DE10350734B3

DE10350734B3 - Solar-thermische Antriebseinheit für ein Raketentriebwerk zum Ausstoß einer heißen Gasströmung

Info

Publication number: DE10350734B3
Application number: DE10350734A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr.-Ing. Menne; Peter Bichler; Peter Nikolaus Dipl.-Ing. Keerl; Peter Dr.-Ing. Luger; Franz Dipl.-Ing. Sperber (FH); Adalbert Dipl.-Ing. Wagner
Original assignee: EADS Space Transportation GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-10-31

Abstract

Eine solar-thermische Antriebseinheit für ein Raketentriebwerk zum Ausstoß einer heißen Gasströmung umfasst einen Hohlkammerkörper (4) mit einer Öffnung (16) zum Empfang von Solarstrahlung (12) sowie mit einer einem Innenraum zugewandten inneren Kammerwand (14) zur Umwandlung von eingestrahlter Solarstrahlung in thermische Energie. Ein Heizkanalsystem (30) zur Durchströmung mit einem Treibgas (13) ist zum Inneren des Hohlkammerkörpers (4) hin an der inneren Kammerwand (14) angeordnet und wirkt mit dieser derart zusammen, dass thermische Energie von der inneren Kammerwand in das Heizkanalsystem zur Erhitzung des Treibgases einkoppelbar ist. Das Heizkanalsystem (30) weist wenigstens einen Heizkanal (3) auf, der bezüglich der Längsachse (17) des Hohlkammerkörpers (4) spiralförmig um den Innenraum des Hohlkammerkörpers geführt ist. Dadurch ist es möglich, eine hohe Effektivität in Bezug auf die Übertragung von eingestrahlter und in Wärmeenergie umgewandelter Solarstrahlung in das Treibgas zu erzielen.

Description

Die folgende Erfindung betrifft eine solar-thermische Antriebseinheit für ein Raketentriebwerk zum Ausstoß einer heißen Gasströmung mit einem Hohlkammerkörper und mit einem Heizkanalsystem zur Durchströmung mit einem Treibgas. Der Hohlkammerkörper umfasst eine Öffnung zum Empfang von Solarstrahlung und eine innere Kammerwand zur Umwandlung von eingestrahlter Solarstrahlung in thermische Energie. Das Heizkanalsystem ist zum Inneren des Hohlkammerkörpers hin an der inneren Kammerwand angeordnet und wirkt mit dieser derart zusammen, dass thermische Energie von der inneren Kammerwand in das Heizkanalsystem zur Erhitzung des Treibgases einkoppelbar ist.
Das Grundprinzip eines solar-thermischen Antriebssystems für Raketentriebwerke beruht auf der Ausnutzung von Sonnenenergie zur Aufheizung eines mitgeführten Antriebsgases oder Treibgases, welches nach erfolgter Aufheizung in einer Expansionsdüse entspannt wird. Der hieraus resultierende Schub wird als Antrieb genutzt, um beispielsweise ein Raumfahrzeug oder dergleichen anzutreiben. Die Hauptbestandteile eines solar-thermischen Antriebs sind im Allgemeinen eine Sonnen-Kollektoreinheit/-Konzentratoreinheit, ein Wärmetauscher sowie ein für die Lagerung und Zuführung des Treibgases notwendiges Tank- und Fördersystem. Mit Hilfe der Sonnen-Kollektoreinheit/-Konzentratoreinheit wird etwa unter Benutzung großer, reflektierender, parabolischer Spiegelflächen Solarstrahlung empfangen und konzentriert. In dem Wärmetauscher (sogenannter Receiver-Absorber-Converter, RAC) wird die konzentrierte Solarstrahlung in thermische Energie umgewandelt und als Heizwärme auf das Treibgas übertragen. In einer Expansionsdüse wird das erwärmte Treibgas entspannt, wobei über die Expansionsdüse der aus der Expansion resultierende Schub auf das Antriebssystem übertragen wird.

In US 4 781 018 ist das Grundprinzip eines solar-thermischen Antriebssystems beschrieben. Eine Hohlkammer weist eine Öffnung zum Empfang von Solarstrahlung auf, wobei die Öffnung an einem Ende des Kammerkörpers angeordnet ist. Die einfallende Solarstrahlung wird in thermische Energie umgewandelt, um das Treibgas, das in einem Tank- und Fördersystem geführt wird, zu erhitzen. Die Solarstrahlung wird von einem parabolischen Solarkollektor empfangen und in konzentrierter Form auf das Antriebssystem gerichtet. Das durch ein Kanalsystem fließende Treibgas wird über eine sogenannte DeLaval-Düse vorerhitzt, bevor es in die Hohlkammer eintritt.

In US 6 311 476 B1 ist eine solar-thermische Antriebseinheit zum Antrieb eines Raumfahrzeugs beschrieben. Eine Wärmetauschereinheit weist einen Hohlkammerkörper auf, in dem an einem Ende eine Öffnung zum Empfang von konzentrierter Solarstrahlung angeordnet ist. Die innere Kammerwand des Hohlkammerkörpers wird durch eintretende, gebündelte Solarstrahlung erwärmt. Das Treibgas wird in einem Zwischenraum zwischen der inneren Kammerwand und einer äußeren Kammerwand geführt, wobei die thermische Energie der inneren Kammerwand in das Treibgas transferiert wird, um das Treibgas zu erhitzen. Der Zwischenraum zur Führung des Treibgases weist zur Oberflächenvergrößerung und zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf der der inneren Kammerwand zugewandten Seite eine offene, spiralförmige Nutenkontur auf. Insbesondere wird mit einer solchen offenen Nutenkontur einer Stratifizierung des Treibgases entgegengewirkt. Das erhitzte Treibgas wird nach Verlassen des Hohlkammerkörpers in einen konvergierenden Teil einer Expansionsdüse eingeleitet.

Der folgenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solar-thermische Antriebseinheit für ein Raketentriebwerk zum Ausstoß einer heißen Gasströmung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine hohe Effektivität in Bezug auf die Übertragung von eingestrahlter und in Wärmeenergie umgewandelter Solarstrahlung in das Treibgas ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine solar-thermische Antriebseinheit für ein Raketentriebwerk zum Ausstoß einer heißen Gasströmung gemäß Patentanspruch 1.

Gemäß der Erfindung weist das Heizkanalsystem der solar-thermischen Antriebseinheit der eingangs genannten Art wenigstens einen Heizkanal auf, der bezüglich der Längsachse des Hohlkammerkörpers, die innerhalb eines Innenraums des Hohlkammerkörpers verläuft, spiralförmig um den Innenraum des Hohlkammerkörpers geführt ist. Dadurch ist es ermöglicht, eine hohe Effektivität in Bezug auf die Übertragung von eingestrahlter und in Wärmeenergie umgewandelter Solarstrahlung in das Treibgas zu erzielen. Der Fluss der thermischen Energie von der erwärmten inneren Kammerwand des Hohlkammerkörpers wird über die innere Kammerwand sowie die Seitenwände und eine Deckschicht des Heizkanals in das Treibgas geleitet. Hierbei ermöglicht es die Erfindung, die Oberfläche der inneren Kammerwand des Hohlkammerkörpers zu minimieren, um einen genügend großen Wärmefluss für die Erwärmung des Treibgases bereitstellen zu können. Weiterhin ist es von Vorteil, dass mit Hilfe der Erfindung eine vergleichsweise große Übertragungslänge des Heizkanals geschaffen werden kann mit dem Ziel, dass die Temperatur an der Oberfläche der inneren Kammerwand des Hohlkammerkörpers nur möglichst wenig über der Austrittstemperatur des Treibgases liegt. Weiterhin wird das Bestreben nach einer besonders intensiven Wärmeübertragung zwischen innerer Kammerwand und Treibgas unterstützt, was vor allem in Bezug auf den Hintergrund eines vergleichsweise geringen Wandwärmestroms gemäß dem Grundprinzip des solar-thermischen Antriebs gegenüber beispielsweise chemischen Raketentriebswerken Bedeutung gewinnt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Heizkanalsystem auch mehrere separat geführte Heizkanäle aufweisen, die jeweils spiralförmig bezüglich der Längsachse des Hohlkammerkörpers um den Innenraum desselben geführt sind. Bei Verwendung von mehreren Heizkanälen werden diese über einen Einlaufmanifold über am Umfang versetzte Einlässe mit dem Treibgas versorgt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der spiralförmig um den Innenraum des Hohlkammerkörpers geführte Heizkanal eine Kanalbreite in Richtung der Längsachse des Hohlkammerkörpers sowie eine zur Längsachse quer angeordnete Kanalhöhe auf, die signifikant größer ist als die Kanalbreite. Damit ist ein Heizkanal mit großem Verhältnis von Kanalhöhe zu Kanalbreite realisierbar, wobei ein derart ausgestalteter Heizkanal zur Verwirklichung einer möglichst großen Übertragungslänge des Heizkanals gut geeignet ist.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der solar-thermischen Antriebseinheit gemäß der Erfindung weist das Heizkanalsystem in einem Auslassbereich eine Auslassvorrichtung zum Ausstoß des Treibgases auf, die das Treibgas aus dem Heizkanal in tangentialer Richtung in eine Expansionsdüse leitet. Dadurch ist eine effektive Ausleitung des Treibgases aus dem Heizkanalsystem unter weitgehender Elimination von Wirbelbildung ermöglicht. Werden mehrere separat geführte spiralförmige Heizkanäle im Heizkanalsystem vorgesehen, sind jeweilige Öffnungen der einzelnen Heizkanäle in Richtung der Längsachse des Hohlkammerkörpers vorzugsweise nebeneinander angeordnet, um jeweils das Treibgas in tangentialer Richtung in eine Expansionsdüse zu leiten. Die Heizkanalöffnungen stehen hier im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Hohlkammerkörpers. Durch diese tangentiale Ausleitung des Treibgases ergibt sich außerdem eine Austrittsrichtung der Expansionsdüse, die senkrecht zur einfallenden Solarstrahlung gerichtet ist.

Unter diesen Gegebenheiten ist es in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht, zwei Hohlkammerkörper jeweils mit einer Öffnung zum Empfang von Solarstrahlung vorzusehen, wobei die Öffnungen einander entgegengesetzt angeordnet sind, um die Solarstrahlung aus entgegen gesetzten Richtungen in den jeweiligen Hohlkammerkörper zu leiten. Weiterhin sind zwei Heizkanalsysteme vorgesehen, wobei jeweils eines der Heizkanalsysteme einem der Hohlkammerkörper zugeordnet ist. Die Heizkanalsysteme weisen jeweils wenigstens eine Auslassöffnung auf, um das Treibgas in tangentialer Richtung in eine Expansionsdüse zu leiten. Damit ist es insbesondere ermöglicht, zwei getrennt arbeitende Teile einer solar-thermischen Antriebseinheit zum jeweiligen Ausstoß einer heißen Gasströmung vorzusehen, ohne mit dem Austrittstrahl der Expansionsdüse in Wechselwirkung zu treten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird an Stelle beispielsweise eines Einlaufmanifolds mit radialer Zuführung eines Arbeitsfluids in das Heizkanalsystem in einem Einlassbereich des Hohlkammerkörpers eine Einlassvorrichtung zum Empfang des Arbeitsfluids vorgesehen, die dieses in tangentialer Richtung in das Heizkanalsystem leitet. Eine derartige Ausgestaltung des Einlassbereichs des Hohlkammerkörpers korrespondiert gut mit der spiralförmigen Anordnung eines Heizkanals. Der Vorteil einer derartigen Ausführungsform des Einlassbereichs des Heizkanalsystems liegt insbesondere darin, dass am Einlass ein geringerer Druckverlust gegenüber der Variante mit Einlaufmanifold realisiert werden kann.

Weitere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren, die vorteilhafte Ausführungsformen zur vorliegenden Erfindung darstellen, näher erläutert.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer solar-thermischen Antriebseinheit für ein Raketentriebwerk gemäß der Erfindung in einer Längsschnittdarstellung,

2 zeigt eine Detailansicht eines Heizkanalsystems in einer Schnittdarstellung,

3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer solar-thermischen Antriebseinheit für ein Raketentriebwerk gemäß der Erfindung in einer Längsschnittdarstellung und in einer Querschnittsdarstellung im Auslassbereich zum Ausstoß des Treibgases,

4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer solar-thermischen Antriebseinheit für ein Raketentriebwerk gemäß der Erfindung in einer Längsschnittdarstellung,

5 zeigt eine Ausführungsform eines tangential angeordneten Auslasses für das Treibgas in zwei verschiedenen Ansichten,

6 zeigt eine Ausführungsform eines tangential geführten Einlasses für das Treibgas in zwei verschiedenen Ansichten.

In 1 ist eine erste Ausführungsform einer solar-thermischen Antriebseinheit für ein Raketentriebwerk zum Ausstoß einer heißen Gasströmung gemäß der Erfindung in einer Längsschnittdarstellung gezeigt. Ein Hohlkammerkörper 4 umfasst eine Öffnung 16 zum Empfang von Solarstrahlung 12, welche beispielsweise nach einer ersten Fokussierung durch einen ersten Konzentrator mit Hilfe eines zweiten Konzentrators 8 weiter gebündelt wird. Der zweite Konzentrator 8 ist dabei direkt an den Hohlkammerkörper 4 angeschlossen. Der Hohlkammerkörper 4 wird von einem Heizkanalsystem 30 umgeben, das zur Durchströmung mit einem Treibgas 13 ausgebildet ist. Das Heizkanalsystem 30 ist zum Inneren des Hohlkammerkörpers 4 hin an der inneren Kammerwand 14 desselben angeordnet, an welcher eine Umwandlung von eingestrahlter Solarstrahlung in thermische Energie erfolgt. Das Heizkanalsystem 30 weist mehrere separat geführte Heizkanäle auf, kann jedoch auch mit nur einem Heizkanal ausgeführt werden. Einer der Heizkanäle des Heizkanalsystems 30 ist gemäß 1 mit Bezugszeichen 3 versehen. Das Heizkanalsystem 30 wirkt mit der inneren Kammerwand 14 derart zusammen, dass die thermische Energie von der inneren Kammerwand mit möglichst niedrigem Wärmewiderstand in das Heizkanalsystem zur Erhitzung des Treibgases eingekoppelt wird. Das Treibgas 13 wird durch die Zuleitung 1 in einen Einlaufmanifold 2 eingeleitet. Alternativ kann auch ein noch flüssiges Arbeitsfluid an dieser Stelle eingeleitet werden, welches jedoch durch die nachfolgende Erwärmung aber in jedem Falle gasförmig wird. Im Einlaufmanifold 2 wird das Treibgas 13 auf einen oder mehrere Heizkanäle 3 des Heizkanalsystems 30 verteilt, und wird dann in einem geschlossenen spiralförmigen Heizkanal bzw. in geschlossenen spiralförmigen Heizkanälen entlang der inneren Kammerwand 14 des Hohlkammerkörpers 4 geführt. Am Ende des Hohlkammerkörpers 4 tritt das Treibgas in eine Sammelkammer 5 aus, um dann nach Durchtritt durch einen Düsenhals in der Expansionsdüse 6 sowie der Düsenerweiterung 7 zu expandieren. Die derart gebildete Anordnung bildet somit ein Wärmetauschersystem (Receiver-Absorber-Converter, RAC), in dem die konzentrierte Solarstrahlung in Heizwärme umgewandelt wird und als Heizwärme auf ein mitgeführtes Treibgas übertragen wird.
Die aus dem zweiten Konzentrator 8 in das Innere des Hohlkammerkörpers 4 eintretende gebündelte Solarstrahlung 12 erwärmt die innere Kammerwand 14. Aus einer derartigen Umwandlung von eingestrahlter Solarstrahlung in thermische Energie resultiert ein Wärmefluss, der über die innere Kammerwand 14 sowie die Kanalrippen und die Deckwand, die im Folgenden anhand von 2 noch näher erläutert werden, in das Treibgas 13 abgeleitet wird. Aufgrund der geringen Solarkonstante von qs = 1353 W/m² in Erdnähe ist der durch den zweiten Konzentrator 8 in den Innenraum des Hohlkammerkörpers 4 eintretende Wärmefluss der Solarstrahlung vergleichsweise gering. Bei heute realistischen Konzentratorkonfigurationen sind Konzentrationen von 8000:1 zu erreichen, woraus sich ein maximaler Wärmefluss der in das Innere des Hohlkammerkörpers 4 eintretenden Solarstrahlung von unter 11 MW/m² ergibt (bei vorausgesetzter Effektivität der Konzentratoren von 100 %). Verteilt auf die innere Oberfläche der inneren Kammerwand 14 ergibt sich ein maximaler Wandwärmefluss von ca. 0,5 bis 3 MW/m², je nach Größe der Oberfläche. Daraus ergeben sich zwei Folgerungen: Im Vergleich zu konventionellen chemischen Raketentriebwerken liegt ein nur geringer Wandwärmestrom beim solar-thermischen Antriebssystem vor, der um eine bis zwei Größenordnungen unter dem bei chemischen Triebwerken üblichen Wert liegt. Daran werden auch zu erwartende zukünftige Verbesserungen bei den Konzentratoren nichts signifikantes ändern. Zum anderen muss die innere Oberfläche des Hohlkammerkörpers, mithin die Oberfläche der inneren Kammerwand minimiert werden, um einen genügend großen Wärmefluss für die Erwärmung des Treibgases bereitstellen zu können.
Im Vergleich zu chemischen Raketentriebwerken liefert ein solar-thermischer Raketenantrieb einen wesentlich geringeren Schub (typischerweise um den Faktor 1000 kleiner), dafür aber eine erhöhte Effektivität (Isp,max. ≈ 750 sec. beim solar-thermischen Antriebssystem gegenüber Isp,max. ≈ 480 sec. beim chemischen Antriebssystem). Diese hohe Effektivität beim solar-thermischen Antriebssystem tritt aber nur dann auf, wenn die Temperaturen des Antriebsgases mindestens bei 2200 K bis 2400 K liegen. Daraus ergeben sich wiederum zwei Folgerungen: Zum einen muss der Wärmeaustausch zwischen Hohlkammerkörper und Treibgas sehr intensiv sein, um diese hohen Austrittstemperaturen zu erhalten. Zum anderen muss der Hohlkammerkörper bei Temperaturen der inneren Kammerwand von Tw > 2400 K funktionsfähig bleiben, was sehr hohe Anforderungen an das Material des Hohlkammerkörpers stellt.
Aufgrund der extrem hohen Wandtemperatur der inneren Kammerwand 14 des Hohlkammerkörpers 4 kommt es zu einer erheblichen Rückstrahlung der inneren Kammerwand 14 durch die Eintrittsfläche an der Öffnung 16 des Hohlkammerkörpers 4 nach außen in die Umgebung. Diese Rückstrahlung ist für die Aufheizung des Treibgases 13 verloren. Der Anteil des für die Aufheizung des Treibgases 13 zur Verfügung stehenden Wärmestroms bezogen auf den gesamten einfallenden Solarstrahlungs-Wärmestrom fällt mit steigender Wandtemperatur der inneren Kammerwand 14 stark ab. Bei einer Wandtemperatur Tw = 2500 K können noch ca. 80% der gesamten einfallenden Strahlungsenergie genutzt werden, während es bei Tw = 3000 K nur noch 57 % sind. Daraus ergibt sich das Erfordernis, dass die Temperatur der inneren Kammerwand 14 des Hohlkammerkörpers 4 nur möglichst wenig über der Austrittstemperatur des Treibgases 13 liegen sollte. Daraus resultiert, dass die Wärmeleitfähigkeit des Hohlkammerkörpers möglichst gut sein sollte. Zum anderen sollten die Wandstärken im Heizkanalbereich sehr gering sein, um einen geringen Wärmeleitwiderstand zu erzielen.
Aus der Notwendigkeit einer nur geringen möglichen Temperaturdifferenz zwischen der Austrittstemperatur des Treibgases und der Wandtemperatur der inneren Kammerwand des Hohlkammerkörpers ergibt sich zusammen mit der geforderten intensiven Wärmeübertragung des solaren Wärmestroms an das Treibgas das Erfordernis einer möglichst großen Übertragungslänge des Heizkanals. Um die anzustrebende große Übertragungslänge des Heizkanals bei gleichzeitig kleiner Oberfläche der inneren Kammerwand realisieren zu können, wird gemäß der Erfindung der Heizkanal 3 in Längsrichtung spiralförmig um den Innenraum des Hohlraumkörpers 4 geführt, wobei hierbei nur ein Heizkanal oder auch mehrere Heizkanäle verwendet werden können. Bei Verwendung mehrerer Heizkanäle werden diese über den Einlaufmanifold 2 über am Umfang versetzte Einlässe mit dem Treibgas versorgt. Insbesondere ist eine Form eines Heizkanals mit großem Verhältnis von Kanalhöhe zu Kanalbreite gut geeignet.
In 2 ist eine Detailansicht eines Heizkanalsystems in einer Schnittdarstellung gezeigt, in der eine vorteilhafte Geometrie eines Heizkanals 3 dargestellt ist. Der Heizkanal 3 gemäß 2 ist dabei ein Teil des Heizkanalsystems 30 gemäß 1, wobei in 1 der Ort der in 2 gezeigten Detailansicht mit A gekennzeichnet ist.
Der Heizkanal 3 gemäß 2 weist eine Kanalbreite a in Richtung der Längsachse 17 des Hohlkammerkörpers 4 sowie eine zur Längsachse quer angeordnete Kanalhöhe H auf, die signifikant größer ist als die Kanalbreite a. Somit lässt sich ein Heizkanal 3 mit großem Verhältnis von Kanalhöhe zu Kanalbreite realisieren. Weiterhin weist der Heizkanal 3 eine erste Seitenwand 3-1 auf, die ein integraler Bestandteil der inneren Kammerwand 14 des Hohlkammerkörpers 4 ist. Ferner enthält der Heizkanal 3 in der Ausführungsform nach 2 eine zur Längsachse des Hohlkammerkörpers 4 quer angeordnete zweite und dritte Seitenwand 3-2, 3-3, die jeweils ein integraler Bestandteil der inneren Kammerwand 14 des Hohlkammerkörpers sind. Schließlich wird der Heizkanal 3 durch eine Deckschicht 3-4 nach außen hin abgeschlossen. Die Seitenwände 3-2, 3-3 des Heizkanals 3 weisen eine Wandstärke b auf, die sich in der gleichen Größenordnung wie die Kanalbreite a bewegt.
Die in 1 in Verbindung mit 2 gezeigte Anordnung eines solar-thermischen Antriebssystems erlaubt eine weitgehend freie Gestaltung der lokalen Eigenschaften der Heizkanäle. Es kann eine im Bau chemischer Triebwerke übliche Technik zur Herstellung eines Heizkanals verwendet werden, die dadurch charakterisiert ist, dass ein Teil der inneren Kammerwand (sogenannter Liner) des Hohlkammerkörpers zur Herstellung der inneren Kanalwand und der Kanalseiten wände verwendet wird. Die Kanalseitenwände sind somit integraler Bestandteil der inneren Kammerwand des Hohlkammerkörpers. Die innere Kammerwand besteht im allgemeinen aus einem sehr gut wärmeleitenden Metall. Die den Heizkanal abschließende und der inneren Kammerwand abgewandte Deckschicht wird nachträglich auf den Liner aufgebracht. Die Heizkanäle können auf einfache Weise spanabhebend oder erosiv in den Liner eingearbeitet werden, die Deckschicht nach der fertigen Bearbeitung des Liners galvanisch aufgebracht werden oder sie kann mit dem Liner verschweißt werden.
Die Form der inneren Kammerwand (innere Linerkontur) kann weitgehend frei gewählt werden. Die in 1 dargestellte Variante stellt hierbei nur eine von mehreren Möglichkeiten dar. Über die äußere Kontur des Liners kann sehr einfach die Kanalhöhe des Heizkanals den Anforderungen entsprechend angepasst werden, vor allem in Bezug auf die Effektivität des Wärmeübergangs und in Bezug auf den Druckverlust. Durch die von außen auf den Liner erfolgende Bearbeitung der Heizkanäle sind sehr große Verhältnisse von Kanalhöhe H zu Kanalbreite a bei geringen Wandstärken b möglich, was insbesondere essentiell für einen guten Wärmeübergang ist. Aufgrund der spiralförmigen Führung der Heizkanäle ergibt sich strömungsmechanisch ein Wirbelpaar im Kanalquerschnitt, das zwar zu erhöhtem Druckverlust aber auch zu einer intensiven Vermischung des Treibgases im Kanalquerschnitt führt und damit wirksam einer Stratifizierung des Treibgases über die Kanalhöhe entgegenwirkt.
Beim Austritt des Treibgases 13 aus dem Innenraum des Hohlkammerkörpers 4 in die Sammelkammer 5 tritt aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Treibgases 13 (verursacht durch hohe Temperatur und geringe Dichte) eine sehr große Wirbelstärke in der Sammelkammer 5 auf, die sich negativ auf die Effektivität des Antriebs auswirkt. Diesbezüglich ist in 3 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer solar-thermischen Antriebseinheit gemäß der Erfindung in einer Längsschnittdarstellung gezeigt (Teilansicht der 3a). Weiterhin ist in der Teilansicht nach 3b eine Querschnittsdarstellung im Auslassbereich zum Auslass des Treibgases gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform nach 3 weist das Heizkanalsystem 30 in dem Auslassbereich 9 eine Auslassvorrichtung 10 zum Ausstoß des Treibgases 13 auf, die das Treibgas aus einem der Heizkanäle in tangentialer Richtung in eine Expansionsdüse (vgl. Expansionsdüse 6 nach 1) leitet.
In 5 ist eine mögliche Ausführungsform eines tangentialen Auslasses für das Treibgas in zwei verschiedenen Ansichten gezeigt. Die Heizkanäle 31 bis 33 gemäß 5a stehen in dieser Ausführungsform im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Hohlkammerkörpers. Die Öffnungen 40 zum Ausstoß des Treibgases 13 der separat geführten Heizkanäle 31 bis 33 sind in Richtung der Längsachse des Hohlkammerkörpers nebeneinander angeordnet, um jeweils das Treibgas in tangentialer Richtung in die Expansionsdüse 6 zu leiten. Die Auslassvorrichtung 10 weist zur Bildung eines Sammelraumes, welcher der Expansionsdüse 6 vorgelagert ist, einen Hohlkörper auf, der in Strömungsrichtung des Treibgases 13 einen ersten Teilbereich 10-1 mit einem im wesentlichen gleichmäßigen rechteckigen Querschnitt und einen daran anschließenden zweiten Teilbereich 10-2 mit einem im wesentlichen kreisrunden verjüngenden Querschnitt aufweist. Der Sammelraum verändert sich somit von einem Rechteckquerschnitt zu einem Kreisquerschnitt in Strömungsrichtung, an dem sich die axialsymmetrische Expansionsdüse 6 mit daran anschließender Düsenerweiterung anschließt.
Mit der in den 3 und 5 gezeigten Ausführungsform des tangentialen Auslasses für das Treibgas ergibt sich der Vorteil, dass Wirbelbildung beim Ausleiten des Treibgases vermieden wird, so dass die Effektivität des Antriebs insgesamt gesteigert wird. Durch eine derart gestaltete Auslassvorrichtung ergibt sich außerdem eine Düsenaustrittsrichtung, die senkrecht zur einfallenden Solarstrahlung gerichtet ist. Dies ermöglicht die Anordnung von zwei Hohlkammer körpern, die aus zwei entgegengesetzten Richtungen mit Solarstrahlung versorgt werden, ohne dass sie mit dem Düsenaustrittsstrahl in Wechselwirkung treten. Eine entsprechende Antriebseinheit umfasst zwei Hohlkammerkörper 4, wobei die Öffnungen 16 zum Empfang der Solarstrahlung 12 einander entgegengesetzt angeordnet sind, um die Solarstrahlung aus entgegengesetzten Richtungen in den jeweiligen Hohlkammerkörper 4 zu leiten. Weiterhin sind zwei Heizkanalsysteme 30 vorgesehen, wobei jeweils eines der Heizkanalsysteme einem der Hohlkammerkörper 4 zugeordnet ist. Eine jeweilige Auslassöffnung des Heizkanalsystems 30, beispielsweise in Form wie in 5 dargestellt, leitet das Treibgas 13 in tangentialer Richtung in die Expansionsdüse. Der zweite Hohlkammerkörper gleicht beispielsweise dem Hohlkammerkörper gemäß 3 und ist diesem in gespiegelter Anordnung am Auslassbereich 9 des Treibgases gegenüber angeordnet.
Gemäß den Ausführungsformen nach 1 und 3 weist der Hohlkammerkörper 4 einen ersten Teil 4-1 und einen zweiten Teil 4-2 auf, die in Richtung der Längsachse 17 des Hohlkammerkörpers 4 einen unterschiedlichen Querschnitt eines Innenprofils aufweisen. Der erste Teil 4-1 des Hohlkammerkörpers 4 enthält die Öffnung 16 zum Empfang der Solarstrahlung 12 und weist einen in Richtung der Längsachse 17 des Hohlkammerkörpers im wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt eines Innenprofils auf. Der zweite Teil 4-2 des Hohlkammerkörpers 4 ist in Richtung der Längsachse 17 des Hohlkammerkörpers im Anschluss an den ersten Teil 4-1 angeordnet und weist ein Innenprofil auf, das sich in Richtung der Längsachse 17 des Hohlkammerkörpers verjüngt. Der erste Teil 4-1 des Hohlkammerkörpers weist insbesondere ein Innenprofil mit zylindrischer Kontur auf, der zweite Teil 4-2 des Hohlkammerkörpers ein Innenprofil eines sich verjüngenden rotationssymmetrischen Körpers, insbesondere einer Hohlkugelhälfte. Der direkt der Eintrittsöffnung 16 gegenüberliegende Teil der inneren Kammerwand (innere Kammerwand des Teils 4-2 des Hohlkammerkörpers) erhält einen Hauptteil der einfallenden Solarstrahlung 12, kann aber aufgrund der Heizkanalanordnung insbesondere in Nähe der Längsachse 17 des Hohlkammerkörpers nur unter geometrisch erschwerten Bedingungen die Wärme weiterleiten.
In 4 ist diesbezüglich eine vorteilhafte, weitere Ausführungsform einer solar-thermischen Antriebseinheit gemäß der Erfindung in einer Längsschnittdarstellung gezeigt. Der Hohlkammerkörper 4 gemäß dieser Ausführungsform weist neben dem ersten und zweiten Teil 4-1, 4-2 einen dritten Teil 4-3 auf, der sich dem zweiten Teil 4-2 des Hohlkammerkörpers an einer dem ersten Teil 4-1 abgewandten Seite anschließt. Insbesondere weist der dritte Teil 4-3 des Hohlkammerkörpers ein in Längsrichtung gleichmäßiges Innenprofil mit einem Durchmesser d3 auf, der kleiner ist als der Durchmesser d1 des Innenprofils des ersten Teils 4-1 des Hohlkammerkörpers 4. Aus Sicht der einfallenden Solarstrahlung schließt sich also im hinteren Teil des Hohlkammerkörpers 4 gemäß 4 ein weiterer, kleinerer Teil einer Hohlkammer an, deren Oberfläche wiederum mit spiralförmigen Heizkanälen für einen Wärmeaustausch gekoppelt ist. Dieser hintere Teil 4-3 der Hohlkammer ist für die besonders kritische Erwärmung des Treibgases 13 im Bereich der höchsten Gastemperaturen verantwortlich. Dieser Teil des Hohlkammerkörpers weist insbesondere ein Innenprofil mit zylindrischer Kontur auf. Der verringerte Durchmesser des hinteren Teils 4-3 des Hohlkammerkörpers führt zu einer verstärkten Sekundärströmung in den Heizkanälen (die Wirbelstärke steigt mit kleinerem Durchmesser), was wiederum zu erhöhter Durchmischung und verbessertem Wärmeübergang sowie zu verringerter Stratifizierung in Höhenrichtung des Heizkanals führt. Weiterhin ist durch die zylindrische Geometrie des hinteren Teils 4-3 des Hohlkammerkörpers trotz verminderter Abmessungen eine sehr effektive und einfach zu realisierende Kanalführung gegeben. Am Auslassbereich wird das Treibgas, wie anhand von 3 und 5 näher dargestellt, wiederum tangential abgeleitet und in einer Sammelkammer gesammelt, um anschließend in einer Expansionsdüse mit Düsenerweiterung zu expandieren.
In 6 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines tangentialen Einlasses für ein Arbeitsfluid in zwei verschiedenen Ansichten gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform ist in einem Einlassbereich des Hohlkammerkörpers eine Einlassvorrichtung 15 zum Empfang eines Arbeitsfluids vorgesehen, die dieses in tangentialer Richtung in das Heizkanalsystem mit den Heizkanälen 31 bis 33 leitet. Diese tangential geführte Einlassanordnung für das Treibgas kann korrespondierend zu der spiralförmigen Anordnung der Heizkanäle anstelle des Einlaufmanifolds mit radialer Zuführung vorgesehen werden, wodurch am Einlass des Treibgases ein geringerer Druckverlust gegenüber der Variante mit Einlaufmanifold realisiert werden kann. In 6b ist eine Detailansicht einer derart ausgestalteten Einlassvorrichtung gezeigt, die in 6a in relativer Anordnung zu den übrigen Komponenten des solar-thermischen Antriebssystem gezeigt ist.

1: Zuleitung
2: Einlaufmanifold
3: Heizkanal
4: Hohlkammerkörper
5: Sammelkammer
6: Expansionsdüse
7: Düsenerweiterung
8: Konzentrator
9: Auslassbereich
10: Auslassvorrichtung
12: Solarstrahlung
13: Treibgas
14: innere Kammerwand
15: Einlassvorrichtung
16: Öffnung
17: Längsachse
3-1, 3-2, 3-3: Seitenwand
3-4: Deckschicht
4-1, 4-2, 4-3: Teil des Hohlkammerkörpers
10-1, 10-2: Teilbereich der Auslassvorrichtung
30: Heizkanalsystem
31–33: Heizkanal
40: Öffnungen
N: Kanalhöhe
a: Kanalbreite
b: Wandstärke
A: Ausschnitt
d1, d3: Durchmesser

Claims

Solar-thermische Antriebseinheit für ein Raketentriebwerk zum Ausstoß einer heißen Gasströmung – mit einem Hohlkammerkörper (4) umfassend eine Öffnung (16) zum Empfang von Solarstrahlung (12), eine einem Innenraum zugewandte innere Kammerwand (14) zur Umwandlung von eingestrahlter Solarstrahlung in thermische Energie, und eine in dem Innenraum des Hohlkammerkörpers verlaufende Längsachse (17), und – mit einem Heizkanalsystem (30) zur Durchströmung mit einem Treibgas (13), das zum Inneren des Hohlkammerkörpers (4) hin an der inneren Kammerwand (14) angeordnet ist und mit dieser derart zusammenwirkt, dass thermische Energie von der inneren Kammerwand in das Heizkanalsystem zur Erhitzung des Treibgases einkoppelbar ist, wobei das Heizkanalsystem (30) wenigstens einen Heizkanal (3) aufweist, der bezüglich der Längsachse (17) des Hohlkammerkörpers (4) spiralförmig um den Innenraum des Hohlkammerkörpers geführt ist, der Heizkanal (3) eine erste, zweite und dritte Seitenwand (3-1, 3-2, 3-3) aufweist, die jeweils ein integraler Bestandteil der inneren Kammerwand (14) des Hohlkammerkörpers sind und der Heizkanal (3) eine den Heizkanal abschließende und der inneren Kammerwand (14) abgewandte Deckschicht (3-4) aufweist.
Solar-thermische Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (3) eine Kanalbreite (a) in Richtung der Längsachse (17) des Hohlkammerkörpers (4) sowie eine zur Längsachse quer angeordnete Kanalhöhe (H) aufweist, die signifikant größer ist als die Kanalbreite (a).
Solar-thermische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, die Deckschicht (3-4) galvanisch oder mittels einer Verschweißung aufgebracht ist.
Solar-thermische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizkanalsystem (30) in einem Auslassbereich (9) eine Auslassvorrichtung (10) zum Ausstoß des Treibgases (13) aufweist, die das Treibgas aus dem Heizkanal (3) in tangentialer Richtung in eine Expansionsdüse (6) leitet.
Solar-thermische Antriebseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassvorrichtung (10) einen Hohlkörper zur Bildung eines Sammelraums umfasst, der in Strömungsrichtung des Treibgases (13) einen ersten Teilbereich (10-1) mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt und einen daran anschließenden zweiten Teilbereich (10-2) mit einem im wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweist.
Solar-thermische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizkanalsystem (30) mehrere separat geführte Heizkanäle (31–33) mit jeweiligen Öffnungen (40) zum Ausstoß des Treibgases (13) aufweist, wobei die Öffnungen in Richtung der Längsachse (17) des Hohlkammerkörpers (4) nebeneinander angeordnet sind, um jeweils das Treibgas in tangentialer Richtung in eine Expansionsdüse (6) zu leiten.
Solar-thermische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der Hohlkammerkörper (4) einen ersten Teil (4-1) und einen zweiten Teil (4-2) aufweist, – der erste Teil (4-1) die Öffnung (16) zum Empfang der Solarstrahlung (12) umfasst und einen in Richtung der Längsachse (17) des Hohlkammerkörpers im wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt eines Innenprofils aufweist, – der zweite Teil (4-2) in Richtung der Längsachse (17) des Hohlkammerkörpers im Anschluss an den ersten Teil (4-1) angeordnet ist und sich in Richtung der Längsachse des Hohlkammerkörpers verjüngt.
Solar-thermische Antriebseinheit nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkammerkörper (4) einen dritten Teil (4-3) aufweist, der sich dem zweiten Teil (4-2) des Hohlkammerkörpers an einer dem ersten Teil (4-1) abgewandten Seite anschließt, und der einen in Richtung der Längsachse (17) des Hohlkammerkörpers im wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt eines Innenprofils aufweist.
Solar-thermische Antriebseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teil (4-3) des Hohlkammerkörpers ein Innenprofil mit einem Durchmesser (d3) aufweist, der kleiner ist als ein Durchmesser (d1) eines Innenprofils des ersten Teils (4-1) des Hohlkammerkörpers.
Solar-thermische Antriebseinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teil (4-3) des Hohlkammerkörpers ein Innenprofil mit zylindrischer Kontur aufweist.
Solar-thermische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (4-1) des Hohlkammerkörpers ein Innenprofil mit zylindrischer Kontur und der zweite Teil (4-2) des Hohlkammerkörpers ein Innenprofil eines sich verjüngenden rotationssymmetrischen Körpers, insbesondere einer Hohlkugelhälfte aufweist.
Solar-thermische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Einlassbereich des Hohlkammerkörpers eine Einlassvorrichtung (15) zum Empfang eines Arbeitsfluids (13) vorgesehen ist, die das Arbeitsfluid in tangentialer Richtung in das Heizkanalsystem (31–33) leitet.
Solar-thermische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit umfasst: – zwei Hohlkammerkörper (4) jeweils umfassend eine Öffnung (16) zum Empfang von Solarstrahlung (12), wobei die Öffnungen einander entgegengesetzt angeordnet sind, um die Solarstrahlung aus entgegengesetzten Richtungen in den jeweiligen Hohlkammerkörper zu leiten, – zwei Heizkanalsysteme (30), wobei jeweils eines der Heizkanalsysteme einem der Hohlkammerkörper (4) zugeordnet ist, mit jeweils wenigstens einer Auslassöffnung (40), um das Treibgas in tangentialer Richtung in eine Expansionsdüse (6) zu leiten.