DE1917190C3 - Elektrothermischer Antrieb und Zuführungsvorrichtung hierfür - Google Patents

Description

45

Die Erfindung betrifft einen elektrothermischen Antrieb mit einer Ionisationskammer, welche mit einer Austrittsdüse für die ionisierten Gase in Verbindung steht, und mit einer Zuführungseinrichtung mit einem einen flüssigen Treibstoff enthaltenden Behälter.

Insbesondere ist die Erfindung auf die Treibstoffzuführungseinrichtung für einen stationären Erdsatelliten gerichtet, der über dem Äquator steht und eine Umlaufzeit von 24 Stunden hat, wobei ganz allgemein eine geringfügige Geschwindigkeitszunahme gegenüber der Umlaufgeschwindigkeit eines Raumfahrzeuges erzielt werden soll.

Unter den bisher bekannten elektrothermischen Antrieben gibt es zwei solcher Antriebe, die unter Ausnutzung des Joule'schen Effektes arbeiten und bei denen es zu einer intensiven Entladung kommt und dadurch die Eingangstemperatur eines gasförmigen Treibmittels erhöht wird, das dann im Anschluß hieran in einer Düse entspannt wird. Damit wird durch die i>5 zugeführte Energie erreicht, daß die spezifische Antriebswirkung oder der Schub, der pro Gewichtsdurchsatzeinheit des Treibmittels erzeugt wird, entspre

chend erhöht wird.

Ein derartiger Antrieb ist z.B. aus der DE-AS 12 43 798 bekannt Er besteht aus einer Ionisationskammer, in welche eine als Elektrode dienende Leitung mündet, wobei die Wandung dieser Kammer als Doppelwandung ausgebildet ist und der zwischen der äußeren und der inneren Wandung befindliche Raum einen Behälter für ein unter Druck stehendes Strömungsmittel bildet In der Innenwand sind entsprechende öffnungen vorgesehen, durch welche das flüssige Treibmittel aus dem Behälter austreten und in der Ionisationskammer ionisiert werden kann.

Ein Nachteil einer derartigen Vorrichtung besteht darin, daß zur Erzielung des gewünschten Gesamtantriebes eine hohe Leistung in einer Größenordnung von etwa 15 kW erforderlich ist Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß keine Dosiervorrichtungen für diejenige Treibmittelmasse vorgesehen sind, die der Einwirkung der elektrischen Energie ausgesetzt werden, so daß sich das Umwandlungsverfahren von elektrischer Energie in kinetische Energie nicht ohne weiteres beliebig oft reproduzieren läßt.

Die bekannten Antriebe haben zudem stets ein höheres Gewicht das bis zu 35 kg ohne die Einspeisungsvorrichtung betragen kann. Nachdem sowohl der Platzbedarf als auch das Gewicht von solchen Antrieben als ganz wesentliche Faktoren ins Gewicht fallen, bestand das Bestreben bei der Erfindung darin, einen leichten und gleichzeitig kompakten Antrieb zu schaffen, der sich ohne weiteres für einen Einsatz im Weltraum eignet und der auch für über dem Äquator befindliche stationäre Erdsatelliten mit einer Umlaufzeit von 24 Stunden verwendet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die unmittelbare Aufgabe zu Grunde, einen elektrothermischen Antrieb der eingangs geschilderten Art dahingehend zu verbessern, daß eine geringere elektrische Leistung zur Ionisation benötigt wird und bei einfacherem Aufbau auch eine Verringerung des Gesamtgewichtes möglich ist

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß sich strömungsaufseitig von der Ionisationskammer eine Vorentladungskammer befindet, in welcher das Treibmittel verflüchtigt wird und die zwei nicht verbrauchbare Elektroden enthält, die an eine Energiequelle angeschlossen sind und von denen die eine Elektrode eine Einspritzöffnung für das Treibmittel aufweist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der elektrothermische Antrieb eine Dosiervorrichtung für das in die Einspritzvorrichtung gelangende Treibmittel. Die Dosiervorrichtung enthält eine Membranpumpe, von der eine Leitung zur Einspritzöffnung hin führt, die sich konisch verengt.

Durch die vorstehend beschriebene Anordnung wird eine diskontinuierliche Treibmittelzufuhr erreicht und es ist infolgedessen möglich, eine genaue Dosierung derjenigen Treibmittelmenge vorzunehmen, welche jeweils erforderlich ist, um die notwendige Schubkraft für das Raumfahrzeug zu erzeugen. Eine solche Dosierung ist insbesondere unter Verwendung eines flüssigen Treibmittels, wie beispielsweise Glyzerin, möglich, das eine hohe Viskosität aufweist, so daß es in den Leitungen nur zu einer laminaren Fließbewegung geringer Geschwindigkeit kommt. Nachdem zudem die Dampfspannung in diesem Falle sehr gering ist, kommt es im Vakuum nicht zu Verdampfungserscheinungen, und es wird bei jedem Arbeitstakt stets die gleiche Glyzerinmenge verflüchtigt und anschließend ionisiert, wodurch sich insgesamt wiederum eine bessere

Leistung ergibt

Eines der Merkmale der Erfindung besteht darin, daß es nicht mehr notwendig ist, die Ionisation im Vakuum einzuleiten, was stets ein etwas schwieriger Vorgang war, sondern dies nunmehr in einem Gas sehr schwachen Druckes geschieht Im übrigen besteht sonst stets das Risiko eines Auftretens von Spitzenwirkungen, wenn höhere Spannungen zwischen den Elektroden zur Wirkung gebracht werden, so daß es zu starken Abweichungen in den jeweiligen Krümmungen oder aber auch zu größeren Beeinträchtigungen der Oberflächenausbildung derselben kommen kann. Mit der Erfindung wird für diesen Mangel dadurch Abhilfe geschaffen, daß zur Zündung eine schwache Spannung zwischen den Elektroden genügt, die eine Energie in der Größenordnung von einigen zehn Joule liefert

Die Umwandlung der in einer Hilfsvorrichtung, beispielsweise einem Kondensator, gespeicherten potentiellen Energie in kinetische Energie führt zu der Bildung eines Gases durch Verflüchtigung des Flüssigkeitstropfens. Dieser Einleitungsvorgang wird nachfolgend kurz Vorentladung genannt. Wenn nun diese Vorentladung die Einleitung einer Verflüchtigung unter anderen als Vakuumbedingungen verursacht, so wird dadurch die nachfolgende Ionisation erleichtert, da diese bei höherem Druck stattfindet, so daß der für diese Ionisation erforderliche Energieaufwand weitgehend herabgesetzt wird. Für eine ausreichende Wirkung des Treibmittels genügt so z. B. eine Ionisationsenergie in einer Größenordnung von 400 Joule zur Erzeugung des gewünschten Schubes.

Durch die vorstehend beschriebene Aufteilung des Entladungsvorganges ist ein gutes Niveau für die in den Kondensatoren gespeicherte Spannung möglich.

Bei einer experimentellen Untersuchung der Veränderungen der Antriebskraft in Abhängigkeit von der aufgespeicherten Energie konnte festgestellt werden, daß auch unterhalb von 400 Joule eine lineare Relation besteht und daß die spezifische Schubleistung nicht vermindert wird. Aufgrund dieses ganz wesentlichen Versuchsergebnisses können ganz wesentliche Verminderungen des Gewichts des Antriebes angestrebt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ohne weiteres eine Stromquelle mit einem niedrigen Leistungswert, beispielsweise in der Größenordnung von 40 W, verwendet werden kann, wobei diese Leistung beispielsweise durch eine Sonnenbatterie geliefert werden kann, mit der ein solches Raumfahrzeug geringer Masse, beispielsweise ein Fernmeldesatellit, ausgerüstet ist.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung durch Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch die Zuführungsvorrichtung,

F i g. 2 einen Schnitt durch den Impulsgeber,

F i g. 3 eine schematische Darstellung der verschiedenen Gleichgewichtszustände des Meniskus, und

F i g. 4 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Vorentladungskammer.

Ein Gasgenerator oder eine Druckerzeugungsvorrichtung 1 (F i g. 1) enthält einen Feststoff, der bei seiner Zersetzung durch eine endotherme chemische Umsetzung mindestens ein Gas bildet. Das so erzeugte Gas η füllt einen verformbaren Raum 3 aus, der sich seinerseits in einem Behälter 4 befindet, der mit dem Gasgenerator 1 über eine Leitung 5 verbunden ist und in dem das flüssige Treibmittel, in diesem Falle Glyzerin, eingegeben wird. Nachdem durch die Temperatur des Generators 1 der Druck im Inneren des Behälters 4 bestimmt wird, genügt es, diese Temperatur unter Zuhilfenahme eines Heizwiderstandes 6 im Gasgenerator 1 entsprechend zu regeln. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß es aufgrund dieser Anordnung nicht mehr notwendig ist für den Behälter 4 eine Wärmeisolierung vorzusehen und dort eine Temperatur aufrechtzuerhalten, welche oberhalb der Temperatur des Gasgenerators liegt da dies dadurch gegeben ist daß der Gasgenerator 1 von einem sublimierbaren Feststoff ausgehend ein Gas bildet

Der Behälter 4, dessen Wandungen mit Rücksicht auf die in ihm gegebenen Druckwerte außerordentlich dünn ausgebildet werden können, ist an seinem anderen Ende mit einem Kapillarrohr 7 verbunden, dessen Aufgabe es ist den Durchsatz an Glyzerin jeweils in Abhängigkeit von dem im Behälter 4 herrschenden Oberdruck zu begrenzen. Dieses Kapillarrohr 7, das im Bereich seines anderen Endes 8 in sich gewunden ist befindet sich in einem umschlossenen Raum 9, dessen Temperatur derart geregelt ist, daß hinsichtlich des Chargenverlustes keine Änderung in der Größenordnung eintritt, wobei die Temperatur innerhalb des Raumes 9 zwischen 10 und 40⁰C konstant gehalten werden kann. Das Ende 8 des Kapillarrohres 7 mündet in eine Toruskammer 11 in einer Membranpumpe, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist.

Diese Membranpumpe 10, welche die Rolle einer Dosiervorrichtung spielt, besitzt in an sich bekannter Weise einen Elektromagneten 12, dessen beweglicher Kern durch eine Feder zurückgezogen wird, und sie besitzt außerdem eine elastische Membran 14, die eine abgeplattete Kammer 15 bildet, welche wiederum mit einem Mittelkanal 16 verbunden ist, in dem das aus der Kammer 15 kommende Treibmittel strömt. Zwischen der Pumpe 10 und einer Kathode 21 befindet sich eine Einspritzvorrichtung 17. Der eigentliche Impulsgeber ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (siehe F i g. 2) ist die an der Pumpe 10 angeschraubte Einspritzvorrichtung 17 mit einer Einspritzöffnung versehen, die in Form einer Leitung 19 ausgebildet ist. Diese letztere steht einerseits mit dem Kanal 16 der Pumpe 10 in Verbindung und mündet andererseits in eine Vorentladungskammer 20, und diese Leitung 19 besitzt außerdem mindestens einen konischen Teil, welcher in die Vorentladungskammer 20 mündet.

Die Vorentladungskammer 20 ist in Längsrichtung durch die Wände der Leitung 19 der Einspritzvorrichtung 17 begrenzt, die bei der Verflüchtigung des Treibmittels in dieser Vorentladungskammer 20 als Anode wirkt, und auch durch eine da-»u koaxiale Elektrode oder Kathode 21, während sie in Querrichtung durch eine Isolierscheibe 22 begrenzt ist. Die aus der Pumpe 10, der Einspritzvorrichtung 17 und der Isolierscheibe 22 gebildete Gesamtanordnung ist wiederum von einer isolierenden Ummantelung 23 umschlossen.

Die Kathode 21, die an einem Koaxialleiter 24 entweder festgeschraubt oder durch beliebige andere Mittel befestigt ist, ist derart geformt, daß die Ionisationsentladung an einer Stelle stattfindet, die außeihalb des Ausgangsbereiches der durch die Vorentladung erzeugten Gase liegt, d. h. daß die verflüchtigten Gase an den divergierenden Wandungen der Kathode entlangstreichen und sich dabei von der

Achse der Vorentladungskammer 20 entfernen, während die Hauptionisationsentladung die Wirkung hat, daß die ionisierten Gase in Richtung auf die Mitte der Ionisationskammer 25 zu zum Zusammenströmen gebracht werden. Bei der in F i g. 1 veranschaulichten Ausführungsform sind die Anode bzw. die Einspritzvorrichtung 17 und die Kathode 21 zylindrisch ausgebildet und auf der Achse der Ionisationskammer 25 ausgerichtet. Die Ionisationskammer 25 und der Koaxialleiter 24 sind von einer isolierenden Ummantelung 26 umhüllt, welche der isolierenden Ummantelung 23 analog ist.

Eine konvergierende-divergierende Düse 27, die gleichfalls als Anode wirkt, ist an einer koaxialen Stromzuleitung 28 befestigt und ihr konvergierender Teil liegt in der Längsachse der Ionisationskammer 25, um somit eine entsprechende Beschleunigung der ionisierten Gase zu ermöglichen.

In der F i g. 3 sind die verschiedenen Wirkphasen der Einspritzvorrichtung dargestellt.

In der Gleichgewichtsstellung (F i g. 3a) befindet sich der Meniskus des aus mit einem metallischen Salz gemischten Glyzerin bestehenden Treibstoffes für diese Art von Antrieb auf der Höhe des konischen Endes der Einspritzvorrichtung 17. Wenn die Spulen der Pumpe 10 erregt werden, hat dies eine Krümmung der Membran 14 zur Folge, wodurch im Durchlaß 16 und somit dann auch in der Leitung 19 der Einspritzvorrichtung 17 ein Druck erzeugt wird, so daß der Meniskus aus der Einspritzvorrichtung 17 austritt und es in der Vorentladungskammer 20 (siehe Fig.3b) zur Bildung eines Glyzerintropfens 29 kommt.

Sobald der Glyzerintropfen 29 den Kontakt zwischen der Einspritzvorrichtung 17 und der Kathode 21 herstellt, kommt es zu einer Entladung einer nicht gezeigten Hilfsvorrichtung, beispielsweise eines Kondensators, die mit der Einspritzvorrichtung und der Kathode verbunden ist und dadurch wird die Ionisation des Glyzerins in der Weise eingeleitet, daß das Glyzerin 29 verflüchtigt wird (siehe F i g. 3c und 3d).

Die Ionisation der verflüchtigten Gase in der Ionisationskammer 25 erfolgt unter Zuhilfenahme einer nichi gezeigten Batterie von Kondensatoren, deren beide äußersten Anschlüsse mit der Kathode 21 bzw. der Düse 27 über die Koaxialleiter 24 und 28 verbunden sind. Während dieser Ionisation der verflüchtigten Gase in der Ionisationskammer 25 wird der Glyzerinmeniskus wieder hinter das konische Ende der Einspritzvorrichtung 17 zurückgeholt, da die Membran 14 wieder in ihre Ausgangsstellung gebracht wird. Damit verringert sich der Druck im Kapillarrohr 7 und die Auffüllung findet unter der Wirkung des Behälterdruckes statt, wodurch der Glyzerinmeniskus wieder auf die Höhe des konischen Endes der Einspritzvorrichtung 17 zurückgeführt wird (siehe Fig.3f und 3g). Wenn sich der Meniskus in dieser letztgenannten Stellung befindet, hört der Füllvorgang auf, da nunmehr Druckgleichheit zwischen dem Behälter 4 und der unmittelbar hinter dem Meniskus befindlichen Flüssigkeit gegeben ist. Es kann nunmehr ein neuer Einspritzvorgang eingeleitet werden.

Die Ionisation der verflüchtigten Gase in der Kammer 25 gehl der Beschleunigungsentspannung dieser Gase voraus, die durch die Düse 27 nach außen treten.

Eine andere Ausführungsform der die Vorentladungskammer bildenden Bauteile ist in F i g. 4 wiedergegeben. Der Endteil der Pumpe 10 und die Hauptelektrode oder Kathode 30 sind dabei derart ausgebildet, daß sich zwischen ihnen ein Toruskanal 31 befindet, welcher mit dem aus dem Kanal 16 kommenden Glyzerin gefüllt ist, sowie eine Ringkammer 32, in der sich wiederum eine Elektrode 33 befindet, die als sogenannte »Verflüchtigungselektrode oder Anode« bezeichnet ist. In dem hier dargestellten Falle sind die Elektroden 30 und 33 rotationssymmetrisch ausgebildet und zur Achse der Ionisationskammer 25 konzentrisch angeordnet. Diese Verflüchtigungselektrode 33 wird durch einen Leiter 34 mit Strom gespeist. Ein Teil des Leiters 34 und der Elektrode 33 ist mit einer Isolierummantelung 35 versehen.

Die vorgenannte Vorentladung erfolgt dann, wenn sich der aus dem Toruskanal 31 kommende Glyzerinring 27 in Kontakt mit der Verflüchtigungselektrode 33 befindet.

In gleicher Weise streichen die durch elektrische Entladung zwischen den Elektroden 30 und 33 entstandenen verflüchtigten Gase an den Oberflächen 36 der Hauptelektrode 30 derart entlang, daß die Ionisationsentladung an einer anderen Stelle stattfindet als im Ausgangsbereich der aus der Ringkammer 32 kommenden Gase. Unter der Wirkung der Hauptentladung strömen die ionisierten Gase zum Mittelpunkt der Ionisationskammer 25 zusammen und die dabei erhaltenen Produkte werden beschleunigt und durch die Düse 27 zum Austritt gebracht.

Wenn die verschiedenen Ladungsverluste in Abhängigkeit von dem Volumen des verdrängten Glyzerins und im Vergleich zu den Abmessungen der Gesamtanordnung berechnet werden, so ist hierbei festzustellen daß der Ladungsverlust bei der Einspritzung gleich oder geringer als derjenige Wert ist, welcher im Kapillarrohr zum Zeitpunkt der Auffüllung der Pumpe gegeben isi und somit sind die Verluste bei der Einspritzung vernachlässigbar.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung bestehen die Elektroden aus einem hitzebeständigen Werkstoff (Wolfram für die Kathode, Molybdän für die Düse), und die isolierenden Bauteile sind aus einem Material hergestellt, das sich einerseits ohne weiteres bearbeiten läßt und anderersetts auch Wärmestößen ohne weiteres standhalter kann (beispielsweise Bornitrid).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrothennischer Antrieb mit einer Ionisationskammer, welche mit einer Austrittsdüse für die ionisierten Gase in Verbindung steht, und mit einer Zuführungseinrichtung mit einem einen flüssigen Treibstoff enthaltenden Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß sich strömungsaufseitig von der Ionisationskammer (25) eine Voren tladungskam- ι ο mer (20, 32) befindet, in welcher das Treibmittel verflüchtigt wird und die zwei nicht verbrauchbare Elektroden (17, 21; 33, 30) enthält, die an eine Energiequelle angeschlossen sind und von denen die eine Elektrode (21) eine Einspritzöffnung (19) für das Treibmittel aufweist

2. Elektrothermischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzöffnung (19) durch eine Dosiervorrichtung (10) mit flüssigem Treibmittel gespeist wird.

3. Elektrothermischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiervorrichtung (10) eine Membranpumpe enthält und daß sich die Leitung (16) von der Membranpumpe zur Einspritzöffnung (19) hin konisch verengt.

4. Elektrothermischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine (21, 30) der Elektroden einen Kanal aufweist, der die Vorentladungskammer (20, 32) mit der Ionisationskammer (25) verbindet und daß dessen Durchmesser zur Ionisationskammer (25) hin zunimmt.

5. Elektrothermischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (17, 21; 33, 30) rotationssymmetrisch ausgebildet und konzentrisch zur Achse der Ionisationskammer (25) angeordnet sind.

6. Elektrothermischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Behälter (4) befindliche Treibstoff unter Zuhilfenahme eines Gasgenerators (1) unter Druck gesetzt wird. *o

7. Elektrothermischer Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff Glyzerin ist.