DE102016013909A1

DE102016013909A1 - EM Resonator Wave Propulsion Electromagnetic

Info

Publication number: DE102016013909A1
Application number: DE102016013909.9A
Authority: DE
Inventors: Hans-Walter Hahn; Hans Oppermann
Original assignee: Hahn Hans Walter
Current assignee: Hahn Hans Walter
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2036-11-23
Also published as: DE102016013909B4

Abstract

Eine hochfrequente elektrische Energiequelle wird über eine anpassungs-optimierte Hohlleiter-Ankopplung an ein Resonatorsystem angeschlossen. Dieses Resonatorsystem besteht aus zwei Hohlleiter-Endstücken mit angeschlossenen Homantennen, sowie einem dielektrischen Wellenleiter, welcher auch den gesamten Innenraum der Hohlleiter-Endstücke ausfüllt (siehe). Die Signalfrequenz wird dabei durch die für die Gesamt-Struktur typischen Resonanzfrequenzen (Eigenmoden) bestimmt, wodurch hohe Feldstärken in dem Resonatorsystem sowie hohe Wandströme in den metallischen Wänden auftreten. Die Oberflächenströme auf der Innenseite der Rückwand jedes Hohlleiter-Endstückes und die dort auftretenden tangentialen magnetischen Feldstärken erzeugen eine Lorentz-Kraft nach dem physikalischen Gesetzpro Flächenelementder Wand. Die beiden Kräfte auf die Innenseite der Rückwand jedes Hohlleiter-Endstückes zeigen in die gleiche Richtung und addieren sich zu einer Gesamtkraft, welche auf die Struktur bzw. das Resonatorsystem wirkt und somit gemäß der Newtonschen Bewegungs-Gleichungbeschleunigt.

Description

Problem
Um Satelliten, Raumsonden und andere Objekte im Weltraum anzutreiben bzw. zu stabilisieren (Lageregelung), ist es erforderlich, entsprechende Kräfte/Kraftimpulse zu generieren, die im Raum auf diese Körper wirken. Hierzu kommen momentan Technologien wie chemische Strahltriebwerke, elektromagnetische lonen-/Plasmatriebwerke sowie Drehmoment-/Schwungräder zum Einsatz. Allen gemeinsam sind die relativ hohe Komplexität und Kosten sowie der zur Kraft/Impulserzeugung notwendige Vorrat bzw. Masse des Energieträgers, welche die Gesamtmasse (Startgewicht) der Raumsonden wesentlich erhöht. Die zeitliche Dauer der Krafterzeugung ist stark begrenzt.
Eine zeitlich unbegrenzte und nur auf Zufuhr elektrischer Energie angewiesene Antriebskraft-Erzeugung im Raum ist heute noch nicht möglich.
In der Zeitschrift „Spektrum der Wissenschaft“ [3] wird der Stand der Technik von Ionen- und Plasmaantrieben aufgezeigt, welche je nach Auslegung Schub im Bereich von 1N bis 25N erreichen. In der gleichen Größenordnung liegen auch die Drehmomente der Schwungräder für die Lagestabilisierung bzw. kleine Kurskorrekturen von Satelliten. Dies erlaubt nur einen stark begrenzten Einsatz im Weltraum.
Nachfolgend wird ein Antrieb mit elektromagnetischen Wellen und basierend auf einer reinen elektrischen Energieversorgung dargestellt, welcher schon im Bereich von einigen Watt elektrischer Leistung Schubkräfte in Größenordnung der Plasmatriebwerke erreicht.
Durch den sehr einfachen und kostengünstigen Einzelmodul-Aufbau lassen sich beliebig skalierbare, modulare Strukturen realisieren, wodurch große Antriebskräfte bei geringstem Gewicht erzielt werden können.
Lösung des Problems
Ein von einem Hochfrequenz-Generator erzeugtes Signal wird über eine anpassungs-optimierte Hohlleiter-Ankopplung (4) (siehe 2, 3, 4) in ein Resonatorsystem eingespeist. Die Signalfrequenz wird dabei durch die für die Gesamt-Struktur typischen Resonanzfrequenzen (Eigenmoden) bestimmt.
Dadurch treten hohe Feldstärken in dem gesamten Resonatorsystem sowie hohe Wandströme in den metallischen Wänden auf.
Dieses Resonatorsystem (siehe 1) besteht aus zwei metallischen (Rechteck-) Hohlleiter-Endstücken (1), einer mit den jeweiligen Hohlleiter-Endstücken verbundenen Hornantenne (3), sowie einem dielektrischen Wellenleiter (5), welcher auch den gesamten Innenraum der Hohlleiter-Endstücke ausfüllt (siehe 2).
Der dielektrischen Wellenleiter (5) besitzt eine hohe Dielektrizitätszahl mit Ɛ_r > 1, um Abstrahlungsverluste durch schwach geführte Moden zu minimieren. An der Innenwand des dielektrischen Wellenleiter (5) tritt daher überwiegend Totalreflexion für alle ausbreitungsfähigen Moden auf.
Verluste durch Abstrahlung der Leckwellen und Oberflächenwellen auf dem dielektrischen Wellenleiter (5) können durch Auswahl geeigneter Dielektrika (z,B. Keramik etc.) sowie durch Optimierung der Länge und Radius des dielektrischen Wellenleiters (5) sehr klein gehalten werden [6].
In den Hohlleiter-Endstücken (1) treten entsprechend den Hohlleiter-Abmessungen und der Frequenz des eingespeisten Hochfrequenz-Signals die bekannten und theoretisch zu erwartenden H_nmp bzw. E_nmp-Resonanzen (Eigenmoden) auf. An einem praktischen Modell wurden beispielhaft Berechnungen für eine H₁₀₂-Resonanz durchgeführt (1) (siehe 1, 2).
Auf der Innenseite der Rückwand jedes Hohlleiter-Endstückes (1) treten dem jeweiligen Resonanztyp entsprechend Oberflächenströme auf, wobei die ortsabhängige Oberflächenstromdichte mit der dazugehörigen tangentialen magnetischen Feldstärke verknüpft ist. Es gilt mathematisch exakt: ${\vec{J}}_{F} = \vec{n} \times \vec{H_{t}}$
Das tangentiale Magnetfeld ${\vec{H}}_{t}$
liegt dabei vor der Wand und $\vec{n}$
ist der Normalenvektor, der aus der Wand herauszeigt.
Für sehr gut leitende Hohlleiterwände ist die tangentiale elektrische Feldstärke auf der Wand näherungsweise gleich Null, so daß sich die Lorentz-Kraft-Dichte (= Lorentz-Kraft/Fläche) auf der Wand (2) (siehe 4) in guter Näherung berechnen läßt mit: $d {\vec{F}}_{z} = {\vec{J}}_{F} (x, y) \times μ {\vec{H}}_{t} (x, y)$
Die gesamte Kraft auf die Wand erhält man durch Integration über die Wandfläche A: ${\vec{F}}_{z} = \oint_{A} d {\vec{F}}_{z} {\vec{d}}_{A}$
Aufgrund der Vektor-Produkt Operationen in Gl.1,1 und Gl. 1,2) ist die Richtung des Kraftvektors immer von der stromführenden (Innen-)Wand nach außen gerichtet, also in negativer Richtung des Normalenvektors $\vec{n} .$
Damit wirkt auf jedes Hohlleiter-Endstück (1) eine Kraft in die gleiche Richtung (siehe 4, 1).
In dem dielektrischen Wellenleiter (5) treten keine Oberflächenströme auf, deswegen werden auf diese gesamte Struktur auch keine Kräfte ausgeübt.
Die Kräfte auf die restlichen Wandflächen (2) der Hohlleiter-Endstücke (1) sowie auf die metallischen Flächen der Hornantennen (3) sind auch alle nach außen gerichtet und heben sich aufgrund der Symmetrien jeweils auf.
Auf die gesamte Struktur wirkt eine resultierende Kraft von F_z= F_z1 + F_z2 (Gl.1,4) in negative z-Richtung (siehe 1, Koordinaten).
Da nur im oberen Hohlleiter-Endstück die Ankopplung bzw. ein Leitungsübergang zur Einspeisung der HF-Energie vorhanden ist, sind die Kräfte F_z1 und F_z2 unterschiedlich groß.
Eine Berechnung mittels eines Programmes für finite elektromagnetische Feldsimulation ergab beispielhaft für eine H_10p-Resonanz (H₁₀₂-Resonanz in den Hohlleiter-Endstücken) folgende Werte bei einem Energieinhalt von 1J = 1Ws in der gesamten Resonator-Struktur (= Hohlleiter + dielektrischer Wellenleiter): $\begin{array}{l} \begin{array}{l} \end{array} {Fz}_{1} = 0,27 N {, F}_{z2} = 0,34 N \\ \begin{array}{l} \Rightarrow \end{array} F_{z} = F_{z1} + F_{z 2} = 0,61 N \end{array}$
Durch Einspeisung einer größeren HF-Signal Leistung an der anpassungs-optimierten Hohlleiter-Ankopplung (4) erhöht sich die im Resonatorsystem gespeicherte Energie und somit die Kraft F_z gleichermaßen in einem linearen Zusammenhang.
Die Abmessungen des Resonatorsystems sind aufgrund bekannter Beziehungen von der Betriebsfrequenz abhängig [1] [2] [4] [5] und können daher bei hohen Frequenzen sehr klein gehalten werden. Damit sind auch modulare und in der Leistung skalierbare Systeme bestehend aus vielen Einzel- Resonatorsystemen gem. 1 realisierbar (Array-Strukturen), womit sehr hohe Antriebskräfte erzielt werden können.
Referenzen

[1] G. Piefke. Feldtheorie I, II. Bibliographisches Institut Mannheim., 1971-77. Hochschultaschenbücher Band 771, 773, 882. Vergriffen (Bibliothek).
[2] O. Zinke and H. Brunswig. Lehrbuch der Hochfrequenztechnik. Springer Verlag Berlin, 1995. Band 1: Hochfrequenzfilter, Leitungen, Antennen.
[3] Journal „Spektrum der Wissenschaft". Ausgabe Januar 2010, Seite 33-39
[4] T. Zwick. Antennen und Antennensysteme. Universität Karlsruhe, Skriptum zur Vorlesung Höchstfrequenztechnik, Auflage 2.12, 2008.
[5] T. Zwick. Hochfrequenztechnik. Universität Karlsruhe, Skriptum zur Vorlesung Höchstfrequenztechnik, Auflage 2.12, 2008.
[6] J. Richter. Dielektrische Weitwinkellinsen und Speiseanordnungen für Focal Plane Array Antennen bildgebender Millimeterwellensysteme, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg, September 2006.

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 Nicht-Patentliteratur

G. Piefke. Feldtheorie I, II. Bibliographisches Institut Mannheim., 1971-77. Hochschultaschenbücher Band 771, 773, 882. Vergriffen (Bibliothek) [0024]
O. Zinke and H. Brunswig. Lehrbuch der Hochfrequenztechnik. Springer Verlag Berlin, 1995. Band 1: Hochfrequenzfilter, Leitungen, Antennen [0024]
Journal „Spektrum der Wissenschaft“. Ausgabe Januar 2010, Seite 33-39 [0024]
T. Zwick. Antennen und Antennensysteme. Universität Karlsruhe, Skriptum zur Vorlesung Höchstfrequenztechnik, Auflage 2.12, 2008 [0024]
T. Zwick. Hochfrequenztechnik. Universität Karlsruhe, Skriptum zur Vorlesung Höchstfrequenztechnik, Auflage 2.12, 2008 [0024]
J. Richter. Dielektrische Weitwinkellinsen und Speiseanordnungen für Focal Plane Array Antennen bildgebender Millimeterwellensysteme, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg, September 2006 [0024]

Claims

Anspruch gem. einer Struktur eines elektromagnetischen Resonatorsystems gem. 1.
Elektromagnetischer (Raum-)Antrieb, dadurch gekennzeichnet, daß gem. 1 ein hochfrequentes, elektrisches Energiesignal über eine anpassungs-optimierte Hohlleiter-Ankopplung (4) (siehe 2, 3, 4) in ein Resonatorsystem eingespeist wird, welches aus zwei metallischen (Rechteck-) Hohlleiter-Endstücken (1), einer mit den jeweiligen Hohlleiter-Endstücken verbundenen Hornantenne (3), sowie einem dielektrischen Wellenleiter (5) besteht, welcher auch den gesamten Innenraum der Hohlleiter- Endstücke ausfüllt (siehe 2).
Elektromagnetischer (Raum-)Antrieb, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlleiter-Endstücken (1) entsprechend den Hohlleiter-Abmessungen und der Frequenz des eingespeisten Hochfrequenz-Signals die bekannten und theoretisch zu erwartenden H_nmp bzw. E_nmp-Resonanzen (Eigenmoden) auftreten, wobei die dem jeweiligen Resonanztyp entsprechenden Oberflächenströme mit den dazugehörigen tangentialen magnetischen Feldstärken Kräfte erzeugen, welche auf jedes Hohlleiter-Endstück (1) jeweils in die gleiche Richtung wirken (siehe 4, 1) bedingt durch den geometrischen Aufbau der Struktur gem .1.
Elektromagnetischer (Raum-)Antrieb, dadurch gekennzeichnet, daß auf die komplette Struktur des Resonatorsystems eine resultierende Gesamtkraft in eine Richtung wirkt, welche die Struktur in Richtung der Kraft beschleunigt. Die Struktur des Resonatorsystems wirkt somit wie ein Strahltriebwerk, aber ohne den Umsatz bzw. den Ausstoss von Masse-Teilchen oder Materie.
Elektromagnetischer (Raum-)Antrieb nach Anspruch 1 und dadurch gekennzeichnet, daß durch Einspeisung einer größeren HF-Signal Leistung an der anpassungs-optimierten Hohlleiter-Ankopplung (4) sich die im Resonatorsystem gespeicherte Energie und somit die Kraft F_z gleichermaßen in einem linearen Zusammenhang erhöht.
Elektromagnetischer (Raum-)Antrieb nach Anspruch 1 und dadurch gekennzeichnet, daß auch modulare und in der Leistung skalierbare Systeme bestehend aus vielen Einzel-Resonatorsystemen gem. 1 realisierbar sind (Array-Strukturen), womit sehr hohe Antriebskräfte erzielt werden können.