DE102016123092B3 - Rocket engine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Raketentriebwerk für einen Raketentreibstoff, mit einer Stützmasse bei deren Verbrennung ein Produkt mit einem Dipolmoment entsteht, umfassend eine Brennkammer insbesondere mit einem Flammhalter, eine Düse und eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, mit der zumindest in einem Bereich der Düse ein elektrisches Feld anlegbar ist.The present invention relates to a rocket engine for a rocket fuel, with a support mass upon combustion of which a product with a dipole moment is produced, comprising a combustion chamber, in particular with a flame holder, a nozzle and a device for generating an electric field, with which at least in a region of the nozzle an electric field can be applied.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Raketentriebwerk. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Raketentriebwerk für einen Raketentreibstoff, mit einer Stützmasse bei deren Verbrennung ein Produkt mit einem Dipolmoment entsteht.The present invention relates to a rocket engine. In particular, the invention relates to a rocket engine for a rocket fuel, with a support mass in the combustion of which a product is formed with a dipole moment.
Raketentriebwerke sind Antriebe, die die Antriebskraft (Schub) durch Ausstoßen von Stützmasse entgegen der Antriebsrichtung erzeugen. Weil sie dabei keine Materie von außen ansaugen und beschleunigt wieder ausstoßen, funktionieren sie unabhängig von der Umgebung, also auch im Vakuum. Sie wurden ursprünglich für den Flug von Raketen entwickelt.Rocket engines are drives that generate the drive force (thrust) by ejecting support mass against the drive direction. Because they do not suck in matter from the outside and accelerate it again, they work independently of the environment, even in a vacuum. They were originally developed for the flight of rockets.
In der
In der
Eine wesentliche Kenngröße von Raketentriebwerken ist der massenspezifische Impuls, der die Effizienz des Antriebs als Verhältnis zwischen Impuls und verbrauchter Treibstoffmasse beschreibt. Er hat - in SI-Einheiten - die Einheit m/s und liegt z. B. bei einem Feststoffmotor bei 2450 m/s, einem Flüssigkeitstriebwerk bei 4444 m/s. Daneben spricht man vom gewichtsspezifischen Impuls, wenn man den massenspezifischen Impuls über die Erdbeschleunigung normiert. Die SI-Einheit des gewichtsspezifischen Impuls ist s.An essential characteristic of rocket engines is the mass-specific momentum, which describes the efficiency of the drive as the ratio between momentum and fuel mass consumed. He has - in SI units - the unit m / s and is z. B. in a solid motor at 2450 m / s, a liquid engine at 4444 m / s. In addition one speaks of the weight-specific impulse, if one normalizes the mass-specific impulse over the Erdbeschleunigung. The SI unit of the weight-specific pulse is s.
Es werden momentan zwei Möglichkeiten untersucht, den (gewichts-)spezifischen Impuls von chemischen Triebwerken zu steigern: Freie Radikale und metastabile Elemente. Alle Methoden befinden sich noch im Experimentierstadium. Ozon ist zwar instabil, das Allotrop Tetrasauerstoff soll aber stabiler sein. Damit wären (gewichts-)spezifische Impulse von bis zu 564 s (5538 Ns/kg) im Vakuum möglich. Man versucht ebenfalls Wasserstoffradikale als Treibstoff zu verwenden. Um die Stabilität des Elements zu erhöhen, werden sie unter flüssigen Wasserstoff gemischt. Wird diese Kombination (mit theoretischen 15,4 % Radikalen) mit flüssigem Sauerstoff verbrannt, können (gewichts-)spezifische Impulse von bis zu 750 s (7358 Ns/kg) im Vakuum erreicht werden. Es wurde testweise metastabiles Helium erzeugt und als Bose-Einstein-Kondensat gespeichert. Die Reaktion von metastabilem Helium zu Helium würde spezifische Impulse von 2825 s (27.713 Ns/kg) möglich machen, mehr als bei nuklearen Antrieben. Raketentriebwerke müssen insbesondere auch einen ausreichend großen Massendurchsatz erlauben, woran exotische Kombinationen regelmäßig scheitern, beispielsweise eine Rakete mit einer Masse von 100.000 kg und mit einem hohen gewichtsspezifischen Impuls von 10.000 s und einem maximalen Durchsatz von nur 100g/s (Ionentriebwerk) - dies läßt sich nicht für LEO oder GEO Raumfahrt verwenden.There are currently two ways to increase the (weight) specific impulse of chemical engines: free radicals and metastable elements. All methods are still in the experimental stage. Although ozone is unstable, the Allotrop Tetrasauerstoff should be more stable. This would allow (weight) specific pulses of up to 564 s (5538 Ns / kg) in vacuum. One also tries to use hydrogen radicals as fuel. To increase the stability of the element, they are mixed under liquid hydrogen. If this combination (with theoretical 15.4% radicals) is burnt with liquid oxygen, (weight-) specific impulses of up to 750 s (7358 Ns / kg) can be achieved in vacuum. Metastable helium was produced on a test basis and stored as a Bose-Einstein condensate. The reaction of metastable helium to helium would make specific pulses of 2825 s (27,713 Ns / kg) possible, more than with nuclear propulsion. In particular, rocket engines must allow a large enough mass flow rate that exotic combinations fail on a regular basis, such as a 100,000 kg rocket with a high weight pulse of 10,000 s and a maximum throughput of only 100 g / s (ion engine) do not use for LEO or GEO space travel.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Raketentriebwerk mit einer erhöhten Effizienz bereitzustellen.It is the object of the present invention to provide a rocket engine with increased efficiency.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the features of
Danach wird die Aufgabe gelöst durch ein Raketentriebwerk für einen Raketentreibstoff, mit einer Stützmasse bei deren Verbrennung ein Produkt mit einem Dipolmoment entsteht, umfassend eine Brennkammer bevorzugt mit einem Flammhalter, eine Düse, wobei eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes vorgesehen ist, mit der zumindest in einem Bereich der Düse ein elektrisches Feld angelegt wird, durch das Quer- und Rotationsfreiheitsgrade der molekularen Bewegung der Moleküle mit Dipolmoment eingeschränkt werden und die Moleküle mit Dipolmoment beim Durchfliegen des elektrischen Feldes gleichgerichtet werden.Thereafter, the object is achieved by a rocket engine for a rocket fuel, with a supporting mass in the combustion of a product with a dipole moment arises, comprising a combustion chamber preferably with a flame holder, a nozzle, wherein means for generating an electric field is provided with the at least an electric field is applied in a region of the nozzle which restricts transverse and rotational degrees of freedom of the molecular motion of the molecules with dipole moment and the molecules with dipole moment are rectified as it travels through the electric field.
Der Arbeit des Raketentriebwerks liegt das Rückstoßprinzip im Rahmen des dritten newtonschen Axioms zugrunde. Je höher die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Stützmasse ist, desto effizienter ist das Triebwerk und desto größer ist die mögliche Geschwindigkeitsänderung „Delta v“ der Rakete. Raketentriebwerke kommen nicht nur als Antriebe von Raketen, Trägerraketen, Raumfahrzeugen zur Anwendung sondern auch bei Flugzeugen und speziellen Landfahrzeugen (z. B. Raketenautos). Rückstoßantriebe, die auf Verbrennung beruhen, führen sowohl ihren Treibstoff als auch ihren Oxidator mit. Das angetriebene Objekt, zum Beispiel eine Rakete, wird durch den Rückstoß mit der gleichen Kraft nach vorn beschleunigt, mit der das Antriebsmedium nach hinten ausgestoßen wird.The work of the rocket engine is based on the recoil principle in the context of the third Newtonian axiom. The higher the speed of the ejected support mass, the more efficient the engine and the greater the potential speed change "delta v" of the missile. Rocket engines are used not only as propulsion systems for rockets, launchers, spacecraft, but also for aircraft and special land vehicles (eg rocket cars). Recoil drives based on combustion carry both their fuel and their oxidizer. The driven object, for example, a rocket, is accelerated forward by the recoil with the same force that ejects the drive medium to the rear.
Die meisten (aber nicht alle) Raketenantriebe sind Verbrennungskraftmaschinen: Sie erhitzen durch Verbrennung eines Brennstoffs mit Oxidationsmitteln eine Stützmasse (in der Regel das/die Verbrennungsprodukt(e)) in einer Brennkammer bei sehr hoher Temperatur und lassen das energiereiche Produkt des Prozesses in Gasform durch eine Öffnung austreten. Die bei der (exothermen) Verbrennung freigesetzte thermische Energie sowie der entstehende Druck in der Brennkammer werden beim Austreten (teilweise) in kinetische Energie (Beschleunigung) umgewandelt und erzeugen somit die Schubkraft nach dem Rückstoßprinzip.Most (but not all) rocket engines are internal combustion engines: by burning a fuel with oxidants, they heat a support mass (typically the combustion product (s)) in a very high temperature combustor and pass the high energy product of the process in gaseous form to emerge an opening. The thermal energy released in the (exothermic) combustion as well as the resulting pressure in the combustion chamber are (partially) converted into kinetic energy (acceleration) and thus generate the thrust force according to the recoil principle.
Die speziell geformte Austrittsöffnung der Brennkammer wird Düse genannt, sie dient zur Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit (resultiert in höherer Schubkraft) sowie zur Erhöhung des Innendrucks in der Brennkammer (zugunsten des Verbrennungsprozesses). Eine häufig verwendete Düsenart ist die Lavaldüse. Die Düse muss gekühlt werden, was entweder durch Beschichtungen oder durch innen liegende Kühlleitungen, durch die der Brennstoff fließt, erreicht wird. Idealerweise entspannt man den Strahl bis auf den Umgebungsdruck; im Vakuum oder aus praktischen Gründen (Länge und Gewicht) ist das nicht möglich, die Auslegung der Düse ist daher ein Kompromiss und Teil der Antriebsauslegung, die insbesondere auch abhängig ist von den Betriebsbedingungen: im Weltraum, im Orbit, auf dem Weg zum Orbit, in der höheren Atmosphäre oder in der Atmosphäre. The specially shaped outlet of the combustion chamber is called nozzle, it serves to increase the exit velocity (resulting in higher thrust) and to increase the internal pressure in the combustion chamber (in favor of the combustion process). One frequently used type of nozzle is the Laval nozzle. The nozzle must be cooled, which is achieved either by coatings or by internal cooling lines through which the fuel flows. Ideally, the jet is expanded to the ambient pressure; in vacuum or for practical reasons (length and weight) this is not possible, the design of the nozzle is therefore a compromise and part of the drive design, which also depends on the operating conditions: in space, in orbit, on the way to orbit, in the higher atmosphere or in the atmosphere.
Ein chemisches Raketentriebwerk arbeitet (im Gegensatz zu einigen anderen Triebwerken) völlig unabhängig von seiner Umgebung. Es ist eine Verbrennungsmaschine wie das luftatmende Strahltriebwerk, aber im Gegensatz zu diesem nicht auf den Luftsauerstoff als Oxidationsmittel angewiesen: Es werden alle notwendigen Betriebsmittel mitgeführt, so z. B. der zur Verbrennung des Brennstoffs notwendige Sauerstoff. Die Rakete kann deshalb auch im Vakuum arbeiten. Die folgenden drei Formen von chemischen Triebwerken sind gebräuchlich und unterscheiden sich im Lagerungszustand der Betriebsmittel: Feststofftriebwerk, Flüssigkeitstriebwerk und Hybridraketentriebwerk. Das Feststofftriebwerk verwendet Feststoffe zum Verbrennen und der Treibstofftank ist gleichzeitig auch die Brennkammer. Ein Flüssigkeitstriebwerk ermöglicht aufgrund des Aufbaus Schubregulierung, lange Arbeitszeit und eine relativ günstige Wiederverwendung. Bei Flüssigkeitsraketentriebwerken werden Brennstoff und (sofern es sich nicht um ein Monergoltriebwerk handelt) Oxidanz außerhalb des Triebwerks gelagert. Sie lassen sich mit geringem Mehraufwand auch wiederzündbar auslegen, so dass das Triebwerk während des Fluges mehrere Brennphasen haben kann. Im Hybridraketentriebwerk werden sowohl feste als auch flüssige Treibstofkomponenten verwendet.A chemical rocket engine works (unlike some other engines) completely independent of its environment. It is an internal combustion engine such as the air-breathing jet engine, but in contrast to this is not dependent on the atmospheric oxygen as an oxidant: There are all necessary resources carried, such. B. the oxygen necessary for the combustion of the fuel. The rocket can therefore work in a vacuum. The following three forms of chemical thrusters are common and different in the storage state of the resources: solid propellant, liquid engine, and hybrid rocket engine. The solid fuel engine uses solids to burn and the fuel tank is also the combustor. A liquid engine allows thrust regulation, long working hours and relatively low reuse due to its design. In liquid rocket engines, fuel and (unless it is a monolaser engine) oxidant are stored outside the engine. They can also be re-ignited with little additional effort, so that the engine can have several firing phases during the flight. The hybrid rocket engine uses both solid and liquid fuel components.
Als Raketentreibstoff werden die Antriebsstoffe des Raketenmotors bzw. Raketentriebwerks bezeichnet. Durch ihn entsteht der Schub einer Rakete. Die Wahl des Raketentreibstoffes ist ein bestimmender Faktor für den spezifischen Impuls eines Raketentriebwerks. Der spezifische Impuls ist ein Maß für die Effizienz von Triebwerken, also für den Verbrauch von Treibstoff pro Impuls.The propellants of the rocket engine or rocket engine are referred to as rocket fuel. It gives rise to the thrust of a rocket. The choice of rocket fuel is a determining factor for the specific momentum of a rocket engine. The specific impulse is a measure of the efficiency of engines, ie the consumption of fuel per pulse.
Obwohl ein hoher spezifischer Impuls immer erstrebenswert ist, kommen häufig auch Treibstoffe mit geringerer Effizienz zum Einsatz. Beispielsweise wird in der ersten Stufe von Raketentriebwerken oft Kerosin als Brennstoff oder Feststoffraketen verwendet, obwohl Triebwerke mit flüssigem Wasserstoff oder elektrischem Antrieb einen sehr viel höheren spezifischen Impuls haben, also effizienter sind.Although a high specific impulse is always desirable, less efficient fuels are often used. For example, in the first stage of rocket engines, kerosene is often used as fuel or solid rocket, although liquid hydrogen or electric propulsion engines have a much higher specific impulse, and thus are more efficient.
Die für Raketen am häufigsten verwendeten Treibstoffe sind chemisch. Dabei werden die Produkte einer chemischen Reaktion mit hoher Geschwindigkeit aus der Triebwerksdüse ausgestoßen. Sowohl Energie als auch Stützmasse kommen aus der chemischen Reaktion. Dies hat sich z.B. in der Raumfahrt als Startsystem in den Orbit bewährt, weil die erzielbaren Beschleunigungen (6g) und der spezifische Impuls sowie der dafür notwendige Durchsatz technisch umsetzbar sind.The fuels most commonly used for rockets are chemical. The products of a chemical reaction are expelled from the engine nozzle at high speed. Both energy and support mass come from the chemical reaction. This has e.g. proven in aerospace as a start system into orbit, because the achievable accelerations (6g) and the specific impulse and the necessary throughput are technically feasible.
Bei den chemischen Treibstoffsystemen erzeugt eine chemische Reaktion den Schub der Rakete. Man unterscheidet allgemein entweder nach der Art des Treibstoffes in Fest-, Flüssig- oder Hybridtreibstoffe oder nach Anzahl der am Verbrennungsprozess beteiligten Reaktionsstoffe in Monergol, Diergol oder Triergol. Bei der chemischen Reaktion werden Wärmeenergie und Reaktionsprodukte frei, durch die hohe Drücke und Temperaturen in der Brennkammer entstehen, wodurch die Reaktionsprodukte mit möglichst hoher Geschwindigkeit aus der Triebwerksdüse ausgestoßen werden. Bei chemischen Raketentreibstoffen werden bevorzugt ein Treibstoff (auch Brennstoff genannt) und ein Oxidator bzw. Oxidanz verwendet. Diese können vor dem Start in gemischter (Feststoffrakete) oder ungemischter Form (bspw. in einer Flüssigkeitsrakete) vorliegen.In chemical fuel systems, a chemical reaction generates the thrust of the rocket. A distinction is generally either by the nature of the fuel in solid, liquid or hybrid fuels or by the number of reactants involved in the combustion process in Monergol, Diergol or Triergol. The chemical reaction releases heat energy and reaction products that create high pressures and temperatures in the combustion chamber, expelling the reaction products from the engine nozzle at the highest possible speed. In chemical rocket fuels, a fuel (also called fuel) and an oxidant or oxidant are preferably used. These can be present in mixed (solid rocket) or unmixed form (eg in a liquid rocket) before take-off.
Besonders bevorzugt sind insbesondere bei Großraketen folgende Kombinationen: Particularly in the case of large rockets, the following combinations are particularly preferred:
Zum Antrieb werden kryogene Treibstoffe wie Kerosin mit LOX (Liquid Oxygen, Flüssigsauerstoff), Flüssiger Wasserstoff mit LOX (Liquid Oxygen, Flüssigsauerstoff) verwendet. Als Flüssigbrennstoffe werden UDMH oder/und Hydrazin mit Distickstofftetroxid (Hypergol und ohne Kühlung lagerbar) eingesetzt. Als Feststoff-Treibstoffe werden Hydroxyl-terminiertes Polybutadien mit Ammoniumperchlorat und Aluminium, abgekürzt HTPB / AP / AL verwendet.Cryogenic fuels such as kerosene with LOX (Liquid Oxygen, liquid oxygen), liquid hydrogen with LOX (Liquid Oxygen, liquid oxygen) are used for the drive. UDMH and / or hydrazine with dinitrogen tetroxide (hypergolic and storable without cooling) are used as liquid fuels. As solid propellants, hydroxyl-terminated polybutadiene with ammonium perchlorate and aluminum, abbreviated HTPB / AP / AL, are used.
Für das Lagekontrollsystem kommen nur nicht-kryogene Stoffe zum Einsatz: MMH mit Distickstofftetroxid oder MON als Hypergol bzw. Hydrazin als Monergol.For the situation control system only non-cryogenic substances are used: MMH with dinitrogen tetroxide or MON as hypergolic or hydrazine as monergol.
Die Stützmasse ist bei Rückstoßantrieben die nach hinten ausgestoßene Masse, durch die der Rückstoß bewirkt wird. Der Schub ist das Produkt aus Massestrom und Austrittsgeschwindigkeit.The support mass in recoil drives is the mass expelled backwards, causing the recoil. Thrust is the product of mass flow and exit velocity.
Bei der Verbrennung der Stützmasse entsteht mindestens ein Produkt mit einem Dipolmoment. Das Dipolmoment ist ein Maß für die Stärke eines Dipolmoleküls und damit für die Polarität des Moleküls. Ein solches Produkt mit Dipolmoment beim Verbrennen der Stützmasse kann beispielsweise Wasser sein.When burning the support mass, at least one product is formed with one Dipole moment. The dipole moment is a measure of the strength of a dipole molecule and thus of the polarity of the molecule. Such a product with dipole moment when burning the support mass may be, for example, water.
Die Brennkammer ist das Bauteil, in dem der Brennstoff mit dem Oxidator kontinuierlich verbrennt. Bei einem Feststoffraketentriebwerk ist dies der Behälter, in dem der Feststoff eingebracht ist und verbrennt, bei einem Flüssigkeitsraketentriebwerk ist das ein bevorzugt aus Metall gefertigter Behälter, in dem der Brennstoff mit dem Oxidator vermischt wird und kontinuierlich verbrennt. In der Regel werden Brennkammern aus Fertigungsgründen zylindrisch ausgeführt. Besonders bevorzugt ist die Brennkammer der vorliegenden Erfindung mit teilweise geraden Wänden, bevorzugt einem Behälter mit rechteckigem, sechseckigem, achteckigem oder quadratischem Querschnitt ausgebildet. Dieser Querschnitt kann über die gesamte Brennkammer gleichbleibend ausgebildet sein, bevorzugt nur in vorbestimmten Bereichen der Brennkammer gleichbleibend ausgebildet sein. Der Querschnitt kann sich über die Länge der Brennkammer vergrößern oder verkleinern. Bevorzugt wird dabei die geometrische Grundform des Querschnitts erhalten, auch wenn diese sich vergrößert oder verkleinert. An der stirnseitigen, der Düsenöffnung gegenüberliegenden Seite der Brennkammer sind bevorzugt der Einspritzkopf oder eine Injektorenplatte bzw. ein Flammhalter angeordnet. Diese haben die Aufgabe, die in getrennten Rohrleitungen herangeführten Treibstoffkomponenten bei der Einspritzung intensiv und fein zu vermischen, um eine restlose und vollständige Verbrennung sicherzustellen.The combustion chamber is the component in which the fuel burns continuously with the oxidizer. In a solid rocket engine, this is the vessel in which the solid is introduced and burns; in a liquid rocket engine, this is a vessel, preferably made of metal, in which the fuel is mixed with the oxidizer and continuously burns. As a rule, combustion chambers are made cylindrical for production reasons. Particularly preferably, the combustion chamber of the present invention is formed with partially straight walls, preferably a container of rectangular, hexagonal, octagonal or square cross-section. This cross-section can be formed consistently over the entire combustion chamber, preferably be formed constant only in predetermined areas of the combustion chamber. The cross section may increase or decrease over the length of the combustion chamber. Preferably, the geometric basic shape of the cross section is obtained, even if it increases or decreases. At the front side, the nozzle opening opposite side of the combustion chamber, the injection head or an injector plate or a flame holder are preferably arranged. These have the task of intensively and finely mixing the fuel components brought up in separate pipes during the injection in order to ensure complete and complete combustion.
An die Brennkammer schließt bevorzugt unmittelbar eine Düse an. Die Düse ist bevozugt als Schubdüse ausgebildet, bevorzugt in Form einer Lavaldüse. Diese besteht aus einer Einschnürung zur Geschwindigkeitssteigerung des Gases, dem sogenannten Düsenhals, der wiederum in einen glockenförmigen oder kegelförmigen Teil übergeht, in dem durch die Expansion der Gase der Schub erzeugt wird. Bevorzugt werden Brennkammer und Düse in einem Teil gefertigt.The combustion chamber is preferably immediately followed by a nozzle. The nozzle is preferably designed as a discharge nozzle, preferably in the form of a Laval nozzle. This consists of a constriction to increase the speed of the gas, the so-called nozzle throat, which in turn merges into a bell-shaped or conical part in which is generated by the expansion of the gases of the thrust. Preferably, combustion chamber and nozzle are manufactured in one part.
Durch die Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes ist es möglich, ein elektrisches Feld zu generieren. Ein elektrisches Feld ist ein physikalisches Feld, das durch die Coulombkraft auf elektrische Ladungen wirkt. Es bewirkt die Bindung von Elektronen an den Atomkern und beeinflusst so die Gestalt der Materie. Elektrische Felder werden hervorgerufen von elektrischen Ladungen und durch zeitliche Änderungen magnetischer Felder. Bevorzugt ist das generierte elektrische Feld das elektrische Feld einer Punktladung, besonders bevorzugt mehrerer Punktladungen, bevorzugt das elektrische Feld einer Linienladung, bevorzugt das elektrische Feld eines Dipols, besonders bevorzugt das elektrische Feld einer Flächenladung, besonders bevorzugt ein homogenes elektrisches Feld, insbesondere das elektrische Feld eines Plattenkondensators. Bevorzugt ist die Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Felds ein Plattenkondensator.By the means for generating an electric field, it is possible to generate an electric field. An electric field is a physical field that acts on electric charges by the Coulomb force. It causes the binding of electrons to the nucleus and thus influences the shape of matter. Electric fields are caused by electric charges and by temporal changes of magnetic fields. The generated electric field is preferably the electric field of a point charge, particularly preferably of several point charges, preferably the electric field of a line charge, preferably the electric field of a dipole, particularly preferably the electric field of a surface charge, particularly preferably a homogeneous electric field, in particular the electric field a plate capacitor. Preferably, the means for generating an electric field is a plate capacitor.
Besonders bevorzugt ist ein elektrisches Feld vorgesehen, das lateral angeordnet ist. Damit wird die sonst freie Molekularbewegung der Dipolmoleküle in 3 von 6 Freiheitsgraden behindert bzw. moderiert. Damit entsteht eine Möglichkeit, die Wärmeenergie mehr in die axiale Bewegung (=kinetische Energie) zu lenken, als sie dem Massenstrom vor allem in Form einer Temperaturerhöhung zuzuführen.Particularly preferably, an electric field is provided, which is arranged laterally. Thus, the otherwise free molecular motion of the dipole molecules is hindered or moderated in 3 of 6 degrees of freedom. This creates a possibility to direct the thermal energy more in the axial movement (= kinetic energy), as they supply the mass flow, especially in the form of a temperature increase.
Weiter bevorzugt ist eine quasi Punktladung am Düsenausgang vorgesehen besonders bevorzugt mit einer Flächenladung bei dem Flammhalter. In diesem Fall wirkt das E-Feld axial. Außerdem werden 2 Freiheitsgrade blockiert.More preferably, a quasi point charge is provided at the nozzle exit particularly preferably with a surface charge in the flame holder. In this case the E-field acts axially. In addition, 2 degrees of freedom are blocked.
Besonders bevorzugt wird die Strömung mit Aufkommen der Dipolmoleküle bis zum Austritt aus der Düse durch ein E-Feld moderiert. Hierbei liegt das E-Feld besispielsweise mit der Verbrennung bis zum Austrittsquerschnitt an, bevorzugt von Brennkammeranfang bis Düsenaustritt.Particularly preferably, the flow is moderated with the emergence of the dipole molecules until they exit the nozzle through an E-field. In this case, the electric field is, for example, with combustion up to the outlet cross section, preferably from the beginning of the combustion chamber to the nozzle outlet.
Weiterhin bevorzugt ist die Kombination von unterschiedlichen E-Feldern, beispielsweise axial und lateral orientierte E-Felder.Further preferred is the combination of different E fields, for example axially and laterally oriented E fields.
Bevorzugt ist auch ein osziliierendes E-Feld, das beispielsweise durch Wechselspannung erzeugt wird - hierdurch wird ein etwaiger Elektrolyseeffekt bzw. eine einseitige Belastung der Strömung verringert. Bevorzugt ist ein Spannungswechsel mit bis zu 10.000 Hz; dann ist die beeinflußte Weglänge l = ca. 5.000 m/s / 10.000 1/s = 0,5 m.Preference is also given to an oscillating E field, which is generated, for example, by alternating voltage - as a result of which any electrolysis effect or a one-sided load on the flow is reduced. A voltage change of up to 10,000 Hz is preferred; then the affected path length l = approx. 5,000 m / s / 10,000 1 / s = 0.5 m.
Die Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Felds ist so eingerichtet, dass das elektrische Feld zumindest in einem Bereich der Düse anlegbar ist. Bevorzugt ist das elektrische Feld im gesamten Bereich der Düse inklusive Brennkammer anlegbar, besonders bevorzugt zumindest in einem Teil der Düse, insbesondere bevorzugt in dem Bereich, der der Brennkammer zugewandt ist.The device for generating the electric field is set up so that the electric field can be applied at least in a region of the nozzle. Preferably, the electric field in the entire region of the nozzle including the combustion chamber can be applied, particularly preferably at least in a part of the nozzle, particularly preferably in the region which faces the combustion chamber.
Durch das elektrische Feld wird die Strömung von dipolartigen Molekülen durch die Düse moderiert, d.h. die Quer- und Rotationsfreiheitsgrade (3 von 6) der molekularen Bewegung der Dipolmoleküle wird eingeschränkt, und damit die Effizienz des Raketentriebwerks verbessert. Auch beim Leeren von Behältern kann dies eingesetzt werden.The electric field moderates the flow of dipole-like molecules through the nozzle, i. the transverse and rotational degrees of freedom (3 of 6) of the molecular motion of the dipole molecules is restricted, thereby improving the efficiency of the rocket engine. This can also be used when emptying containers.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Raketentriebwerk ein Flüssigkeitsraketentriebwerk. In another embodiment of the present invention, the rocket engine is a liquid rocket engine.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes so ausgebildet, dass im Bereich der Brennkammer und im kompletten Bereich der Düse ein elektrisches Feld anlegbar ist. Durch die Wirkung des elektrischen Feldes nicht nur an der Düse sondern auch im Bereich der Brennkammer werden die Dipolmoleküle gleich beim Entstehen in der exothermen Reaktion moderiert und ebenso bei der Strömung durch die Düse. Durch das Dipolmoment werden Quer- und Rotationsbewegungen der Dipolmoleküle in der Strömung gehindert und die Energieumsetzung in kinetische Energie, d.h. in axiale Bewegung, verbessert; dadurch wird die Effizienz des Raketentriebwerks verbessert. Bevorzugt wird das elektrische Feld im gesamten Bereich der Brennkammer und bevorzugt auch der Düse vorgesehen, besonders bevorzugt hinter dem Flammhalter, besonders bevorzugt vom Einlass der Brennkammer bis zur Düse.In a further embodiment, the device for generating an electric field is designed so that in the region of the combustion chamber and in the entire region of the nozzle, an electric field can be applied. Due to the effect of the electric field not only at the nozzle but also in the area of the combustion chamber, the dipole molecules are moderated as they emerge in the exothermic reaction and also during the flow through the nozzle. The dipole moment prevents transverse and rotational movements of the dipole molecules in the flow and converts the energy into kinetic energy, i. in axial motion, improved; this improves the efficiency of the rocket engine. The electric field is preferably provided in the entire region of the combustion chamber and preferably also of the nozzle, more preferably behind the flame holder, particularly preferably from the inlet of the combustion chamber to the nozzle.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes so ausgebildet, dass ein statisches homogenes elektrisches Feld erzeugbar ist. Dadurch wird ein Feld bereitgestellt, in dem die Moleküle mit Dipolelement beim Durchfliegen dieses Feldes gleichgerichtet werden und dadurch die gegengerichtete Bewegung der einzelnen Moleküle untereinander vermindert wird.In a further embodiment, the device for generating an electric field is designed so that a static homogeneous electric field can be generated. This provides a field in which the molecules with the dipole element are rectified as they fly through this field, thereby reducing the counteracting motion of the individual molecules with one another.
Besonders bevorzugt weist das elektrische Feld eine Stärke von mehr als 0,5 MV/m auf, bevorzugt von mehr als 1 MV/m auf, insbesondere mehr als 1,6 MV/m auf.Particularly preferably, the electric field has a thickness of more than 0.5 MV / m, preferably of more than 1 MV / m to, in particular more than 1.6 MV / m.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes so ausgebildet, dass ein variables elektrisches Feld erzeugbar ist. Durch ein variables Feld können die Moleküle mit Dipolmoment entweder zeitlich veränderbar oder aber räumlich unterschiedlich ausgerichtet werden. So ist je nach Orientierung des Feldes (axial/lateral) vorgesehen, dass das elektrische Feld zeitlich veränderbar ist, beispielsweise oszillierend mit fester Frequenz oder mit veränderbarer Frequenz. Bevorzugt ist bei lateralem E-Feld vorgesehen, dass das elektrische Feld kontinuierlich oder auch stufenweise veränderbar ist, bevorzugt in Abhängigkeit von externen Zuständen, beispielsweise etwaiger Flugmanöver. Bevorzugt ist das elektrische Feld auch räumlich unterschiedlich modulierbar, d.h. bevorzugt unterschiedlich stark entlang der Längsachse des Raketentriebwerks im Bereich der Brennkammer-Düse-Achse.In a further embodiment, the device for generating an electric field is designed such that a variable electric field can be generated. Through a variable field, the molecules with dipole moment can be aligned either temporally variable or spatially differently. Thus, depending on the orientation of the field (axial / lateral), provision is made for the electric field to be time-changeable, for example oscillating at a fixed frequency or at a variable frequency. In the case of a lateral E field, it is preferably provided that the electric field can be changed continuously or else stepwise, preferably as a function of external conditions, for example possible maneuvers. Preferably, the electric field is also spatially differently modulated, i. preferably varies greatly along the longitudinal axis of the rocket engine in the region of the combustion chamber nozzle axis.
Hierdurch ist ein verbessertes Begleiten des Flows des Fluids der Moleküle möglich.This makes it possible to better accompany the flow of the fluid of the molecules.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.Further details and advantages of the invention will now be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawings.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Raketentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung -
2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Raketentriebwerks -
3 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Düse eines erfindungsgemäßen Raketentriebwerks
-
1 a schematic view of an embodiment of a rocket engine according to the present invention -
2 a cross section through an embodiment of a rocket engine according to the invention -
3 a cross section through an embodiment of a nozzle of a rocket engine according to the invention
Durch die Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes
Wenn nun über die Zuleitungen A und B Wasserstoff und Sauerstoff in die Brennkammer geführt und am Flammhalter verbrannt werden, entsteht das Molekül Wasser, das ein Dipol ist. Dieses Wassermolekül wird aufgrund seines Dipolmoments in dem anliegenden elektrischen Feld ausgerichtet und über die Brennkammer in die Düse geleitet und ausgestoßen. Durch die Ausrichtung der Wassermoleküle werden die ungeordneten Wärmebewegungen der Wassermoleküle reduziert und damit einhergehender Energieverlust vermieden. Damit arbeitet der Raketenantrieb
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- RaketentriebwerkRocket engine
- 33
- FlüssigkeitsraketentriebwerkLiquid-propellant rocket
- 55
- Raketentreibstoffrocket fuel
- 88th
- Produkt mit einem DipolmomentProduct with a dipole moment
- 1010
- Brennkammercombustion chamber
- 1111
- Flammhalterflame holder
- 1515
- Düsejet
- 2020
- Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen FeldesDevice for generating an electric field
- 2525
- Metallplattemetal plate
- 2727
- Keramikplatteceramic plate
Claims (4)
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---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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---|---|
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US3402358A (en) * | 1964-11-09 | 1968-09-17 | Research Corp | Neutral particle beam accelerator having transverse electrodes and steering means for the particle beam |
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US5170623A (en) | 1991-01-28 | 1992-12-15 | Trw Inc. | Hybrid chemical/electromagnetic propulsion system |
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-
2016
- 2016-11-30 DE DE102016123092.8A patent/DE102016123092B3/en active Active
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Legal Events
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: MG-INVENT UG (HAFTUNGSBESCHRAENKT), DE Free format text: FORMER OWNER: GIESE, MICHAEL, DR., 80539 MUENCHEN, DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: DTS PATENT- UND RECHTSANWAELTE SCHNEKENBUEHL U, DE |
|
R020 | Patent grant now final |