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Einführung in das Thema
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Der Mond - ein natürlicher Erdsatellit (Sputnik) - bewegt sich um die Erde auf elliptischem Orbit mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,02 km/s. Da die siderische Periode des Umlaufs um die Erde mit der Periode des Umlaufs des Monds um seine eigene Achse übereinstimmt, ist er immer zur Erde mit derselben Seite gekehrt zu sehen. Die Entfernung von der Erde ändert sich von 356400 bis 406800 km, ihr mittlerer Wert beträgt 384401 ± 1 km. Ein Vergleich des Monds mit Erde ergibt die folgenden Werte: Durchmesser des Monds 0,27 des Werts der Erde (d .i. 3476 km) beträgt, die Masse 0,01 (d. i.
7,35·1022 kg), die Oberfläche 0.07 (d. i. 3,8·107 km2), die Dichte 0,61 (d. i. 3340 kg/m3), das Volumen 0,02 (d. i. 2,2·1019 m3) entsprechen. Die Beschleunigung im freien Fall bei der Oberfläche beträgt 0,16 des Werts der Erde (d. i. 1,62 m/s2), die 1-e kosmische Geschwindigkeit 0,21 (d. i. 1,68 km/s), die 2-e kosmische Geschwindigkeit 0,31 (d. i.
2,375 km/s).
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Libration ist das anscheinende Wanken des Monds, das durch gleichmäßiges Kreisen des Monds um die eigene Achse und gleichzeitigen Flug auf elliptischem Orbit mit geneigter Achse der eigenen Rotation immer entsteht. Die Libration führt dazu, dass man von der Erde 59% der Mondfläche beobachten kann. Die restlichen 41% sind unzugänglich für die Observation von der Erde. Weitere Fachworte: Der Terminator ist die Grenze der Teilung der beleuchteten (Tages-) von der dunklen (Nacht-)Halbsphäre; die Phase - das Verhältnis des sichtbaren Teils der Scheibe zu ihrer ganzen Fläche.
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Ein sowjetischer unbemannter Raumflugkörper „Luna 1“ wurde der erste Apparat, der in der Nähe des Mondes vorbeigeflogen ist, und „Luna 2“ wurde der Apparat, der zum ersten Mal auf seine Oberfläche gelangte (1959). „Luna 3“ hat zum ersten Mal aus dem Kosmos die Rückseite des Monds fotografiert (1959), und der amerikanische Raumflugkörper „Ranger 7“ die ersten Abbildungen aus nahgelegener Entfernung von der sichtbaren Seite des Monds zur Erde übersendet (1964). Der sowjetische unbemannte Raumflugkörper „Sond 1“ führte 1965 erfolgreich eine globale fotografische Untersuchung der nicht sichtbaren Seite des Monds durch. Dann führte 1966 ein sowjetischer unbemannter Raumflugkörper „Luna 9“ als erster die weiche Mondlandung durch. Am 20.07.1969 haben die Amerikaner N. Armstrong und E. Aldrin in der Mondlandefähre „Eagle“ des Raumschiffs von „Apollo 11“ die erste Mondlandung der Erdbewohner durchgeführt. Sie haben auch die ersten Proben des Mondbodens gesammelt. Ein sowjetischer unbemannter Raumflugkörper „Luna 16“ wurde 1970 der erste automatische Apparat, der den Mondboden der Erde zugestellt hat. Schließlich hat ein sowjetischer erster mondselbstfahrender Apparat „Lunochod 1“, zugestellt mit „Luna 17“, ein ausgedehntes Programm der Untersuchung des Mondes (1970-71) durchgeführt. Auf Grundlage der fotografischen Materialien von der Rückseite des Monds, die mit den Raumflugkörpern „Luna 3“ und „Sond 3“ aufgenommen wurden, sowie der ausführlichen Aufnahmen der amerikanischen „Ranger 7“ hat man einen Atlas des Monds mit Katalog und Register der vollständiger Bezeichnung der entdeckten Mondobjekte herausgegeben. Das geologische Alter der Mondstrukturen zeigt sich als etwa 4,6·109 Jahre, was dem Alter des Sonnensystems nahe ist. Durchgeführte seismische Experimente haben ermöglicht festzustellen, dass bis zu einer Tiefe von 20 km die Substanz des Mondes homogene Zusammensetzung hat. Grenzen ähnlich der Grenze Mohorovishisha auf der Erde gibt es in dem untersuchten Bereich des Monds nicht. Die ersten Bewertungen des magnetischen Felds laut Untersuchungen von „Luna 2“ zeigen sein praktisches Nichtvorhandensein. Spuren von Mikroorganismen und ihrer Lebenstätigkeit gibt es auch nicht. Der oberflächige Boden des Monds ist dem Leben entzogen, obwohl auf der Erde bei Vorhandensein günstiger Bedingungen auf diesem Boden Pflanzen gut gedeihen. Die inneren Schichten des Grunds sind noch zu untersuchen.
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Die Information, die bisher mit kosmischen Mitteln verschafft wurde, ist noch nicht genügend, um die Herkunft der Erde und des Monds, sowie anderer Himmelskörper, festzustellen. Nichtsdestoweniger es ist ganz offensichtlich, dass der Mond eine naturgemäße Fortsetzung der Erd-Ressource darstellt. Man betrachtet den Mond als Vorposten der Erdbewohner bei der Verwirklichung verschiedener irdischer und kosmischer Aufgaben oder der Abwehr von Gefahren. Zuerst kann in dauernder Perspektive der Mond als ein natürlicher Logistikpunkt und Reservewohnareal bei Entstehung unüberwindlicher Probleme auf der Erde (wie Klimakollaps, Umweltverschmutzung und Verseuchung, Verschwinden der Existenz- und Überlebensmöglichkeiten) dienen. Dafür besteht die Aufgabe der nachhaltigen Erkundung von Gelände, Bodenschätzen, Möglichkeiten der Erschaffung einer künstlichen Atmosphäre „unter Dach“ - isoliert von kosmischen Vakuumbauwerken mit Bedingungen für Vegetation und Menschendasein auf dem Mond. Der Mond kann in der näheren Zukunft als natürlicher Logistikpunkt und Versuchsgelände für Raketenexpeditionen mit Geländefähre und verschiedenen Erkenntniseinrichtungen für Flüge zu anderen Planeten dienen. Dadurch besteht die Aufgabe, erfinderische und experimentelle Unterfangen auf dem Mond mit Absicht seine Einsatzes auf anderen kosmischen Objekten und Planeten durchzuführen.
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Letzten Endes kann der Mond als Vorposten gegen hypothetische und reale Bedrohungen (durch Meteoriten) oder zum Empfang außerirdischer Zivilisationen dienen.
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Technischer Hintergrund einer Mondexpedition
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Mondexpeditionen zur Lösung spezieller oder besonderer begrenzter Aufgaben sind in der Regel kurzfristig und können mit einem oder mehreren Raumschiffen besorgt werden. Forschungen, die auf Komplexuntersuchungen des Monds und seiner Ressourcen gerichtet sind, müssen eine größere Zahl zusammenwirkender Mittel vorsehen. Die Mondexpeditionen müssen künstliche Erd- und Mondsatelliten, Transportschiffe für Flüge zwischen den Flugbahnen der künstlichen Erd- und Mondsatelliten, Raumschiffe zur Zustellung von Forscherteams von Erdsatelliten auf den Mond und zurück usw. gewährleisten. Die Besonderheiten eines Mondschiffs für den Flug zum Mond mit einem fahrenden und fliegenden Mondfahrzeug an Bord sind damit bezeichnet, dass das Schiff ein Raketentriebwerk mit Treibstoffvorrat haben muss, der genügt für das Auslöschen der Schiffs-Annäherungsgeschwindigkeit zum Mond, die Ausführung der Manöver, eine Mondlandung mit Aussetzung des Mondfahrzeugs auf die Mondfläche sowie die Zustellung von Materialien und Versorgungsmitteln auf den Mond. Nachfolgend muss das Schiff das Auffliegen vom Mond und die Rückkehr auf die Erde oder einen Erdsatelliten schaffen. Ein Schiff mit solchen Kapazitäten muss dem amerikanischen Space Shuttle „Columbia“ oder einer Fähre von Typ des „Buran“ des russischen Raumfahrtprogramms ähnlich sein. Diese Raumfähren sind fast ähnlich in Ausmaßen und Charakteristiken des Laderaumes mit etlicher Überlegenheit des russischen Vertreters: Beide haben eine Länge des Laderaums von 18 m, eine Rumpfbreite von 5,5 m bei der russischen Fähre und 4,5 m bei den Amerikanern. Die Nutzlast beträgt bei beiden 30 t. Die Besonderheit dabei: das Raumschiff muss über Vorrichtungen zum Auf- und Entladen des Mondfahrzeugs an Bord verfügen.
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Das Mondfahrzeug selbst muss einen besonderen Typ von Maschine darstellen. Das Fahrzeug muss fähig sein, dauerhaft unter kosmischen Bedingungen auf der Oberfläche der anderen Himmelskörper zu funktionieren. Die Hauptaufgaben, die dabei entstehen, sind:
- - Erschaffung eines optimalen Antriebes mit höherer Gelände-Durchgängigkeit bei möglichst kleiner Masse und Energieverbrauch, der sichere Arbeit und Zuverlässigkeit gewährleistet.
- - Auswahl eines Raketenantriebes zum Fliegen des Mondfahrzeugs über die Mondoberfläche, mit einem System des Raketenantriebes und einer Versorgungsapparatur zur Bewahrung und Beschickung der Triebwerke mit Treibstoffen zur Zustellung der Kosmonauten und Ausstattung von einem Revier zum anderen.
- - Auswahl eines Systems zur Verbindung mit einer Kommandozentrale auf der Erde und Satelliten, zur Orientierung beim Manövrieren auf dem Mond sowie bei manueller und ferngelenkter Steuerung der Bewegung.
- - Sicherstellung der notwendigen Wärmeregime mit Hilfe des Systems eines Luft-Gas-Flüssigkeits-Wärmetäuschers in inneren hermetischen Wohn- und Arbeitsräumen und der Temperatur der Konstruktion und Ausstattung der äußeren nicht hermetischen Zellen in der Periode der Mondtage und -nächte mit Hilfe eines Strahlungswärmetauschers und einer Abschirmungs-Vakuum-Isolation.
- - Auswahl von Energieversorgungssystem, Stromversorgungsquellen und Akkusystem.
- - Erschaffung eines Systems zum Ausgang in den offenen Kosmos und Zurückkehren der Kosmonauten mit Ausstattung.
- - Erschaffung eines System zur Bohrung des Mondbodens und Zustellung der Proben in die hermetischen Wohn- und Arbeitsräume und in äußere Behälter.
- - Vorsehen von Plattformen für Anbaugeräte wie verschiedene Hydraulikbagger-Schaufel- und Planierpflüge.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein bemanntes fahrendes und fliegendes Mondfahrzeug gemäß Patentanspruch 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die beschriebenen Konstruktionen und Bauteile sind in Figuren dargestellt, die durch Ziffern bezeichnet sind. Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt (s. A-A in 6) eines Mondfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform,
- 2 Fragment A von 1, in einer Position 2,
- 3 Fragment A von 1, in einer Position 1,
- 4 ein Planeten-Koppelgetriebe („Minusgetriebe“) auf 6,
- 5 einen Drehkolbenexpander, mit Wasserstoff und Sauerstoff als Treibstoffe, mit einem Planeten-Reduktionsgetriebe,
- 6 ein Längsschnitt B-B des Mondfahrzeugs,
- 7 Fragment M von 1,
- 8 ein Kegelstirnradgetriebe (58, 54, 48, 43),
- 9 Getriebekombinationen (38) von Kegelzahnrädern,
- 10 einen Querschnitt D-D des Mondfahrzeugs (s. 1),
- 11 Fragment B von 10,
- 12 einen Querschnitt entlang C-C auf 1,
- 13 relative Ausmaße eines Raketentriebwerks bei verschiedenen Drücken in einer Brennkammer,
- 14 einen Längsschnitt eines Drehkolbenexpanders mit Wasserstoff und Sauerstoff als Treibstoffe,
- 15 einen Querschnitt D-D des Drehkolbenexpanders (s. 14),
- 16 einen Querschnitt F-F des Drehkolbenexpanders (s. 14),
- 17 Fragment A von 14,
- 18 einen Schnitt entlang H-H (gekehrt) auf 16,
- 19 einen Schnitt entlang R-R auf 18,
- 20 einen Schnitt entlang P-P auf 18,
- 21 Fragment N von 16,
- 22 Fragment M (vergrößert) von 18,
- 23 einen Kosmonauten/Piloten in einer Schleusenkammer des Mondfahrzeugs,
- 24 Teile und Fragmente der Schleusenkammer: Variante 1,
- 25 Teile und Fragmente der Schleusenkammer: Variante 2,
- 26 Fragment F von 24 (gedreht): Zylinderschnecken-Antrieb (125) -Schnecken-Achsschnitt der Zylinderschneckengeometrie,
- 27 einen Schnecken-Stirnschnitt der Zylinderschneckengeometrie,
- 28 eine Ansicht d (gedreht) aus 24: Schleusenverzahnungsgeometrie,
- 29 Fragment C von 23.
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Einheiten und einzelne Systeme eines Mondfahrzeugs
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Konstruktiv dienen als vereinigende Trägerelemente eines Mondfahrzeugs ein großer Rahmen (27) und ein kleiner Rahmen (69) (s. 1 bis 13).
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Auf einer Bodenplatte (47) (s. 1), die durch den kleinen Rahmen (69) zu einer Einheit zusammengestellt ist, sind eine hermetische Kabine (1), eine hermetische Experimentierzelle (22), eine Torsionsübergangshülse (13) zum Übergang von der hermetischen Kabine (1) in die Experimentierzelle (22) sowie in undichten Räumen (12) torusartige Sauerstoff- (14) und Wasserstoffbehälter (16) sowie andere Ausstattung disponiert. Die Bodenplatte (47) ist durch zwei Paare je eines vorderen linken (61) und hinteren linken hydraulischen Wagenhebers (34) zu dem großen Rahmen (27) angeordnet.
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Die hermetische Kabine (1), die als Wohn- und Arbeitsraum dient, ist aus einer Magnesiumlegierung für Elemente eines Rumpfs und Doppelscheibenglas (5) hergestellt. Sie ist mit einer Schleusenkammer (67) mit einem System des Ausgangs in den offenen Kosmos und Zurückkehren der Kosmonauten im Raumfluganzug und mit ihrer Ausstattung ausgestattet. Weiter sind hier Arbeits- und Erholungsplätze wie ein Sessel (4) eines Kommandeurs und ein Sessel (103) eines zweiten Piloten, ein zentrales Steuerungspult (3), zwei Schlafplätze (6), eine Toilettenkabine (52) und drei Raumfluganzüge (8) untergebracht.
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Die Experimentierzelle (22) ist mit der hermetischen Kabine (1) durch einen Verbindungsrahmen mit vertikalen (21) und horizontalen Stützen (4) der Experimentierzelle (22) und Torsionsübergangshülse (13) durch die undichten Räume (12) verbunden. Sie ist in der Lage, in Kugelführungen mittels eines Hydrozylinders bei teilweiser Verzerrung der Geometrie der Torsionsübergangshülse (13) von der hermetischen Kabine (1) in alle Richtungen etwas abzuweichen. Diese äußere Kompensation der Wärmeausdehnung der gesamten Konstruktion ermöglicht auch etliche Vergrößerung des Beobachtungsfeld durch ein Bullauge (96) für einen Pilot-Operateur in der Experimentierzelle (22).
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Im Inneren der Experimentierzelle (22) ist auch eine Ausgangsluke (23) für Ausgang und Zurückkehren des Pilot-Operateurs im Raumfluganzug und mit Geräten in den und aus dem offenen Kosmos, sowie Ausstattung wie ein Sessel (20) des Pilot-Operateurs, ein torusartiger Wasserbehälter (19), ein Probeneinnehmer (30) zur Verwendung bei Bohrungsarbeiten und ein hermetisch eingerichteter Handmanipulator (25) mit Kralle untergebracht sind. Die Ausgangsluke (23) erlaubt einem Kosmonauten mit Ausstattung und Geräten, bei der von der hermetischen Kabine (1) mit Hilfe einer abnehmbaren Übergangsluke isolierten Torsionsübergangshülse (13) eine Exkursion in den offenen Kosmos durchzuführen. Die Konstruktion der Ausgangsluke (23) und ihre Ausstattung sind in der speziellen Rubrik „Systeme und Einzelheiten der Schleusenkammer“ ausführlich dargelegt. Geräte wie der Probeneinnehmer (30) zur Verwendung bei Bohrungsarbeiten und der relativ hermetisch eingerichtete Handmanipulator (25) mit Kralle werden nur für kurzdauernde Operationen verwendet, weil bei der Durchführung dieser Operationen etliches kleines Ausströmen des Atmungsgases aus der Kabine (1) möglich ist.
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In den undichten Räumen (12) des Mondfahrzeugs sind die torusartigen Sauerstoff- (14) und Wasserstoffbehälter (16), eine Schneckenbohrstange (18) mit Stütz-Traglagerung (33), eine Akku-Batterie (hier nicht gezeigt) und andere Ausstattung untergebracht. Es ist möglich, auch auf eine vordere (65) und eine hintere Plattform (87) für Anbaugeräte wie verschiedene Hydraulikbagger, Schaufel- und Planierpflüge anzubauen.
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In einem Antriebsraum, der auch über der Bodenplatte (47) liegt, sind ein erster (60) und ein zweiter Kryotreibstoff-Drehkolbenexpander (35), Elemente einer Transmission wie zwei Reduktionsgetriebe („Minusgetriebe“) - Planeten-Koppelgetriebe (59; 36) des ersten und zweiten Kryotreibstoff-Drehkolbenexpanders (60; 35), sowie andere Einrichtungen dargestellt. Darunter sind hier zwei Übertragungswellen wie eine Antriebswelle (46) und eine Triebwelle (50) von Wagenradpaaren (57, 81, 85, 88), vier Kegelstirnradgetriebe (58, 54, 48, 43) der Wagenradpaare (57, 81, 85, 88), vier Achsenanlagen (75, 80, 86, 89) zu Rädern sowie vier Elastomer-Kupplungen (76) angeordnet.
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Außerdem sind ein Bohrgetriebe, das aus einem Kegelzahnrad (42) des Bohrgetriebes, einem Kegelzahnrad (39) der Schneckenbohrstange (18) und einem Triebrad (45) einer Doppelschrägverzahnung zum Antrieb einer Bohranlage (79) besteht, sowie Einrichtungen und Automatik zur Sicherstellung des Bohrprozesses hier in dem Antriebsraum untergebracht. Hier ist auch eine Getriebekombination (38) von Kegelzahnrädern, einem Zahnkranz (97) einer elektromagnetisch betätigten Zahnkupplung mit Schleifring (92) zur Umschaltung der Getriebekombination (38) sowie einem Kegelzahnrad (95) zum Anschalten des zweiten Kryotreibstoff-Drehkolbenexpanders (35) angeordnet. Hier befindet sich auch ein behelfsmäßiger Elektromotor (55), der an die Antriebswelle (46) als ein autonomer Antrieb durch die Transmission angeschaltet ist, sowie eine Dynamomaschine (51), die zur Nachladung der Akku-Batterie durch eine Antriebswelle (153) und das Triebrad (45) der Doppelschrägverzahnung an die Transmission angeknüpft ist. Der Elektromotor (55) und die Dynamomaschine (51) sind als Reserve der Leistung und elektrischen Kapazitäten benutzt.
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Von beiden Bordseiten des großen Rahmens (27), s. 1 und 6, sind ein vorderes Wagenradpaar (57) an eine Vorderachsenanlage (75), ein zweites Waagenradpaar (81) an eine zweite Achsenanlage (80), ein drittes (85) an eine dritte Achsenanlage (86) und ein hinteres Wagenradpaar (88) an eine vierte Achsenanlage (89) sowie je zwei Elastomer-Kupplungen (76) angebracht. Die Elastomer-Kupplungen (76) dienen zur Übergabe eines Drehmomentes von den Kegelstirnradgetrieben (58, 54, 48, 43) auf jede Achsenanlage (75, 80, 86, 89). Die Richtungen der Bewegung sind mittels eines vorderen (70) und eines hinteren Hydrozylinders (98) zur Steuerung der Wendung der Wagenradpaare (57, 81, 85, 88) gesteuert, wobei das zweite (81) und dritte Wagenradpaar (85) durch Spurstangen (73, 171) gelenkt sind. Die Wagenradpaare (57, 81, 85, 88) sind mit Federbeinen (56) mit Torsionen und Dämpfern sowie mit elektromagnetischen Einfach-Kupplungen (71) und Scheibenbremsen (72) ausgestattet.
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Von außen sind auf dem Mondfahrzeug eine Anhängeausstattung wie Solarbatterien, verschiedene Antennen und aufwärts wirkende Raketentriebwerke mit ganzer Ausstattung montiert. 10 zeigt von vorn diese Anlagen. Hier sind eine Solarbatterie (9) in Marschzustand, eine Radar-Antenne (101), eine scharf gerichtete Parabolantenne (102), eine Wendeantenne (100) für einen S-Wellenbereich, zwei vordere (62) und zwei hintere Raketentriebwerke (37), eine vorn installierte rückwärtstreibende lenkbare Marschdüse (148) und eine hintere lenkbare Marschdüse (150) installiert. Auch eine Schutzdecke (66) zum Verhüllen des Antriebsraums vor heißen Raketenstrahlgasen und harten Bodenpartikeln ist rundum auf den großen Rahmen (27) aufgehängt. 1 und 10 zeigen auch etliche Vorrichtungen zum Auffalten und Zusammenlegen der Solarbatterie (9). Diese sind ein Stellgetriebe (7) zur Drehung der Solarbatterie (9) in einer Vertikalfläche, ein Stellgetriebe (10) zur Drehung der Solarbatterie (9) in einer Horizontalfläche sowie ein Hydrozylinder (11) zur Lagesteuerung der Solarbatterie (9).
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Auf beiden Bordseiten des Mondfahrzeugs, s. 10, sind Anhängerrahmen (170) mit Befestigung eines Satzes von Bohrstangen und ein Manipulator für deren An- und Abmontage angebaut (nicht näher gezeigt), so wie Behälter (26) für Bodenproben, die durch einen Schlauch (17) zur Abnahme des Bodens (s. 1) bei Bohrarbeiten zugestellt werden.
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Über dem Antriebsraum angebaute hermetische Kabinen, undichten Räume mit Treibstoff-Behältern und Bohrprozess-Aggregaten sowie Anhängeausstattung wie Solarbatterien, verschiedene Antennen und Raketentriebwerke mit ganzer Ausstattung können alle insgesamt mittels zweier vorderer (61, 155) und zweier hinterer hydraulischer Wagenheber (34) über den großen Rahmen (27) und die Bodenplatte (47) bis zu etwa 0,6 m angehoben werden. Damit kann zu hier aufgebauten Triebwerken, Elementen der Transmission, elektrischer Ausstattung, dem Bohrgetriebe mit ganzer Ausstattung und anderen Aggregaten sowie Vorrichtungen im Inneren der offene Zutritt sichergestellt werden (s. 10, 12). Dadurch sind Prophylaxe, Umtausch und Reparatur unter Feldbedingungen von Kosmonauten in Raumfluganzügen möglich.
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Schleusenkammer und Vorgänge zum Ausgang in den Weltraum und zur Rückkehr eines Kosmonauten in die hermetischen Kabinen
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Die Schleusenkammer (67) zum Ausgang des Kosmonauten aus hermetischen Kabinen des Mondfahrzeugs in den offenen Kosmos und Zurückkehren in die hermetischen Kabinen ist auf 23 und 24 dargestellt. 23 zeigt eine separat dargestellte Schleusenkammer (67) mit einem Kosmonauten im Inneren. Die Schleusenkammer (67) besteht aus einem Zylinder, der mit einem Träger (129) und einem Luken-Dichtungsring (131), einer Luke der Schleusenkammer (67), einem Hydrozylinder (157) einer Steuerung der Luke sowie einem Zylinderschnecken-Antrieb (125) eines ersten Schleusen-Dichtungsrings (134) und eines zweiten Schleusen-Dichtungsrings (126) auf beiden Enden ergänzt ist. Der erste und zweite Schleusen-Dichtungsring (134; 126) sind je mit einer Spezialprofilverzahnung (128) ausgestattet und können sich in einer eigenen Kugelführung (156) bewegen. Auch sind mit einer Spezialprofilverzahnung (127) die beiden Enden der Schleusenkammer (67) ausgestattet. Jede Luke ist mit einem Luken-Dichtungsring (131) und einem Vorspannungsriegel (130) sowie einem Druckregelventil (158) bestückt. Dem Kosmonauten stehen zwei Schaltpulte (124) zur autonomen Steuerung der Ausstattung der Schleusenkammer (67) bei verschiedenen Positionen des Kosmonauten in der Schleusenkammer (67), eine aus der hermetischen Kabine (1) durchgeführte Steuerung sowie eine Fernsteuerung durch andere Operatoren über alle Systeme der Schleusenkammer (67) zur Verfügung.
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Bei der Vorbereitung der Ausgangsroute ermöglichen die Systeme in der hermetischen Kabine (1) dem Kosmonauten, die Schleusenkammer (67) bei geschlossener zweiter Luke (68) mit Atemluft durch ein erstes Druckregelventil (133) auszufüllen und mittels eines Hydrozylinders (132) der Steuerung der ersten Luke (53) diese zu öffnen. Der Kosmonaut kann dann im Raumfluganzug (8) und mit nötigen Instrumenten und Reparaturkapazität in die Schleusenkammer (67) kriechen. Wie erwähnt, ist der Ausgang in den Weltraum durch die zweite Luke (68) zuerst geschlossen. Die Fuge zwischen der Schleusenkammer (67) und der ersten Luke (53) ist dabei mit dem Luken-Dichtungsring (131) der ersten Luke (53) hermetisiert. Die weiteren Operationen bestehen darin, dass aus der Schleusenkammer (67) Atemluft durch das Druckregelventil (158) ausgelassen werden muss. Dann müssen mit einer Drehung des zweiten Schleusen-Dichtungsring (126) mittels des Zylinderschnecken-Antriebs (125) des zweiten Schleusen-Dichtungsrings (126) die Spezialprofilverzahnungen (127, 128) der Schleusenkammer (67) und des zweiten Schleusen-Dichtungsrings (126) voneinander gedreht werden, um die zweite Luke (68) freizugeben. Folglich kann der Kosmonaut die zweite Luke (68) mit dem Hydrozylinder (157) der Steuerung der zweiten Luke (68) öffnen und in einer Position, die auf 1 dargestellt ist, zu fixieren. Die zweite Luke (68) kann damit als Ausgangstreppe (weil die Schleusenkammer (67) immer in der horizontalen Position ist) genutzt werden. Die Operationen für die Rückkehr in die hermetischen Kabinen müssen in Rückwärtsfolge durchgeführt werden. Dabei kann der Kosmonaut in der Position mit Kopf nach vorn mit Instrumentarium und mitgebrachten Sachen sich in der Schleusenkammer (67) einordnen. Die Rückehroperationen kann der Kosmonaut dann in autonomem Regime mittels des zweiten Schaltpults (124) oder mit Hilfe aus einer Kabine vollenden. Dafür hat man zuerst die zweite Luke (68) der Schleusenkammer (67) zu schließen, dann die Schleusenkammer (67) mit Atemluft aufzufüllen und letztendlich die Eingangsluke zu öffnen.
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Systeme und Einzelheiten der Schleusenkammer
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24 und 25 zeigen einen Schnitt der Schleusenkammer (67), auf dem bedienungsweise die gesonderten Teile der Ausstattung der Scheusenkammer (67) dargestellt sind. Vorgeschlagen sind zwei Varianten einer Anordnung des Antriebes des zweiten Schleusen-Dichtungsrings (126): Variante 1 - eine Hauptvariante; Variante 2 - eine alternative Anordnung (141) des Antriebes des zweiten Schleusen-Dichtungsrings (126). In beiden Varianten ist die Spezialprofilverzahnung (128) des drehbaren zweiten Schleusen-Dichtungsrings (126) in heranrückender Position auf der Spezialprofilverzahnung (127) der Schleusenkammer (67) zu sehen. Variante 2 kann man als Reserve-Variante der Anordnung des Antriebes betrachten. In Variante 1 auf Fragment D ist, außer den beiden Verzahnungen, der Träger (129) und der Zylinderschnecken-Antrieb (125) des zweiten Schleusen-Dichtungsrings (126) gezeigt.
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Der Zylinderschnecken-Antrieb (125) des zweiten Schleusen-Dichtungsrings (126) sowie andere Elemente des Antriebes des Luken-Dichtungsrings (131) der zweiten Luke (68) sind auf Fragment A von 24 dargestellt. Hier kann man selbst den Zylinderschnecken-Antrieb (125) des zweiten Schleusen-Dichtungsrings (126), einen Hydromotor (136) mit Außenverzahnung m = 4, z = 16/35, und einen Hydrostutzen (135) mit D/d = 22/16, der als Antrieb für den Zylinderschnecken-Antrieb (125) prädestiniert und auf einem Achsschnitt B-B des Hydromotors (136) dargestellt ist, sowie eine drehstarre Klauenkupplung (137) zwischen dem Zylinderschnecken-Antrieb (125) und dem Hydromotor (136) sehen. Hier ist auch der Träger (129), Ansicht d, mit der Spezialprofilverzahnung (127) der Schleusenkammer (67) und die Spezialprofilverzahnung (128) des drehbaren zweiten Schleusen-Dichtungsrings (126) dargestellt.
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Auf 24 sind weitere Elemente zum autonomen Betrieb der Schleusenkammer (67) dargestellt. Dies sind eine Verbindungskonsole (144), ein bedient dargestelltes Schaltpult (124), ein autonomer Hydrospeicher (142) und eine Leitung (143) zu einem Hydrosystem des Mondfahrzeugs. Getrennt voneinander sind in 26 bis 29 Fragment F mit dem Zylinderschnecken-Antrieb (125), Ansicht d mit einer Schleusenverzahnungsgeometrie sowie Fragment C von 23 dargestellt.
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Die Zylinderschneckengeometrie, Hauptmaße und Parameter der Verzahnung sind auf 26 in einem Schnecken-Achsschnitt und auf 27 in einem Schnecken-Stirnschnitt zu sehen (s. Fragment F Zylinderschnecken-Antrieb (125) auf 24). Die Bestimmungsgrößen des Zylinderschneckengetriebes sind aus einer voraussichtlichen Geometrie der Schleusenkammer (67) und des Zylinderschnecken-Antriebes (125) mit Technologie des Schneckengetriebes bestimmt worden (Taschenbuch für Maschinenbau, Dubbel, 17. Auflage, Seite G 135). Darnach betragen aus den voraussichtlichen geometrischen Daten: dm1 ≈ 23 mm, dm2 ≈ 1000 mm, px ≈ 38 mm, Abstand a = (dm1 + dm2) /2 ≈ 511,5 mm, Modul Axialteilung m = px/π = 12 mm. Die Hauptmaße und Verzahnungsdaten der Schleusenverzahnungen aus der voraussichtlichen Geometrie (welche man noch präzisieren kann) betragen: da1 ≈ 982 mm, df1 ≈ 963 mm, b1 ≈ b2 ≈ 46 mm, dm1 ≈ 972,5 mm, k = 20,5 mm, γm ≈ 4°.
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Drehkolbenexpander mit Wasserstoff und Sauerstoff als Treibstoffe
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1 zeigt auf dem Längsschnitt des Mondfahrzeugs das Äußere des ersten Kryotreibstoff-Drehkolbenexpanders (60) zusammen mit dem „Minusgetriebe" - Planeten-Koppelgetriebe (59) - Reduktionsgetriebe - des ersten Kryotreibstoff-Drehkolbenexpanders (60) sowie dem Triebrad (45) der Doppelschrägverzahnung. Die beiden Kryotreibstoff-Drehkolbenexpander (60, 35) sowie der Elektromotor (55) sind die drei Antriebe des Mondfahrzeugs für Fahrt auf der Oberfläche des Monds. Weiter ist der erste Kryotreibstoff-Drehkolbenexpander (60) auf 24 bis 22 mit Längsschnitten und Ansichten dargestellt und im weiteren Text beschrieben.
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Im allgemeinen entsteht das konstruktive Schema eines Triebwerks mit Kryo-Wasserstoff und -Sauerstoff aus einer Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennverfahren nach
DE 10 2013 016 274 B4 , wenn nur der Drehkolbenexpander, zwei wärmeisolierte zuführende Magistrale und ein Brennkopf für Kryo-Wasserstoff und -Sauerstoff vorgesehen sind. Die Kryotreibstoffe müssen mittels eines Steuerautomaten zugeführt werden, und zwar mit Druck, der den Druck der Arbeitsregime in der Brennkammer (der im Bereich 5-22 at. liegt) übertrifft, und zwar in der Proportion, die für gestattete Verbrennung geeignet ist. Dabei ist es notwendig, ein neutrales Gas aus Gruppe H (Helium, Neon usf.) als Arbeitskörper den Kryotreibstoffen beizumischen, um Überhitzung der Konstruktionsteile abzuwenden. Dabei verwendet der Steuerautomat den neutralen Stoff als Steuerungsmittel, das ermöglicht, die Temperatur des Brennprozesses zu regulieren.
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Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Drehkolbenexpanders
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Vor der Beschreibung der Konstruktion ist es nötig, den Vorbehalt zu machen, dass hier eine Variante vorgestellt ist, die drei Nebenrotoren vorsieht, wenn auch Varianten mit zwei oder vier Nebenrotoren möglich sind. Außerdem ist eine Variante mit vergrößertem Durchmesser der Arbeitskammern bei demselben Verhältnis der Läuferdurchmesser, die hier im Verhältnis 1:2 zueinander stehen, auch möglich. Jede Abweichung von der angenommenen Variante könnte zu einem Vorteil bei einigen Parametern (z. B. bei der Leistung) führen, aber dabei kann es zu Nachteilen kommen wie z. B. zu vergrößerten Durchmessern der Lager und Dichtungen sowie verschlechterten Arbeitsbedingungen bei ihnen, oder zu vergrößerten Linear- und Winkelgeschwindigkeiten, Temperaturen usw.
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Hauptgliederungsteile
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Jeder Drehkolbenexpander, z. B. der erste Drehkolbenexpander (60), besteht funktionell aus zwei Stufen - einer Expansionsvorstufe (200) und einer Expansionsendstufe (201) - sowie aus einem feststehenden Brennrohr (202), das durch ein zuführendes Rohr (203) und ein Verbindungsrohr (204) unbeweglich auf einem Gehäuse befestigt ist und sich durch beide Stufen erstreckt. Durch das zuführende Rohr (203), Verbindungsrohr (204) und feststehende Brennrohr (202) sind zwei wärmeisolierte zuführende Magistrale (205) mit Kryotreibstoffen verlegt (s. Fragment A). Ein Vorder- (206) und ein Rückdeckel (207) mit eingebauten Steuerorganen, Lagern, Getrieben und einer Leistungswelle ergänzen die Gestalt der Drehkolbenexpander (60, 35). Diese vier Einheiten bilden die Hauptgliederungsteile der Drehkolbenexpander (60, 35). Ein verzweigtes Flüssigkeitskühlsystem reguliert das Wärmeregime des Drehkolbenexpanders.
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Rotierende Teile
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Durch beide Stufen erstreckt sich ein Hauptläufer (208) und mit ihm durch eine längliche äußere Verzahnung (209) (s. 21, Einzelheit N von 16) gebundene drei Nebenläufer (210). Alle Nebenläufer haben längliche Vorsprünge - Verdrängungskämme (211) (s. 15, 16), die als rotierende Kolben dienen. In jeder Stufe überstreichen die Kolben bei Drehung eine von Stirn- und Seitenwänden der Stufen gebildete Arbeitskammer (212). Der Durchmesser jeder Arbeitskammer (212) ist doppelt so groß wie der Durchmesser eines zylindrischen Körpers der Nebenläufer (210). Der Hauptläufer (208) erhält in jeder Stufe drei längliche Vertiefungen (213), die einen Eingriff der Verdrängungskämme (211) in den Hauptläufer (208) und eine gemeinsame Drehung des Hauptläufers (208) mit den Nebenläufern (210) ermöglichen. Der Hauptläufer (208) dient auch als Verbindungs- und Synchronisationsstück für die Nebenläufer (210). Die gemeinsame Drehung der Rotoren und der optimale Dichtkontakt zwischen Hauptläufer (208) und Nebenläufern (210) sind durch das Durchmesserverhältnis 3:1 und eine Übersetzung der länglichen Zahnverbindung des Hauptläufers (208) mit den Nebenläufern (210) von 3:1 erreicht. Dabei rotiert jeder Nebenläufer (210) mit der dreifachen Drehzahl gegenüber dem Hauptläufer (208). Die längliche äußere Verzahnung (209) der Läufer (208, 210) verhindert klebenbleibende Verbrennungsreste von Medium sowie Körner an den Kontaktlinien der Läufer (208, 210) und erübrigt ein spezielles gemeinsames Synchronisierungsgetriebe für alle Läufer (208, 210). Die Wellen aller Läufer (208, 210) sind mit Schlitzkupplungen verbunden.
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Spezifische Profile
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Die länglichen Vertiefungen (213) im Hauptläufer (208) sowie die Verdrängungskämme (211) der beiden Stufen weisen spezifische Profile auf, die durch die gemeinsame Bewegung der Läufer (208, 210) und Verdrängungskämme (211) definiert sind. Die Verdrängungskämme (211) der Expansionsteilstufen (200, 201) können einige Abweichungen von den Konturen haben, allerdings nur in Richtung nach innen. Die spezifischen Profile der länglichen Vertiefungen (213) des Hauptläufers (208) und die Verdrängungskämme (211) eines Nebenläufers (210) zeigt eine grafische Studie (s.
DE 10 2013 016 274 B4 ). Die grafische Studie zeigt die Bildungslinien der Profile als Spuren der Vektorenspitzen, die beide Läufer (208, 210) bei ihrer gemeinsamen Bewegung imitieren. Die grafische Simulation der Lage des Verdrängungskamms (Vektor 2r) bei seiner Drehung mit 6° und des Hauptläufers (Vektor 3r) mit 2° zeigt die mit fließender Linie verbundenen Punkte einer Annäherung der Profilvertiefung und des Kamms. Die Drehungen um 6° und 2° entsprechen dem Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten der Läufer (208, 210). Die Grafik dient als Anschauungsmaterial. Theoretische Profile mit beliebiger Annäherung definiert man mit Computerberechnungen unter Anwendung der mathematischen Methode der Vektoralgebra. Praktisch kann auch die in der
DE 10 2013 016 274 B4 dargestellte grafische Methode angewendet werden.
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Förderstrom
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Ein Förderstrom entsteht in der Brennkammer (214), wo aus dem Brennkopf (215) die Kryotreibstoffe mit Neutralstoff mit Zufuhrdruck aus Brenndüsen (216) gespritzt werden. Von einem Flammengitter (217) vermischt und gewirbelt, wird der Förderstrom von einer Zündelektrode (218) bei Bedarf gezündet und durch eine lonisationselektrode (219) kontrolliert. Das Gasmedium strömt mit hoher Temperatur durch Öffnungen (220) mit Schirmtaschen (221) aus der Brennkammer (214) in das Innere des Hauptläufers (208) und weiter durch eine längliche Einlassöffnung (222) in den länglichen Vertiefungen (213) in die Arbeitskammern (212) der Expansionsvorstufe (200). Hier bewegt der Förderstrom die Verdrängungskämme (211) und damit die Nebenläufer (210) der Expansionsvorstufe (200). Nach der Expansion in der Expansionsvorstufe fließt das Medium durch Längsauslassöffnungen (223) und äußere Mediumleitungen (224) in die Expansionsendstufe (201) und wird hier endgültig abgearbeitet. In den Expansionsteilstufen (200, 201) erfüllen die Verdrängungskämme (211) die Expansionsarbeit des Mediums und treiben unmittelbar die eigenen Läufer sowie durch ein gemeinsames Getriebe, das aus einem Ritzel (225) und einem Großrad (226) besteht, die Leistungswelle (227) an. Die Expansionsendstufe (201) hat drei Auslassöffnungen mit Auslasskanälen (228) und Auspuffflanschen (229) (s. 16), durch die das abgearbeitete Medium von den rotierenden Verdrängungskämmen (211) bei ihrer Drehung ständig in ein Abgas- bzw. Abdampfsystem ausgestoßen wird.
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Dichtungen
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Der Eingriff der Verdrängungskämme (211) in die länglichen Vertiefungen (213) des Hauptläufers (208) in Expansionsendstufe (201) ergibt eine lückenlose Verdichtungslinie, denn die Dichtung der Arbeitskammern (212) in dieser Stufe und in den länglichen Vertiefungen (213) des Hauptläufers (208) ist durch Längsdichtleisten (230) sowie Stirndichtleisten (231) der Verdrängungskämme (211) gesichert. Die Dichtleisten (230, 321) sind an den Spitzen und Stirnseiten der Verdrängungskämme (211) angebracht und durch eine Feder (232) an die Seitenwände der Arbeitskammern (212) bei Drehung angepresst. Die Dichtleisten (230, 231) sind von Öl-Einspritzung geschmiert. Das Öl fließt aus Öl-Kanälen in den Verdrängungskämmen (211) zu den Spielen der Dichtleisten (230, 231). Bei erhöhten Drehzahlen reduzieren Gegengewichte (233), die in den Körpern der Nebenläufer (210) eingerichtet und mit den Längsdichtleisten (230) durch Verbindungsstöcke (234) verbunden sind, die Anpresskraft der Feder (232). Bei großen Drehzahlen werden die Dichtleisten (230, 231) trotz Wirkung der Feder (232) durch Gegengewichte zurück in die Verdrängungskämme (211) eingezogen, um einen starken Bremseffekt durch Reibung abzuwenden. Die Mediumverluste bei großen Drehzahlen sind relativ geringer als bei kleinen Drehzahlen. Um einem Bremseffekt durch Druckgefälle bei der Arbeit der Kraftmaschine mit kleinen Leistungen vorzubeugen (in diesem Fall übersteigt der verfügbare Ausdehnungsraum den notwendigen), sind in den Verdrängungskämmen (211) der Expansionsendstufe (201) Ausgleichklappen (235) zu einem Auspuffraum eingerichtet. In den Verdrängungskämmen (211) der Expansionsendstufe (201) sind die Ausgleichklappen (235) konstruktiv anders ausgeführt, um bei eingeschaltetem Gas-Dampf-Zyklus den Wasserdampf in die Arbeitskammer (212) durchzulassen.
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Expansionsteilstufen
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Die Expansionsvor- (200) und Expansionsendstufe (201) sind Teile eines gemeinsamen Expansionsraums. Diese Teilung spielt eine wichtige Rolle. Die Expansionsvorstufe (200) hat eine hitzebeständige Abdeckung (237) aller mit heißem Medium in Berührung stehenden Flächen und keine Dichtungen an den laufenden Verdrängungskämmen (211) - das durch das Laufspiel entweichende Medium wird in der folgenden Stufe abgearbeitet. Die Expansionsendstufe (201) hat Dichtungen, die einen Mediumdruckverlust verhindern. Diese Stufe arbeitet mit Medium, dessen Temperatur nach der Expansion in der Expansionsvorstufe (200) gesunken ist. Durch diese Verteilung hält die Maschine den hohen Temperaturbelastungen stand. Der zweite Vorteil besteht darin, dass mit dieser Teilung die vom Mediumarbeitsdruck ausgehenden Belastungen auf die Körper und Lager der Läuferhälften halbiert werden. Ein dritter Vorteil ergibt sich daraus, dass diese Teilung einem gleichmäßigen Verlauf des Drehmoments auf der Leistungswelle (227) dient: Die Drehmomente beider Expansionsteilstufen (200, 201) folgen nacheinander und überdecken einander. Deshalb fällt das gemeinsame Drehmoment niemals bedeutend, erst recht nicht bis auf null. In den Seitenwänden und der hinteren Stirnwand der Expansionsendstufe (201) sind Sperrventile (238) mit einer lenkbaren Buchse (263) des Sperrventiles (238) bei Zufuhrkanälen (239) eingerichtet sowie separate Getriebe (240) im Rückdeckelraum zur synchronen Drehung der lenkbaren Buchsen (263) der Sperrventile (238) mit den Nebenläufern (210) angebracht. Die Sperrventile (238) unterbinden den Verlust des Arbeitsmediums aus den Arbeitsräumen der Expansionsvorstufe (200) und den äußeren Mediumleitungen (224) für die Zeit, in der die Arbeitsräume der Expansionsendstufe (201) mit dem Auspuffraum verbunden sind, also bis zu einem Moment, wenn die Verdrängungskämme (211) nach Vorbeigehen an den Zufuhrkanälen (239) erneut in Stellung bei den Zufuhrkanälen (239) kommen.
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Einlassklappen
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In den Verdrängungskämmen (211) der Expansionsendstufe (201) sind die Ausgleichklappen (235) als biegeweiche längliche Lamellen angebracht. Die Lamellen sind in Schächten untergebracht, die zwecks Abdichtung der Klappe in gesperrtem Zustand Angüsse mit Konturensesseln für die Lamelle haben. Die Ausgleichsklappen (235) sind bei den Verdrängungskämmen (211) in beiden Expansionsteilstufen (200, 201) ähnlich gebildet.
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Feststehendes Brennrohr
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Das feststehende Brennrohr (202) ist zweiteilig aufgebaut - aus dem feststehenden Brennrohr (202) und einem beweglichen Brennrohrteil (241), der zusammen mit dem feststehenden Brennrohr (202) steuerbare Auslassöffnungen (242) bildet. Ein Stellgetriebe mit einem Zahnradsegment (243) und einem Zahnradgetriebe (268) reguliert durch Verstellung des beweglichen Brennrohrteils (241) bezüglich des feststehenden Brennrohrs (202) die Auslassöffnungen (242) und steuert damit die Ausgabe des Mediums in die Expansionsendstufe (201).
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Verbindungsrohr
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Das Verbindungsrohr (204) und der Hauptläufer (208) sind mit zwei METAX-Gleitringdichtungen Typ B (244) vom Raum des Vorderdeckels (206) isoliert und mit flüssigem Kühlmittel zwischen beiden Ringen gekühlt. Damit wird der Raum des Vorderdeckels (206) mit Lagern und Dichtungen vor Wärme und Druck aus dem Druckraum des Hauptrotors geschützt.
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Dichtung des Mediumraums
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Die Abdichtung des Mediumraums von der übrigen Konstruktion erfordert spezielle Maßnahmen. Am hinteren Ende des unbeweglichen Teils des feststehenden Brennrohrs (202) ist eine METAX-Metallfaltenbalg-Gleitringdichtung Typ MU (246) angewendet, die den Raum zwischen dem Hauptläufer (208) und dem unbeweglichen Teil des feststehenden Brennrohrs (202) abdichtet und damit den Raums des Rückdeckels (207) vom Arbeitsdruckraum isoliert. Die METAX-Gleitringdichtungen Typ B haben folgende Einsatzgrenzen: Druck bis 50 bar, Temperatur -80 bis +315 °C, Gleitgeschwindigkeit bis 25 m/s. Die METAX-Metallfaltenbalg-Gleitringdichtung Typ MU haben abweichende Einsatzgrenzen: Druck bis 25 bar, Temperatur -50 bis +400 °C, Gleitgeschwindigkeit bis 50 m/s. In beiden Fällen müssen diese Dichtungen zu den Parametern und Arbeitsbedingungen an ihren Einsatzstellen bei Mitberechnung der Kühlung des Einsatzraums passen. Die Hochleistungs-GFT-Radialdichtungen vom Typ 103 (247) dichten den Raum zwischen dem feststehenden Brennrohr (202), dem beweglichen Teil des Brennrohrs (241) und einer Druckmediumleitung (248) ab. Auch bei den Sperrventilen (238) mit den separaten Getrieben (240) kommen Rillenkugellager und GFT-Radialdichtungen des Typs 103 zur Anwendung (hier nicht näher gezeigt). Diese Dichtungen haben folgende Einsatzgrenzen: Druck bis 500 bar, Temperatur -250 bis +316 °C, Gleitgeschwindigkeit bis 5 m/s, sind für ihre vorgesehenen Einsatzstellen also geeignet.
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Kompensation der Wärmeausdehnungen
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Zur Kompensation der Wärmeausdehnungen des Gehäuses der Drehkolben-Expansionsendstufe (201) ist eine Vorrichtung im Rückdeckel (207) eingerichtet. Dort gewährleisten Federn (249) zur Kompensation der Wärmeausdehnungen, die in einem Ansatz (250) zur Stirnwand angebracht sind, das Anpressen des feststehenden Brennrohr (202) an das Verbindungsrohr (204). So werden O-Ringe (251) aus Sintermetall zwischen dem Verbindungsrohr (204), den METAX-Gleitringdichtungen Typ B (244) und dem feststehenden Brennrohr (202) mit dem Arbeitsdruck angepresst.
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Druckschutzklappe
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Eine in der Leistungswelle (227) platzierte Druckschutzklappe (253) beugt der Gefahr des Überdrucks in den Arbeitskammern (212) vor, indem ein Teil des Mediums durch eine Überdruckgasableitung (254) in die Atmosphäre ausgelassen wird. Bei Ansprechen der Druckschutzklappe (253) gelangt das Überdruckgas durch Bohrungen in der Leistungswelle (227) in die Überdruckgasableitung (254) und wird mit dann mit geringem Druck in das Auspuffsystem abgeführt. Das Ansprechen der Überdruckschutzklappe (254) ist durch einen Regulator (264) der Druckschutzklappe (253) festgesetzt.
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Lagerung
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Alle Läufer (208, 210) drehen sich in Nadellagern (255) mit Borden und Innenringen, die in Zwischenwänden der Stufen eingerichtet sind. Sie sind durch die Öl-Kanäle mit Schmieröl versehen und mit Hochleistungs-GFT-Radialdichtungen Typ 103 (247) abgedichtet. Die Anwendung von FINDLING-Nadellagern und GFT-Dichtungen ist bei Rotorwellen in beiden Stufen durch extreme Arbeitsbedingungen und hohe Anforderungen definiert, hier Drücke bis 70 bar, Temperaturen (bei Kühlung mit flüssigem Mittel) bis 300 °C, Drehzahlen am Nebenläufer bis 15 000 1/min, am Hauptläufer bis 5555 1/min, dynamische Tragwerte bei Schmierung bis 35 000 N. Diese Limitierungen für die Standfestigkeit der Nadellager (255) mit den Borden und Innenringen in der Kombination mit Dichtungen aus federelastischem PTFE-Stoff mit Edelstahl können die Firmen FINDLING und GFT wahrscheinlich einhalten. Flüssigkeitskühl- und Schmierölsysteme müssen die oben genannten Temperaturbegrenzungen ebenfalls gewährleisten. Bei dem Vorderdeckel (206) und Rückdeckel (207) sind die Läufer (208, 210) mit Rillenkugellagern (256) versehen, die die Nadellager (255) von Axialkräften entlasten.
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Schmierölsystem
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Dieses System deckt den erforderlichen Ölbedarf sowohl für die Schmierung und Kühlung aller Lager der Drehkolbenkraftmaschine als auch denjenigen in den Vorrichtungen, die für die Steuerung und Regelung vorgesehen sind, dient. Eine zentrale Ölversorgung liefert ein Hochdruck-Schmier-Kühlöl für die Traglager beider Stufen - die Nadellager (255) mit den Borden und Innenringen - als flüssiges Kühlmittel an beide Ringe der METAX-Gleitringdichtungen Typ B (244) sowie an die Längsdichtleisten (230) der Expansionsendstufe (201). Hochdruck-Kraftöl wird auch für gegebenenfalls ferngesteuerte hydraulische Stellorgane, Niederdruck-Schmieröl für alle im Vorder- (206) und Hinterdeckel (207) angewendete Rillenkugellager geliefert.
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Kühlsysteme
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Für alle Nadellager (255) mit Dichtungen, das Verbindungsrohr (204) und Teile des Hauptrotors sowie die inneren Wände der Arbeitskammern (212) der Expansionsteilstufen (200, 201) existiert ein gemeinsames Kühlsystem mit flüssigem Medium. Die Stirnwände beider Stufen sind dafür zweiteilig aufgebaut: aus den Stirnwänden (257) selbst und Auflage-Teilen (269) mit Labyrinth-Kanälen für das flüssige Kühlmittel. Entsprechend sind Einlass-(258) und Auslassstutzen (259) für das flüssige Kühlmittel eingerichtet. Die Seitenwände sind ebenfalls zweiteilig aufgebaut: aus den Seitenwänden der Expansionvorstufe (200) und Expansionsendstufe (201) selbst mit länglichen Kanälen und einigen Hülsen (260) mit einer gehärteten Innenfläche, die von den Verdrängungskämmen (211) bei ihrer Drehung überstrichen wird. Dabei sind die Seitenwände mit Zwischenwänden in verstärkten und robusten dreieckigen Gestellen vereinigt, die die Stufengehäuse bilden. Die verdickten seitlichen Wände ermöglichen es, längliche Zufuhr- (261) und Auslasskanäle (262) sowie die Sperrventile (238) der Expansionsendstufe (201) für Medium einzurichten. Nach außen bilden die Stufen Plattformen für die äußeren Mediumleitungen (224) und die Auspuffflansche (229). Die Nebenläufer (210) der Expansionsendstufe (201) sind außer von dem Flüssigkeitskühlsystem bei angeschaltetem Dampf-Gas-Zyklus auch von einer Einspritzung von Wasser durch Wasserleitungen (272) und Wasserdüsen (273) gekühlt. Für die Kühlung der Nebenläufer (210) ist auch ein autonomes Luftkühlsystem mit eigenen Aggregaten vorgesehen. An die Nebenläufer (210) ist es mit Lufteinlass- (270) und Luftauslassstutzen (271) angeschlossen.
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Arbeitsprozess
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Bei dem Drehkolbenexpander verrichten die Stufen und Haupteinheiten folgende Funktionen: Wie schon gesagt, entsteht der Förderstrom in der Brennkammer (214), wo aus dem Brennkopf (215) die Kryotreibstoffe mit Neutralstoff mit Zufuhrdruck aus den Brenndüsen (216) gespritzt werden. Darin tritt das Druckmedium durch die Auslassöffnungen (242) des unbeweglichen Teils des feststehenden Brennrohrs (202) in die Expansionsvorstufe (200). Hier passiert seine isobare Expansion durch einen ganzen Arbeitsraum der Expansionsvorstufe (200), und ohne Unterbrechungen erfolgt die Expansion durch diese Stufe bei weiteren Drehungen solange, wie Medium mit ständigem Druck des beigeordneten Arbeitsregimes eintritt. Die Beständigkeit des Drucks ist durch Speicherräume (245) stabilisiert. Damit wird mittels der Verdrängungskämme (211) ständig das Drehmoment auf den Nebenläufern (210) der Expansionsvorstufe (200) produziert. Dabei tritt ein Teil des Mediums, der durch das Laufspiel der Verdrängungskämme (211) durchgebrochen ist, ständig durch die Längsauslassöffnungen (223) mit polytropischer Ausdehnung in die äußeren Mediumleitungen (224) und akkumuliert sich hier, bis die Sperrventile (238) bei den Zufuhrkanälen (239) den Zutritt des Mediums in die Expansionsendstufe (201) zulassen. Nach teilweiser Ausdehnung des Mediums in der Expansionsendstufe, die dauert, bis die Verdrängungskämme (211) dieser Stufe die länglichen Auslasskanäle (228) und die Auspuffflansche (229) mit Abfuhrkanälen erreichen, wird Medium mit Restdruck in ein Abfuhrsystem ausgestoßen. Unter Wirkung des expandierten Mediums drehen die Verdrängungskämme (211) der beiden Expansionsteilstufen (200, 201) die eigenen Läufer. Weil alle Läufer (208, 210) des Drehkolbenexpanders mittels äußerer Verzahnung verbunden sind, treiben die Läuferwellen der Expansionsteilstufen (200, 201) durch das gemeinsame Getriebe, das aus dem Ritzel (225) und dem Großrad (226) besteht, die Leistungswelle (227) an.
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Der Arbeitsdruck des Mediums ändert sich bei angeforderter Leistungsänderung des Drehkolbenexpanders oder bei Änderung des Gegenmoments auf der Welle. Dabei kann der Druck wachsen, bis das Gegenmoment überwunden wurde. Der Arbeitsdruck ist dabei durch die Druckschutzklappe (253) begrenzt, die das Überdruckmedium bei Ansprechen der Druckschutzklappe (253) in das Auspuffsystem überführt. Das Stellgetriebe, das aus dem Zahnradsegment (243) und dem Zahnradgetriebe (268) besteht, reguliert durch Verstellung des beweglichen Brennrohrteils (241) bezüglich des feststehenden Brennrohrs (202) die Größe der Auslassöffnungen (242) und steuert damit die Ausgabe des Mediums in die Expansionsendstufe (201). Diese steuerbare Verteilung des Druckmediums zwischen beiden Stufen des Drehkolbenexpanders ermöglicht die präzise Steuerung auf kleinen Regimen.
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Kurz zusammenfassend: Da die Expansionsvorstufe (200) keine Dichtungen hat, wird ein Teil des Mediums durch das Laufspiel der Verdrängungskämme (211) durchbrechen, geht aber nicht verloren, sondern wird in der folgenden Expansionsendstufe (201) ausgenutzt. Dabei strömt das teilweise in der Expansionsvorstufe (200) abgearbeitete Medium mit schon reduzierter Temperatur durch die äußeren Mediumleitungen (224) zur Expansionsendstufe (201), wo das gesamte Medium der Expansionsteilstufen (200, 201), die äußeren Mediumleitungen (224) einschließend, endgültig abgearbeitet und in das Abgassystem ausgestoßen wird. Die erste Stufe des Drehkolbenexpanders hört in keinem Augenblick auf, das Drehmoment zu produzieren, denn der gesamte Förderstrom dreht die Verdrängungskämme (211) dieser Stufe ununterbrochen. In der Expansionsendstufe (201) gewährleisten die Längsdichtleisten (230) und Stirndichtleisten (231) an den Verdichtungskämmen (211) die verlustlose Abarbeitung des Mediums.
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Die beiden Kryotreibstoff-Drehkolbenexpander (35, 60) haben als spezifische Kennwerte der Konzentration der Leistung in der Gewicht- oder in der Volumeneinheit Werte bis KL = 8000 kW/m3. Diese Werte wurden für kosmische Objekte auf der Oberfläche des Mondes, der Planeten des Sonnensystems oder anderer kosmischer Körper noch nicht erreicht. Für das Mondfahrzeug stellt dieser Wert der Energieausrüstung verschiedene Möglichkeiten sicher. Darunter möglich sind Reiserouten mit großer Ladung und Entfernung, Aufladung und Montage bei großen Baukonstruktionen, Planieren und Baggern großer Plätze und Flächen, Bohrarbeiten auf große Tiefe und viele andere Unterfangen - z. B. bei einer Mondkolonie und „Blue Moon“ des Visionärs Jeff Bezos.
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Transmission des Mondfahrzeugs
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Unter dem Begriff Transmission versteht man mechanische Getriebe für die Übergabe, mit Übersetzung, der Drehzahlen und Drehmomente von Antrieben sowie Wellen, die alle diese Einrichtungen und Antriebe miteinander verbinden. Auch die elektrischen Verbindungen fallen unter diesen allgemeinen Begriff. Die auf 1 bis 9 dargestellte Transmission von den Antrieben - dem ersten (60) und zweiten (35) Kryotreibstoff-Drehkolbenexpander und dem Elektromotor (55) - zum vorderen (57), zweiten (81), dritten (85) und hinteren (88) Wagenradpaar, weist die folgenden Einrichtungen auf: die „Minusgetriebe“ - Planeten-Koppelgetriebe (59; 36) des ersten und zweiten Kryotreibstoff-Drehkolbenexpanders (60; 35), die sieben Doppelschrägverzahnungen mit Triebrädern (45) und Gegenrädern (44) vor den vier Wagenradpaaren (57, 81, 85, 88), vor dem Elektromotor (55) und der Dynamomaschine (51) sowie das Paar Kegelzahnräder (39, 42) der Schneckenbohrstange (18), die sich schneidende Achsen haben. In dieser Reihe von Getrieben ist auch eine zweite Art eines „Minusgetriebes“ - vier Kegelstirnradgetriebe (58, 54, 48, 43) mit Übersetzungszahl 8 zum direkten Drehen der Wagenradpaare (57, 81, 85, 88) präsent. Eine obere Reihe von Wellen sind Wellen bei Antrieben mit noch relativ großen Drehzahlen wie dem Elektromotor (55) und der Dynamomaschine (51) sowie der Getriebekombination (38) mit den Kegelzahnrädern zum Umschalten der elektromagnetisch betätigten Zahnkupplung mit Schleifring (92) zwischen dem Triebrad (45) einer Doppelschrägverzahnung und der Antriebswelle (153), s. 9. Für die Umschaltung des zweiten Kryotreibstoff-Drehkolbenexpanders (35) als Antrieb der Bohr-Einrichtungen auf einen Antrieb der Wagenradpaare dient das Kegelzahnrad (95) zum Anschalten des zweiten Kryotreibstoff-Drehkolbenexpanders (35).
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Für die Bewegung auf der Oberfläche und Überfliegen in die verschiedenen Regionen des Monds unter Bedingungen des Nichtvorhandenseins einer Atmosphäre mit Sauerstoff braucht man als Energiequelle Treibstoffe wie Kryo-Wasserstoff und -Sauerstoff sowie einen neutralen Stoff, z.B. kryogenen Stickstoff, Helium oder ein anderes neutrales Gas als Arbeitskörper, um ihn den Kryotreibstoffen beizumischen. Diese Treibstoffe und den neutralen Stoff kann man sowohl für die Drehkolbenexpander für die Bewegung auf der Oberfläche als auch für das Raketentriebwerk für das Überfliegen in andere Regionen des Monds als Energiequelle benutzen. Als Hoch-Drehzahl-Antrieb mit der höchsten Leistungskonzentration in der Gewicht- oder Volumeneinheit ist der Drehkolbenexpander in der Kombination mit dem passenden Reduzierungsgetriebe („Minusgetriebe“) und entsprechender Transmission in der Lage, als Hauptantrieb des Mondfahrzeugs zu dienen.
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4 zeigt ein „Minusgetriebe“ - Planeten-Koppelgetriebe (59). Dieses Getriebe besteht aus zwei Planetengetrieben, die mit je zwei Wellen miteinander gekoppelt sind. Solche Getriebe erreichen als Übersetzungsgetriebe besonders geringes Leistungs- und Volumengewicht bei Übersetzungen bis zu i > /50/ (Taschenbuch für Maschinenbau, Dubbel, 17. Auflage, Seite G 146).
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Zur Projektierung und Auswahl der Charakteristik der Transmission sind die folgenden Auslegungen von Bedeutung. Für den Geländelauf auf dem Mond beträgt die Länge der gefahrenen Route bei 1 Umdrehung eines Wagenrades mit Durchmesser D = 1 m pro 1 Sekunde:
- - für 1 Umdrehung des Wagenrades:
- - für 1 Minute Fahrt:
- - für 1 Stunde Fahrt:
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Für die Bewegung auf schon bekannten Routen kann man einen ungefähr zweimal größeren maximalen Wert der Geschwindigkeit verwenden, wie es durchgeführte Expeditionen auf der Oberfläche des Monds gezeigt haben.
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Die Übersetzungszahl des „Minusgetriebes“ - Planeten-Koppelgetriebes (36) - jedes Kryotreibstoff-Drehkolbenexpanders (60, 35) beträgt, mit einer Drehzahl der Hauptläuferwelle von n
H= 5000 min
-1, einer Übersetzungszahl jedes Kegelstirnradgetriebes der Wagenradpaare von i
K = 8, einem Durchmesser D = 1 m und einer Drehzahl der Räder der Wagenradpaare von n
Wagenrad = 1 s
-1:
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Hier ist nw die Zahl der Umdrehungen eines Wagenrades in der Sekunde. Weil für schnelle Fahrt die Zahl der Umdrehungen des Wagenrades in der Sekunde zwei Mal größer werden muss, braucht man die Übersetzungszahl des „Minusgetriebes“ - Planeten-Reduktionsgetriebes (36) -, also IP= 21. Mit dieser Übersetzungszahl des „Minusgetriebes“ müssen Projektanten das „Minusgetriebe“ - Planeten-Koppelgetriebe (36) - projektieren, u. a., um zu Abmessungen und Gewicht des Getriebes zu kommen. Die Länge der Route für 1 Stunde Fahrt beträgt dann: L ≈ 21 km.
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Kegelstirnradgetriebe der Wagenradpaare (Übersetzungszahl 8)
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Die Kegelstirnradgetriebe (58, 54, 48, 43) zum Bewegen der Wagenradpaare (57, 81, 85, 88) sind dadurch auserkoren, dass dieser Typ des Antriebes die seitliche Übertragung großer Leistung durch eine robuste Welle gewährleistet. Auf 8 ist ein Kegelstirnradgetriebe (Typ von Lohmann + Stolterfoht, Witten) dargestellt. Das Original ist mit Nennleistung P = 280 kW und einem Gewicht ohne Öl von 495 kg viel größer in Masse und Leistung als nötig für aufgrund früherer Erfahrung bestimmte und hier passende Gewichte und Leistung der Kryotreibstoff-Drehkolbenexpander (60, 35) und Transmission. Aber das konstruktive Schema des Getriebes ist anwendbar für Gebrauch und Berechnung der nötigen Charakteristik des Getriebes. Das konstruktive Schema und ein Berechnungsvorgang sind im Taschenbuch für Maschinenbau, Dubbel, 17. Auflage, auf Seite G 148 vorgeführt. Auf 8 sind zu sehen: Sprengringe (159) als Anschlag für Kupplungsnaben, eine Wellenmutter (160) mit Sicherung und Scheibe, eine Einpasstiefe (161), die einem Deckel bei Montage angepasst ist, eine Ölzuführung (162) aus einer Fangtasche, ein NUR-Lager (163) in einer Gehäusebohrung, Passstifte (164), ein Axiallager (165), ein Radiallager (166), ein Sprengring (167) mit scharfkantiger Beilegscheibe, Wellen (168) mit Schrumpfsitz von Kronenradgetrieben sowie eine Abdichtung (169) des Deckels durch Dichtpaste.
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Bohrausstattung
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Die Bohranlage (79) besteht aus der Schneckenbohrstange (18), einer Feder (31), einem Federring (32), der Stütz-Traglagerung (33), dem Kegelzahnrad (39) der Schneckenbohrstange (18), einem Drehrohr (41), dem Kegelzahnrad (42) des Bohrgetriebes, einer Rippen-Ferse (99) in Kontakt mit einem Antwort-Rippen-Nest auf dem Kegelzahnrad (39) und einem Druckübergabe-Rohr (140). Auf 1, Fragment N, 2 und 3 dargestellte Konstruktionen zeigen zwei Positionen der Schneckenbohrstange (18) mit dem Druckübergabe-Rohr (140) sowie das Drehrohr (41) mit der Feder (31) und dem Federring (32), die mit zwei Stütz-Traglagerungen (33) auf dem Rahmen des undichten Raums (12) des Mondfahrzeugs fest installiert sind. Bei Bohrungsarbeiten ist es notwendig, die Schneckenbohrstange (18) nach unten zu pressen. Es ist aus konstruktiven Gründen nur portionsweise in einer Reihenfolge von Druckphasen möglich. Dabei schwankt der Pressdruck, muss aber ständig erhalten werden.
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Auf 3 ist die Position der Schneckenbohrstange (18) mit dem Druckübergabe-Rohr (140) und der Lage des Drehrohrs (41) mit der Feder (31) und dem Federring (32) am Anfang einer Reihenfolge von Phasen der Bohrungsarbeit der Bohranlage (79) dargestellt, während auf 2 die Lage des Federrings (32) in einem Moment des Freilassens der Feder (31) dargestellt ist. Das wichtigste Element für die automatische Funktion der Anlage ist der Federring (32) - ein geschnittener federförmiger Ring. Das Drehrohr (41) ist mit einer Schraubennut mit einem Innendurchmesser, der dem Federring (32) in freiem Zustand gleich ist, sowie mit der speziellen Rippen-Ferse (99) ausfertigt und ist auf das Kegelzahnrad (39) der Schneckenbohrstange (18), dem mit dem Antwort-Rippen-Nest, mit Durchgleitmöglichkeit für das Drehrohr (41) gestützt. Deshalb kann der Federring (32) in die Schraubennut hineinfallen und sich mit einem Pressrohr drehen. Dabei ist der Federring (32) durch die Konfiguration der Schraubennut gezwungen, zum Druckübergabe-Rohr (140) verschoben zu bleiben. Dadurch weicht das Druckübergabe-Rohr (140) mit einer Deformation von sich ab, tritt in Kontakt mit der Schneckenbohrstange (18) ein und übergibt ein Drehmoment von dem Drehrohr (41) und eine Druckkraft der Feder (31) auf die Schneckenbohrstange (18) für die Bohrung. Der Federring (32) steht immer unter Druck der Feder (31), weshalb er zu einer Form mit einem Außendurchmesser, der dem Innendurchmesser des Drehrohrs (41) gleich ist, deformiert und zusammengepresst werden kann. In einen bestimmten Moment bei Kräfteausgleich der Elastizitätskraft des Rings von einer Seite und der Mitnahme-Kraft des Drehrohrs (41) von der anderen, kann der Federring (32) aus der Schraubennut hinaustreten und damit die Feder (31) befreien. Dadurch springt der Federring (32) unter Druck der Feder (31) nach unten und fällt bei dem Zusammentreffen mit der Einrichtung des Kegelzahnrads (39) der Schneckenbohrstange (18), das das Antwort-Rippen-Nest des Drehrohrs (41) trägt und mit der Stütz-Traglagerung (33) unterstützt ist, in die Schraubennut zurück hinein. Ständig fährt dabei die Feder (31) fort, auf die Schneckenbohrstange (18) zu pressen. Dies ermöglicht der Schneckenbohrstange (18) bei einer Bohrung, sich zu vertiefen oder im Kontakt mit dem Druckübergabe-Rohr (140) oder in dem Rippen-Nest auf dem Kegelzahnrad (39) etwas durchzugleiten.
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Bei Herausnehmen oder Verlängern der Schneckenbohrstange (18) unter Feldbedingungen sind Montagearbeiten des Pilot-Operateurs im Raumfluganzug erforderlich. Der Pilot-Operateur nimmt eine von einem Satz Schneckenbohrstangen (18) und einen Manipulator für An- und Abmontage der Schneckenbohrstange (18) sowie eine Leitung und nötige Instrumente und führt die Operationen durch. Er erfüllt auch nötige Operationen der Prophylaxe, des Abnehmens des Bodens aus dem Behälter (26) mit einem Räumungsschieber für Bodenproben und der Montage eines Schlauchs (40) zur Annahme des Bodengrunds (s. 1 und 12).
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Probeneinnehmer
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7 zeigt einen Probeneinnehmer (30), der als Einrichtung zur Entnahme von Bodenproben bei Bohrungsarbeiten dient. Das Gerät ist ein Instrument, das vom Pilot-Operateur gelenkt und nur für kurzdauernde Probenentnahmen verwendet wird, weil bei der Durchführung dieser Operationen etliches kleines Ausströmen des Atmungsgases aus der Kabine möglich ist. Der Probeneinnehmer (30) besteht aus einem rohrförmigen Druckkörper (29) mit offenen Enden, der in einer Wandung der Kabine und des torusartigen Wasserbehälters (19) mit hermetischen Dichtungen befestigt ist. Von der Seite des Pilot-Operateurs ist der Druckkörper (29) mit einem Schraubdeckel (28) und einer Mutter mit Schraubverschluss (151) auf dem Stock des Probeneinnehmers (30) hermetisiert. Der Pilot-Operateur muss zuerst die Mutter und den Schraubdeckel (28) abschrauben, dann kann er den Probeneinnehmer (30), der mit einem Dichtungsring teilweise abgedichtet ist, in den Boden, der in dem Behälter (26) mit dem Räumungsschieber für Bodenproben angehäuft ist, eindrücken. Damit wird eine Portion des Bodens in einem Annehmer des Probeneinnehmers (30) abgenommen.
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Mit Drehung eines Handgriffs (152) des Probeneinnehmers (30) wird der Annehmer dann halb hermetisiert und muss möglich schnell aus dem Druckkörper (29) ganz herausgezogen werden, der Boden aus ihm in separate Behälter ausgeschüttet, dann der Annehmer zurück in den Druckkörper (29) eingeschoben und mit dem Schraubdeckel (28) und Schaubverschluss (151) hermetisiert werden. Das etliche kleine Ausströmen des Atmungsgases aus der Kabine bei dieser Operation ist unentbehrlich, aber sicher klein, denn der Druckkörper (29) mit den offenen Enden ist ständig dabei in den angehäuften Boden gesenkt, der Boden durch den Druck des ausströmenden Atmungsgases abgepresst und abgedichtet, so dass großer Verlust des Atmungsgases dadurch verhindert ist. Der angesammelte Boden im Behälter (26) mit dem Räumungsschieber für Bodenproben kann vom Pilot-Operateur bei nächster Aufwartung abgenommen werden.
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Raketentriebwerk zum Überfliegen in andere Regionen
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11 zeigt ein Schema der Bestandteile des hypothetischen Flüssigkeits-Raketentriebwerks, das mit Sauer- und Wasserstoff als Treibstoffe arbeiten kann. Als Prototypen des Triebwerks dienen ein von der europäischen Firma „Societe Europeenne de Propulsion“ zusammen mit „Messerschmidt-Bölkow-Blohm“ für die 3-e Stufe der Trägerrakete „Arian“ entwickeltes sowie von der amerikanischen „Rocketdyn“ entwickelte Raketentriebwerke.
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Alle Raketenantriebe - die beiden vorderen (62) und beiden hinteren (37) Raketentriebwerke sowie selbst eine Raketenkamera sind aus folgenden Vorrichtungen und anderen Bestandteilen zusammengestellt: eine Sauerstoffpumpe (110), ein Haupt-Anschalt-Ausschalt-Ventil für Sauerstoff (111), eine Sauerstoffturbine (108), ein Regler (109) für das Verhältnis der Treibstoffkomponenten, eine Klappe (112) eines Zündungssystems, ein Heliumtank (122), eine Überlassklappe (106), Wärmetauscher (107), ein Gas-Helium-Behälter (114), ein Wasserstoff-Gasgenerator (104), eine Sauerstoffklappe (116), eine Wasserstoffpumpe (117), eine Wasserstoffturbine (118), ein Sauerstofftank (120), ein Wasserstofftank (121). Das Helium wird zum Durchblasen des Raketentriebwerks, zur Steuerung der Wärmetauscher (107), zur Aufladung des Sauerstofftanks (120) und zur Automatiksteuerung des Raketentriebwerks benutzt. Der Wasserstoff-Gasgenerator (104) wird zur Unterstützung des stabilen Zugs des Raketentriebwerks sowie Aufladung des Wasserstofftanks (121) benutzt. Der Druck in der Brennkammer des Raketentriebwerks kann Werte von 5 bis 25 Pa, abhängig von einem Prozess der Suche des Steueroptimums, betragen. Der Druck des Generatorgases ist ungefähr zweimal höher. Der Treibstoff besteht aus zwei Komponenten mit einem Verhältnis 4/5 von Sauerstoff zu Wasserstoff. Wasserstoff ist ein sehr dampfender Stoff. Deshalb ist er für die Speicherung und den Transport des Wasserstoffes chemisch in Metallhydrid (LOHC) überarbeitet.
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Das amerikanische Space Shuttle „Columbia“ oder die obenerwähnte Fähre vom Typ „Buran“ des russischen Raumfahrtprogramms haben fast ähnliche Ausmaße und Charakteristiken des Laderaumes. Beide haben eine Laderaumlänge von 18 m, mit einer Rumpfbreite von 5,5 m bei der russischen Fähre und 4,5 m bei der amerikanischen. Die Nutzlast beträgt bei beiden Fähren 30 t. Diese Begrenzungen müssen als Stand der Technik in heutiger Zeit für das erfindungsgemäße Mondfahrzeug mit allen Vorräten an Treibstoffen, Materialien und Versorgungsmittel inklusive, gelten. Anbaugeräte wie verschiedene Hydraulikbagger, Schaufel- und Planierpflüge sowie Vorrichtungen für Auf- und Entladearbeiten des Mondfahrzeugs von Bord der Raumfähre auf den Mond müssen auch mitberechnet werden.
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Für den Vergleich der Ausmaße der Triebwerke betreffend den zum Flug über der Oberfläche des Monds nötigen gesamten Auftrieb der Raketentriebwerke kann man 13 benutzen, welche die relativen Ausmaße des Raketentriebwerks für gleiche Werte des Zugs und spezifischen Impulses, aber verschiedene Werte des Drucks pk in der Brennkammer zeigt. Hier ist a - Turbopumpenaggregat, b - Brennkammer. Mit Erhöhung der Werte des Drucks pk in der Brennkammer wird eine Vergrößerung des spezifischen Impulses beobachtet. Aber dafür ist man gezwungen, den Aufwand an Generatorgas zur Sicherstellung der nötigen Leistung der Treibstoffpumpen zu erhöhen. Von einem gewissen Moment lassen immer weiter anwachsende Verluste des spezifischen Impulses zum Antrieb der Turbopumpe zuerst die nötige Leistung ausgleichen und übersteigen danach den Zuwachs des spezifischen Impulses der Kammer. Dadurch ist die Berechnung der passenden Parameter des Raketentriebwerks eine Suche nach einem Optimum, bei dem alle relevanten Umstände, Werte und Parameter berücksichtigt werden müssen. Die Aufgabe ist, das Mondfahrzeug mit allen Vorräten der Treibstoffe, Materialien und Versorgungsmittel, Anbaugeräte inklusive, mit seinen Ausmaßen und Gewichten in dem Laderaum der Fähre zu unterbringen und dabei die Lastbegrenzung von 30 t einzuhalten.
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Unter den Bedingungen auf dem Mond beträgt die Beschleunigung des freien Falls an der Oberfläche des Monds 0,16 des Werts auf der Erde (g = 9,8067 m/s
2), d. i. 1,62 m/s
2. Deshalb muss der gesamte Auftrieb aller Raketentriebwerke, die bei Überfliegen des Mondfahrzeugs über dem Mond gleichzeitig angeschaltet sind, mit einem Vorratskoeffizient von 1,3 wie folgt betragen:
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Dafür ist die technische Projektierung von der Kalkulation eines Gewichts-Verzeichnisses begleitet und bei der Auswahl von Charakteristiken der Raketentriebwerke der Fähre das obengenannte Optimum gesucht. Dabei gewährleistet es ein breiter Bereich der Werte des Drucks p
k in der Brennkammer, ein Optimum zu finden. Schon bei p
k = 5 Pa und einem Durchmesser der Düse von D = 0,2 m beträgt der gesamte Auftrieb der vier Düsen (grob berechnet):
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Dieses Resultat gibt bei Vergleich mit dem, das bei der vorigen Berechnung erhalten wurde, fast ähnliche Ergebnisse (vergl. A = 6280 kg und A = 6,5 t). Bei erfindungsgemäßer Projektierung haben diese Ergebnisse in 10, 11 und 13 ihren Ausdruck gefunden.
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Perspektive und internationale Zusammenarbeit
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Die bestehenden Ausarbeitungen haben viel mit ökologischen Projekten, faszinierenden Vorhaben und Plänen der Verwertung des Monds und Erforschung der anderen Planeten, die von etlichen amerikanischen Milliardären mit ihren Firmen und anderen reichen Personen bekanntgemacht worden sind, gemein.
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Der Amazon-Gründer Jeff Bezos mit seiner Firma „Blue Origin“ will einen regelmäßigen Raumschiff-Frachtverkehr zum Mond erreichen. Sein langfristiges Ziel: eine bewohnbare Station auf den Mond, in der Menschen dauerhaft leben können. Dafür will Jeff Bezos mit einem vollautomatischen Raumschiff zunächst einen regelmäßigen Frachtverkehr zum Mond aufbauen. Als idealer Standort für eine Mondkolonie gilt der Shackleton-Krater am Südpol des Mondes. Die Form des Kraters ist fast perfekt schüsselförmig. Er hat einen Durchmesser von 21 km und ist rund 4 km tief. Entstanden ist er rund 3,6 Milliarden Jahren nach Einschlag eines Gesteinsbrockens und ist damit etwa so alt wie das Leben auf Erde. Der Krater hat Eigenschaften, die ihn zum meistgeeigneten Platz sowohl für Bezos Mission als auch für eine erste bevorzugte Forschungsregion des fahrenden und fliegenden Mondfahrzeugs machen. Am Rand des Kraters scheint die Sonne fast permanent. Über Solarmodule können sich die vollautomatischen Roboter oder das Mondfahrzeug hier beinahe ohne Unterbrechung mit elektrischer Energie versorgen. Die Temperaturen in dieser Gegend liegen zwischen -40 und -60 °C und sind damit relativ behaglich und konstant, verglichen mit den sonst auf dem Mond üblichen, zwischen -150 und +100 °C schwankenden.
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Wie die Mondexperten um Jeff Bezos meinen, ist in die Tiefe des Kraters in all den Jahrmilliarden seiner Existenz noch kein Licht gefallen. Deswegen liegt hier unten vermutlich Eis, und zwar viel davon. Nach ihrer Voraussicht stammt das Eis entweder aus wasserhaltigen Asteroiden und Kometen oder ist auf dem Mond entstanden, als Protonen aus dem Sonnenwind und die sauerstoffreiche Oberfläche miteinander in Wechselwirkung traten. Auf jeden Fall könnte Wasser irgendwo in dieser sogenannten Kältefalle bereit für den zukünftigen Konsum durch Menschen stecken. Aus dem Eis geschmolzenes Wasser ließe sich dann per Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten, um daraus Atemluft sowie Raketentriebstoff herzustellen für weitere Missionen, z. B. für Flüge im Erdorbit, zurück zur Erde oder gen Mars.
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In einem Reiche mit staatlichem Engagement sind jetzt schon große private Firmen wie Bezos Blue Origin, Elon Musks SpaceX oder Richard Bransons Virgin Galactic dabei, neue Wege ins All über den Mond als Sprungbrett zu finden. Für den Bau einer Mondkolonie entwickelt Bezos ein Raumschifflandemodul „Blue Moon“, das in der Lage sein soll, Nutzlasten von bis zu 6,5 t pro Flug zum Mond zu bringen. Dann soll ein Landegefährt den Standort der Mondkolonie mit Bauteilen und Materialien versorgen. Für die Erforschung des Kraters Shackleton und Bauarbeiten für die Mondkolonie entsteht ein großes Feld für Zusammenarbeit für das vorliegende fahrende und fliegende Mondfahrzeug. Diesem Mondfahrzeug ist auch die Region hinter dem Terminator zur Erforschung leicht zugänglich. Damit sind auch die naheliegenden Ressourcen zur Hand. Dort liegt in der Nähe des Südpols der von-Kärmän-Krater im Südpol-Aitken-Becken, wo eine chinesische Sonde am 3. Januar 2019 weich aufsetzte und Mondforschung durchführte, um im weiteren hochempfindliche physikalische und astronomisch Messungen vorzunehmen. Das vorliegende Mondfahrzeug verfügt verschiedene Ausrüstung für Bohrungs- Bagger-, Planierungs- und Montagearbeiten. Es hat mächtige Energetik und die Fähigkeit, große Lasten zu heben und mit Anhängewagen zu transportieren sowie dazu noch über dem Mondrelief zu fliegen. Diese Fähigkeiten sind Grundlagen für eine breite Perspektive und internationale Zusammenarbeit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- hermetische Kabine
- 2
- TV-Film- und Fotokamera
- 3
- zentrales Steuerungspult
- 4
- Sessel des Kommandeurs
- 5
- Doppelscheibenglas
- 6
- Schlafplatz
- 7
- Stellgetriebe
- 8
- Raumfluganzug
- 9
- Solarbatterie
- 10
- Stellgetriebe
- 11
- Hydrozylinder
- 12
- undichter Raum des Mondfahrzeugs
- 13
- Torsionsübergangshülse
- 14
- torusartiger Sauerstoffbehälter
- 15
- Hydrozylinder
- 16
- torusartiger Wasserstoffbehälter
- 17
- Schlauch
- 18
- Schneckenbohrstange
- 19
- torusartiger Wasserbehälter
- 20
- Sessel
- 21
- vertikale Stütze
- 22
- hermetische Experimentierzelle
- 23
- Ausgangsluke
- 24
- horizontale Stütze
- 25
- hermetischer Handmanipulator
- 26
- Behälter
- 27
- großer Rahmen
- 28
- Schraubdeckel
- 29
- rohrförmiger Druckkörper
- 30
- Probeneinnehmer
- 31
- Feder
- 32
- Federring
- 33
- Stütz-Traglagerung
- 34
- hinterer hydraulischer Wagenheber
- 35
- zweiter Kryotreibstoff-Drehkolbenexpander
- 36
- „Minusgetriebe" - Planeten-Koppelgetriebe
- 37
- hinteres Raketentriebwerk
- 38
- Getriebekombination
- 39
- Kegelzahnrad
- 40
- Schlauch
- 41
- Drehrohr
- 42
- Kegelzahnrad
- 43
- Kegelstirnradgetriebe
- 44
- Gegenrad
- 45
- Triebrad
- 46
- Antriebswelle
- 47
- Bodenplatte
- 48
- Kegelstirnradgetriebe
- 49
- Regenerationsanlage
- 50
- Triebwelle
- 51
- Dynamomaschine
- 52
- Toilettenkabine
- 53
- erste Luke
- 54
- Kegelstirnradgetriebe
- 55
- Elektromotor
- 56
- Federbein
- 57
- vorderes Wagenradpaar
- 58
- Kegelstirnradgetriebe
- 59
- „Minusgetriebe"-Planeten-Koppelgetriebe
- 60
- erster Kryotreibstoff-Drehkolbenexpander
- 61
- vorderer hydraulischer Wagenheber
- 62
- vorderes Raketentriebwerk
- 63
- Einlassverbindungsrohr
- 64
- Kryo-Wasserstoff/-Sauerstoff-Leitungen
- 65
- vordere Plattform
- 66
- Schutzdecke
- 67
- Schleusenkammer
- 68
- Luke
- 69
- kleiner Rahmen
- 70
- vorderer Hydrozylinder
- 71
- elektromagnetische Einfach-Kupplung
- 72
- Scheibenbremse
- 73
- Spurstange
- 74
- Doppelschrägverzahnung
- 75
- Vorderachsenanlage
- 76
- Elastomer-Kupplung
- 77
- Doppelschrägverzahnung
- 78
- Doppelschrägverzahnung
- 79
- Bohranlage
- 80
- zweite Achsenanlage
- 81
- zweites Wagenradpaar
- 82
- Doppelschrägverzahnung
- 83
- Magnetkörper
- 84
- Doppelschrägverzahnung
- 85
- drittes Wagenradpaar
- 86
- dritte Achsenanlage
- 87
- hintere Plattform
- 88
- hinteres Wagenradpaar
- 89
- vierte Achsenanlage
- 90
- elektromagnetische Kupplungsbremskombination
- 91
- Doppelschrägverzahnung
- 92
- Schleifring
- 93
- elektromagnetische Kupplungsbremskombination
- 94
- elektromagnetische Kupplungsbremskombination
- 95
- Kegelzahnrad
- 96
- Bullauge
- 97
- Zahnkranz
- 98
- hinterer Hydrozylinder
- 99
- Rippen-Ferse
- 100
- Wendeantenne für einen S-Wellenbereich
- 101
- Radar- Antenne
- 102
- scharf gerichtete Parabolantenne
- 103
- Sessel
- 104
- Wasserstoff-Gasgenerator
- 105
- Kammer
- 106
- Überlassklappe
- 107
- Wärmetauscher
- 108
- Sauerstoffturbine
- 109
- Regler
- 110
- Sauerstoffpumpe
- 111
- Haupt-Anschalt-Ausschalt-Ventil
- 112
- Klappe
- 113
- Anlassbehälter
- 114
- Gas-Helium-Behälter
- 115
- Einbau
- 116
- Sauerstoffklappe
- 117
- Wasserstoffpumpe
- 118
- Wasserstoffturbine
- 119
- Hauptklappe
- 120
- Sauerstofftank
- 121
- Wasserstofftank
- 122
- Heliumtank
- 123
- Tank für gasförmigen Wasserstoff
- 124
- Schaltpult
- 125
- Zylinderschnecken-Antrieb
- 126
- zweiter Schleusen-Dichtungsring
- 127
- Verzahnung
- 128
- Verzahnung
- 129
- Träger
- 130
- Vorspannungsriegel
- 131
- Luken-Dichtungsring
- 132
- Hydrozylinder
- 133
- erstes Druckregelventil
- 134
- erster Schleusen-Dichtungsring
- 135
- Hydrostutzen
- 136
- Hydromotor
- 137
- drehstarre Klauenkupplung
- 138
- Dichtungsring
- 139
- Gleitoberfläche
- 140
- Druckübergabe-Rohr
- 141
- alternative Antriebsanordnung
- 142
- autonomer Hydrospeicher
- 143
- Leitung
- 144
- Verbindungskonsole
- 145
- erste Luke
- 146
- Dichtungsring
- 148
- vordere lenkbare Marschdüse
- 149
- Treibstoffleitungen
- 150
- hintere lenkbare Marschdüse
- 151
- Schaubverschluss
- 152
- Handgriff
- 153
- Antriebswelle
- 154
- vorderes linkes Federbein
- 155
- vorderer rechter hydraulischer Wagenheber
- 156
- Kugelführung
- 157
- Hydrozylinder
- 158
- Druckregelventil
- 159
- Sprengring
- 160
- Wellenmutter
- 161
- Einpasstiefe
- 162
- Ölzuführung
- 163
- NUP-Lager (Zylinderrollenlager)
- 164
- Passstift
- 165
- Axiallager
- 166
- Radiallager
- 167
- Sprengring
- 168
- Wellen
- 169
- Abdichtung durch Dichtpaste
- 170
- Anhängerrahmen
- 200
- Expansionsvorstufe
- 201
- Expansionsendstufe
- 202
- feststehendes Brennrohr
- 203
- zuführendes Rohr
- 204
- Verbindungsrohr
- 205
- Magistrale
- 206
- Vorderdeckel
- 207
- Rückdeckel
- 208.
- Hauptläufer
- 209
- längliche äußere Verzahnung
- 210
- Nebenläufer
- 211
- Verdrängungskamm
- 212.
- Arbeitskammer
- 213
- längliche Vertiefung
- 214
- Brennkammer
- 215
- Brennkopf
- 216
- Brenndüsen
- 217
- Flammengitter
- 218
- Zündelektrode
- 219
- lonisationselektrode
- 220
- Öffnung
- 221
- Schirmtaschen
- 222
- längliche Einlassöffnung
- 223
- Längsauslassöffnung
- 224
- äußere Mediumleitung
- 225
- Ritzel
- 226
- Großrad
- 227
- Leistungswelle
- 228
- Auslasskanal
- 229
- Auspuffflansch
- 230
- Längsdichtleiste
- 231
- Stirndichtleiste
- 232
- Feder
- 233
- Gegengewicht
- 234
- Verbindungsstock
- 235
- Ausgleichklappe
- 236
- Ausgleichklappe, mittlere Teil
- 237
- hitzebeständige Abdeckung
- 238
- Sperrventil
- 239.
- Zufuhrkanal
- 240
- separates Getriebe
- 241
- beweglicher Teil des Brennrohrs
- 242
- Auslassöffnung
- 243
- Zahnradsegment
- 244
- METAX-Gleitringdichtungen Typ B
- 245
- Speicherraum
- 246
- METAX-Metallfaltenbalg-Gleitringdichtung Typ MU
- 247
- Hochleistungs-GFT-Radialdichtungen vom Typ 103
- 248
- Druckmediumleitung
- 249
- Federn
- 250.
- Ansatz zur Stirnwand
- 251
- O-Ringe
- 253
- Druckschutzklappe
- 254
- Überdruckgasableitung
- 255
- Nadellager mit Borden und Innenringen
- 256
- Rillenkugellager
- 257
- Stirnwand
- 258
- Einlassstutzen
- 259
- Auslassstutzen
- 260
- Hülse
- 261
- länglicher Zufuhrkanal
- 262
- länglicher Auslasskanal
- 263
- lenkbare Buchse
- 264
- Regulator
- 265
- Hochleistungs-GFT-Radialdichtung
- 266
- Paket aus Rillenkugellager und GFT-Radialdichtungen Typ 103
- 267
- Rillenkugellager
- 268
- Zahnradgetriebe
- 269
- Auflage-Teil mit Labyrinth-Kanälen
- 270
- Lufteinlassstutzen
- 271
- Luftauslassstutzen
- 272
- Wasserleitung
- 273
- Wasserdüse