DE1917191C3 - Verfahren zum Erzeugen von Rückstoßenergie und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Rückstoßenergie mittels eines elektrothermischen Antriebs, bei dem Bestandteile eines flüssigen Treibstoffs, nachdem sie erhitzt und ionisiert wurden, entspannt werden, und dadurch eine Schubkraft erzeugt wird. Außerdem wird ein Antriebssystem zur Durchführung des Verfahrens angegeben. 4^r>

Bei den elektrothermischen Antrieben wird eine elektrische Energie dadurch in eine kinetische Energie umgewandelt, daß ein Stromungsmittel auf elektrischem Wege in einem Raum unveränderlichen Volumens aufgeheizt wird und dann durch Entspannung in einer Düse in einen Treibstrahl umgewandelt wird. Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der DE-AS 43 798 bekannt.

Die in Form von gasförmigen Substanzen aufbewahrten, erhitzten und entspannten Treibmittel ergeben r> zwar größere Treibstrahlgeschwindigkeiten, jedoch sind sie mit dem Nachteil behaftet, daß wegen ihrer geringen spezifischen Masse stets große Tankbehälter notwendig sind. Bei den festen Treibstoffen besteht eine ganz wesentliche Schwierigkeit darin, daß es sehr wi schwer ist, zu einer konstanten Geometrie für die Ionisationskammer zu gelangen, unabhängig davon, ob der Feststoff als Elektrode oder aber als Dielektrikum, beispielsweise in Form von Zylindern verwendet wird.

In denjenigen Fällen, in denen das feste Treibmittel h> als Elektrode dient, muß eine mechanische Vorrichtung vorgesehen werden, welche die Elektrode jeweils ihrer Abnutzung entsDrechend nach vorne schiebt, damit sie jeweils unter den bestmöglichen Betriebsbedingungen arbeitet

Dient der feste Treibstoff dagegen als Dielektrikum und kommt es infolgedessen nicht zu einem vollständigen Verbrauch, so muß eine Vorrichtung vorgesehen werden, die einerseits im Zuge des Betriebes eine Erneuerung der verbrauchten Elemente ermöglicht und andererseits die Spannung zwischen den Elektroden erhöht um die Entladung in das Vakuum einzuleiten. Es wird hier eine sehr hohe Spannung in einer Größenordnung von etwa 15 000 V gebraucht um die Entladung einzuleiten, d. h. um eine Hilfsentladung herbeizuführen, die ihrerseits die Hauptentladung herbeiführt In diesem Falle ist es zweckmäßig, in der Ionisationskammer eine dritte Elektrode vorzusehen, was jedoch wiederum nicht nur in bezug auf die Geometrie dieser Kammer Schwierigkeiten mit sich bringt sondern auch noch die Anwendung einer hohen .Spannung voraussetzt

Mit Rücksicht auf diese Gegebenheiten wurden bisher stets vorzugsweise die flüssigen Treibstoffe verwendet. Unter den flüssigen nicht kryogenen Treibstoffen fiel die Wahl im allgemeinen stets auf das Lithium, da es sich hierbei um einen guten Leiter handelt Ein Nachteil des Lithiums besteht jedoch darin, daß es auf etwa 100° erhitzt werden muß, damit es in flüssiger Form aufbewahrt werden kann. Wenn es dann vollständig verflüchtigt werden soll, so müssen aufgrund seines geringen elektrischen Widerstandes ganz erhebliche Stromdichten zur Wirkung gelangen, und zudem besteht bei der Verwendung von Lithium die Gefahr, daß es die Leitungen beschädigt da es sich hierbei um ein sehr stark korrodierendes Element handelt

Bei den vorstehend beschriebenen Treibstoffen wurde also stets ganz allgemein nach einem Kompromiß zwischen der für die Ionisation des Treibmittels erforderlichen Leistung, dem Gewicht und den für die Entwicklung einer Treibkraft erforderlichen Voraussetzungen gesucht. Im allgemeinen ging dieser Kompromiß bisher stets zu Lasten des Gesamtgewichtes des Antriebs und der zur Wirkung gelangenden Kraft

Der Kompromiß zwischen der Art des Treibstoffes und einer möglichst einfachen Zuführung, die soweit wie irgendmöglich die Gefahr von Ausfallerscheinungen in den Zuführungseinrichtungen des Impulsgebers ausschalten soll, wird meistens auf Kosten der Einfachheit in der Zuführung gelöst. So weist das Zuführungssystem meist rasch ansprechende Elektroventile oder gegebenenfalls sogar im Inneren des Impulsgebers befindliche Behälter für das Treibmittel auf, so daß es unmöglich ist, die Menge des ionisierten Treibmittels jeweils genau zu dosieren.

Der Erfindung liegt daher die A.ufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das mit einer erheblich einfacheren und weniger platzaufwendigen Schuberzeugungseinrichtung ausgeführt werden kann, wobei insbesondere eine durch den flüssigen Treibstoff bedingte Korrosionsgefahr für die Einrichtung vollkommen wegfällt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der verwendete Treibstoff im wesentlichen aus Glycerin besteht.

Es hat sich gezeigt, daß sich die elektrische Leitfähigkeit von Glycerin ohne weitres durch Zugabe eines metallischen Salzes insoweit modifizieren läßt, daß die so erhaltene Lösung einen Treibstoff bildet, welcher sich vorzüglich für die elektrothermischen Antriebe eignet. Zufriedenstellende Ergebnisse wurden hierbei beispielsweise mit Natriumchlorid erzielt.

Die chemische Stabilität des Glycerins ist derart, daß es sich ohne weiteres in beliebigen Behältern aufbewahren, läßt, ohne daß die Notwendigkeit besteht, für eine ausreichende Wärmeisolierung zu sorgen.

Bei Glycerin handelt es sich um einen Trialkohol mit hoher Viskosität, der infolgedessen mit sehr geringer Geschwindigkeit in den Zuführungsleitungen fließt. Bei den hier in Frage kommenden Durchsätzen und Druckwerten ergibt sich insofern ein laminarer Durchlauf, was dazu ausgenützt wird, zu einer entsprechenden Dosierung des Treibmittels zu gelangen und dieses genau zum gewünschten Zeitpunkt jeweils genau in der gewünschten Menge in den Impulsgeber einzuspritzen.

Nachdem Glycerin nur eine sehr niedrige Dampfspannung und einen hohen Oberflächenspannungskoeffizienten besitzt, kann die Zuführungseinrichtung sehr einfach gestaltet werden. So ist in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel für ein elektrothermisches Antriebssystem dargestellt, das eine Druckerzeugungsvorrichtung mit einem Gasgenerator 1 aufweist, der mit einer elastischen Verdrängermembran la verbunden ist, deren Aufgabe es ist, das in dem Behälter 2 befindliche Glycerin unter einem konstanten Druck zu halten. Ein Kapillarrohr 3 steht mit einem seiner Enden mit dem Behälter 2 in Verbindung und ist in der Nähe seines anderen Endes gewunden. Dieses andere Ende der Kapillarleitung steht mit einer Membranpumpe 4 m Verbindung, die ihrerseits wiederum an eine Einspritzvorrichtung 5 mit einem zylindrischen Teil 6, einem ausgebauchten Teil 7 und einem konischen Teil 8 angeschlossen ist

Wenn sich diese Vorrichtung im Gleichgewicht befindet, so kommt es im konischen Teil 8 zu einer Meniskusbildung 9. Wegen der geringen Dampfspannung ist die im Vakuum verdampfte Glycerinmenge vernachlässigbar und bei jeder Betätigung des Impulsgebers wird praktisch stets die gleiche Glycerinmenge ionisiert

Wenn die Spulen der Pumpe 4 erregt werden, so krümmt sich die Membran 20 und erzeugt damit einen höheren Druck in der Einspritzvorrichtung 5, wodurch der Meniskus aus dem konischen Ende 8 ausgetrieben wird, so daß es in dem nicht gezeigten Impulsgeber zur Bildung eines Glycerintropfens kommt. Sobald dieser Glycerintropfen den Kontakt zwischen den Elektroden herstellt, wird er durch eine Hilfsentladung zur Verflüchtigung gebracht. Die hierbei verflüchtigten Gase werden anschließend durch eine Hauptentladung ionisiert und werden durch die hierbei erfolgende Entspannung beschleunigt und schließlich durch eine an dem Impulsgeber vorgesehene konvergierende-divergierende Düse nach außen abgeleitet

Sobald sich dieser Glycerintropfen verflüchtigt hat bildet sich im konischen Teil 8 der Einspritzvorrichtung 5 ein frischer Meniskus.

Ein weiterer Vorteil des Glycerins besteht darin, daß

ίο es sich hierbei um eine überall erhältliche Substanz handelt bei der es auch in den Leitungen nicht zu Verdickungs- und Verfestigungserscheinungen kommt so daß sich eine Beheizung dieser Leitungen erübrigt

Außerdem werden beim Ausstoß Substanzen geringen Atomgewichts erhalten und der Anteil des im Glycerin vorhandenen Wasserstoffes, der gleichfalls mitionisiert wird, erhöht zudem noch die spezifische Antriebskraft

Schließlich ist als weiterer Vorteil noch zu bemerken, daß es sich bei Glycerin um eine ungiftige Substanz handelt die sich ohne weiteres handhaben läßt und die auch keinerlei besondere Vorkehrungen für ihre Aufbewahrung in dem Behälter voraussetzt.

Die Verwendung von Glycerin ermöglicht ein Gesamtgewicht der Triebwerksanlage, d. h. des eigentlichen Triebwerks und der Treibstoffzufuhreinrichtung, von wenig über 3 ■ 10-⁴kg pro N · s Gesamtschub. Unter dem Gesamtschub, gemessen in N · s, wird der Schub multipliziert mit der Gesamtbetriebszeit verstanden; die Schubkraft pro Treibstoffmenge und Zeit

gemessen in —r—, wird dagegen als spezifischer Schub

bezeichnet. Glycerin bereitet keinerlei Problem bezüglich seiner Unterbringung und der Zuführung im Triebwerk. Geht man beispielsweise davon aus, daß ein Triebwerk für einen geostationären Erdsatelliten einen Gesamtschub von 50 000 N · s erfordert um den Satelliten 5 Jahre auf seiner Bahn zu halten, und berücksichtigt man, daß die energetischen Eigenschaften von Glycerin einen spezifischen Schub von 10000

ergeben, so errechnet sich daraus ein notwendiger

N s-kg

Treibstoffbedarf von 5 kg Glycerin. Da die Aufbewahrung und die Erzeugung des erforderlichen Druckes bei Verwendung von Glycerin keine Schwierigkeiten bereitet, können sowohl der Treibstoffbehälter als auch die übrigen Bauteile des Triebwerks leichter als bisher gestaltet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen von Rückstoßenergie mittels eines elektrothermiscben Antriebs, bei dem Bestandteile eines flüssigen Treibstoffs, nachdem sie erhitzt und ionisiert wurden, entspannt werden und dadurch eine Schubkraft erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Treibstoff im wesentlichen aus Glycerin besteht. ι ο

2. Verfahren zum Erzeugen von Rückstoßenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Treibstoff ein Metall-Salz enthalten ist.

3. Verfahren zur Erzeugung von Rückstoßenergie nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß das Metall-Saiz Natriumchlorid ist.

4. Elektrothermisches Antriebssystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Einspritzvorrichtung und einer Zuführungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungseinrichtung einen Behälter (2) umfaßt, der den Treibstoff enthält, daß sich im Inneren des Behälters ein aus einer Membran bestehender Verdränger befindet, dessen Volumen mit Hilfe eines Druckerzeugungsgenerators so veränderbar ist, daß der Druck im Behälter konstant gehalten werden kann, und daß ein Kapillarrohr (3) mit dem einen Ende an dem Behälter (2) angeschlossen ist und mit dem anderen Ende, das jo gewunden ist, mit einer Membranpumpe (4) in Verbindung steht, die ihrerseits an die Einspritzvorrichtung (5) angeschlossen ist.