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Die Erfindung gehört zur Vorrichtung eines Induktionselektroraketenantriebs des Magnetplasmatyps. Sie ist für die Erzeugung einer reaktiven Schubkraft der Raumflugkörper beider Ausführung von Umlaufbahnflügen bestimmt.
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Bekannt sind Induktionselektroraketenantriebe des Magnetplasmatyps, die im Impulsbetrieb [1] laufen. Als Arbeitsmittel für den Induktionselektroraketenantrieb dient Gas, z. B. Wasserstoff oder Argon, das in die Arbeitskammer zugeführt wird, die mit einer zylindrischen Düse endet. Auf der Außenseite des Arbeitskammerstirnteils ist eine Induktionsspule installiert. Beim Anschluss der Induktionsspule an den Kondensator fließt in ihr elektrischer Strom, der ein Magnetfeld um die Induktionsspule erzeugt. Eine abrupte Änderung des Magnetfeldes ruft die Ionisierung des Arbeitsmittels und die Bildung des azimutalen Stroms hervor. Dieser Strom bildet im gasartigen Arbeitsmittel einen Plasmaring, der der sekundären kurzgeschlossenen Windung des Transformators ähnlich ist. Durch das Zusammenwirken des Plasmaelektrostroms mit dem Spulenmagnetfeld wirkt auf das Plasma eine Kraft, die das Plasma aus der Düse schleudert.
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Der Hauptvorteil des Induktionsplasmaraketenantriebs im Vergleich zu den Antrieben, wo sich das Plasma beim Fluss des Stromes zwischen zwei Elektroden bildet, besteht darin, dass die elektrodenlose Plasmabildung das schwerwiegende Problem der Elektrodenerosion beseitigt, das durch die Bombardierung mit Hochenergie-Ionen entsteht. Dieser Umstand macht eine Erhöhung der Lebensdauer des Elektroraketenantriebs um ein Mehrfaches möglich.
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Im Vergleich zu der bekannten Konstruktion des Induktionselektroraketenantriebs [1], die das Analogon der vorliegenden Anmeldung ist, hat die letztere einen wesentlichen Nachteil. Bei der Bewegung des Plasmas in der Arbeitskammer in der Richtung der Düse schwächt die Interaktion zwischen dem Strom im Plasma und dem Magnetfeld, das durch die Stirninduktionsspule erzeugt wird. Dieser Umstand führt zum Rückgang solcher Indikatoren wie der spezifische Impuls und Wirkungsgrad des Raketenantriebs.
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Das Ziel der Erfindung besteht in der Beseitigung des angegebenen Nachteils des Prototyps, Verbesserung seiner Konstruktion, Steigerung der Effektivität, Verminderung der spezifischen Masse sowie Steigerung der Schubkraft pro Masseneinheit.
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Das technische Ergebnis, an das die Erfindung gerichtet ist, wird die Entwicklung eines Marschraketentriebwerks sein, der dank der bedeutenden Steigerung der Nutzungsdauer fähig sein wird, langfristige Flüge im Weltraum durchzuführen.
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Zur Beseitigung des angegebenen Nachteils des Prototyps [1] wird die Konstruktion eines Raketenmotors vorgeschlagen, in dem das Arbeitsmittel unter Einwirkung des Magnetfeldes der Stirninduktionsspule in den Plasmazustand versetzt wird und eine primäre Beschleunigung erhält, die der Wirkung einer zusätzlichen Zugkraft unterworfen wird. Die zusätzliche Zugkraft wird durch Einwirkung auf das Arbeitsmittel mit Hilfe des laufenden Magnetfeldes erzeugt, das sich in Richtung der Achse des Raketenmotors bewegt.
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Zur Erzeugung des laufenden Magnetfeldes wird an der Außenfläche der zylindrischen Arbeitskammer eine Dreiphasenwechselstromwicklung montiert. Die Dreiphasenwicklung wird ununterbrochen von der Bordenergiequelle gespeist, was einen kontinuierlichen stabilen Stromwert und Stärke der Magnetinduktion des laufenden Magnetfeldes auf der gesamten Beschleunigungsbahn des Arbeitsmittels sicherstellt. Die Geschwindigkeit des laufenden Magnetfeldes ist höher als die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels, deshalb ruft das laufende Magnetfeld im Arbeitsmittel, das sich im Plasmazustand befindet, elektrodynamische Kräfte und Wirbelströme hervor, so wie dies beim Rotor des Asynchronelektromotors geschieht. Beim Zusammenwirken der Wirbelströme mit dem laufenden Magnetfeld entsteht eine Kraft, die das Arbeitsmittel aus der Düse des Raketenantriebs hinausstößt. Dabei wird die Austrittsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels durch die Stromfrequenz in der Dreiphasenwicklung bestimmt. In diesem Zusammenhang sieht das elektrische Schaltungsschema den Anschluss der Dreiphasenwicklung an die Bordenergiequelle über den Frequenzwandler vor.
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Es ist bekannt, das der Wirkungsgrad des Elektroraketenantriebs von der Größe der Induktion des Magnetfeldes abhängt. Zur Steigerung der Magnetinduktion wird vorgeschlagen die Stirninduktionsspule und die Dreiphasenwicklung aus supraleitendem Draht auf der Grundlage des Yttrium-Bariums herzustellen. Die Anwendung der Supraleiter wird es auch möglich machen, dass die Wärmeverluste in den Wicklungen bis zum Minimum reduziert werden. Zusätzlich zu den Supraleitern ist für die Herstellung der Induktionsspule und der Wicklung des Wechselstroms zweckdienlich die Verwendung von Hyperleiter, wie zum Beispiel von hochreinem Aluminium.
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Zur Sicherung der niedrigen Temperatur, bei der die supraleitenden oder hyperleitenden Wicklungen funktionieren, werden sie in Flüssigwasserstoff untergebracht. Zu diesem Zweck wird die Konstruktion eines Raketenantriebs vorgeschlagen, bei dem sich die Arbeitskammer in der Vakuumhöhle innerhalb des zylindrischen Kryostats befindet, der die Form eines Hohlzylinders hat.
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Während der Funktion des Raketenantriebs entstehen in der Induktionsspule und der Dreiphasenwicklung des Wechselstroms Wärmeverluste, die das Sieden des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Kryostats hervorrufen. Die gebildeten Gasbläschen separieren sich unter der Wirkung der Kraft, die auf die Rakete wirkt. Der gasartige Wasserstoff sammelt sich und begibt sich als Arbeitsmittel in die Arbeitskammer des Antriebs. Für die Gaszufuhr in die Arbeitskammer wird ein Kompressor mit Elektroantrieb installiert. Das Konstruktionsschema des Induktionselektroraketenantriebs ist auf 1 und 2 zu sehen. Auf 1 ist der Längsschnitt des Antriebs dargestellt. Die zylindrische Arbeitskammer, in der die Umwandlung der elektrischen Energie in die mechanische vor sich geht, hat zwei Hohlräume. Im Stirnteil des Zylinders 2 findet der Bildungsprozess der Plasma und der primären Beschleunigung des Arbeitsmittels statt. Im zylindrischen Kanal 3 wird die Plasmaanhäufung mit Hilfe des laufenden Magnetfeldes bis zur notwendigen Austrittsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels beschleunigt. Der zylindrische Kanal 3 bildet sich dank der Installation innerhalb der Arbeitskammer 1 des Hohlzylinders 4, der als Innenmagnetschirm der Dreiphasenwicklung dient. Der Innenmagnetschirm 4 wird aus Ferromagnetstoff hergestellt. Zur Verringerung der Energieverluste von der Wirkung des Wechselmagnetfeldes wird er laminiert angefertigt, das heißt aus einzelnen, isolierten elektrotechnischen Stahlblättern.
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Im Stirnteil der Arbeitskammer 2 hat der Innenmagnetschirm 4 einen Zylinder mit einem kleinen Durchmesser 5, der entlang der Motorachse angeordnet ist. Dabei befindet sich ein Teil des Zylinders 5 in der Arbeitskammer 2 und der andere Teil ragt aus der Kammer und befindet sich im Zylinder, der durch die äußere Hülle des Kryostats gebildet wird. Der Kryostat 6 hat die Form eines Hohlzylinders, innerhalb dessen die Arbeitskammer des Antriebs 1 montiert wird. Im Stirnhohlraum des Kryostats 6 ist die Stirninduktionsspule 7 angeordnet, und im länglichen Hohlraum des Kryostats 6 ist die Dreiphasenwicklung des Wechselstroms 8 installiert. Die Stirninduktionsspule 7 wird im Kryostat 6 so installiert, dass der Zylinder des kleinen Durchmessers 5 für sie als axialer Magnetleiter dient. Entlang der Achse des Zylinders 5 verläuft der Kanal 9, der mit radialen Kanälen 10 endet, durch die das Arbeitsmittel – gasartiges Wasserstoff in das Stirngebiet 2 der Arbeitskammer zugeführt wird. Die Dreiphasenwicklung des Wechselstroms 8 besteht aus einzelnen Spulen 11, die auf den Zylinder gewickelt sind, der aus nichtmetallischen Stoff hergestellt wird, zum Beispiel aus Glasfaserplastik. Innerhalb des Kryostats wird die Dreiphasenwicklung mit Hilfe der Zylinderrippen 12 und 13 befestigt. Die Stirninduktionsspule 7 wird innerhalb des Kryostats mit Hilfe des Zylinders 14 befestigt. Zur Gewährleistung der minimalen Energieverluste beim Betrieb mit Wechselstrom werden die Spule 7 und die Wicklung 8 aus supraleitendem oder hyperleitendem Draht hergestellt. Der Querschnitt der Spule und der Wicklung wird aus elementaren isolierten Leitern kleinen Durchmessers gebildet, die eine Transposition haben, genau wie dies in bekannten Konstruktionen von Wicklungen bei Transformatoren und elektrischen Maschinen ausgeführt wird, die bei Hochfrequenzen betrieben werden. Zur Steigerung des Magnetinduktionswertes des laufenden Magnetfeldes wird im zylindrischen Kanal 3 an der äußeren Seite der Dreiphasenwicklung 8 ein äußerer Ferromagnetschirm 15 montiert. Der Ferromagnetschirm 15 wird aus isolierten elektrotechnischen Stahlblechen hergestellt, er hat die Form eines Zylinders und wird mit Hilfe der zylindrischen Rippen 12 und 13 befestigt. Zur Verringerung des Effekts der Abschirmung des Wechselmagnetfeldes, das durch die Spule und Wicklung erzeugt wird, wird die Arbeitskammer des Raketenantriebs 1 und die innere zylindrische Oberfläche des Kryostats 6 aus nichtmetallischem Stoff, zum Beispiel aus Glasfaserplastik hergestellt. Der innere Elektromagnetschirm 4 hat das Ansatzstück 16, das von außen den inneren zylindrischen Hohlraum schließt. Die Arbeitskammer 1 wird innerhalb des Kryostats 6 mit Hilfe der Ringwärmebrücken 17 installiert.
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Zum Sammeln des abgetrennten Wasserstoffs befindet sich im Stirnteil des Kryostats 6 die Kammer 18. Aus der Gassammelkammer 18 wird mit Hilfe der Gaseinströmöffnung 19 der gasartige Wasserstoff durch den Gasleiter 20 in den Eingang des Axialkompressors 21 geleitet, der auf der Welle des Elektroantriebs 22 sitzt. Der Axialkompressor 21 leitet das Arbeitsmittel durch die Kanäle 9 und 10 und gewährleistet den notwendigen Gasdruck in der Arbeitskammer 2, 3.
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Auf der 2 ist der Querschnitt des Raketenantriebs dargestellt. Die Bezeichnung der Positionen bleibt dieselbe wie auf 1. Sichtbar ist die zylindrische Hülle der Arbeitskammer 1, der innere Kanal der Arbeitskammer 3, in dem die Beschleunigung des Arbeitsmittels vor sich geht, das sich im Plasmazustand befindet. Gezeigt wird die Konstruktion des inneren ferromagnetischen zylindrischen Schirms 4 und des äußeren ferromagnetischen zylindrischen Schirms 15, die aus isolierten, in ein Paket vereinten und zusammengeklebten elektrotechnischen Stahltafeln bestehen, so wie dies beim Kollektor der elektrischen Gleichstrommaschine der Fall ist. Gezeigt wird die Spule 11 der Wicklung des Dreiphasenwechselstroms, die das laufende Magnetfeld im Kanal 3 erzeugt. Die Wicklung 11 ist zusammen mit dem äußeren ferromagnetischen Schirm 15 im Kryostat mit Flüssigwasserstoff untergebracht, der eine innere und äußere Hülle 6 hat. Die Spulen der Wicklung 11 und der ferromagnetische Außenschirm 15 sind im Kryostat 6 mit Hilfe des Zylinders 12 befestigt, der zur Steigerung des Wärmewiderstandes und Verringerung des äußeren Wärmezuzugs Kerben hat. Auf der 2 ist sichtbar, dass zwischen der Hülle des Kryostats 6 und der Arbeitskammer des Antriebs 1 eine Vakuumzwischenschicht 23 vorhanden ist. Auf der 3 ist das Schema der elektrischen Verbindung zweier Spulen einer Phase der Dreiphasenwechselstromwicklung dargestellt. Mit Pfeilen wird die Richtung der Ströme in der Spule 1 mit Anfang 4 und Ende 6, in der Spule 2 mit Anfang 5 und Ende 7 angegeben. Für die Erzeugung des Spulenpols wird das Ende der Spule 1 mit dem Ende der Spule 2 mit Hilfe der Brücke 3 verbunden, die in axialer Richtung angeordnet ist. Auf der 4 ist das Schema des Anschlusses des Elektroraketenantriebs an die Bordelektroenergiequelle dargestellt. Die Wicklung des Ankers des elektrischen Generators 1 wird an den Halbleiterfrequenzwandler 2 angeschlossen. Der Halbleiterfrequenzwandler 2 hat am Ausgang zwei unabhängige funktionale Systeme. Das Speisungssystem der Induktionsspule 3 erzeugt den Spannungsimpuls, der an die Spule geleitet wird. Der Stromdurchgang durch die Spule 3 ruft die Änderung des Magnetfeldes in der Kammer des Raketenantriebs hervor. Dabei geht das gasförmige Arbeitsmittel in den Plasmazustand über, wofür die Impulssteilheit di/dt den notwendigen Forderungen entsprechen muss. Das andere funktionale System des Frequenzwandlers 2 gewährleistet die Speisung der Dreiphasenwechselstromwicklung 4, mit deren Hilfe im Kanal der Arbeitskammer das laufende Magnetfeld erzeugt wird. Das Induktionselektroraketentriebwerk funktioniert folgendermaßen. Beim Start von der Erde oder von der Erdumlaufbahn vom Tank, der von der Erde zugestellt wird, wird der Kryostat-Behälter 6 mit Flüssigwasserstoff gefüllt. Nach dem Erhalt des Befehls auf Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Raumapparats, auf dem das Raketentriebwerk montiert ist, schließen sich die Induktionsspule 7 (1) und die Dreiphasenwicklung 8 an den Frequenzwandler 2 (4) an. In den Stirnhohlraum der Arbeitsklammer 2 auf der 1 wird mit Hilfe des Kompressors 21 durch den Kanal 9 das Arbeitsmittel – gasartiger Wasserstoff zugeführt.
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Nach der Spannungszuführung an die Stirninduktionsspule 7, entsteht in ihr ein Stromimpuls, der eine starke Zunahme des Magnetfeldes im Stirnhohlraum der Arbeitskammer 2 hervorruft. Dabei kommt es zur Ionisierung des Arbeitsstoffes, und in ihm entsteht elektromotorische Kraft und azimutaler Strom, der einen Plasmaring bildet, gleich einer kurzgeschlossener Windung des Transformators. Bei der Wechselwirkung des Stroms mit dem Magnetfeld entsteht eine Kraft, die das Arbeitsmittel, das sich im Plasmazustand befindet, aus dem Stirnhohlraum 2 in den zylindrischen Kanal 3 verschiebt. Nach der Spannungszuführung an die Dreiphasenwicklung 8, fließt in ihr Strom, der ein laufendes Magnetfeld auf der gesamten Strecke des zylindrischen Kanals erzeugt. Das laufende Magnetfeld, das in Richtung der Düse gerichtet ist, wirkt auf das Arbeitsmittel, das im Plasmazustand ist. Im Ergebnis dieser Wirkung entstehen in der Plasma elektromotorische Kraft und Wirbelströme. Bei der Wechselwirkung der Wirbelströme mit dem laufenden Magnetfeld entsteht eine Kraft, unter deren Wirkung das Arbeitsmittel aus der Düse der Arbeitskammer geschleudert wird. Die Ausströmungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels entspricht der Stromfrequenz in der Dreiphasenwicklung 8 und kann mit Hilfe des Frequenzwandlers reguliert werden. Unter der Wirkung der entstehenden reaktiven Schubkraft beginnt das Raumfahrzeug sich im Raum zu bewegen. Beim Durchfließen des Wechselstroms entstehen in der Induktionsspule 7 und der Wicklung 8 Elektroenergieverluste. Die Spule 7 und die Wicklung 8 sind im Flüssigwasserstoff eingetaucht und bei der Wärmeableitung seitens der Spule und Wicklung kommt es zum Sieden. Dabei bilden sich an der Oberfläche der Spule 7 und der Wicklung 8 Bläschen gasförmigen Wasserstoffes. Unter der Wirkung der Trägheitskraft geht die Separation der flüssigen und gasartigen Phase des Arbeitsmittels vor sich. Der gasartige Wasserstoff sammelt sich im Stirnhohlraum 18 des Kryostats 6 an. Aus dem Hohlraum 18 wird das Gas mit Hilfe des Kompressors 21 durch den Axialkanal 9 in den Stirnhohlraum der Arbeitskammer 2 zugeführt. Die Konstruktion gewährleistet eine kontinuierliche Zufuhr des Arbeitsmittels, dabei wird das überflüssige Gas in einen Behälter für die zukünftige Verwendung gepumpt. Das Induktionselektroraketentriebwerk kann sowohl im Impuls-, als auch im Dauerbetrieb arbeiten. Es wird an die Bordenergiequelle angeschlossen, die sowohl aktiven, als auch reaktiven Strom erzeugt, der für den Betrieb des Induktionselektroraketentriebwerks notwendig ist.
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Dank dem Umstand, dass die Beschleunigung des Arbeitsmittels, das sich im Plasmazustand befindet, mit Hilfe des entlang der Achse laufenden Magnetfeldes verwirklicht wird, ermöglicht die vorgeschlagene Konstruktion des Raketentriebwerks, den Wert des spezifischen Impulses und den Wirkungsgrad wesentlich zu erhöhen und ein Marschraketentriebwerk für Dauerraumflüge zu bauen.
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Literatur:
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- 1. Orbit-raising and maneuvering propulsion: Research Status and Needs. Edited by L. H. Caveny 1984 by American Institute of Aeronautics and Astronautics.
