DE19942834A1 - Raketentriebwerk - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung des Schubs von Raketenmotoren, unter Verwendung von Wasser als Stützmasse, wobei man zunächst ein Edelgasplasma erzeugt und dieses aufrechterhält, in das Plasma flüssiges Wasser einspritzt und den entstehenden Wasserdampf durch die Düse des Raketenmotors ausleitet, wobei der Raketenmotor erfindungsgemäß aus einem Plasmabrenner sowie Mitteln zur Einspritzung von Wasser in den heißen Bereich des Plasmas besteht.

Description

Verfahren zur Schubkrafterhöhung eines Plasmaantriebes, insbesondere für Flug­ zeuge und Orbitaltransportern, in welchem insbesondere durch die Einleitung eines Arbeitsgases in einen Lichtbogen ein Plasmastrahl erzeugt wird, soweit ein Plasmaantrieb zur Ausführung dieses Verfahrens, mit einem Plasmabrenner des­ sen Düse in Ausstoßrichtung angeordnet ist.

Von den bekannten und zum Teil in der Erprobungsphase befindlichen Raketen­ antriebwerken sind sowohl Feststofftriebwerke als auch Flüssigtriebwerke zu nen­ nen.

Beim Feststofftriebwerk erfolgt die Erzeugung der für den Schub erforderlichen Gase durch das Abbrennen fester, chemischer Verbindungen. Das dadurch erzeugte Gas ströhmt durch eine Düse und erzeugt dabei den Vortrieb. Der Vorteil liegt im einfachen Aufbau des Triebwerkes und in der Erzeugung von gleichmäßi­ gem Schub. Nachteile sind das schwer kontrollierbare Abbrennen und die damit verbundene mangelnde Schubkontrolle durch Regelung der Ausströmgeschwin­ digkeit. Ferner können Feststofftriebwerke nicht während des Betriebes abgeschal­ tet werden und auch ein Neustart ist nicht möglich. Die Herstellung ist aufwendig, da für ein gleichmäßiges Abbrennen der Festoff rißfrei gegossen werden muß, so daß ein langer Abkühlprozess erforderlich ist. Die bei der Verbrennung entstehen­ den Gase sind desweiteren umwelt- und gesundheitsschädlich.

Bei Flüssigtriebwerken werden ein bis drei Treibstoffkomponenten verwendet. Am häufigsten kommen Zweikomponententriebwerke zum Einsatz. Hierbei werden ein Treibstoff und ein Oxidator in separaten Tanks gelagert und in der Brennkammer gemischt und gezündet. Hauptsächlich kommen aggressive Treibstoffe wie Hydrazin oder Methylnitrat oder Wasserstoff und Sauerstoff zum Einsatz. Der, Vorteil liegt in der Regelbarkeit der Ausströmgeschwindigkeit und somit des Schubs. Nachteile sind die reaktionsfreudige Treibstoffe. die schweren Druck­ behälter und die Komplexität der Gesamtanlage.

Daneben sind Triebwerke weiterer Technologien bekannt, die jedoch weitest­ gehend mit dem Nachteil behaftet sind, entweder für Raumsonden nur unzurei­ chende Schubstärken zu erreichen, oder deren Antriebstechniken stark umwelt­ gefährdend oder gar technisch nicht beherrschbar sind.

Einer weiteren Antriebstechnik sind Plasmatriebwerke unterzuordnen, bei denen der Treibstoff elektrisch leitfähig gemacht wird, indem man den Treibstoff durch einen Lichtbogen leitet (Elektrothermischer Antrieb) oder durch Induktionsfelder, ähnlich wie bei einem Slavinoff-Brenner, magnetische Induktion. Dadurch geht der Treibstoff vom gasförmigen in den Plasmazustand und erzeugt durch die aus dem Temperaturzuwachs entstehende Auströmgeschwindigkeit den Antrieb. Eine weitere Möglichkeit die Geschwindigkeit zu erhöhen besteht darin, das elektrisch geladene Plasma über Magnetfelder zu beschleunigen.

Aus der CH 665 004 A5 ist letztlich ein Triebwerk für Luft- und Raumfahrzeuge bekannt, bei welchem der Schub durch mit hoher Geschwindigkeit über eine Düse ausgestoßenes Wasser erzeugt wird. Dabei wird zunächst das Wasser auf 300 bis 400°C überhitzt und über die Düse entspannt. Dies setzt Wärmetauscher und hochdruckfeste Behältnisse voraus, und ist daher relativ aufwendig.

Die vorliegende Erfindung hat sich gegenüber diesem Stand der Technik die Auf­ gabe gestellt, ein Verfahren zum Antrieb für Flugkörper, wie insbesondere Raum­ fahrzeuge (Raketen) zu schaffen, bei welchem die Abgase umweltunschädlich sind, welches konstruktiv einfach durchzuführen ist und welches auch im Welt­ raum vorhandene Rohstoffe und Energiequellen zu nutzen vermag.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zur Erzeugung des Schubs von Raketenmotoren, unter Verwendung von Wasser als Stützmasse erfindungsgemäß dadurch, daß man zunächst ein Edelgasplasma erzeugt und dieses aufrechterhält, in das Plasma flüssiges Wasser eingespritzt und den ent­ stehenden Wasserdampf durch die Düse des Raketenmotors ausleitet.

Es liegt auf der Hand, daß ausgestoßener Wasserdampf keine Umweltbelastung darstellt. Darüber hinaus ist Wasser auf benachbarten Himmelskörpern und elek­ trische Energie über Solarzellen verfügbar.

Das Plasma weist einen hohen Energieinhalt auf, der eingespritztes Wasser als Stützmasse schlagartig verdampft und über die Düse der Raketenmotors beschleunigt austreibt um so den erforderlichen Schub zu bewirken. Hinzu kommt das bestehende Druckgefälle zwischen der sich durch die Energiezufuhr ausdeh­ nenden Stützmasse in der Brennkammer und dem geringeren Druck außerhalb der Düse, so daß sich die Entweichgeschwindigkeit der entweichenden Stütz­ masse aus der Düse erhöht.

Bei der Verwendung von Wasser als Stützmasse erweist sich dessen einfache Lagerung und Transport als Vorteil. Die Form der Vorratstanks ist nahezu beliebig und stellt somit kein Einbauhindernis dar. Bevorzugterweise kommt destilliertes Wasser zum Einsatz, da dies neben einem reibungslosen Ablauf des Verfah­ rensprozesses auch sicherstellt, daß Ablagerungen an Bauteilen weitestgehend ausgeschlossen sind. Auch Unregelmäßigkeiten in der Einspritzung werden durch die Vermeidung von Ablagerungen nahezu ausgeschlossen. Um ein Auskühlen der Stützmasse, insbesondere der hierzu verwendeten Wassers zu verhindern, können die Tanks und auch die Treibstoffsysteme leicht isoliert werden. Auch, kann eine elektrische Begleitheizung, die aus der Stromversorgung des Plasma­ brenners gespeist wird, zum Einsatz kommen.

Für die Verwendung von Arbeitsgas werden Argon und Helium vorgeschlagen die, in Druckgefäßen gelagert, keine große Gefahr darstellen. Die Intensität des Plas­ mastrahls und die Dosierung der beizugebenden Menge an Stützmasse wird mit Hilfe von Steuer- und Regelungsanlagenteile beherrscht.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Plasmaantrieb vor­ geschlagen, bei dem die Düse des Plasmabrenners ein zur Einführung von Stützmasse geeignetes Zuführelement besitzt.

Zweckmäßigerweise handelt es sich hierbei um eine Einspritzdüse, insbesondere um eine Kegelstrahldüse. Entsprechende Ventile für Steuer- und Regelungsvor­ gänge sorgen durch deren Anordung in den Leitungsstrecken dafür, daß die Dosierungen sowohl des Plasmastrahls als auch der zuzugebenden Stützmasse schubgerecht manipuliert werden können. Rückführleitungen sorgen für optimale Energieausbeutung.

Durch Zugabemenge an Wasser und Plasmatemperatur läßt sich der Schub regeln. Es wird vorgeschlagen diesen etwa so einzustellen, daß am Düsenaustritt eine Temperatur von etwa 1500 bis 3000°C aufrechterhalten wird.

Dem Edelgas kann dabei in ans sich bekannter Weise als Inertgas Stickstoff zugemischt werden.

Weiterhin kann z. B. ein Teil des expandierten Wasserdampfes über eine Turbine geleitet werden, um mit Hilfe eines Generators Strom zu erzeugen.

Um ein Auskühlen des Plasmas insbesondere bei bedarfsweise hoher Beschleu­ nigung zu vermeiden, kann erfindungsgemäß zusammen mit dem Wasser ein Brennstoff wie z. B. Methanol dem Plasma zugeführt werden, welches mit gleich­ zeitig eingeblasenem Sauerstoff aus geeigneter Quelle exotherm reagiert und die Leistung des Plasmas bzw. des Motors erhöht.

Vorzugsweise besitzt der Plasmabrenner eine Ringanode mit Zuführelementen für die Einspritzung von Wasser Anhand der beiligenden Figuren wird die vorliegende Erfindung näher erläutert.

In den Fig. 1 und 2 ist die Düse des nicht näher dargestellten Plasmabrenners 11 mit 1 bezeichnet.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung in ihrem schematischen Aufbau wiedergegeben, an Hand der auch das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wird. Der Plasmabrenner 11 wird durch ein Arbeitsgas (Argon) aus dem Speicher 14 versorgt. In die Versorgungsleitung 32 zwischen Plasmabrenner 11 und Speicher 14 ist ein Druckventil 12 und ein Absperrventil 13 eingesetzt. Der Plasmabrenner 11 ist über eine Energiequelle 21, hier ein Generator, versorgt. Der im Brenner durch die Einleitung des Arbeitsgases durch einen Lichtbogen erzeugte Plasmastrom setzt sich in der Düse 1 fort. An geeigneter Stelle ist in der Düse 1 ein Zuführelement 2 angeordnet. Hierüber erfolgt die Einleitung der Stützmasse, (Wasser), das über die Versorgungsleitung 22 aus dem Tank 7 ent­ nommen wird. In der Versorgungsleitung 22 ist zwischen Tank 7 und der Pumpe 5 ein Ventil 6 angeordnet. Nach der Pumpe 5 ist ein weiteres Ventil 4 vorgesehen, dem in Richtung Düse ein Zulaufregelventil 3 folgt.

Die Fig. 2 gibt eine weitere, ergänzte Ausführungsform der Erfindung in schema­ tischer Darstellung wieder. Die Düse des Plasmabrenners 11 ist auch hier mit 1 bezeichnet. Die Versorgung mit Arbeitsgas erfolgt über die aus dem Speicher 13 austretende Leitung 32, auf deren Strecke sich ein Druckregelventil 12 und ein Absperrventil 13 befinden. Die Versorgungsleitung mündet in eine Ringanode 23, in der radial verteilte Zuführelemente 20 in Form von Einspritzdüsen eingesetzt sind. Die Zuführung der Stützmasse erfolgt über die aus dem Tank 7 führende Versorgungsleitung 22, auf deren Strecke neben einem Ventil 25 für eine Notver­ bindung die Ventile 4 und 6 angeordnet sind, die eine Pumpe 5 einschließen. Über die Leitung 42 erfolgt unter Zwischenschaltung des Zulaufregelventils 3 die Einspeisung der Stützmasse in das Zuführelement 20. Dem Transformator 50 ist ein Generator 21 vorgeschaltet, der über die Turbine 35 angetrieben wird. Diese wird über die Dampfleitung 40 gespeist, die aus der Düse 1 Dampf entnimmt. Der Turbinendampf wird über die Leitung 52 in die Düse 1 zurückgeführt.

Bezugszeichenliste

1

Düse

2

Zuführelement

3

Zulaufregelventil

4

Ventil

5

Pumpe

6

Ventil

7

Tank

11

Plasmabrenner

12

Druckregelventil

13

Absperrventil

14

Speicher

20

Zuführelement

21

Energiequelle

22

Versorgungsleitung

23

Ringanode

32

Versorgungsleitung

35

Dampfturbine

40

Rückführleitung

41

Zuführleitung

50

Transformator

52

Rückführleitung

Claims (11)

1. Verfahren zur Erzeugung des Schubs von Raketenmotoren, unter Verwen­ dung von Wasser als Stützmasse, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst ein Edelgasplasma erzeugt und dieses aufrechterhält, in das Plasma flüssiges Wasser eingespritzt und den entstehenden Wasserdampf durch die Düse des Raketenmotors ausleitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Edelgas Argon oder Helium verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wärmeinhalt des Plasmas und die Wassereinspritzung im Verhältnis zueinan­ der derart regelt, daß an der Düse eine Austrittstemperatur von etwa 1500 bis 3000°C aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Edelgas ein Inertgas wie z. B. Stickstoff beige­ mischt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser vor dem Einspritzen in das Plasma vorge­ wärmt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das ausströmende Gas zum Antrieb einer Turbine verwendet.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man bedarfsweise in das Plasma oder den heißen Wasserdampf einen Brennstoff einspritzt.

8. Raketenmotor bestehend aus einem Plasmabrenner sowie Mitteln (2, 20) zur Einspritzung von Wasser in den heißen Bereich des Plasmas.

9. Raketenmotor nach Anspruch 8 gekennzeichnet durch eine Turbine (35) im Abgasstrahl von dessen Düse (1).

10. Raketenmotor nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Mittel für die Zugabe von Brennstoff.

11. Raketenmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner eine Ringanode (23) aufweist.