer Grenze ermöglichen.
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Die Nutzungsdauer des Triebwerks kann auf zwei Weisen verlängert werden. Die erste von ihnen besteht darin, dass nach der vollständigen Erosion der Kathode während des Triebwerkbetriebes dieselbe durch eine neue ersetzt wird. Zu diesem Zwecke wird die Arbeitskammer der Länge nach vergrößert und ein zweites Kathodenpaar wird zusätzlich zum ersten installiert. Die supraleitende Außenwicklung, die sich im Kryostat befindet, bleibt unbeweglich und ihre Maße ändern sich nicht. Nach der Erosion des ersten Elektrodenpaars, die während des Triebwerksbetriebes vor sich ging, wird die Arbeitskammer gegenüber der Außenwicklung entlang der Triebwerkachse in eine neue Position verschoben und befestigt. Danach kommt das zweite Elektrodenpaar in Einsatz. Die Triebwerkkonstruktion mit verschiebbarer Arbeitskammer macht es möglich, dass die Nutzungsdauer des Triebwerks sich um das Doppelte vergrößert. Eine andere Weise der Verlängerung der Nutzungsdauer des Triebwerks ist die Konstruktion, die bei Beibehaltung der Maße es möglich macht, die Stromdichte auf der Oberfläche der Anode zu reduzieren. Dazu ist die geometrische Form der Elektroden zu verändern. Anstatt der axialen Anordnung der Kathode und der äußeren Anode, dessen Oberfläche die Form eines Zylinders hat, wird eine Konstruktion vorgeschlagen, bei der beide Elektroden, Anode und Kathode, eine flache Form haben und einander gegenüber angeordnet sind. Dabei bleibt die Entfernung zwischen den Elektroden gleich, wie dies zwischen den zylindrischen Elektroden beim Prototyp [3] war. In der vorgeschlagenen Konstruktion verringert sich die Stromdichte auf der Oberfläche der Kathode um das 4–5-fache im Vergleich zu der Stromdichte in der Konstruktion des Prototyps [3]. Das Magnetfeld in der Arbeitskammer des Triebwerks muss senkrecht gegenüber der Stromrichtung zwischen den Elektroden gerichtet sein. Deshalb wird es durch den Strom erregt, der in der äußeren supraleitenden Wicklung durchfließt und entlang der Achse der Arbeitskammer gerichtet ist. Die in der Anmeldung vorgeschlagene Konstruktion realisiert beide Arten der Verlängerung der Nutzungsdauer des Magnetplasmatriebwerks, die mit der Erosion der Kathode verbunden ist. Das Elektroraketentriebwerk hat zwei flache Elektroden und eine flache Arbeitskammer, die sich gegenüber dem unbeweglichen supraleitenden Magnetsystem bewegt, das im Kryostat mit Flüssigwasserstoff untergebracht ist. Zur Organisation des Plasmastroms, der aus der Düse ausgestoßen wird, und zur Steigerung des Plasmadrucks in der Arbeitskammer hat das supraleitende Magnetsystem eine zusätzliche rechtwinklige Spule, die ein axiales Magnetfeld erzeugt.
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Die Konstruktion des Elektroraketentriebwerks wird auf den Bildern 1, 2, 3 vorgestellt. Auf dem Bild 1 ist der Längsschnitt, auf dem Bild 2 der Querschnitt und auf dem Bild 3 die Ansicht von oben dargestellt. Das Elektroraketentriebwerk hat ein unbewegliches Magnetsystem 1, das aus einem Kryostat mit einer in ihm untergebrachten supraleitenden Wicklung und einer beweglichen Arbeitskammer 2 besteht. Die Arbeitskammer hat eine Düse rechtwinkliger Form und axial installierte vordere Elektroden 3 und hintere Elektroden 4. Die Elektroden haben der Länge und Breite nach eine rechtwinklige Form. Von der Oberfläche der Arbeitskammer 2 sind die Elektroden 3, 4 mit Isolierdichtungen abgetrennt. Die Stirnwand der Arbeitskammer ist mit dem Stock 5 verbunden. Für die Zufuhr des Arbeitskörpers in die Arbeitskammer 2 hat der Stock 5 einen Axialkanal 6. Der Stock 5 ist mit dem Verteiler des Arbeitskörpers 7 verbunden, der die Form eines Zylinders hat und sich im Zentrum des Kreuzstückes mit den Ständern 8 befindet. An zwei senkrechten Ständern des Kreuzstückes 8 sind die Elektromagnete 9 und 10 befestigt. Zur Bewegung des Kreuzstückes entlang der horizontalen Achse sind an dessen Ende Gleitkufen 11, 12 montiert, die sich an der inneren Oberfläche des Zylinders 13 bewegen können. Das Kryostat des Magnetsystems 1 hat einen äußeren zylindrischen Mantel 14, der innerhalb des Zylinders 13 montiert wird. Von der Gegenseite innerhalb des Zylinders 13 ist das Zufuhrsystem des Arbeitskörpers montiert, das aus einem unbeweglichen Zylinder 18 besteht, innerhalb dessen entlang der Achse der Verdichter 16 angeordnet ist. Der Verdichter 16 hat eine zylindrische Form und ist mit dem Zylinder 18 mit Hilfe der radialen zylindrischen Ständer 17 verbunden. Innerhalb des Ständers 17 ist ein Kanal für den Durchgang des Arbeitskörpers 37. Die mit Hilfe des Zylinders 13 miteinander verbundenen Körper des Kryostats 14, Zylinders 18 mit den Ständern 17 und Körper des Verdichters 16 bilden den unbeweglichen Teil der Triebwerkskonstruktion. Die Arbeitskammer des Triebwerks 2 mit dem axialen Stock 5 und dem Körper des Arbeitskörperverteilers 7 mit den radialen Ständern 8 bildet den beweglichen Teil der Konstruktion. Der bewegliche Teil kann während des Betriebes sich gegenüber dem unbeweglichen Teil entlang der Achse bewegen, dabei wird sich die Arbeitskammer 2 im inneren des Achsenkanals des Kryostats 19 gegenüber des Magnetsystems 1 bewegen. Für die ununterbrochene Zufuhr des Arbeitskörpers vom unbeweglichen Verdichter 16 in den beweglichen Verbrauchsverteiler des Arbeitskörpers 7 wurde der konische Tubus 15 installiert, der seine Länge bei der Bewegung der Ständer 8 entlang der Triebwerkachse vergrößert.
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Zur Befestigung der Arbeitskammer 2 in seiner ursprünglichen Position wurden in der inneren Oberfläche des Zylinders 13 die Halterungen 33, 34 installiert, die die Gleitkufen 11, 12 an die Oberfläche des Zylinders 13 drücken. Für die fixierte horizontale Bewegung der Arbeitskammer werden auf der inneren Oberfläche des Kryostats die Scheiben 28 installiert, die die Form von Halbzylinder haben. Wegen der Erwärmung der Arbeitskammer 2 während des Triebwerksbetriebs werden die Scheiben 28 aus wärmebeständigem Stoff, z. B. aus Keramik hergestellt.
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Die Bewegung der Arbeitskammer 2 wird mit Hilfe der Kraft der magnetischen Wechselwirkung ausgeführt, wofür an zwei senkrechten Ständern des Kreuzstückes 8 zwei Gleichspannungsmagnete 9 und 10 installiert werden, die einen Kern aus elektromagnetischen Stahl und ein Gleichspannungswicklung haben. Beim Triebwerksbetrieb befinden sich die Elektromagnete 9 und 10 im magnetischen Gleichfeld, das durch ein Teil der Spule 21 der supraleitenden Wicklung des Triebwerks erzeugt wird. Beim Einschalten der Elektromagnete 9 und 10 entsteht eine Anziehungskraft, durch deren Wirkung der bewegliche Teil des Triebwerks einschließlich der Arbeitskammer 2 sich auf die neue Position bewegt. In der neuen Position kommt das zweite Elektrodenpaar 4 zum Einsatz. Das Magnetsystem des Elektroraketentriebwerks 1 wird durch zwei gegenläufig eingeschalteten flachen gradwinkligen Spulen 20, die aus einem Hochtemperatursupraleiter hergestellt werden, z. B. aus der Verbindung Yttrium-Barium. Die Spulen des Magnetsystems 20 werden im Kryostat angeordnet, dessen äußerer Mantel 14 die Form eines Zylinders mit flachen Enden hat. Im mittleren Teil entlang der Achse hat der Zylinder einen ausgeschnittenen Hohlraum, der durch zwei flachen Oberflächen 19 gebildet wird. Innerhalb dieses Hohlraumes bewegt sich die Arbeitskammer 2.
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Innerhalb des Kryostats, auf der äußeren flachen Oberfläche 19 werden von beiden Seiten isolierte Spulen der supraleitenden Wicklung so verlegt, dass über den Elektroden 3 sich nur ein Teil der Spule 20 befindet, in der der Strom parallel der Längsachse des Triebwerks gerichtet ist. Der andere Teil der Spule, in der der Strom senkrecht gegenüber der Antriebachse gerichtet ist, erzeugt ein Magnetfeld, welches bei der Interaktion mit dem Strom zwischen den Elektroden 3 eine Kraft hervorruft, die senkrecht gegenüber der Längsachse des Triebwerks gerichtet ist. Deshalb werden die Frontalteile der Spule 21 und 22 in einem Winkel von 180° abgebogen und von der Arbeitskammer 2 entfernt. Ein Teil der Spule 20 wird im Kryostat mit Hilfe der horizontalen flachen Bandage 24 befestigt. Die zurückgebogenen Frontalteile der Spule 21 und 22 werden im Kryostat mit Hilfe der Bandagen 25 und 26 befestigt. Die Konstruktion der Arbeitskammer 2 wird durch das Bild der Verteilung des Magnetfeldes des supraleitenden Systems bestimmt, das auf dem Bild 5 gezeigt wird. Dank dem gegenläufigen Stromfluss in den Spulen ist das Magnetfeld in der Arbeitskammer von der Triebwerksachse in verschiedene Seiten senkrecht ihr gegenüber gerichtet. Zum Erhalt der Zugkraft in Richtung der Düse der Arbeitskammer 2 wird jedes Elektrodenpaar 3 in zwei Teile der Breite nach geteilt, dabei muss die Polarität der Elektroden der gewählten Stromrichtung zwischen ihnen entsprechen, wie dies auf Bild 5 dargestellt ist. Zwischen den der Breite nach geteilten Elektroden 3 wird die Isolierdichtung 30 installiert, wie dies auf Bild 2 dargestellt ist.
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Zur Erzeugung des axialen Magnetfeldes beim Düsenausgang 2 im Stirnteil des Kryostats 1 wird die Spule 40 installiert. Die Spule hat eine rechtwinklige Form und wird aus einem Hochtemperatursupraleiter hergestellt. Die Installation der Spule 40 im Kryostat mit der äußeren Hülle 37 und der inneren Hülle 38 ist auf dem Bild 6 dargestellt. Die Spule 40 wird so angeordnet, das die äußere Hülle der Arbeitskammer 39 sich frei entlang der Längsachse des Triebwerks im inneren Hohlraum des Kryostats bewegen kann. Die Befestigung der Spule 40 innerhalb des Kryostats wird mit Hilfe der horizontalen Metallbandagen 41 und 42 ausgeführt.
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Während des Triebwerksbetriebs wird das Kryostat, in dem das supraleitende Magnetsystem 1 angeordnet ist, mit Flüssigwasserstoff gefüllt. Unter der Wirkung der Wärme, die von der erwärmten Arbeitskammer 2 und Weltraum zugeführt wird, kommt die Verdampfung des Flüssigwasserstoffes zustande. Der gasförmige Wasserstoff ist der Arbeitskörper des elektrisches Raketenantriebs. Er sammelt sich im Stirnteil des Kryostats 29 und wird durch die Rohrleitung 27 mit Hilfe des Verdichters 16 durch den Tubus 15 in den Verteiler des Arbeitskörpers 7 zugeführt. Der Verdichter 16 ist mit einem Elektroantrieb versehen. Vom Verteiler des Arbeitskörpers 7 wird der Wasserstoff durch den Kanal 5 im Stock 6 in die Arbeitskammer des Triebwerks 2 zugeführt.
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Auf dem Bild 4 ist der elektrische Raketenantrieb in der zweiten Betriebsposition dargestellt, nachdem das erste Elektrodenpaar infolge der Erosion verschleißt wurde.
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Die Arbeitskammer 2 verschob sich mit Hilfe der Elektromagnete 9 und 10 innerhalb des Magnetsystems 1 entlang der Längsachse und bezog die Position, bei der das zweite Elektrodenpaar 4 zum Einsatz kommt. Diese Position der Arbeitskammer wird durch die Klemmung der Gleitkufen 11 und 12 fixiert, die sich an den Enden der beweglichen Ständer 8 befinden und sich in der inneren Oberfläche des Zylinders 13 bewegen. Zur Befestigung der Gleitkufen 11 und 12 werden auf der Oberfläche des Zylinders 13 in der zweiten Betriebsposition die Halterungen 31, 35 und 32, 36 montiert. Wie auf dem Bild 4 dargestellt, verschiebt sich bei der Verschiebung der Arbeitskammer 2 auch der Arbeitskörperverteiler 7 und die Position des Verdichters 16 bleibt unverändert. Dabei vergrößert sich entsprechend die Achsenlänge des beweglichen Tubus 15.
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Das elektrische Raketentriebwerk funktioniert folgendermaßen.
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Bei der Flugvorbereitung wird die Arbeitskammer 2 in die Position gebracht, die auf dem Bild 1 dargestellt ist, bei der das erste Elektrodenpaar 3 in Einsatz kommt. Alle Elemente des beweglichen Systems werden an der inneren Oberfläche des Zylinders 13 mit Hilfe der Halterungen 33, 34 befestigt. Beim Start von der Erde wird der Flüssigwasserstoff aus dem Behälter, der an Bord des Raumfahrzeuges installiert ist, mit Hilfe der Rohrleitung in den Kryostat 1 zugeführt. Nach dem Start und Einflug des Raumfahrzeuges in die vorgegebene Flugbahn, wird die supraleitende Wicklung 20 an die Speisungsquelle angeschlossen und in ihr wird der nominale Erregerstrom eingestellt. Nach dem Eingang des Befehls über die Änderung des Geschwindigkeitswertes und Bewegungsrichtung des Raumfahrzeuges wird durch die Rohrleitung 27 mit Hilfe des Verdichters 16 über den Kanal 6 in die Arbeitskammer 2 gasartiger Wasserstoff zugeführt. Gleichzeitig damit wird an die vorderen Elektroden 3 Spannung von der Bordquelle der Energiespeisung zugeführt. Als Speisungsquelle für Elektroenergieversorgung des Triebwerkes dient eine Sonnenbatterie, ein Generator oder ein Energiespeicher, der an Bord des Raumfahrzeuges montiert ist.
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Im Raum zwischen den Elektroden 3 entsteht eine elektrische Entladung und der gasartige Wasserstoff übergeht in den Plasmazustand. Unter der Wirkung der entstehenden Kraft der elektromagnetischen Wechselwirkung wird der Arbeitskörper aus der Düse der Arbeitskammer 2 geschleudert, wodurch die notwendige Schubkraft geschaffen wird.
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Das Triebwerk erreicht seine volle Nennleistung.
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Während des Betriebes des Triebwerkes kommt es zur Zerstörung des vorderen Elektrodenpaars 3. Die Lebensdauer des Elektrotriebwerks wird von der Lebensdauer der Elektroden bestimmt. Deshalb kommt beim Verschleiß des vorderen Elektrodenpaars 3 der Befehl auf Verschiebung gegenüber des Magnetsystems 1 der Arbeitskammer 2. Für die Verschiebung der Arbeitskammer 2 werden die Elektromagnete 9 und 10 eingeschaltet und die Klemmen der Halterungen 33, 34 befreit. Unter dem Einfluss der magnetischen Wechselwirkung beginnen sich die Stander 8 des Kreuzstücks entlang der Achse zu verschieben und die Gleitkufen 11 und 12 rutschen auf der Oberfläche des Zylinders 13 bis zum Anschlag an die Halterungen 31. 32. Danach werden die Elektromagnete 9 und 10 abgeschaltet. Die Arbeitskammer 2 verschiebt sich in eine neue Position, die auf dem Bild 4 dargestellt ist, bei der das zweite Elektrodenpaar 4 zum Einsatz kommt. In dieser Position befestigen die Halterungen 31 und 35 die Gleitkufen 11 und die Halterungen 32 und 36 die Gleitkufen 12 auf der Oberfläche des Zylinders 13. Nach der Zufuhr des Arbeitskörpers in die Arbeitskammer 2 wird die Spannung beim zweiten Elektrodenpaar 4 eingeschaltet und das Elektrotriebwerk wird in den Betrieb der Nominalleistung eingestellt.
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Somit ermöglicht die vorgeschlagene Konstruktion während des Betriebes des Elektroraketentriebwerks den Austausch der abgearbeiteten Elektroden gegen neue und um ein Mehrfaches die Lebensdauer des Elektroraketentriebwerks zu verlängern. Infolgedessen ergibt sich die Möglichkeit, die Flugweite und -dauer der Raumfahrzeuge zu verlängern.
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Literatur:
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- 1. E. Y Choueiri Das Zeitalter der elektrischen Raketen. Spektrum der Wissenschaft. Dossier 1/2011
- 2. US Patent 3,238,413 March 1, 1966
- 3. Patent DE 102006 022 559 A1 Elektrischer Düsenantrieb für den Flug zum Mars.
