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Die vorliegende Erfindung betrifft einen zur Verwendung in einem Ionentriebwerk geeigneten Gaseinlass. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gaseinlasses. Schließlich betrifft die Erfindung ein mit einem derartigen Gaseinlass ausgestattetes Ionentriebwerk.
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Als Antrieb für Raumfahrzeuge genutzte Ionentriebwerke erzeugen Schub und damit Antriebsenergie, indem ein Treibstoffgas, wie zum Beispiel Xenon, zunächst ionisiert wird und die Gasteilchen anschließend in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. In einem Neutralisator werden die beschleunigten Gasteilchen elektrisch neutralisiert und schließlich in Form eines Strahls mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 130 km/s ausgestoßen. Ein Gaseinlass, über den Treibstoffgas, das eine mit einem Treibstoffgastank verbundene Treibstoffgasleitung durchströmt, in das Ionentriebwerk zugeführt wird, muss eine definierte Einströmung des Treibstoffgases in das Triebwerk gewährleisten, um eine gleichmäßige Verteilung des Treibstoffgases in dem Triebwerk zu ermöglichen. Ferner muss der Gaseinlass einen definierten Strömungswiderstand erzeugen, um sicherzustellen, dass in dem Triebwerk erzeugtes Plasma nicht in die Treibstoffgasleitung überschlägt. Dieser Strömungswiderstand sollte auch bei einer hohen Anzahl von Thermalzyklen, denen der Gaseinlass im Laufe seiner Betriebsdauer unterworfen ist, möglichst konstant bleiben.
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Derzeit in Ionentriebwerken verbaute Gaseinlässe umfassen eine Mehrzahl von Bauteilen, die in mehreren Schritten montiert werden. In einem ersten Schritt wird ein Gaseinlassgehäuse gefertigt, in das anschließend ein erster Sinterfilter eingebracht wird. Anschließend werden Glaskugeln oder Quarzsandpartikel mit einem Durchmesser, der kleiner ist als 0,2 mm, in das Gaseinlassgehäuse eingefüllt und mit Hilfe einer Vibrationsplatte verdichtet. Die Glaskugeln oder Quarzsandpartikel dienen der Einstellung des gewünschten Strömungswiderstands des Gaseinlasses. Anschließend wird ein zweiter Sinterfilter eingebracht. Die Sinterfilter verhindern, dass die Glaskugeln oder Quarzsandpartikel aus dem Gaseinlassgehäuse herausfallen. Schließlich wird Deckel auf das Gaseinlassgehäuse gelötet. Deckel ist ein mit einer Gaseinlassöffnung versehen, über die das Treibstoffgas in das mit Glaskugeln oder Quarzsandpartikeln gefüllte Gaseinlassgehäuse zugeführt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere zur Verwendung in einem Ionentriebwerk geeigneten Gaseinlass anzugeben, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und unter den in einem Ionentriebwerk herrschenden Betriebsbedingungen eine hohe Lebensdauer hat. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gaseinlasses bereitzustellen. Schließlich ist die Erfindung auf die Aufgabe gerichtet, ein mit einem derartigen Gaseinlass ausgestattetes Ionentriebwerk anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gaseinlass mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Ionentriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
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Ein insbesondere zur Verwendung in einem Ionentriebwerk geeigneter Gaseinlass umfasst ein Gehäuse, das aus einem gasdichten keramischen Material besteht. Die Fertigung des Gehäuses aus einem gasdichten Material gewährleistet, dass in das Gehäuse zugeführtes Gas nicht unkontrolliert aus dem Gehäuse austreten kann. Das Gehäuse kann beispielsweise eine hohlzylindrische Form aufweisen. Im Bereich einer ersten Stirnfläche kann das Gehäuse mit einem Boden versehen sein. Im Bereich einer der ersten Stirnfläche gegenüber liegenden zweiten Stirnfläche ist das Gehäuse dagegen vorzugsweise offen ausgebildet. In dem Gehäuse ist ein vorzugweise einstückig ausgebildeter Einsatz angeordnet, der aus einem porösen keramischen Material besteht. Der Einsatz kann beispielsweise eine zylindrische Form aufweisen, die an die Form des Gehäuses angepasst ist. Da sowohl das Gehäuse als auch der Einsatz des Gaseinlasses aus einem keramischen Material bestehen, zeichnet sich der Gaseinlass durch eine hohe Beständigkeit bei hohen Temperaturen aus. Der Einsatz weist eine derartige Geometrie und eine derartige Porenstruktur auf, dass der Einsatz für einen den Einsatz durchströmenden Gasstrom einen gewünschten Strömungswiderstand bildet. Bei dem Gaseinlass ist somit lediglich ein einziges Bauteil, nämlich der Einsatz, erforderlich, um für einen durch den Gaseinlass geleiteten Gasstrom einen gewünschten Strömungswiderstand zu erzeugen.
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Im Vergleich zu konventionellen Anordnungen kann der Gaseinlass somit aus deutlich weniger Einzelteilen gefertigt werden. Insbesondere kann auf die Verwendung von Glaskugeln oder Quarzsandpartikeln zur Einstellung eines gewünschten Strömungswiderstands für einen den Gaseinlass durchströmenden Gasstrom verzichtet werden. Stattdessen kann in dem Gaseinlass durch den aus einem porösen keramischen Material bestehenden Einsatz der Strömungswiderstand auf einfache Art und Weise sehr präzise eingestellt werden. Dadurch erfordert die Herstellung des Gaseinlasses weniger Schritte bei kürzeren Durchlaufzeiten, was geringere Herstellkosten zur Folge hat. Ein weiterer Vorteil des Gaseinlasses besteht darin, dass der Gaseinlass durch die Verwendung des aus einem porösen hochtemperaturbeständigen keramischen Material bestehenden Einsatzes einen auch nach einer hohen Anzahl von Thermalzyklen im wesentlichen konstanten Strömungswiderstand für einen durch den Gaseinlass geleiteten Gasstrom aufweist. Dadurch kann bei der Verwendung des Gaseinlasses in einem Ionentriebwerk über die gesamte Lebensdauer des Gaseinlasses zuverlässig sichergestellt werden, dass in dem Ionentriebwerk erzeugtes Plasma nicht in eine mit dem Gaseinlass verbundene Treibstoffgasleitung überschlägt.
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Der Druckabfall in dem den Einsatz durchströmenden Gasstrom und somit der Strömungswiderstand für den den Einsatz durchströmenden Gasstrom hängt von der Geometrie, insbesondere der Dicke und der Querschnittsfläche des Einsatzes und von der Porenstruktur, insbesondere der Porosität, der Porenform und dem mittleren Porendurchmesser des zur Herstellung des Einsatzes verwendeten porösen Keramikmaterials ab. Demnach müssen die Dicke und die Querschnittsfläche des Einsatzes sowie die Porosität und der mittlere Porendurchmesser des zur Herstellung des Einsatzes verwendeten porösen Keramikmaterials so gewählt und aufeinander abgestimmt werden, dass sich in dem den Einsatz durchströmenden Gasstrom der gewünschte Druckabfall einstellt. Die Dicke des Einsatzes liegt vorzugsweise im Bereich der Dicke konventioneller Gaseinlässe mit Glaskugelfüllung. Dementsprechend können insbesondere die Querschnittsfläche des Einsatzes sowie die Porosität und der mittlere Porendurchmesser des zur Herstellung des Einsatzes verwendeten porösen Keramikmaterials variiert und aneinander angepasst werden, um den Druckabfall in dem den Einsatz durchströmenden Gasstrom und somit der Strömungswiderstand für den den Einsatz durchströmenden Gasstrom wie gewünscht einzustellen.
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Vorzugsweise hat der Einsatz eine derartige Geometrie und eine derartige Porenstruktur, dass der Einsatz in dem Gaseinlass einen Strömungswiderstand erzeugt, der im Wesentlichen dem Strömungswiderstand entspricht oder geringfügig größer ist als der Strömungswiderstand, der in einem konventionellen Gaseinlass durch eine dichteste Glaskugelpackung von ca. 74 Vol.% realisiert wird. Folglich kann der Gaseinlass mit einer ähnlichen Geometrie gefertigt werden wie konventionelle Gaseinlässe. Dadurch kann der Gaseinlass in Ionentriebwerken eingesetzt werden, ohne dass hierzu Anpassungen an der Geometrie der Ionentriebwerke erforderlich sind. Gegebenenfalls kann die Porenstruktur des Einsatzes derart angepasst werden, dass der Einsatz im Vergleich zu der konventionellen dichtesten Glaskugelpackung eine um ca. 5 bis 10% kürzere durchströmbare Länge, d. h. eine um ca. 5 bis 10% kürzere Abmessung in einer Richtung parallel zu einer Strömungsrichtung eines Gases durch den Gaseinlass hat. Der Gaseinlass kann dann besonders einbauraumsparend gestaltet werden.
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Zur Abstimmung der Designparameter des Einsatzes kann das Paschen-Gesetz herangezogen werden, das die Abhängigkeit der Durchschlagspannung in einem homogenen Feld von einem Produkt aus Gasdruck und Elektrodenabstand beschreibt. Insbesondere kann der Einsatz eine derartige Geometrie und eine derartige Porenstruktur aufweisen, dass bei einer vorgegebenen Durchschlagspannung ein Produkt aus einem Gasdruck des den Einsatz durchströmenden Gasstroms und einem Elektrodenabstand, d. h. einer Weglänge des Gasstroms durch den Einsatz in einem vorbestimmten Bereich liegt. Die vorgegebene Durchschlagspannung wird vorzugsweise so groß wie möglich gewählt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Einsatz eine derartige Geometrie und eine derartige Porenstruktur auf, dass bei einer vorgegebenen Durchschlagspannung das Produkt aus dem Gasdruck des den Einsatz durchströmenden Gasstroms und dem Elektrodenabstand entweder kleiner als ein unterer Schwellwert oder größer als ein oberer Schwellwert ist, also in einer das Paschen-Gesetz graphisch darstellenden Kurve eine „verbotene Zone” definiert wird.
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Ein bei einer vorgegebenen Durchschlagspannung zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert liegender Bereich des Produkts aus dem Gasdruck des den Einsatz durchströmenden Gasstroms und dem Elektrodenabstand ist vorzugsweise ein Bereich, der dazu geeignet ist, eine Zündung eines dem Ionentriebwerk mittels des Gaseinlasses zugeführten Treibstoffgases zu ermöglichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Gaseinlasses besteht das Gehäuse aus einem Aluminiumoxidmaterial. Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch der Einsatz aus einem Aluminiumoxidmaterial bestehen. Aluminiumoxid zeichnet sich durch hervorragende thermische und mechanische Eigenschaften aus. Alternativ dazu können jedoch auch andere keramische Materialien zur Herstellung des Gehäuses und des Einsatzes verwendet werden. Vorteilhaft ist jedoch, wenn das Gehäuse und der Einsatz aus Materialien bestehen, die im Wesentlichen gleiche thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen, da der Gaseinlass dann weniger empfindlich auf Temperaturschwankungen reagiert und im Betrieb, wenn er einer hohen Anzahl von Thermalzyklen ausgesetzt ist, eine höhere Lebensdauer aufweist.
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Das Gehäuse kann aus AL300® der Firma Wesgo Ceramic GmbH bestehen. Dieses Material enthält 97,6% Aluminiumoxid.
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Der Einsatz kann aus AL1009® der Firma Wesgo Ceramic GmbH bestehen. Dieses Material enthält 99,8% Aluminiumoxid. Alternativ dazu kann der Einsatz aus dem von der Firma Morgan Advanced Materials angebotenen Material aluminiumoxidbasierter HalFoamTM bestehen.
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Wenn der Einsatz aus AL1009® besteht, kann die Porosität des Einsatzes beispielsweise in einem Bereich von ca. 10 bis 30 Vol.%, vorzugsweise in einem Bereich von ca. 15 bis 25 Vol.% und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von ca. 16 bis 22 Vol.% liegen. Im Gegensatz dazu kann ein aus HalFoamTM gefertigter Einsatz eine Porosität von ca. 70 bis 90 Vol.%, vorzugsweise von 77 Vol.% bei einer mittleren Porengröße von 75 μm haben.
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Vorzugsweise ist der Einsatz spaltfrei in das Gehäuse eingepasst. Insbesondere kann der Einsatz so in das Gehäuse eingepasst sein, dass eine Außenseite des Einsatzes insbesondere im Bereich einer Mantelfläche des Einsatzes an einer Innenseite des Gehäuses anliegt. Ferner ist der Einsatz vorzugsweise so in das Gehäuse eingepasst, dass der Einsatz im Bereich einer offenen zweiten Stirnfläche des Gehäuses nicht über einen Gehäuserand hinausragt. Dadurch wird eine besonders präzise Einstellung des gewünschten Strömungswiderstands des Gaseinlasses ermöglicht.
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Zusätzlich oder alternativ dazu ist der Einsatz vorzugsweise zusatzstofffrei, d. h. ohne die Verwendung eines zusätzlichen Klebers oder einer Lasur in das Gehäuse eingepasst. Dadurch wird gewährleistet, dass der Strömungswiderstand des Gaseinlasses über die gesamte Lebensdauer gleich bleibt, da ein Ausgasen des Klebers bzw. ein Eindringen der Lasur in den porösen Einsatz nicht möglich ist. Wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird, kann die spaltfreie und zusatzstofffreie Einpassung des Einsatzes in das Gehäuse durch gemeinsames Brennen eines geeignet dimensionierten und aus einem geeigneten Material, beispielsweise AL300®, bestehenden Gehäusegrünkörpers und eines geeignet dimensionierten und aus einem geeigneten Material, beispielsweise AL1009® oder aluminiumoxidbasiertem HalFoamTM, bestehenden Einsatzkörpers realisiert werden.
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Der Gaseinlass umfasst vorzugsweise ferner einen Gehäusedeckel, der mit einer Gaseinlassöffnung zur Zufuhr eines Treibstoffgases aus einer Treibstoffleitung in den Gaseinlass versehen ist. Der Gehäusedeckel kann aus einem keramischen Material oder aus Metall bestehen. Der Gehäusedeckel ist vorzugsweise im Bereich der offenen zweiten Stirnfläche des Gehäuses auf das Gehäuse aufgebracht und liegt vorzugsweise spaltfrei auf dem in dem Gehäuse angeordneten Einsatz auf. Über die Gaseinlassöffnung des Gehäusedeckels in das Innere des Gehäuses zugeführtes Treibstoffgas kann dann unmittelbar in den porösen Einsatz geleitet werden.
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Ferner kann der Gaseinlass mit mindestens einer Gasauslassöffnung zur Abfuhr eines Treibstoffgases aus dem Gaseinlass versehen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform des Gaseinlasses ist die mindestens eine Gasauslassöffnung in einer Mantelfläche des Gehäuses ausgebildet. Durch die Gasauslassöffnung kann Treibstoffgas, das dem Gaseinlass über die Gaseinlassöffnung des Gehäusedeckels zugeführt worden ist, nach dem Durchströmen des porösen Einsatzes definiert aus dem Gaseinlass abgegeben werden.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Gasauslassöffnung im Bereich eines dem Gehäusedeckel gegenüberliegenden Rands des Gehäuses angeordnet. Beispielsweise kann die mindestens eine Gasauslassöffnung in der Mantelfläche des Gehäuses benachbart zu dem Boden des Gehäuses positioniert sein. Durch eine derartige Anordnung der Gasauslassöffnung wird gewährleistet, dass über die Gaseinlassöffnung des Gehäusedeckels zugeführtes Treibstoffgas die gesamte durchströmbare Länge des porösen Einsatzes durchströmt, bevor das Treibstoffgas über die Gasauslassöffnung aus dem Gaseinlass austritt.
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In einer besonders bevorzugten Variante des Gaseinlasses ist eine Mehrzahl von Gasauslassöffnungen im Bereich eines dem Gehäusedeckel gegenüberliegenden Rands des Gehäuses in der Mantelfläche des Gehäuses ausgebildet. Die Gasauslassöffnungen können in Umfangsrichtung der Mantelfläche des Gehäuses gleichmäßig verteilt sein. Eine derartige Anordnung der Gasauslassöffnungen ermöglicht eine besonders gleichmäßige Zufuhr des Treibstoffgases in ein mit dem Gaseinlass ausgestattetes Ionentriebwerk.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Gaseinlasses, der insbesondere zur Verwendung in einem Ionentriebwerk geeignet ist, wird ein Gehäusegrünkörper hergestellt. Ferner wird ein Einsatzkörper hergestellt. Der Einsatzkörper wird in den Gehäusegrünkörper eingesetzt. Schließlich werden der Gehäusegrünkörper und der Einsatzkörper gemeinsam gebrannt, wobei der Brennzyklus derart gewählt ist, dass der Gehäusegrünkörper zu einem aus einem gasdichten keramischen Material bestehenden Gehäuse sintert, und dass aus dem Einsatzkörper ein in dem Gehäuse angeordneter und aus einem porösen keramischen Material bestehender Einsatz erzeugt wird. Nach dem Brennen weist der Einsatz eine derartige Geometrie und eine derartige Porenstruktur auf, dass der Einsatz für einen den Einsatz durchströmenden Gasstrom einen gewünschten Strömungswiderstand bildet.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Gaseinlasses ist folglich lediglich ein gemeinsamer Brennschritt erforderlich, um einerseits den Gehäusegrünkörper zu einem gasdichten Gehäuse zu sintern und andererseits aus dem Einsatzkörper einen Einsatz mit einer definierten Geometrie und Porenstruktur herzustellen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Einsatzkörper ein Einsatzgrünkörper, der beim gemeinsamen Brennen des Gehäusegrünkörpers und des Einsatzkörpers zu dem in dem Gehäuse angeordneten und aus einem porösen keramischen Material bestehenden Einsatz sintert. In Abhängigkeit der zur Herstellung des Gehäuses und des Einsatzes verwendeten Materialien können die Geometrie und die Porenstruktur der Grünkörper entsprechend angepasst werden, um sicherzustellen, dass der Gehäusegrünkörper durch den Brennvorgang zu einem gasdichten Gehäuse gesintert wird, während der Einsatz auch nach dem Brennen noch die gewünschte definierte Geometrie und Porenstruktur aufweist. Ebenso kann der Brennzyklus, d. h. die Brenntemperatur, die Brenndauer, die Heizrate sowie eventuelle Haltezeiten bei einer bestimmten Haltetemperatur, in Abhängigkeit der zur Herstellung des Gehäuses und des Einsatzes verwendeten Materialien sowie in Abhängigkeit der Eigenschaften des Gehäusegrünkörpers und des in Form eines Einsatzgrünkörpers ausgebildeten Einsatzkörpers variiert werden, um sicherzustellen, dass der Gehäusegrünkörper durch den Brennvorgang zu einem gasdichten Gehäuse gesintert wird, während der Einsatz auch nach dem Brennen noch die gewünschte definierte Geometrie und Porenstruktur aufweist. Hierbei können der Gehäusegrünkörper und der in Form eines Einsatzgrünkörpers ausgebildete Einsatzkörper während des gemeinsamen Brennens unterschiedliche Schwindungen erfahren.
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Der Gehäusegrünkörper und/oder der in Form eines Einsatzgrünkörpers ausgebildete Einsatzkörper wird/werden vorzugsweise durch kaltisostatisches Pressen hergestellt. Durch eine Anpassung des Pressdrucks beim kaltisostatischen Pressen kann die Porenstruktur der Grünkörper und damit die Schwindung der Grünkörper während des Brennens wie gewünscht beeinflusst werden. Weitere Parameter, die zur Einstellung der Schwindung des Gehäusegrünkörpers und/oder des in Form eines Einsatzgrünkörpers ausgebildeten Einsatzkörpers variiert werden können, umfassen die spezifische Oberfläche und damit Sinteraktivität des Rohstoffs (z. B. kalzinierte Tonerde), die Kalzinierungstemperatur, die Korngrößenverteilung des Rohstoffs, die Menge und Art der dem Rohstoff zugesetzten organischen Binder, die Menge und die Art der dem Rohstoff zugesetzten Additive, wie z. B. SiO2, MgO, CaO und weitere Oxide, die Korngrößenverteilung des aus Rohstoff, organischen Bindern und Additiven hergestellten Sprühgranulats und die Bauteilgröße.
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In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist der Einsatzkörper ein vorgebrannter Einsatzkörper, dessen Geometrie und Porenstruktur beim gemeinsamen Brennen des Gehäusegrünkörpers und des Einsatzkörpers im Wesentlichen gleich bleibt. Die Verwendung eines vorgebrannten Einsatzkörpers, dessen Materialeigenschaften beim gemeinsamen Brennen des Gehäusegrünkörpers und des Einsatzkörpers im Wesentlichen unverändert bleiben, hat den Vorteil, dass dann lediglich die Schwindung des Gehäusegrünkörpers so gesteuert werden muss, dass der Gehäusegrünkörper zu dem gewünschten aus einem gasdichten keramischen Material bestehenden Gehäuse sintert. Dies erleichtert die Steuerung der Prozessparameter und insbesondere die Steuerung des Brennzyklus zum gemeinsamen Brennen des Gehäusegrünkörpers und des Einsatzkörpers.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Gaseinlasses wird der Gehäusegrünkörper vor dem Brennen maschinell bearbeitet. Beispielsweise kann mindestens eine Gasauslassöffnung zur Abfuhr eines Treibstoffgases aus dem Gaseinlass in den Gehäusegrünkörper, insbesondere in eine Mantelfläche des Gehäusegrünkörpers eingebracht werden. Eine maschinelle Bearbeitung des Gehäusegrünkörpers kann mit einfachen Werkzeugen durchgeführt werden und ist daher im Vergleich zu einer maschinellen Bearbeitung des keramischen Endprodukts deutlich kostengünstiger.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch der Einsatzkörper vor dem Brennen maschinell bearbeitet werden. Beispielsweise kann der Einsatzkörper vor dem Brennen maschinell bearbeitet werden, um die Form des Einsatzkörpers besonders präzise an die Form des Gehäusegrünkörpers anzupassen. Es versteht sich, dass eine maschinelle Bearbeitung des Einsatzkörpers insbesondere dann besonders einfach und kostengünstig zu bewerkstelligen ist, wenn der Einsatzkörper ein Einsatzgrünkörper ist.
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Der Gehäusegrünkörper und der Einsatzkörper werden vorzugsweise bei einer Temperatur von 1700°C gebrannt.
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Das Gehäuse wird vorzugsweise aus einem Aluminiumoxidmaterial, insbesondere AL300® hergestellt. Der Einsatz wird vorzugsweise aus einem Aluminiumoxidmaterial, insbesondere AL1009® oder aluminiumoxidbasiertem HalFoamTM hergestellt. AL1009® eignet sich besonders gut zur Herstellung eines Einsatzes, der aus einem in Form eines Einsatzgrünkörpers ausgebildeten Einsatzkörper gefertigt und durch gemeinsames Brennen mit dem Gehäusegrünkörper zu einem Einsatz mit der gewünschten Geometrie und Porenstruktur gesintert wird. Im Gegensatz dazu kann zur Herstellung eines Einsatzes aus einem vorgebrannten Einsatzkörper, dessen Geometrie und Porenstruktur beim gemeinsamen Brennen mit dem Gehäusegrünkörper im Wesentlichen gleich bleibt, aluminiumoxidbasierter HalFoamTM verwendet werden.
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Vorzugsweise wird der Einsatz durch das gemeinsame Brennen des Gehäusegrünkörpers und des Einsatzgrünkörpers spaltfrei und/oder zusatzstofffrei in das Gehäuse eingepasst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines insbesondere zur Verwendung in einem Ionentriebwerk geeigneten Gaseinlasses wird ferner ein Gehäusedeckel, der mit einer Gaseinlassöffnung zur Zufuhr eines Treibstoffgases aus einer Treibstoffleitung in den Gaseinlass versehen ist, auf das Gehäuse mit dem darin angeordneten Einsatz aufgebracht. Insbesondere kann der aus einem keramischen Material oder aus Metall bestehende Gehäusedeckel im Bereich einer offenen Stirnseite des Gehäuses auf das Gehäuse aufgelötet werden.
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Ein Ionentriebwerk umfasst einen oben beschriebenen Gaseinlass.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten, schematischen Zeichnung näher erläutert, von denen
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1 eine aufgeschnittene dreidimensionale Darstellung eines Vorprodukts zur Herstellung eines Gaseinlasses mit einem in einen Gehäusegrünkörper eingesetzten Einsatzgrünkörper zeigt,
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2 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einer Durchschlagspannung U und einem Produkt aus einem Gasdruck p des den Einsatz 18 durchströmenden Gasstroms und einem Elektrodenabstand d zeigt und
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3 eine dreidimensionale Darstellung eines aus dem Vorprodukt gemäß 1 hergestellten Gaseinlasses zeigt.
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Ein in 3 gezeigter und zum Einsatz in einem Ionentriebwerk geeigneter Gaseinlass 10 umfasst ein aus einem gasdichten keramischen Material bestehendes Gehäuse 12. In der Anordnung gemäß 2 hat das Gehäuse 12 eine hohlzylindrische Grundform und weist eine kreiszylindrische Mantelfläche 14 auf. Im Bereich einer ersten Stirnfläche ist das Gehäuse 12 mit einem kreisförmigen Boden 16 versehen. Im Bereich einer der ersten Stirnfläche gegenüber liegenden zweiten Stirnfläche ist das Gehäuse 12 dagegen offen ausgebildet.
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In dem Gehäuse 12 ist ein hier kreiszylindrisch geformter Einsatz 18 angeordnet, der aus einem porösen keramischen Material besteht. Insbesondere weist der Einsatz 18 eine derartige Geometrie und eine derartige Porenstruktur auf, dass der Einsatz 18 für einen den Einsatz 18 durchströmenden Gasstrom einen gewünschten Strömungswiderstand bildet. Wie in 2 zu erkennen ist, ist der Einsatz 18 spaltfrei in das Gehäuse 12 eingepasst, d. h. der Einsatz 18 liegt zumindest im Bereich seiner Mantelfläche an einer Innenseite des Gehäuses 12 an und ragt auch im Bereich der offenen zweiten Stirnfläche des Gehäuses 12 nicht über einen Rand des Gehäuses 12 hinaus. Darüber hinaus ist der Einsatz 18 ohne Zusatzstoffe, wie zum Beispiel Kleber oder Lasuren in das Gehäuse 12 eingesetzt.
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In der Anordnung gemäß 3 besteht das gasdichte Gehäuse 12 aus einem Aluminiumoxidmaterial, beispielsweise AL300® der Firma Wesgo Ceramics GmbH. Der Einsatz 18 besteht ebenfalls aus einem Aluminiumoxidmaterial, allerdings aus einem porösen Aluminiumoxidmaterial. Insbesondere kann der Einsatz 18 aus dem Material AL1009® der Firma Wesgo Ceramics GmbH bestehen und eine Porosität von ca. 16 bis 22 Vol.% haben. Alternativ dazu kann der Einsatz auch dem von der Firma Morgan Advanced Materials angebotenen Material aluminiumoxidbasierter HalFoamTM HalFoamTM gefertigt werden. Der Einsatz 18 weist dann eine Porosität von ca. 70 bis 90 Vol.%, vorzugsweise von 77 Vol.% bei einer mittleren Porengröße von 75 μm auf.
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Unabhängig von dem zur Herstellung des Einsatzes 18 verwendeten Material wird zur Abstimmung der Designparameter des Einsatzes 18 das Paschen-Gesetz herangezogen werden, das die Abhängigkeit der Durchschlagspannung U in einem homogenen Feld von einem Produkt aus Gasdruck p und Elektrodenabstand d beschreibt. Eine graphische Darstellung dieses Zusammenhangs ist in 2 veranschaulicht. Insbesondere werden die Geometrie und die Porenstruktur des Einsatzes 18 derart gewählt und eingestellt, dass bei einer vorgegebenen Durchschlagspannung U ein Produkt aus einem Gasdruck p des den Einsatz 18 durchströmenden Gasstroms und einem Elektrodenabstand d, d. h. einer Weglänge des Gasstroms durch den Einsatz 18 in einem vorbestimmten Bereich liegt.
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Die vorgegebene Durchschlagspannung U wird vorzugsweise so groß wie möglich gewählt. Insbesondere weist der Einsatz 18 eine derartige Geometrie und eine derartige Porenstruktur auf, dass bei einer vorgegebenen Durchschlagspannung U das Produkt aus dem Gasdruck p des den Einsatz 18 durchströmenden Gasstroms und dem Elektrodenabstand d entweder kleiner als ein unterer Schwellwert S1 oder größer als ein oberer Schwellwert S2 ist, also in der das Paschen-Gesetz graphisch darstellenden Kurve gemäß 2 eine „verbotene Zone” definiert wird. Der bei einer vorgegebenen Durchschlagspannung U zwischen dem unteren Schwellwert S1 und dem oberen Schwellwert S2 liegender Bereich des Produkts aus dem Gasdruck p des den Einsatz 18 durchströmenden Gasstroms und dem Elektrodenabstand d ist vorzugsweise ein Bereich, der dazu geeignet ist, eine Zündung eines dem Ionentriebwerk mittels des Gaseinlasses 10 zugeführten Treibstoffgases zu ermöglichen.
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Der Gaseinlass umfasst ferner einen Gehäusedeckel 20, der mit einer Gaseinlassöffnung 22 zur Zufuhr eines Treibstoffgases aus einer lediglich schematisch veranschaulichten Treibstoffgasleitung 24 in den Gaseinlass 10 versehen ist. Zu Darstellungszwecken ist der Gehäusedeckel 20 in 3 nicht auf das Gehäuse 12 aufgesetzt. Der Gehäusedeckel 20 ist jedoch dazu vorgesehen, im Bereich der offenen zweiten Stirnfläche des Gehäuses 12 auf das Gehäuse 12 aufgebracht zu werden und spaltfrei auf dem in dem Gehäuse 12 angeordneten Einsatz 18 aufzulegen. Über die Gaseinlassöffnung 22 des Gehäusedeckels 20 in das Innere des Gehäuses 12 zugeführtes Treibstoffgas kann dann unmittelbar in den porösen Einsatz 18 geleitet werden.
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Ferner umfasst der Gaseinlass 10 eine Mehrzahl von Gasauslassöffnungen 26, die jeweils in der Mantelfläche 14 des Gehäuses 12 angeordnet sind. Insbesondere sind die Gasauslassöffnungen 26 benachbart zu dem Boden 16 des Gehäuses 12 in die Mantelfläche 14 des Gehäuses 12 eingebracht und in Umfangsrichtung der Mantelfläche 14 gleichmäßig verteilt. Aus der Treibstoffgasleitung 24 in das Innere des Gehäuses 12 zugeführtes Treibstoffgas kann somit nach dem Durchströmen des porösen Einsatzes 18 über die Gasauslassöffnungen 26 gleichmäßig in einem mit dem Gaseinlass 10 ausgestatteten Ionentriebwerk verteilt werden.
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Zur Herstellung des in 3 gezeigten Gaseinlasses 10 wird zunächst ein in 1 veranschaulichter Gehäusegrünkörper 12' hergestellt. Ferner wird ein ebenfalls in 1 gezeigter Einsatzkörper 18' hergestellt. Die Herstellung des Gehäusegrünkörpers 12' erfolgt durch kaltisostatisches Pressen des Rohstoffe, d. h. pulverförmigem AL300®.
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Der Einsatzkörper 18' kann ein Einsatzgrünkörper sein. Die Herstellung des in Form eines Einsatzgrünkörpers ausgebildeten Einsatzkörpers 12' erfolgt dann durch kaltisostatisches Pressen des pulverförmigen Rohstoffs AL1009®.
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Je nach Bedarf können der Gehäusegrünkörper 12' und der Einsatzkörper 18' maschinell bearbeitet werden. Insbesondere werden die Gasauslassöffnungen 26 in den Gehäusegrünkörper 12' eingebracht. Anschließend wird der Einsatzgrünkörper 18' in den Gehäusegrünkörper 12' eingesetzt, wodurch das in 1 dargestellte Vorprodukt erhalten wird.
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Schließlich werden der Gehäusegrünkörper 12' und der Einsatzgrünkörper 18' gemeinsam gebrannt, wobei der Brennzyklus derart gewählt wird, dass der Gehäusegrünkörper 12' zu einem aus einem gasdichten keramischen Material bestehenden Gehäuse 12 sintert, wohingegen der Einsatzgrünkörper 18' zu einem in dem Gehäuse 12 angeordneten und aus einem porösen keramischen Material bestehenden Einsatz 18 sintert. Insbesondere werden der Gehäusegrünkörper 12' und der Einsatzgrünkörper 18' bei einer Temperatur von 1700°C gebrannt. Nach dem Brennen weist der Einsatz 18 eine derartige Geometrie und eine derartige Porenstruktur auf, dass der Einsatz 18 für einen den Einsatz 18 durchströmenden Gasstrom einen gewünschten Strömungswiderstand bildet.
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Alternativ dazu kann der Einsatzkörper 18' ein vorgebrannter Einsatzkörper 18' sein, dessen Geometrie und Porenstruktur beim gemeinsamen Brennen des Gehäusegrünkörpers 12' und des Einsatzkörpers 18' im Wesentlichen gleich bleibt. Zur Herstellung eines Einsatzes 18 aus einem vorgebrannten Einsatzkörper 18', dessen Geometrie und Porenstruktur beim gemeinsamen Brennen mit dem Gehäusegrünkörper 12' im Wesentlichen gleich bleibt, kann aluminiumoxidbasierter HalFoamTM verwendet werden.
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Schließlich wird der Gehäusedeckel 20 auf das Gehäuse 12 mit dem darin angeordneten Einsatz 18 aufgebracht. Insbesondere wird der Gehäusedeckel 20 im Bereich der offenen zweiten Stirnseite des Gehäuses 12 auf das Gehäuse 12 aufgelötet.