DE102017212927B4

DE102017212927B4 - Elektrisches Triebwerk und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Triebwerks

Info

Publication number: DE102017212927B4
Application number: DE102017212927.1A
Authority: DE
Inventors: Franz Georg Hey
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: DE102017212927A1; EP3658773C0; US20200156809A1; WO2019020330A1; EP3658773B1; EP3658773A1; US11136146B2

Abstract

Elektrisches Triebwerk eines Raumfahrtsystems, umfassend:
ein Treibstoffzufuhrsystem (10);
mindestens einen Tank (20), der dazu eingerichtet ist, Treibstoff für das elektrische Triebwerk aufzunehmen; und
eine Entladungskammer (30),
wobei das Treibstoffzufuhrsystem (10) umfasst:
- eine Rohrleitung (100) zum Führen von Treibstoff,
- ein Ventil (105), das dazu eingerichtet ist, einen Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs in der Rohrleitung (100) einzustellen, und
- einen Dehnstoffaktuator (106), der dazu eingerichtet ist, das Ventil (105) zum Einstellen des Volumen- oder Massenstroms des Treibstoffs zu betätigen,
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Tank (20) ein Ende der Entladungskammer (30) und/oder ein mit der Entladungskammer (30) thermisch gekoppeltes Element zumindest teilweise umschließt, und
wobei das Ventil (105) des Treibstoffzufuhrsystems (10) zwischen dem Tank (20) und dem Ende der Entladungskammer (30) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Triebwerk sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Triebwerks für ein Raumfahrtsystem.
STAND DER TECHNIK
Elektrische Triebwerke werden seit einigen Jahrzehnten von verschiedenen Unternehmen und Universitäten, zum Beispiel für die Anwendung in einem Raumfahrtsystem, entwickelt. Hierfür umfassen die elektrischen Triebwerke eine Plasmabeschleuniger-Anordnung, in denen ein Treibstoff in gasförmigem Zustand ionisiert wird (Plasmaerzeugung) und in eine Entladungskammer eingelassen wird. In der Entladungskammer werden mittels elektrischen und/oder magnetischen Feldern die Treibstoffionen beschleunigt und ausgestoßen, wodurch eine Schubkraft auf das Triebwerk ausgeübt wird.
In bisherigen Triebwerken wird Xenon-Gas eingesetzt, da es aufgrund seiner relativ hohen Atommasse und guten Entladungseigenschaften einen geeigneten Treibstoff darstellt. Jedoch geht die Verwendung von Xenon mit hohen Kosten für die Herstellung des Xenon-Gases und der Notwendigkeit von Drucktanks einher. Neben den damit verbundenen Treibstoff- und Systemkosten kann solch ein System aufgrund des Leitungsdrucks üblicherweise nicht als Zweitbenutzer auf Raketen mitfliegen.
Ein weiterer Mikroantrieb für Satelliten mit Cäsium als Treibstoff wird in „An Advanced Contact Ion Microthruster System", Worlock et. al., Paper 68-552, AIAA 4th Propulsion Joint Specialist Conference, Cleveland, Ohio, 10.-14. Juni 1968, beschrieben. Ein in dem Antrieb enthaltenes Ventil zur Steuerung der Treibstoffzufuhr wird durch die thermische Ausdehnung einer Invar-Röhre gesteuert. Zwischen Treibstofftank und Verdampfer wird ein Mindestabstand eingehalten, um eine thermische Trennung zwischen Treibstofftank und Verdampfer zu gewährleisten.
ERFINDUNG
In der Raumfahrtforschung wurden einfache Kleinsttriebwerke, die im micro-Newton Bereich operieren, für zukünftige Forschungsmissionen, aber auch für Klein-Satellitenkonstellationen entwickelt. Um die Kosten solcher Triebwerke zu verringern und die Nachteile der Speicherung von Xenon als Treibstoff zu vermeiden, wird Iod als alternativer Treibstoff in Betracht gezogen. Iod hat eine mit Xenon vergleichbare Atommasse, Ionisationsenergie und vergleichbaren Wirkungsquerschnitt. Da Iod als Festkörper gespeichert werden kann, entfällt zwar der bei Xenon notwendige Drucktank und Druckminderer. Allerdings muss zum Betreiben eines elektrischen Triebwerks das Iod erst in den gasförmigen Zustand gebracht und im gasförmigen Zustand dem Triebwerk zugeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Triebwerk bereitzustellen, welches kosteneffektiv und möglichst ohne zusätzliches Gewicht umsetzbar ist und ferner energieeffizient und leicht steuerbar ist.
Hierzu wird zunächst ein Treibstoffzufuhrsystem für ein elektrisches Triebwerk eines Raumfahrtsystems vorgesehen, wobei das Treibstoffzufuhrsystem umfasst:

- eine Rohrleitung zum Führen von Treibstoff,
- ein Ventil, das dazu eingerichtet ist, einen Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs in der Rohrleitung einzustellen, und
- einen Dehnstoffaktuator, der dazu eingerichtet ist, das Ventil zum Einstellen des Volumen- oder Massenstroms des Treibstoffs zu betätigen.

Der Dehnstoffaktuator umfasst ein Material, welches aufgrund einer Temperaturänderung sein Volumen verändert. Beispielsweise kann sich das Material des Dehnstoffaktuators ausdehnen, wenn es erwärmt wird. Der Dehnstoffaktuator kann hierfür Paraffin, Metall, Öl und/oder ein Bi-Metall als Dehnstoff enthalten.
Der Dehnstoffaktuator kann dazu eingerichtet sein, bei einer Referenztemperatur das Ventil in einer Schließstellung zu belassen und bei einer Erwärmung (einer Temperatur größer der Referenztemperatur) das Ventil kontinuierlich bis zu einer Offenstellung zu bewegen, d.h. das Ventil zum Einstellen des Volumen- oder Massenstroms des Treibstoffs zu betätigen. Der Dehnstoffaktuator kann dabei dazu eingerichtet sein, bei einem Abkühlvorgang und insbesondere beim Erreichen der Referenztemperatur das Ventil auch in umgekehrter Richtung zu betätigen, d.h. das Ventil zu schließen und den Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs zu stoppen. Alternativ oder zusätzlich kann das Ventil und/oder der Dehnstoffaktuator mit einem Rückstellmechanismus ausgestattet sein, der das Ventil in die Schließstellung bewegt. Beispielsweise kann das Ventil und/oder der Dehnstoffaktuator ein Federelement oder ein anderes vorgespanntes Element, das kraftschlüssig mit dem Ventil verbunden ist, umfassen.
Die Verwendung eines Dehnstoffaktuators zum Betätigen des Ventils bietet den Vorteil, dass jede beliebige Wärmequelle zum Betätigen des Ventils verwendet werden kann. So erlaubt es der Dehnstoffaktuator beispielsweise, die erzeugte Wärme einer Heizvorrichtung, die beim Starten oder Zünden des Triebwerks aktiviert wird, und/oder die Abwärme des elektrischen Triebwerks zu nutzen, um das Ventil in eine Offenstellung zu bringen und dort zu halten.
Zusätzlich kann der Dehnstoffaktuator mit einem aktiven Kühlelement ausgestattet sein. Dadurch kann ein Betätigen des Ventils in seine Schließstellung aktiv auch im laufenden Betrieb des Triebwerks bewerkstelligt werden. Da ein aktives Kühlelement zusätzliches Gewicht darstellt, ist es nur in Fällen vorzusehen, in denen ein schnelles Verschließen des Ventils notwendig ist.
In einer Ausgestaltung des Treibstoffzufuhrsystems umfasst dieses einen Heizer, der in und/oder um die Rohrleitung angeordnet ist. Der Heizer kann dazu eingerichtet sein, Wärmeenergie an die Rohrleitung und/oder an den Treibstoff an und/oder in der Rohrleitung abzugeben. Dabei kann durch die von dem Heizer abgegebene Wärmeenergie der Treibstoff in den gasförmigen Zustand überführt werden und in dem gasförmigen Zustand gehalten werden. Durch den Übergang in den gasförmigen Zustand dehnt sich der Treibstoff aus und kann durch die Rohrleitung strömen. Insbesondere bei geöffnetem Ventil kann der sich ausdehnende Treibstoff durch das Ventil zu einem Triebwerk bewegen. Ferner erwärmt der Heizer durch Abgabe (zumindest einer Teilmenge) seiner erzeugten Wärmeenergie an die Rohrleitung und verhindert somit ein Kondensieren des Treibstoffs an und in der Rohrleitung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Treibstoffzufuhrsystems ist die Rohrleitung aus einem wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel Aluminium, Stahl oder Aluminiumnitrid gefertigt. Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit der Rohrleitung ist es auch möglich, Wärme von dem Heizer über die Rohrleitung zu dem Dehnstoffaktuator zu übertragen, wenn der Dehnstoffaktuator so angeordnet ist, dass er mit der Rohrleitung zumindest teilweise thermisch gekoppelt ist. Dadurch lässt sich das Treibstoffzufuhrsystem energieeffizient betreiben und aufgrund der einfachen Ausgestaltung auch kosteneffektiv herstellen. Beispielsweise kann auf eine gesonderte Wärmequelle für den Dehnstoffaktuator verzichtet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Treibstoffzufuhrsystem mehrere Rohrleitungen umfassen. Diese können jeweils mit einem gesonderten Ventil gekoppelt sein, das den Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs in der jeweiligen Rohrleitung einstellt. Selbstverständlich können die mehreren Rohrleitungen mit einander verbunden sein und mit einem einzelnen Ventil gekoppelt sein, das dazu eingerichtet ist, den Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs in allen Rohrleitungen einzustellen. Beispielsweise können sich die Rohrleitungen von dem Ventil aus baumartig verzweigen.
Die Erfindung lehrt ein elektrisches Triebwerk eines Raumfahrtsystems, das ein Treibstoffzufuhrsystem in einer beliebigen beschriebenen Ausgestaltung umfasst.
Ferner umfasst das elektrische Triebwerk mindestens einen Tank, der dazu eingerichtet ist, Treibstoff für das elektrische Triebwerk aufzunehmen und eine Entladungskammer. Das Treibstoffzufuhrsystem ist mit dem Tank gekoppelt oder darin zumindest teilweise integriert, so dass das Treibstoffzufuhrsystem Treibstoff aus dem Tank der Entladungskammer zuführen kann. Die Entladungskammer weist an einer Seite eine Plasmaausstoßöffnung auf, aus der das beschleunigte Plasma zur Schuberzeugung ausgestoßen wird. Der mindestens eine Tank umschließt zumindest teilweise ein Ende der Entladungskammer und/oder ein mit der Entladungskammer thermisch gekoppeltes Element. Das Ende der Entladungskammer kann das der Plasmaausstoßöffnung gegenüberliegende Ende der Entladungskammer sein. Alternativ kann auch jedes andere Ende oder jede beliebige Seite der Entladungskammer für die Anordnung des Tanks verwendet werden. Ferner kann der Tank um die gesamte Triebwerksstruktur herum angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Tank an der Stelle der Entladungskammer angeordnet, an der die größte Abwärme des elektrischen Triebwerks erzeugt wird. Dadurch kann die Abwärme des elektrischen Triebwerks genutzt werden, um den Treibstoff in dem Tank zu erwärmen, und dazu beitragen, den Treibstoff in den gasförmigen Zustand zu bringen, oder diese Aufgabe vollständig zu übernehmen. Somit kann der Tank unbeheizt bleiben, d.h. ohne eigene (aktive) Heizvorrichtung implementiert werden. Dadurch entfällt auch eine ansonsten notwendige Wärmeleitfähigkeit der Tankwände, zumindest in dem Bereich, in dem der Tank nicht mit den anderen Komponenten des elektrischen Triebwerks thermisch gekoppelt ist. Beispielsweise können die Tankwände in diesen Bereichen aus Kunststoff oder Keramik hergestellt werden. Gegenüber ansonsten notwendigen wärmeleitfähigen Tankwänden, beispielsweise aus Metall, kann somit weiter Gewicht eingespart werden. Auch können durch die Verwendung von Kunststoff oder Keramik Treibstoffe eingesetzt werden, die mit metallhaltigen Materialien reagieren würden.
Ferner kann in dem Bereich, in dem der Tank mit Komponenten des elektrischen Triebwerks thermisch gekoppelt ist, auf Tankwände verzichtet werden. Insbesondere bei der Verwendung von einem Treibstoff als Festkörper wird durch den Treibstoff kein Druck auf die Tankwände oder sonstigen Tankbegrenzungen ausgeübt, weshalb der Tank durch die Komponenten des elektrischen Triebwerks begrenzt werden kann.
Durch den Übergang des Treibstoffs in den gasförmigen Zustand dehnt sich dieser aus und kann durch die Rohrleitung des Treibstoffzufuhrsystems aus dem Tank entweichen. Beispielsweise tritt der Treibstoff direkt vom Festen in den gasförmigen Zustand via Sublimation über. Dabei kann der Treibstoff durch seine Ausdehnung durch das (geöffnete) Ventil zu der Entladungskammer strömen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Ventil des Treibstoffzufuhrsystems zwischen dem Tank und dem Ende der Entladungskammer, an dem der Tank liegt, angeordnet. Ist der Tank in diesem Bereich nicht durch gesonderte Tankwände begrenzt, kann das Ventil des Treibstoffzufuhrsystems auch direkt im Tank in der Nähe des Endes der Entladungskammer angeordnet sein. Dadurch wird der Transportweg des Treibstoffs durch das Treibstoffzufuhrsystem verkürzt, wodurch Gewicht und Kosten durch unnötige Leitungsführung eingespart wird. Zudem wird das Ventil durch die Abwärme des elektrischen Triebwerks erwärmt, wodurch ein Kondensieren des Treibstoffs im Ventil verhindert wird. Ein solcher Aufbau erlaubt ein besonders kompaktes elektrisches Triebwerk.
Der mindestens eine Tank kann jede beliebige Gestalt annehmen und jede beliebige Anzahl von Einzeltanks umfassen. Dabei kann jeder einzelne Tank mit einem oder mehreren Treibstoffzufuhrsystemen ausgestattet sein. Alternativ können auch mehrere Einzeltanks mit einer einzelnen Rohrleitung eines Treibstoffzufuhrsystems miteinander verbunden sein.
Gemäß einer Ausgestaltung des elektrischen Triebwerks ist das mit der Entladungskammer thermisch gekoppelte Element eine wärmeleitende Rohrleitung zum Leiten von Treibstoff zur Entladungskammer. Die wärmeleitenden Rohrleitung kann beispielsweise das Ventil des Treibstoffzufuhrsystems mit der Entladungskammer verbinden. Alternativ ist das mit der Entladungskammer thermisch gekoppelte Element ein Abschnitt der Rohrleitung des Treibstoffzufuhrsystems. Das Ventil des Treibstoffzufuhrsystems kann dabei an jeder beliebigen Stelle der Rohrleitung des Treibstoffzufuhrsystems zwischen dem Tank und der Entladungskammer angeordnet sein. Je näher das Ventil an der Entladungskammer angeordnet ist, desto leichter kann Abwärme der Entladungskammer für das Betätigen (Öffnen) des Ventils durch den Dehnstoffaktuator verwendet werden.
Bei dem elektrischen Triebwerk kann es sich um ein Radiofrequenztriebwerk, Heli-Coil-Triebwerk oder Magneto-Plasma-Triebwerk handeln, also ein Triebwerke ohne Anode. Alternativ kann das elektrische Triebwerk ein Triebwerk mit Anode sein, wie zum Beispiel ein Cusp-Field-Triebwerk, Hall-Effekt-Triebwerk oder Kaufmanntriebwerke.
Im Fall eines eine Anode umfassenden Triebwerks kann dieses einen wärmeleitenden Isolator umfassen, der mit der Anode gekoppelt ist. Das mit der Entladungskammer thermisch gekoppelte Element kann den Isolator umfassen oder der Isolator sein. Dadurch kann der Isolator Abwärme des elektrischen Triebwerks (beispielsweise über die Anode) aufnehmen und aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit an andere Komponenten übertragen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des elektrischen Triebwerks ist der Isolator aus einem wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid oder Bornitrid, gefertigt.
Optional kann der Isolator einen Durchgang zum Leiten von Treibstoff zur Anode umfassen. Dadurch dass der Isolator von der Abwärme des elektrischen Triebwerks erwärmt wird, wird ein Kondensieren des Treibstoffs, der durch den Durchgang des Isolators geleitet wird, verhindert. Der Durchgang des Isolators kann auch eine Beschichtung aufweisen, um eine Reaktion des Treibstoffs mit dem Isolatormaterial zu verhindern. Dies kann beispielsweise eine Kunststoff oder Keramikbeschichtung sein. Durch die Integration (eines Teils) der Treibstoffführung oder -leitung in dem Isolator wird nicht nur Gewicht aufgrund einer geringeren Anzahl von benötigten Komponenten gespart, sondern auch die Größe des elektrischen Triebwerks reduziert.
In einer weiteren Ausgestaltung ist/sind das Ventil und/oder der Dehnstoffaktuator des Treibstoffzufuhrsystems in und/oder an dem Isolator angeordnet. Mit anderen Worten wird zumindest ein Teil des Ventils und/oder zumindest ein Teil des Dehnstoffaktuators in dem Isolator und/oder an dem Isolator angebracht, sodass Abwärme des elektrischen Triebwerks, welche durch den wärmeleitenden Isolator übertragen wird, auch das Ventil und/oder den Dehnstoffaktuator erwärmt. Auch hierdurch wird eine Kondensation des Treibstoffs im Ventil verhindert. Bei Erwärmung des Dehnstoffaktuators durch die Abwärme des elektrischen Triebwerks ist es möglich, nach der Zündung des Triebwerks (und insbesondere nach Erreichen der Betriebstemperatur des Triebwerks) das Ventil besonders energieeffizient in der Offenstellung zu halten, ohne den Dehnstoffaktuator durch eine andere Wärmequelle zu aktivieren.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das elektrische Triebwerk einen Filter, der in dem Durchgang des Isolators, und/oder in der wärmeleitenden Rohrleitung oder dem Abschnitt der Rohrleitung des Treibstoffzufuhrsystems angeordnet ist. Der Filter dient dem Herausfiltern von Feststoffen aus dem Treibstoff, der dem elektrischen Triebwerk im gasförmigen Zustand zugeführt wird. Mit anderen Worten isoliert der Filter das Treibstoffgas gegen das Plasma in der Entladungskammer bzw. gegen die Anode. Dabei kann der Filter in Strömungsrichtung des Treibstoffs vor oder hinter dem Ventil angeordnet werden. Je näher der Filter an der Entladungskammer angeordnet ist, desto einfacher können letzte Feststoffpartikel des Treibstoffs am Filter in den gasförmigen Zustand überführt werden.
Ferner kann das elektrische Triebwerk einen Anodenheizer umfassen, der dazu eingerichtet ist, die Anode zur Zündung des elektrischen Triebwerks aufzuheizen. Dies dient insbesondere dazu, alle Teile des elektrischen Triebwerks, welche mit Treibstoff in Berührung kommen, vor dem Start (der Zündung des Triebwerks) zu heizen, um ein Kondensieren zu verhindern. Zudem wird Treibstoff, der sich möglicherweise noch (von dem letzten Betrieb) in den Treibstoffleitungen befindet und gegebenenfalls im festen Zustand vorliegt, erwärmt und in den gasförmigen Zustand gebracht. Für den Fall, dass das elektrische Triebwerk keine Anode umfasst, kann ebenfalls ein Heizer vorgesehen sein, um die mit dem Treibstoff in Berührung kommenden Bauteile des elektrischen Triebwerks aufzuheizen und um ein Kondensieren des Treibstoffs zu verhindern und/oder ein Überführen des Treibstoffs in den gasförmigen Zustand zu ermöglichen.
In einer Weiterbildung kann der Anodenheizer dazu eingerichtet sein und so angeordnet sein, dass er den Dehnstoffaktuator des Treibstoffzufuhrsystems mittelbar oder unmittelbar heizt. Beispielsweise kann der Anodenheizer mit der Anode und dem Dehnstoffaktuator direkt thermisch gekoppelt sein. Alternativ kann der Anodenheizer über ein weiteres Element, wie zum Beispiel den Isolator, mit der Anode und/oder dem Dehnstoffaktuator indirekt thermisch gekoppelte sein, wodurch Wärmeenergie mittelbar übertragen wird. Vor dem Start des elektrischen Triebwerks kann der Anodenheizer den Dehnstoffaktuator erwärmen, sodass dieser wiederum das Ventil des Treibstoffzufuhrsystems betätigt (öffnet) und den Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs durch die Rohrleitung des Treibstoffzufuhrsystems ermöglicht. Dies erlaubt eine weitere Gewichts- und Kostenersparnis, da lediglich der Anodenheizer notwendig ist, um das elektrische Triebwerk in einen zündfähigen Zustand zu bringen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann das elektrische Triebwerk eine oder mehrere Komponenten mehrfach umfassen, um sicherheitsrelevante Redundanzen zu schaffen. So kann das elektrische Triebwerk zwei oder mehr vollständige Treibstoffzufuhrsysteme umfassen, die Treibstoff aus einem oder mehreren Tanks der Entladungskammer zuführen können. Alternativ oder zusätzlich kann das Treibstoffzufuhrsystem des elektrischen Triebwerks zwei oder mehr Ventile umfassen, die parallel zueinander den Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs aus der (möglicherweise einzigen) Rohrleitung des Treibstoffzufuhrsystems einstellen können. Ebenfalls alternativ oder zusätzlich kann das Treibstoffzufuhrsystem des elektrischen Triebwerks zwei oder mehr Dehnstoffaktuatoren umfassen, die ein (möglicherweise einziges) oder mehrere Ventile betätigen. Dadurch ist ein Betrieb des Triebwerks auch bei Ausfall einer Komponente des Treibstoffzufuhrsystems gewährleistet.
Nachdem das elektrische Triebwerk gezündet hat und genügend Abwärme produziert, kann der Anodenheizer abgeschaltet (deaktiviert) werden. Das Ventil bleibt über den Dehnstoffaktuator weiterhin geöffnet, welcher durch die Abwärme des elektrischen Triebwerks erwärmt bleibt. Somit lässt sich das elektrische Triebwerk auch energieeffizient betreiben.
Ferner kann die Rohrleitung des Treibstoffzufuhrsystems von dem Ventil aus in den mindestens einen Tank hineinragen. Der in und/oder an der Rohrleitung vorgesehene Heizer kann dabei Wärme erzeugen, die durch Strahlung in den Tank übertragen wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn in einem Mikrogravitationsumfeld (beispielsweise im Weltall) der Treibstoff sich beliebig in einem Innenraum des Tanks bewegen kann, und beispielsweise nicht direkt an der Rohrleitung des Treibstoffzufuhrsystems anliegt.
Durch die Anordnung des Tanks an oder in der Nähe der Entladungskammer, sodass Abwärme des elektrischen Triebwerks in den Tank übertragen wird, wird die Überführung des im Tank befindlichen Treibstoffs in den gasförmigen Zustand erleichtert. Somit kann der in und/oder an der Rohrleitung vorgesehene Heizer mit geringerer Heizleistung betrieben werden, wodurch die Energieeffizienz des elektrischen Triebwerks weiter verbessert wird.
Um eine positive Rückkopplung des Systems zu verhindern, d.h. um eine selbsttätige Aufrechterhaltung des Brennbetriebs des Triebwerks zu verhindern, kann der Heizer in und/oder an der Rohrleitung so dimensioniert sein, dass er unterkritisch betrieben wird. Mit anderen Worten ist der Heizer so dimensioniert (in dessen Größe und Heizleistung), das ein Ausschalten des Heizer das Erzeugen von gasförmigem Treibstoff in dem Tank und/oder in der Rohrleitung reduziert oder beendet. Da so die Treibstoffförderung aus dem Tank immer weiter reduziert wird, sinkt auch die Abwärmeleistung des elektrischen Triebwerks, woraufhin weniger Abwärme in den Tank und den Dehnstoffaktuator übertragen wird. Schließlich erlischt das Triebwerk aufgrund eines Schließens des Ventils durch den abkühlenden Dehnstoffaktuator und/oder einer zu geringen Menge erzeugten gasförmigen Treibstoffs im Tank und der Rohrleitung des Treibstoffzufuhrsystems.
Weiterhin kann das elektrische Triebwerk so ausgestaltet sein, dass der Tank und/oder das Treibstoffzufuhrsystem mit mindestens einem weiteren abwärmeerzeugenden Element des elektrischen Triebwerks und/oder des Raumfahrtsystems thermisch gekoppelt ist/sind. So kann zusätzliche Abwärme des Raumfahrtsystems oder des elektrischen Triebwerks genutzt werden, um den Treibstoff im Tank und/oder zumindest Abschnitte des Treibstoffzufuhrsystems zu heizen oder zu erwärmen.
So kann eine Ausgestaltung vorsehen, einen für den Triebwerksbetrieb nötigen Power-Konverter (beispielsweise einen Spannungsinverter, DC-DC-Wandler, eine zugehörige Steuerung, etc.) mittelbar und/oder unmittelbar mit einer Komponente des Treibstoffzufuhrsystems, dem Tank und/oder einem anderen Element des elektrischen Triebwerks thermisch zu koppeln. So kann das abwärmeerzeugene Elemente des elektrischen Triebwerks zum Beispiel neben dem Tank angeordnet sein, um elektrische Wandlungsverluste (Abwärme) effizient zum Heizen des Treibstoffs nutzen zu können. Alternativ oder zusätzlich kann das abwärmeerzeugene Elemente des elektrischen Triebwerks so angeordnet sein, dass das Ventil, der Dehnstoffaktuator, die Anode, der Isolator, etc. geheizt oder erwärmt wird. Dadurch lässt sich die Gesamteffizienz des elektrischen Triebwerks weiter erhöhen. Selbstverständlich können auch andere abwärmeerzeugene Elemente wie Prozessoren oder ähnliches mit dem Tank und/oder dem Treibstoffzufuhrsystem thermisch gekoppelt werden.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Triebwerks wird Iod als Treibstoff verwendet. Da Iod als Feststoff oder Festkörper gespeichert werden kann, entfällt ein druckfester Tank, wie er beispielsweise bei Xenon notwendig ist. Somit kann das elektrische Triebwerk leichter umgesetzt werden, wodurch Kosten und Energie eingespart werden. Auch werden Einschränkungen als Sekundärnutzlast aufgrund des Fehlens von Druckleitungen verringert. Iod bietet den weiteren Vorteil, dass es direkt in den gasförmigen Zustand durch Sublimation gebracht werden kann. Dies erlaubt eine Reduzierung der Wärmemenge, die durch Heizelemente aufgebracht werden muss oder die durch die Abwärme des elektrischen Triebwerks dem Treibstoff zugeführt werden muss. Auch die Wärmemenge zur Erwärmung der treibstoffführenden Elemente des elektrischen Triebwerks, um ein Kondensieren zu verhindern, ist bei der Verwendung von Iod gering. So müssen je nach Vakuumdruck die Teile des elektrischen Triebwerks beispielsweise lediglich auf Temperaturen zwischen 60 °C und 120 °C geheizt werden.
Selbstverständlich kann das Treibstoffzufuhrsystem und/oder das elektrische Triebwerk auch für/mit anderen Treibstoffen genutzt werden. Beispielsweise kann das Treibstoffzufuhrsystem und/oder das elektrische Triebwerk mit verschiedenen Edelgasen, wie Argon oder Krypton, aber auch mit anderen Stoffen, wie Sauerstoff, Stickstoff, Quecksilber, etc. betrieben werden. Zwar kann im Fall bestimmter Gase als Treibstoff dieser nur in einem Druckbeständigen Tank gespeichert werden. Allerdings bleiben die übrigen Vorteile des Treibstoffzufuhrsystems und des elektrischen Triebwerks, insbesondere die Nutzung von Abwärme zur Förderung des Treibstoffs und zum Betreiben des elektrischen Triebwerks oder die Gewichtsersparnis aufgrund einer geringeren Anzahl von Bauteilen und Komponenten, bestehen.
Eine weitere Gewichtsersparnis kann dadurch erzielt werden, dass das Iod zu Strukturelementen des Tanks vergossen wird. So kann das Iod (als Festkörper) einen gewissen Anteil der tragenden Struktur des Tanks bilden, wodurch der Tank leichter (d.h. filigraner) ausgebildet werden kann.
Ferner können durch entsprechendes Formen des Iods auch weitere Triebwerkstrukturen zumindest teilweise ersetzt werden. Die Triebwerkstrukturen sind meist für die Belastungen während des Starts in den Orbit, also einem Gravitationsfall, ausgelegt. Im Betrieb, d.h. wenn der Treibstoff verbraucht wird, ist meist ein Mikrogravitationsumfeld gegeben, wodurch tragende Teile weniger stark ausgebildet sein müssen und der Verbrauch des Iods durch das Triebwerk und die damit einhergehende „Schwächung“ der durch Iod gebildeten tragenden Teile keine negativen Auswirkungen auf die Stabilität der Triebwerkstrukturen haben.
Die Erfindung lehrt ferner ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Triebwerks eines Raumfahrtsystems, wobei das Verfahren umfasst:

- Bereitstellen eines elektrischen Triebwerks gemäß einer der beschriebenen Ausgestaltungen und Varianten,
- Aktivieren des Anodenheizers, bis die Anode eine Betriebstemperatur erreicht hat und der Dehnstoffaktuator das Ventil geöffnet hat, um den Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs von der Rohrleitung des Treibstoffzufuhrsystems zu der Anode zu ermöglichen,
- Zünden des elektrischen Triebwerks, und
- Deaktivieren des Anodenheizers, wenn der Dehnstoffaktuator durch Abwärme des elektrischen Triebwerks erwärmt wird.

Die Zündung des Triebwerks kann entweder über eine permanent an der Anode anliegenden Spannung erfolgen oder durch Anlegen der Spannung nach Erreichen des nominellen Massenflusses des Treibstoffs. Ein Abschalten des Triebwerks kann entweder langsam über das Deaktivieren des Heizers oder über ein Abschalten der Stromversorgung (Anodenspannung) realisiert werden. Bei einem elektrischen Triebwerk ohne Anode kann der Ein- und Abschaltvorgang über eine Steuerung eines oder mehrerer zu dem Triebwerk zugehöriger Stellglieder (z.B. zum Erzeugen von Gitterspannungen, RF-Feld- Generatoren, etc.) äquivalent durchgeführt werden.
Durch Deaktivieren des Anodenheizers kann das elektrische Triebwerk energieeffizient betrieben werden. Da bei elektrischen Triebwerken oft nur ein Schub im Bereich von Milli-Newton erzielt wird, liegt die Brenndauer oft im Bereich von Minuten, Stunden oder Tagen (gegebenenfalls auch Monaten). Zwischen dem Aktivieren und Deaktivieren des Anodenheizers vergeht oft nur eine Zeitspanne im Bereich von Sekunden oder wenigen Minuten, wodurch der Energieaufwand des Anodenheizer im Verhältnis zur Brenndauer des Triebwerks zu vernachlässigen ist.
Eine ansonsten übliche Betätigung des Ventils erfordert meist weitere Komponenten, wie beispielsweise Stellmotoren und deren Steuerung, die ein deutlich größeres Gewicht als ein Dehnstoffaktuator aufweisen. Somit lässt sich einerseits Gewicht einsparen, andererseits der elektrische Energieaufwand zum Betätigen des Ventils verringern. Die Systemkomplexität und die Anzahl der elektrischen Schnittstellen wird ebenfalls reduziert. Dies kann zu einer zusätzlichen Gewichtseinsparung und zu geringen Kosten führen.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren ein Aktivieren des Heizers des Treibstoffzufuhrsystems, wobei der Treibstoff in dem Tank aufgrund von Wärmeübertragung durch Strahlung (Radiation) von dem Heizer in den gasförmigen Zustand übergeht. Beispielsweise kann der Treibstoff durch Sublimation in den gasförmigen Zustand übergehen, wenn der Festkörpertreibstoff von der Wärmestrahlung getroffen wird. Durch Steuerung des Heizer (Steuerung der durch den Heizer abgegebenen Wärmemenge) kann die Menge des gasförmigen Treibstoffs, die zu der Entladungskammer des elektrischen Triebwerks strömt, bestimmt werden, wodurch sich der Schub des elektrischen Triebwerks verändern (also steuern) lässt.
Beispielsweise kann die Schubleistung über den aus dem Tank austretenden Volumen- oder Massenstrom gesteuert werden, welcher proportional zur Heizleistung des sich im Tank befindlichen Heizers ist. Je mehr Heizleistung (Wärmeenergie) in den Tank gelangt desto mehr gasförmiger Treibstoff strömt in Richtung Anode. Die Regelung der Schubleistung kann daher über die Heizleistung erfolgen, wodurch ein sonst üblicher separater Massenflussregler mit zugehöriger Steuerungskomponente überflüssig wird und so weiter Gewicht eingespart werden kann.
Ferner kann das Verfahren den Schritt des Deaktivierens des Heizers des Treibstoffzufuhrsystems, wenn das elektrische Triebwerk abgeschaltet wird, umfassen. Durch Deaktivieren der Wärmestrahlung des Heizer wird der Sublimationsprozess des Treibstoffs im Tank verringert oder sogar beendet. Aufgrund der Reduzierung oder Beendigung der Treibstoffsublimation kann immer weniger Treibstoff aus dem Tank zur Entladungskammer strömen. Daraufhin sinkt auch die Abwärmeleistung des elektrischen Triebwerks, wodurch noch weniger Treibstoff gefördert wird und auch der Dehnstoffaktuator abkühlt und das Ventil schließt. Schließlich erlischt das Triebwerk.
Beim Abschalten des Triebwerks kann zwar eine bestimmte Treibstoffmenge durch ein eventuell noch geöffnetes Ventil entweichen, obwohl die Schubleistung des Triebwerks reduziert werden muss. Die Steuerung der Schubleistung des Triebwerks erfolgt jedoch überwiegend durch Steuerung des/der elektrischen und/oder magnetischen Felds/Felder in der Entladungskammer. Der Verlust des dabei möglicherweise nicht genutzten (nicht zu Plasma gewandelten) Iods kann jedoch aufgrund des ansonsten sehr energieeffizienten Betriebs des Triebwerks vernachlässigt werden.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

1 zeigt schematisch ein elektrisches Triebwerk mit geschlossenem Ventil;
2 zeigt schematisch Wärmeströme während des Betriebs des elektrischen Triebwerks aus 1;
3 zeigt schematisch das elektrische Triebwerk aus 1 mit geöffnetem Ventil;
4 zeigt schematisch Wärmeströme während des Betriebs des elektrischen Triebwerks aus 3; und
5 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Triebwerks eines Raumfahrtsystems.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN
Gemäß der hierin beschriebenen Erfindung ist ein Treibstoffzufuhrsystem 10 für ein elektrisches Triebwerk vorgesehen. Das Treibstoffzufuhrsystem 10 umfasst eine Rohrleitung 100 zum Führen von Treibstoff aus einem Tank 20 des elektrischen Triebwerks. Die Rohrleitung 100 führt zu einem Ventil 105, welches einen Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs in der Rohrleitung 100 einstellen kann. Je nach Öffnungsgrad des Ventils 105 kann der Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs in der Rohrleitung 100 verändert werden. Zur Steuerung des Ventils 105, d.h. zur Betätigung des Ventils zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung, ist ein Aktuator 106 kraftschlüssig mit dem Ventil 105 verbunden. Dieser kann als Dehnstoffaktuator 106 implementiert sein, wobei sich ein in dem Dehnstoffaktuator 106 vorhandener Dehnstoff durch Erwärmung ausdehnt und dabei durch den Kraftschluss mit dem Ventil 105 dieses betätigt.
Das Treibstoffzufuhrsystem 10 kann ferner einen Heizer 110 umfassen. Dieser kann beispielsweise an und/oder um die Rohrleitung 100 herum angeordnet sein. Durch die von dem Heizer 110 abgegebene Wärmeenergie wird Treibstoff in dem Tank 20 erwärmt. Der Treibstoff in dem Tank 20 kann als Festkörper vorliegen und durch den Einfluss der Wärmeenergie von dem Heizer 110 direkt sublimieren. Beispielsweise kann Iod als Treibstoff eingesetzt werden, welches sich als Festkörper speichern lässt und aufgrund seiner Dampfdruckkurve direkt vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand überführt werden kann. Der Heizer 110 kann seine Wärmeenergie durch Strahlung (Radiation) abgeben. Dadurch lässt sich auch in einem Mikrogravitationsumfeld, wie es im Weltall vorliegt, Treibstoff in dem Tank 20 erwärmen bzw. sublimieren.
Bei dem Übergang des Treibstoffs in den gasförmigen Zustand dehnt sich dieser aus und entweicht über die Rohrleitung 100 bei geöffnetem Ventil 105 aus dem Tank 20. Hierfür ragt die Rohrleitung 100 von dem Ventil 105 aus in den Tank 20 und ist an der Außenseite der Rohrleitung 100 mit einer Wand des Tanks 20 gasdicht verbunden. Im Inneren des Tanks 20 kann die Rohrleitung 100 eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, wodurch gasförmiger Treibstoff in das Innere der Rohrleitung 110 strömen kann und bei geöffnetem Ventil 105 aus dem Tank herausströmen kann.
In 1 ist ein Tank 20 dargestellt, der rotationssymmetrisch um das elektrische Triebwerk angeordnet ist. Insbesondere bei meist rund ausgeführten Triebwerken ist dies besonders platzsparend und energieeffizient.. In Tank 20 kann eine Rohrleitung 100 vorgesehen sein. Beispielsweise windet sich die Rohrleitung 100 durch den Tank, die daher im rechten Bereich der 1 im Querschnitt dargestellt ist und im linken Bereich der 1 als Längsschnitt dargestellt ist. Um zumindest einen Abschnitt der Rohrleitung 100 im Tank kann ein Heizer 110 vorgesehen sein, um den im Tank 20 befindlichen Treibstoff zu erwärmen und/oder zu sublimieren.
Selbstverständlich kann das elektrische Triebwerk mehr als einen Tank 20 aufweisen, die zumindest teilweise um das elektrische Triebwerk angeordnet sind. Bei dem rechts in 1 dargestellten Tank 20 kann es sich somit alternativ um einen gesonderten Tank 20 handeln. Dabei kann die Rohrleitung 100 in dem rechts dargestellten Tank entweder mit einem eigenen Ventil (nicht dargestellt) gekoppelt sein, um die Rohrleitung 100 zu verschließen und zu öffnen, oder sie ist an die Rohrleitung 100 des in 1 links dargestellten Tanks 20 in Strömungsrichtung des gasförmigen Treibstoffs vor dem Ventil 105 angeschlossen. Unabhängig von der Anzahl der vorgesehenen Tanks 20 kann in jedem Tank 20 eine oder mehrere Rohrleitungen 100 mit oder ohne Heizer 110 vorgesehen sein, um die erforderliche Menge gasförmigen Treibstoffs aus den Tanks zu dem elektrischen Triebwerk zu leiten.
Das elektrische Triebwerk umfasst ferner eine Entladungskammer 30, in der ein oder mehrere elektrische und/oder magnetische Felder erzeugt werden. Mittels dieser Felder wird der gasförmige Treibstoff ionisiert (Plasmaerzeugung), beschleunigt und aus einer in 1 unten erkennbaren Öffnung der Entladungskammer 30 ausgestoßen.
Beispielhaft ist in 1 ein elektrisches Triebwerk mit Anode 40 dargestellt, die der Plasmaerzeugung und der Beschleunigung des Treibstoffs dient. Solche Triebwerke sind zum Beispiel Cusp-Field-Triebwerke, Hall-Effekt-Triebwerke oder Kaufmanntriebwerke. Selbstverständlich kann das hier beschriebene Treibstoffzufuhrsystem 10 auch in einem elektrischen Triebwerk ohne Anode 40, beispielsweise einem Radiofrequenztriebwerk, verwendet werden.
An einem Ende der Entladungskammer 30 befindet sich ein mit der Entladungskammer 30 thermisch gekoppeltes Element 50. Dieses Element 50 kann ein weiterer Rohrleitungsabschnitt der Rohrleitung 100 des Treibstoffzufuhrsystems 10 sein. Alternativ oder zusätzlich kann dieses Element 50 eine gesonderte Treibstoffleitung sein, die das Ventil 105 mit der Entladungskammer 30 verbindet. Ebenfalls alternativ kann das Element 50 ein Isolator 50 sein, der mit der Anode 40 gekoppelt ist und diese elektrisch isoliert. Der Isolator 50 kann einen Durchgang zum Leiten von Treibstoff von dem Tank 20 zu der Anode 40 umfassen.
In dem Durchgang des Isolator 50 und/oder in der wärmeleitenden Rohrleitung oder dem Abschnitt der Rohrleitung 100 des Treibstoffzufuhrsystems 10 kann ein Filter 60 angeordnet sein. Der Filter 60, der als Fritte, Labyrinth oder Keramikschwamm ausgeführt sein kann, dient der Isolation des Treibstoffgases gegenüber der Anode 40 oder dem erzeugten Plasma in der Entladungskammer 30.
Das thermisch gekoppelte Element 50, beispielsweise der Isolator 50, ist wärmeleitenden ausgestaltet, sodass Abwärme von dem elektrischen Triebwerk durch das Element/Isolator 50 zu weiteren Komponenten geleitet werden kann.
Beispielsweise ist das Element/Isolator 50 mit dem mindestens einen Tank 20 thermisch gekoppelt, um Treibstoff in dem mindestens einen Tank 20 zu erwärmen und die Sublimierung des Treibstoffs zu begünstigen oder zu erzielen.
Ferner kann das Ventil 105 des Treibstoffzufuhrsystems 10 zwischen dem Tank 20 und dem Ende (oder der Seite) der Entladungskammer 30 angeordnet sein. In 1 ist das Ventil 105 in dem Element/Isolator 50 angeordnet. Dadurch lässt sich eine Erwärmung des Ventils durch die durch das Element/Isolator 50 geleitete Wärmeenergie zur Verminderung/Verhinderung eines Kondensierens des Treibstoffs nutzen.
Neben dem oder anstatt des Ventils 105 kann auch der Dehnstoffaktuator 106 des Treibstoffzufuhrsystems 10 in und/oder an dem Element/Isolator 50 angeordnet sein. So kann während des Betriebs des Triebwerks Abwärme über das Element/Isolator 50 zu dem Dehnstoffaktuator 106 geleitet werden, wodurch dieser das Ventil 105 betätigt.
In 1 ist ferner ein Anodenheizer 112 dargestellt, der zum Erwärmen des Elements/Isolator 50 vorgesehen ist. Insbesondere in der Startphase, d.h. vor dem Zünden des elektrischen Triebwerks, wird das Element/Isolator 50 und gegebenenfalls die Anode 40 oder ein entsprechend anderes Bauteil des elektrischen Triebwerks an dem Ende der Entladungskammer 30, an dem der Treibstoff eingeführt wird, aufgeheizt.
Der Dehnstoffaktuator 106 des Treibstoffzufuhrsystems 10 und/oder der Anodenheizer 112 kann so eingerichtet und angeordnet sein, dass der Anodenheizer 112 auch den Dehnstoffaktuator 106 mittelbar oder unmittelbar heizt. Der Anodenheizer 112 (oder eine andere Wärmequelle) wird insbesondere in der Startphase des elektrischen Triebwerks aktiviert, d.h. vor der Zündung des elektrischen Triebwerks.
Der Betrieb des elektrischen Triebwerks wird anhand der 2 bis 5 näher erläutert. 5 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Triebwerks eines Raumfahrtsystems, während die 2 bis 4 das elektrische Triebwerk in unterschiedlichen Zuständen und die darin herrschenden Wärmeströme darstellen. Hierfür wird in Schritt S205 ein elektrisches Triebwerk mit Treibstoffzufuhrsystem 10 bereitgestellt.
Zunächst wird in Schritt S210 der Anodenheizer 112 aktiviert, bis die Anode eine Betriebstemperatur erreicht hat und der Dehnstoffaktuator 106 das Ventil 105 geöffnet hat. 2 zeigt schematisch die Wärmeströme während dieser Startphase als Pfeile. Wie auch in 1 dargestellt ist, ist das Ventil 105 geschlossen. Über das wärmeleitfähige Element/Isolator 50 wird das Ende der Entladungskammer 30 und gegebenenfalls die Anode 40 erwärmt.
Der Anodenheizer 112 heizt neben dem Element/Isolator 50 auch den Dehnstoffaktuator 106 und gegebenenfalls auch das Ventil 105. Dadurch wird der Dehnstoff in dem Aktuator 106 aktiviert, wodurch das Ventil 105 betätigt wird, d.h. das Ventil 105 wird von einer Schließstellung in eine Offenstellung bewegt. Dadurch wird der Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs durch die Rohrleitung 100 des Treibstoffzufuhrsystems 10 ermöglicht.
Zusätzlich kann in einem Schritt S215 (5) der Heizer 110 des Treibstoffzufuhrsystems 10 aktiviert werden. Der Treibstoff in dem Tank 20 wird über den Heizer 110 in dem Tank 20 (in/an der Rohrleitung 100) erwärmt und sublimiert. Die Wärmeströme (Wärmestrahlung) des Heizer 110 sind ebenfalls durch Pfeile in 2 dargestellt. Aufgrund der Ausdehnung des Treibstoffs im gasförmigen Zustand strömt der Treibstoff in Richtung Ventil 105.
Die Reihenfolge der Schritte S210 und S215 ist nicht auf die in 5 dargestellte Reihenfolge beschränkt. Selbstverständlich kann auch zunächst der Heizer 110 des Treibstoffzufuhrsystems 10 aktiviert werden, und anschließend der Anodenheizer 112. Auch können beide Heizer 110, 112 gleichzeitig aktiviert werden.
Wenn das Ventil 105 aufgrund der Betätigung durch den Dehnstoffaktuator 106 (Schritt S210) geöffnet ist, strömt der gasförmige Treibstoff aus dem Tank 20 über die Rohrleitung 100, das Ventil 105 und einen Durchgang in dem weiteren Element/Isolator 50 (gegebenenfalls durch den Filter 60) in die Entladungskammer 30. Dieser Zustand ist in 3 dargestellt. Das in 3 abgebildete elektrische Triebwerk entspricht dem elektrischen Triebwerk der 1, mit der Ausnahme, dass der Dehnstoffaktuator 106 das Ventil 105 vollständig geöffnet hat.
Strömt gasförmiger Treibstoff aus dem Tank 20, kann das elektrische Triebwerk in Schritt S220 (5) gezündet werden. Dafür wird der gasförmige Treibstoff in der Entladungskammer 30 ionisiert (beispielsweise mittels Anode 40), beschleunigt und aus der unten in den 1 bis 4 dargestellten Öffnung der Entladungskammer 30 ausgestoßen. Durch den Betrieb des elektrischen Triebwerks entsteht Abwärme, die von der Entladungskammer 30 und gegebenenfalls der Anode 40 abgegeben wird.
Die Wärmeströme während des Betriebs sind in 4 als Pfeile dargestellt. Die Abwärme aus dem elektrischen Triebwerk wird einerseits in das Element/Isolator 50 übertragen. Dort wird neben dem Durchgang in dem Element/Isolator 50 auch das Ventil 105 und der Filter 60 erwärmt, um sicherzustellen, dass Treibstoff nicht kondensiert und nur gasförmiger Treibstoff das elektrische Triebwerk erreicht. Ferner wird über das wärmeleitende Element/Isolator 50 Wärmeenergie an den Dehnstoffaktuator 106 weitergeleitet. Dadurch kann in einem Schritt S230 (5) der Anodenheizer 112 deaktiviert werden, da der Dehnstoffaktuator 106 ausschließlich über die Abwärme des elektrischen Triebwerks aktiviert bleibt. Auch das Element/Isolator 50 und gegebenenfalls der Filter 60 bleiben erwärmt und stellen eine konstante Treibstoffzufuhr zu der Entladungskammer 30 sicher.
Je nach Anordnung des mindestens einen Tanks 20 kann Abwärme (Wärmeenergie) des elektrischen Triebwerks über die Entladungskammer 30 und/oder die Anode 40 und/oder das Element/Isolator 50 in den Tank 20 und somit den Treibstoff übertragen werden. Der so erwärmte Treibstoff lässt sich durch den Heizer 110 des Treibstoffzufuhrsystems 10 leichter sublimieren, wodurch die Leistungsaufnahme des Heizers 110 reduziert wird und die Energieeffizienz des gesamten Systems verbessert wird.
Das Gesamtsystem ist so ausgelegt, dass der Heizer 110 im Tank 20 betrieben werden muss, um eine positive Rückkopplung des Systems zu verhindern. Mit anderen Worten muss der Heizer 110 unterkritisch ausgelegt sein. Dadurch kann zum Ausschalten des elektrischen Triebwerks in einem Schritt S240 (5) der Heizer 110 deaktiviert werden. Durch Abbruch des Wärmestroms von dem Heizer 110 zu dem Treibstoff in dem Tank 20, wird die Erzeugung gasförmigen Treibstoffs (beispielsweise durch Sublimation) des Treibstoffs verringert oder ganz beendet. Auf jeden Fall wird durch die Verringerung der Treibstoffmenge, die die Entladungskammer 30 erreicht, die Leistung und somit die Abwärme des elektrischen Triebwerks reduziert, was zu einer weiteren Verringerung des Wärmeeintrags in den Treibstoff in dem Tank 20 führt.
Entsprechend wird die Schubleistung während des Betriebs des elektrischen Triebwerks über den aus dem Tank 20 austretenden Massenstrom des Treibstoffs gesteuert. Dieser ist im Wesentlichen proportional zur Heizleistung des sich im Tank 20 befindlichen Heizers 110. Je mehr Heizleistung in den Tank gelangt desto mehr gasförmiger Treibstoff (beispielsweise aufgrund größerer Sublimation) wird Richtung Anode transportiert. Alternativ kann die Schubleistung des elektrischen Triebwerks durch entsprechende Steuerung (einschließlich Beendigung) der Erzeugung elektrischer und/oder magnetischer Felder reduziert und gestoppt werden. Zusätzlich wird durch (natürliche und/oder aktive) Abkühlung des Dehnstoffaktuators 106 das Ventil 105 geschlossen, wodurch der Treibstoffstrom aus dem Tank 20 reduziert und beendet wird. Schließlich erlischt das Triebwerk vollständig.
Abschließend sei insbesondere darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Anführungsbeispiele einschränken.

Claims

Elektrisches Triebwerk eines Raumfahrtsystems, umfassend: ein Treibstoffzufuhrsystem (10); mindestens einen Tank (20), der dazu eingerichtet ist, Treibstoff für das elektrische Triebwerk aufzunehmen; und eine Entladungskammer (30), wobei das Treibstoffzufuhrsystem (10) umfasst: - eine Rohrleitung (100) zum Führen von Treibstoff, - ein Ventil (105), das dazu eingerichtet ist, einen Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs in der Rohrleitung (100) einzustellen, und - einen Dehnstoffaktuator (106), der dazu eingerichtet ist, das Ventil (105) zum Einstellen des Volumen- oder Massenstroms des Treibstoffs zu betätigen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Tank (20) ein Ende der Entladungskammer (30) und/oder ein mit der Entladungskammer (30) thermisch gekoppeltes Element zumindest teilweise umschließt, und wobei das Ventil (105) des Treibstoffzufuhrsystems (10) zwischen dem Tank (20) und dem Ende der Entladungskammer (30) angeordnet ist.
Elektrisches Triebwerk gemäß Anspruch 1, wobei das mit der Entladungskammer (30) thermisch gekoppelte Element eine wärmeleitende Rohrleitung zum Leiten von Treibstoff zur Entladungskammer (30) oder ein Abschnitt der Rohrleitung (100) des Treibstoffzufuhrsystems (10) ist, und/oder wobei das elektrische Triebwerk ferner umfasst: eine Anode (40); und einen wärmeleitenden Isolator (50), der mit der Anode (40) gekoppelt ist, wobei das mit der Entladungskammer (30) thermisch gekoppelte Element den Isolator (50) umfasst, und wobei der Isolator (50) einen Durchgang zum Leiten von Treibstoff zur Anode (40) umfasst.
Elektrisches Triebwerk gemäß Anspruch 2, wobei das Ventil (105) und/oder der Dehnstoffaktuator (106) des Treibstoffzufuhrsystems (10) in und/oder an dem Isolator (50) angeordnet ist/sind.
Elektrisches Triebwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: einen Anodenheizer (112), der dazu eingerichtet ist, die Anode (40) zur Zündung des elektrischen Triebwerks aufzuheizen.
Elektrisches Triebwerk gemäß Anspruch 4, wobei der Anodenheizer (112) dazu eingerichtet ist und so angeordnet ist, dass der Anodenheizer (112) den Dehnstoffaktuator (106) des Treibstoffzufuhrsystems (10) mittelbar oder unmittelbar heizt, sodass der Dehnstoffaktuator (106) das Ventil (105) des Treibstoffzufuhrsystems (10) betätigt und den Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs durch die Rohrleitung (100) des Treibstoffzufuhrsystems (10) ermöglicht.
Elektrisches Triebwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Treibstoffzufuhrsystem (10) ferner umfasst: - einen Heizer (110), der in und/oder um die Rohrleitung (100) angeordnet ist.
Elektrisches Triebwerk gemäß Anspruch 6, wobei die Rohrleitung (100) des Treibstoffzufuhrsystems (10) von dem Ventil (105) in den mindestens einen Tank (20) hineinragt, und wobei die von dem Heizer (110) des Treibstoffzufuhrsystems (10) erzeugte Wärme durch Strahlung in den Tank (20) übertragen wird.
Elektrisches Triebwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Tank (20) und/oder das Treibstoffzufuhrsystem (10) mit mindestens einem weiteren abwärmeerzeugenden Element des elektrischen Triebwerks und/oder des Raumfahrtsystems thermisch gekoppelt ist/sind.
Elektrisches Triebwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Treibstoff Iod ist.
Elektrisches Triebwerk gemäß Anspruch 9, wobei der Treibstoff durch Verguss des Iods einen Teil der Struktur des Tanks (20) bildet.
Elektrisches Triebwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Dehnstoffaktuator Paraffin, Metall, Öl oder ein Bi-Metall als Dehnstoff umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Triebwerks eines Raumfahrtsystems, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen (S205) eines elektrischen Triebwerks gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11; Aktivieren (S210) des Anodenheizers (112), bis die Anode (40) eine Betriebstemperatur erreicht hat und der Dehnstoffaktuator (106) das Ventil (105) geöffnet hat, um den Volumen- oder Massenstrom des Treibstoffs von der Rohrleitung (100) des Treibstoffzufuhrsystems (10) zu der Anode zu ermöglichen; Zünden (S220) des elektrischen Triebwerks; und Deaktivieren (S230) des Anodenheizers (112), wenn der Dehnstoffaktuator (106) durch Abwärme des elektrischen Triebwerks erwärmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, ferner umfassend: Aktivieren (S215) des Heizers (110) des Treibstoffzufuhrsystems (10), wobei der Treibstoff in dem Tank (20) aufgrund von Wärmeübertragung durch Strahlung von dem Heizer (110) durch Sublimation in den gasförmigen Zustand übergeht.
Verfahren gemäß Anspruch 13, ferner umfassend: Deaktivieren (S240) des Heizers (110) des Treibstoffzufuhrsystems (10), wenn das elektrische Triebwerk abgeschaltet wird.