DE2320245C2

DE2320245C2 - Speicherbehälter

Info

Publication number: DE2320245C2
Application number: DE2320245A
Authority: DE
Inventors: Daniel Lee Hamilton Square N.J. Balzer; Ralph Jones Cranbury N.J. Lake jun.
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1972-04-24
Filing date: 1973-04-19
Publication date: 1985-06-27
Also published as: FR2182503A5; GB1422658A; DE2320245A1; US3854905A; JPS4947927A; CA1007995A; JPS5249562B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Speicherbehälter für ein flüssiges und ein gasförmiges oder zwei flüssige Medien, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist Hauptsächlich bezieht sich die Erfindung auf einen Kraftstofftank in einem Raumfahrzeug. Aus solchen Behältern wird der flüssige Kraftstoff durch ein gasförmiges Druckmittel in eine Auslaßöffnung gedrückt. Der Behälter muß so konstruiert sein, daß der flüssige Kraftstoff frei von gasförmigem Druckmittel ist, und zwar unabhängig von der räumlichen Lage des Behälters in einer Umgebung niedriger oder fehlender Schwerkraft.

Beim gegenwärtigen Stand der Raumfahrttechnolo gie sieht man Hilfsantriebssysteme zur Lagesteuerung und zum Stationärhalten des Raumfahrzeugs vor, welche Schübe in der Größenordnung von 22 N oder weniger erzeugen. Diese Systeme müssen einen zuverlässigen, gleichförmigen, wirksamen und genau gesteuerten Ausstoß des Treibstoffes aus einem Vorratstank gewährleisten, ohne daß das Druckgas sich mit dem austretenden Kraftstoff vermischt, weil dann nämlich falsche und unpassende Schübe auftreten würden. Um die unerwünschten Wirkungen einer Vermischung inerten gasförmigen Druckmittels (beispielsweise Stickstoff) mit einem Treibstoff zu vermeiden, verwenden die derzeitigen aktiven Auslaßsysteme Metallmembranen, elastomere Blasen, Kolben und zahlreiche andere Mittel zur Durchführung und Aufrechterhaltung einer physikalischen Trennung der beiden Medien. Um die Medien im getrennten Zustand zu erhalten, hat man auch durchbrochene Bauteile benutzt, wie dies beispielsweise im US-Patent 34 86 302 beschrieben ist Derartige Systeme sind jedoch komplex und schwierig herzustellen und erlauben nicht die vollständige Ausnutzung des im Sehälter enthaltenen Treibstoffes wegen der Schwierig keit, den Treibstoff aus der Austrittsöffnung herauszutreiben.

Ferner ist aus der US-PS 33 79 855 eine Art Pumpe für ein flüssiges Medium bekannt, bei der die Pumpwir kung durch eine konische Kapillarenform bewirkt wird und darauf beruht, daß an der breiteren Seite jeder Kapillare andere Oberflächenkräfte als an der engeren Seite wirken, so daß die zu fördernde Flüssigkeit sich zur engeren Kapillarenseite hin bewegt

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Speicherbehälters für ein erstes flüssiges Medium und ein zweites flüssiges oder gasförmiges Medium, welches als Austreibmittel für das erste Medium aus einer Austrittsöffnung des Behälters fungiert, ohne daß dabei gleichzeitig auch etwas von dem zweiten Medium durch die Austrittsöffnung gelangt, und zwar unabhängig von der Lage des Speicherbehälters in einer Umgebung niedriger oder fehlender Schwerkraft. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden

Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Im Gegensatz zu der erwähnten US PS 33 79 855, die sich nur auf eine einzige Flüssigkeit bezieht und eine relativ kompliziert herzustellende Kapillaranordnung mit konischen Kapillaren verwendet, benötigt die Erfin- dung lediglich einfache Trennbleche, deren spezielle Formgebung keinerlei fabrikatorische Schwierigkeiten bereitet

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Schnittansicht eines ku gelförmig ausgebildeten Speicherbehälters;

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des in F i g. 1 dargestellten Speicherbehälters;

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 durch den in F i g. 2 dargestellten Speicherbehälter, welcher auch die Form von Trennblechen zeigt, und

Fig.4 einen vergrößerten Teilschnitt eines Trennblechs, an dem die Ansammlung des flüssigen Mediums gezeigt ist.

Die Erfindung basiert auf dem Prinzip der Kapillarwirkung flüssiger Medien. In der Praxis sind zwei nicht

so mischbare (flüssig/flüssig bzw. flüssig/gasförmig) Me dien in einem als Vorratstank ausgebildeten Speicherbehälter enthalten. Die beiden Medien bilden durch Oberflächenspannungskräfte eine Zwischenfläche aus. Bekannterweise entsteht eine Zwischenfläche durch intermolekulare Kohäsivkräfte, die an der diskreten Grenze zwischen zwei Substanzen oder zwei Phasen derselben Substanz auftritt. Die Oberflächenspannung zweier nicht mischbarer Medien, wie eines Gases und einer Flüssigkeit, wirken wie eine dünne elastische Membrane praktisch gleicher Spannung an der Oberfläche des Mediums mit der größten Kohäsivmolekularkraft, also der Flüssigkeit.

Die Ausführungsform nach F i g. 1 für eine Umgebung mit geringem oder fehlendem Schwerefeld besteht in der Form eines kugelförmigen Behälters 10, der zwei Medien in Form eines Gases und einer Flüssigkeit enthält. Die Umgebung wird als Feld mit niedriger oder ohne Schwerkraft angesehen, wenn die statischen oder

dynamischen Verhältnisse eines Systems relativ zu seinem sich bewegenden Trägerfahrzeug ίο behandelt werden können, als wenn tatsächlich ein geringes Beschleunigungsfeld vorhanden wäre.

Die Verwendung des Behälters 10 ist jedoch keineswegs auf Umgebungen mit geringer oder überhaupt ohne Schwerkraft beschränkt. Wie aus den nachfolgenden Erläuterungen hervorgeht, eignet er sich zur Anwendung in jeglichem Beschleunigungsfeld, vorausgesetzt, daß die benutzten Medien geeignet gewählte Dichten haben. Bei der Ausführungsform eliminiert das Schwerefeld, dessen Schwerkraft klein oder null ist, die Wirkung des unterschiedlichen Gewichtes (Dichte) von Gas und Flüssigkeit Bei Fehlen der Wirkung des unterschiedlichen Gewichtes der beiden Medien in einer Umgebung mit geringer Schwerkraft oder durch die Verwendung ausgewählter Dichten wird die Oberflächenspannung an der Trcnnfläche zwischen den Medien die vorherrschende Kraft, welche die beiden Medien orientiert und ihr Vermischen verhindert. Wenn die Medien in dem Behälter 10 erst einmal richtig orientiert sind, dann wirkt der GaaA-uck so, daß er die Flüssigkeit aus dem Behälter 10 zur Verteilung an einzelne VerbrauchersteHen heraustreiOt.

F i g. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Behälter 10 in Form einer hohlen Kugel mit gleichförmiger Wandstärke und einem inneren Aufbau, wie er nachfolgend beschrieben wird. Der Behälter 10 und sein innerer Aufbau bestehen aus Metall wie nichtrostendem Stahl. Am oberen Teil des Behälters 10 befindet sich eine zylindrische Einlaßöffnung 26, durch welche die Medien in das Innere des Behälters 10 gelangen können. Am unteren Teil ist der kugelförmige Behälter 10 mit einer Auslaßöffnung 16 für die Entnahme nur eines der beiden Medien vorgesehen. Zwar sind die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung 16 von zylindrischer Form, jedoch können sie auch in irgendeiner anderen geeigneten Form oder Gestalt ausgebildet sein. Die öffnungen 26 und 16 liegen sich diametral gegenüber entsprechend der gewünschten Flußrichtung der Medien vom Eingang zum Ausgang, jedoch können die öffnungen auch an anderen Stellen vorgesehen sein, wenn dies nötig ist Auch können mehr als eine Einlaßöffnung 26 oder Auslaßöffnung 16 vorgesehen sein. Im Falle zusätzlicher Auslaßöffnungen kann eine entsprechende Abwandlung des inneren Aufbaus erforderlich sein. Wie eine solche Abwandlung, welche das Vorsehen mehrerer öffnungen erlaubt, aussehen kann, ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Der innere Aufbau besteht aus einer Konfiguration einer Mehrzahl erster und zweiter Trennbleche 12 bzw. 14 und einer Auslaßöffnung 16 von zylindrischer Form. Die Auslaßöffnung 16 ist mit einem durchbrochenen Material, geeigneter Weise in Form eines nichtrostenden Stahlsiebes, bedeckt. Die ersten und zweiten Trennbleche 12 und 14 haben ebene Oberflächen, die als Führungsflächen dienen und mit der Innenwand 11 Verbindungswege zwischen den Trennblechen 12,14 und zwischen Einlaßöffnung 26 und Auslaßöffnung 16 für das flüssige Medium bilden. Die Trennbleche 14 werden nachfolgend als Sekundärtrennbleche 14 bezeichnet.

Die Trennbleche 12 bestehen aus vier symmetrischen, in gleichen Abständen angeordneten ebenen Flächen. Jedes Tre'inblech 12 ragt in radialer Richtung von der Innenwand 11 weg und befindet sich in unmittelbarer Nähe der inneren Oberfläche der Behälterwand. Die Trennbleche 12 können so angeordnet sein, daß sie die Innenwand 11 berühren oder mit ihr einen engen Spalt bilden. Dieser Spalt erleichtert die Herstellung und erlaubt Formänderungen, wie sie bei extremen Umgebungstemperaturänderungen auftreten können. Die Trennbleche 12 verlaufen entlang der Innenwand 11 der kugelförmigen Behälterwandung von der Einlaßöffnung 26 zur Auslaßöffnung 16 und laufen an den Enden der Achse 13, in welcher die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung 16 liegen, zusammen. Die Breite (radiale Abmessung) und damit die Größe der Oberfläche jedes der

ίο Trennbleche 12 soll sich mit zunehmendem Umfangsabstand von der Einlaßöffnung 26 vergrößern, so daß sie ihre größte Oberfläche in der Nähe der Auslaßöffnung 16 h?ben. Die zunehmende Breite jedes Trennbleches 12 ist in F i g. 1 durch die radialen Linien 24 bzw. 22 veranschaulicht Die Linie 24, welche sich näher an der Einlaßöffnung 26 befindet ist kürzer (die Trennbleche 12 haben also an dieser Stelle geringere Breite) als die Linie 22 in der Nähe der Auslaßöffnung 16 (wo die Trennbleche 12 breiter sind), jedes der Trennbleche 12 ist von einer relativ dünnen Wandstärke, jedoch kann diese Wandstärke mit irgendeiner praktischen Abmessung gewählt werden. Die Anzahl der Trennbleche 12 kann beliebig gewählt werden, je nach der Größe und Form des Behälters 10 und nach .jer Art der verwendeten Medien.

Die vier Trennbleche 12 sind mit einem gelochten Material in Form eines geschlossenen Zylinders 18 verbunden, der sich an der Auslaßöffnung 16 des Behälters 10 befindet. Das gelochte Material wirkt als kapillare Gasbarriere gegenüber jedem mit der Flüssigkeit gemischten Gas. Der Zylinder 18 verhindert, daß mit der Flüssigkeit vermischtes Gas durch die Auslaßöffnung 16 aus dem Behälter 10 herausgelangt, so daß sichergestellt ist, daß nur gasblasenfreie Flüssigkeit geliefert wird.

Wenn der Behälter 10 in einer kontrollierten Umgebung verwendet wird, so daß er keinen äußeren Beschleunigungen oder Vibrationen ausgesetzt ist (welche das Gas mit der Flüssigkeit vermischen könnten), dann würde auch eine einfache öffnung ohne eine siebförmige Abdeckung für die Auslaßöffnung 16 genügen.

Als Teil des Innenaufbaus können weiterhin vier Sekundärtrennbieche 14 vorgesehen sein. Ähnlich wie die Trennbleche 12 sind die Sekundärtrennbleche 14 relativ dünn und haben ebene Oberflächen. Gemäß F i g. 1 ragen die Sekundärtrennbleche 14 in radialer Richtung von der Achse 13, in welcher die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung 16 liegen, weg. Die Sekundärtrennbleche 14 sind in gleicher Weise mit dem Zylinder 18 verbunden und liegen jeweils zwischen einem Paar benachbarter Trennbleche 12. Durch die Anordnung der Trennbleche 12 und der Sekundärtrennbleche 14 an der Auslaßöffnung 16 werden acht Reservoire 15 für das flüssige Medium gebildet, wie Fig.3 am besten erkennen läßt, wobei sich die Auslaßöffnung 16 am Boden dieser Reservoire 15 befindet. Die Oberflachen der Trennbleche 12 und der Sekundärtrennbleche 14 sind praktisch eben. Jedoch können sie gegebenenfalls auch gebogen oder anderweitig geformt sein, so daß sie die gewünschten Wege für das flüssige Medium entlang den Verbindungsstellen der Innenwand 11 des Behälters 10 mit den Trennblechen 12 und den Sekundärtrennblechen 14 sowie zwischen deren Oberflächen selbst bilden. Der kugelförmige Behälter 10 besteht aus zwei Halbkugeln, deren jede so geformt ist, daß die durch den Rand der Halbkugel gebildete Ebene die Achse 13 zwischen Einlaßöffnung 26 und Auslaßöffnung 16 rechtwinklig schneidet. Jedes der Trennbleche 12 ist, beispielsweise durch Verschweißen, fest mit dem Zylinder

18 derart verbunden, daß sich die Trennbleche 12 in ihrer Länge radial von der Achse des Zylinders 18 weg erstrecken. Die Sekundärtrennbleche 14 sind in gleicher Weise fest mit dem Zylinder 18 verbunden. Die Trennblech-Zylinder-Anordnung 12,14,18 ist innerhajb eir.u der Halbkugeln durch Befestigung des Zylinders 18 an der Auslaßöffnung 16 montiert. Die Trennblech-Zylinder-Anordnung 12, 14, 18 ist ferner durch Anbringung wie Verschweißen jedes der Trennbleche 12 an der Innenwand 11 der Halbkugel wie an deren Kante befestigt. Der Behälter 10 wird dann durch geeignete Verbindung wie Schweißen oder dgl. seiner beiden Halbkugeln längs ihres Randes gebildet.

Im Betrieb enthalt der Behälter ib zwei Medien, deren einesggejgneterweise gasförmiger Stickstoff ist und als Druckgas von etwa 2,1 bar dient, während das andere Hydrazin sein kann, das als Treibstoff für das Raumfahrzeug dient. Beide Medien werden durch die Einlaßöffnung 26 in den Behälter 10 eingebracht. Herrscht nur eine geringe oder gar keine Schwerkraft, dann beeinflussen die Dichten der Medien nicht die Lage oder Orientierung der Flüssigkeit innerhalb des Behälters 10.

Die Flüssigkeit sollte so gewählt sein, daß sie das die Innenwand Ii des Behälters 10 und die Trennbleche 12 und die Sekundärtrennbleche 14 bildende Material benetzt. Der Grad der Benetzfähigkeit einer bestimmten Flüssigkeit gegenüber einer bestimmten festen Oberfläche ist in der Technik durch den Benetzungswinkel θ definiert, welcher derjenige Winkel ist, den die Oberfläche der Flüssigkeit mit der Oberfläche des festen Körpers bildet. Die meisten üblichen Treibstoffe (Θ < 90°) benetzen die Oberfläche metallische·- Tanks mit einem Benetzungswinkel in der Nähe von Null.

Der Behälter 10 wird zunächst teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt, und anschließend wird das Druckgas eingelassen. Bei niedriger oder fehlender Schwerkraft orientiert sich die Flüssigkeit innerhalb des Behälters 10 nach dem Gesetz der minimalen Oberflächenenergie. Hierbei wirkt die Oberflächenspannung der Flüssigkeit auf das Flüssigkeitsvolumen so ein, daß sich eine Form ausbildet, zu welcher eine minimale Oberflächenenergie benötigt wird. Die Flüssigkeit orientiert sich im Behälter 10 in eine Lage und Form innerhalb eines gegebenen Bereiches des Behälters 10, bei welcher die Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit möglichst klein ist Wenn beispielsweise der kugelförmige Behälter 10 nicht irgendwelche inneren Einbauten hätte, sondern nur seine kugelförmige Innenwand 11, dann würde sich die Flüssigkeit als Hohlkugel ausbilden, welche eine kugelförmige Gasblase umschlielit Die Kugeiform ist diejenige Form, bei welcher sich die minimale Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit für ein vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen ausbildet

Wird der Behälter 10 in einem Antriebssystem für ein Raumfahrzeug verwendet dann muß der Treibstoff an der Auslaßöffnung 26 unabhängig von der jeweiligen Raumorientierung und unabhängig vom Volumen des verbleibenden Treibstoffes zur Verfügung stehen. Eine Beschreibung der verschiedenen Stufen oder Phasen der Abgabe des (flüssigen) Treibstoffes aus dem Behälter 10 unter Berücksichtigung der Wirkungen der sich verändernden Volumenanteile von Gas und Flüssigkeit verdeutlicht die Wirkungsweise des hier beschriebenen Speicherbehälters. Die gegenseitigen Wirkungen zwischen den beiden Medien und den Oberflächen im Behälter 10 bewirken eine sehr wirksame Abgabe der Flüssigkeit

Die Form der Flüssigkeit innerhalb des Behälters verändert sich mit dem Fortschreiten der Abgabephasen der Flüssigkeit. Die Form der Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit formt sich seibst auf der Oberfläche des inneren Aufbaus in Abhängigkeit von der Ausdehnung des Gases, wenn die Flüssigkeit aus dem Behälter 10 entnommen wird, als wenn die Trennfläche aus einer dünnen zusammenziehbaren Membrane gleichförmiger Spannung zwischen Flüssigkeit und Gas bestehen würde.

Bei der Betrachtung der Flüssigkeitsentnahme sei zuerst eine Phase untersucht, wo das Gasvolumen innerhalb des Behälters 10 geringer als der Leerraum oder der innere freie Teil der Trennbleche 12 ist, d. h. wenn die Trennbleche 12 vollständig von der Flüssigkeit be-

is deckt sind. In dieser Phase orientiert sich die Flüssigkeit unabhängig von der Wirkung der Trennbleche 12 und der Sekundärtrennbleche 14. Unter diesen Verhältnissen nimmt die Flüssigkeit den Zustand geringster Oberflächenenergie an und umschließt eine kugelförmige Gasblase. In diesem Zustand ist ein ausreichendes Flüssigkeitsvolumen an der Ausgangsöffnung 16 verfügbar, so daß nur Flüssigkeit ohne Gasblasen unter dem Gasdruck aus dem Behälter 10 herausgetrieben wird.

Die zweite Phase tritt ein, wenn das Gasvolumen im Behälter 10 den inneren offenen Raum innerhalb der Trennbleche überschreitet, was dann der Fall ist, wenn eine bstimmte Menge des flüssigen Treibstoffes entnommen ist Da das flüssige Hydrazin die Eigenschaft hat, Metalloberflächen in hohem Grade zu benetzen, benetzt die Flüssigkeit die Innenwand 11 des Behälters 10 und die Trennbleche 12 und die Sekundärtrennbleche 14. Die Flüssigkeit, die dazu neigt, sich nach dem Grundsatz der minimalen Oberflächenenergie zu orientieren, bildet Menisken 40 von der in F i g. 4 grundsätzlich dargestellten Form, bei welcher die Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit minimal ist. Aufgrund ihrer Oberflächenspannung sucht sich die Flüssigkeit in Bereichen des Behälters 10 zu orientieren, welche das größte Flüssigkeitsvolumen in der kleinsten Oberfläche enthält.

Wie in F i g. 2 dargestellt und bereits erläutert worden ist ist die Oberfläche der Trennbleche 12 in der Nähe der Auslaßöffnung 16 am größten. Daher bilden die Oberflächenbereiche in der Nähe der Auslaßöffnung 16 ein größeres Reservoir für das flüssige Hydrazin, welches diese Menisken 40 bildet als die Bereiche, in denen die Trennbleche 12 schmaler sind. Das allmähliche Anwachsen der Größe der Menisken 40 entlang der Trennbleche 12 ist in F i g. 3 durch zwei Bereiche 30 und 32 veranschaulicht Diese Figur stellt einen Schnitt durch

so den in F i g. 2 gezeigten Behälter 10 in der SchnUtebene 3-3 dar, wobei zusätzlich die Menisken 40 eingezeichnet sind.

Die Änderung der Größe der Menisken 40 ist durch den relativ größeren Meniskus 32 veranschaulicht weleher dem größeren Oberflächenbereich (Teil 29) des Trennbleches 12 (Fig.2) entspricht im Vergleich zu dem relativ kleinen Meniskus 30, der sich an dem relativ kleinen Teil 31 des Oberflächenbereiches des Trennbleches 12 befindet Das größere Volumen eines über der Auslaßöffnung 16 orientierten Meniskus 40 stellt sicher, daß genügend flüssiges Medium zur Entnahme zur Verfügung steht so daß die Möglichkeit einer Vermischung des entnommenen Treibstoffes mit Gas minimal wird.
Die Sekundärtrennbleche 14 werden, falls nötig, vorgesehen, damit sich ein wesentlich größerer Anteil der Flüssigkeit über der Auslaßöffnung 16 orientiert Die zusätzlichen Oberflächenbereiche der Sekundärtrennbleche 14 können zur Verdopplung der Anzahl der keil-

förmigen Reservoire 15 für die Flüssigkeit unmittelbar oberhalb der Auslaßöffnung 16 vorgesehen werden. Die Flüssigkeit sucht sich in diese kleineren keilförmigen Reservoire 15 zu konzentrieren, da hierzu kleinere Oberflächen für ein relativ größeres Gesamtflüssigkeitsvolumen benötigt werden. Dieses vergrößerte Flüssigkeitsvolumen in der Nähe der Auslaßöffnung 16 stellt ferner sicher, daß die aus dem Behälter 10 herausgedrückte Flüssigkeit gasfrei ist.

Die Sekundärtrennbleche 14 ragen in radialer Riehtung von der zwischen der Einlaßöffnung 26 und der Auslaßöffnung 16 gebildeten Achse 13 weg. Diese Sekundärtrennbieche \4 erstrecken sich nur über einen Teil des Umfangs des kugelförmigen Behälters 10. Die am weitesten von der Achse 13 entfernten Enden 20 sind gemäß F i g. 2 so geneigt, daß sie die größten Oberflächenbereiche der Sekundärtrennbleche 14 nahe der Ausgangsöffnung 16 bilden. Die größeren Flüssigkeitsvolumina, die durch Vergrößerung der Anzahl der Reservoire 15 oberhalb der Auslaßöffnung 16 zur Verfügung stehen, reduzieren die nachteiligen äußeren Einwirkungen, die durch Beschleunigung und Vibrationen verursacht werden. Wenn beispielsweise eine Axialkraft auf den Behälter 10 in einer Richtung wirkt, die mit der gewünschten Flußrichtung der Flüssigkeit beim Heraustreiben aus dem Behälter 10 zusammenfällt, dann sucht sich das Medium mit der größeren Trägheit in Richtung auf die Eingangsöffnung 26 zu orientieren. Wenn man also eine genügend große Kraft anwendet, dann zieht sich die Flüssigkeit von der Auslaßöffnung 16 vollständig zurück, so daß in einem solchen Falle kein flüssiger Treibstoff geliefert werden kann, auch wenn er benötigt wird. Ohne die Sekundärtrennbleche 14 bilden die vier Trennbleche 12 vier keilförmige Reservoire 15 (in Form von Quadranten) an der Auslaßöffnung 16. Durch Hinzufügen von vier Sekundärtrennblechen 14 verdoppelt sich die Anzahl der Reservoire 15. Es sollte also eine geeignete Anzahl von Reservoiren 15 vorgesehen werden, damit sichergestellt wird, daß jede äußere Axialkraft kompensiert wird, ohne daß die Flüssigkeit sich von der Auslaßöffnung 16 zurückzieht.

Bestimmte Prinzipien des dynamischen Verhaltens von flüssigen oder gasförmigen Medien, welche bei dem hier beschriebenen Behälter 10 ausgenutzt werden, sind in den NASA-Publikationen unter dem Titel »The Dynamic Behayior of Liquids in Moving Containers« von . H. Norman Abranson, insbesondere im Kapitel 11, beschrieben. Danach wird als Maß für die auf eine Flüssigkeit einwirkenden Kräfte eine dimensionsiose Zahl, die Bond-Zahl B₀ verwendet. Sie ist ein Maß für die relativen Größen der Schwerkraft und der Kapillarkräfte und stellt einen wichtigen Parameter für die Bezeichnung der kapiliarbeherrschten und gravitationsbeherrschten hydrostatischen Verhältnisse dar.

Die hauptsächlichen physikalischen Parameter, welehe für Kapillarkräfte bei der Flüssigkeitsorientierung von Bedeutung sind, sind

1. der Benetzungswinkel θ

2. die Oberflächenspannung σ

3. die Dichte ρ des flüssigen Mediums und

4. der charakteristische Krümmungsradius r der Kapillare.

Der Benetzungswinkel θ ist ein Maß für die Benetzbarkeit eines festen Körpers durch eine Flüssigkeit Die Benetzbarkeit beträgt in einem System mit einem flüssigen Treibstoff wie Hydrazin in einem nichtrostenden Stahlbehälter praktisch 100%.

Für kleinere Bond-Zahlen B₀ als eins herrschen die Kapillark'äfte vor, und daher bleibt die Flüssigkeit in ihrer ursprünglichen Lage und wirkt damit äußerer Kräften entgegen. 1st die Bond-Zahl dagegen größer als eins, dann reorientiert sich die Flüssigkeit und sucht sich in entgegengesetzter Richtung wie die äußeren Kräfte zu bewegen. Eine Kraft, die von außen auf den Behälter 10 einwirken kann, ohne die Kapillarausbildung der Menisken 40 zu zerstören, ist umgekehrt proportional dem Krümmungsradius des Kapillarmeniskus. Sieht man eine größere Anzahl von Sekundärtrennblechen 14 vor, so daß die Anzahl der keilförmigen Reservoire 15 erhöht wird, dann verringert sich der Kapillarradius und vergrößert sich die Flüssigkeitshaltefähigkeit der Kapillareinbauten, so daß die Flüssigkeit über der Auslaßöffnung 16 zusammengehalten wird.

Wird der Behälter 10 Vibrationen ausgesetzt, dann wird die Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit zerstört, so daß Gas in die Flüssigkeit eindringen und in ihr Gasblasen bilden kann. Fehlt die Schwerkraft oder fehlen andere äußere Kräfte, dann verbleiben die Gasblasen in der Flüssigkeit. Um zu verhindern, daß solche Gasblasen durch die Auslaßöffnung 16 aus dem Behälter 10 hinausgelangen, ist bei dem Behälter 10 der Zylinder 18 vorgesehen, der, wie bereits erwähnt, aus durchlöchertem Material besteht und vorzugsweise durch ein Sieb aus nichtrostendem Stahl gebildet wird und der als Gassperre gegenüber in der Flüssigkeit enthaltenen Gasblasen unter Ausnutzung der Kapillarwirkung eines benetzten Siebes dient. Ein benetztes Sieb hindert Gasblasen am Durchtritt durch die Sieböffnungen, welche mit Flüssigkeit benetzt sind, deren Oberflächenspannung ausreichend groß ist, um Druckgas am Durchtritt zu hindern. Der Zylinder 18 ist über der Auslaßöffnung 16 angeordnet und umschließt diese vollständig, so daß d>e aus dem Behälter 10 gedruckte Flüssigkeit nicht mit dem Druckgas vermischt ist.

Der hier beschriebene Behälter 10 ist nicht auf die Verwendung bei geringer oder fehlender Schwerkraft beschränkt. Durch Abstimmung der Dichten zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten bildet sich infolge der Oberflächenspannungskräfte eine Trennschicht zwischen den Flüssigkeiten aus, wie es im Falle fehlender Schwerkraft oder im Weltraum der Fall ist. Es ist bekannt daß die Bond-Zahl gegen Null geht, wenn die Dichte der beiden Flüssigkeiten übereinstimmt.

Sorgt man dafür, daß die Bond-Zahl B₀ durch entsprechende Wahl der physikalischen Parameter sehr klein oder auch null ist, indem man die Dichten der beiden Flüssigkeiten etwa gleich macht dann herrschen die Kapillarkräfte (Oberflächenspannung) vor, während die äußeren Kräfte nur wenig oder gar keine Wirkung auf die Trennfläche zwischen den Flüssigkeiten hat

Durch einen Abgleich der Dichten zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten innerhalb des Behälters 10 läßt sich ein Zustand »neutralen Auftriebs« erreichen, bei welchem an der Trennfläche der Flüssigkeiten keine Schwerkraftwirkung auftritt Der hier beschriebene Behälter 10 eignet sich also auch für die Verwendung zweier Flüssigkeiten gleicher Dichte in unterschiedlichen Beschleunigungsfeldern.

Die gängigste Technik zur Prüfung der Wirkungsweise von Geräten bei geringer oder fehlender Schwerkraft sind Freifall-Versuche. Hierbei läßt man das zu testende Gerät also in diesem Falle den Behälter, aus einer vorbestimmten Höhe ohne störende weitere Einflüsse zur Erde fallen. Da alle Teile des Gerätes in der gleichen

Weise beschleunigt werden, sind die relativen schwerkraftbedingten Kräfte zwischen Flüssigkeit, Gas und Behälter null. Das Testverfahren bei freiem Fall läßt sich sowohl unter statischen als auch unter dynamischen Bedingungen durchführen. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch in der beschränkten Testzeit, die zwischen den Höhenpegeln, zwischen denen der freie Fall erfolgt, nur zur Verfügung steht. Eine Höhe von ungefähr 30 m ergibt eine Zeit des freien Falls von nur 2,6 s. Die erforderliche Zeit für die Umorientierung einer Flüssigkeit aus dem ursprünglichen Zustand unter Schwerkraft von ein g bis zum Schwerkraftszustand geringer Erdbeschleunigung ist so kurz, daß die auf diese Weise testbarer. Modelle in ihrer Größe zu stark beschränkt werden.

Ein brauchbares Verfahren zur Simulierung eines Zustandes der Schwerkraft Null oder zur Inbetriebnahme des hier beschriebenen Behälters unter der Schwerkraft ein g ist die bereits angedeutete Technik des »neutralen Auftriebs«. Diese Technik läßt sich auch zur Demonstration bestimmter dynamischer Charakteristika eines Systems für den Fall geringer Gravitation durch entsprechende Wahl der Fehlanpassung der Dichten der beiden Flüssigkeiten anwenden. Das Verfahren des neutralen Auftriebs läßt sich so durchführen, daß man den Behälter aus Glas oder Metall (vorzugsweise nichtrostender Stahl) herstellt. Die inneren Oberflächen des Behälters und die Trennbleche werden mit einem nichtadhäsiven Material wie Plastik etwa in Form von Tetrafluoräthylen (C2F4) beschichtet. Als Flüssigkeit wird Wasser und eine Lösung von Chloroform und Hexan verwendet Hierbei benetzt die Lösung von Chloroform und Hexan die Oberfläche der Trennbleche und des Behälters. An der Trennfläche der beiden Flüssigkeiten stellt sich ein Berührungswinkel von nahezu Null ein. Der Tetrafluoräthylenfilm ist besonders zweckmäßig, da er durchsichtig ist und eine direkte Beobachtung des Behälters im simulierten Betrieb erlaubt

Die Chloroform/Hexan-Lösung wird zu einer Dichte gemischt, welche etwa mit derjenigen des Wassers übereinstimmt, und die beiden Flüssigkeiten werden im gewünschten Verhältnis, normalerweise 60% Wasser, in den Behälter eingefüllt. Die endgültige Dichte dieses Flüssigkeitssystems läßt sich genau einstellen, indem man Tropfen entweder des dichteren Chloroforms oder des weniger dichten Hexans zugibt, bis keiner der flüssigen Bestandteile mehr eine Tendenz zum Hochkriechen zeigt. In diesem Zustand ändert sich die Trennfläche nicht mit ihrer Orientierung im Raum. Da die Dichten der beider. Flüssigkeiten sich mit der Temperatur unterschiedlich ander.:, führen Wärmegradienten in der Umgebung des Systems zu Dichteunterschieden und zu einer Zerstörung der Trennfläche. Für Simulationen geringer Schwerkraft reicht es jedoch aus, wenn die Umgebungstemperatur innerhalb weniger Grade konstantgehalten wird, wie es in den meisten Fällen für die Raumtemperatur ohnehin gilt

Abgesehen von dieser unerwünschten Wirkung thermischer Gradienten läßt sich eine thermisch bedingte Dichtenveränderung aber auch vorteilhaft ausnutzen. Eine in ihrer Temperatur kontrollierte Kammer läßt sich zur Simulierung von Umweltzuständen niedriger Dichte, wie sie während der Antriebsintervalle eines Raumfahrzeuges auftreten, zum Testen des hier beschriebenen Behälters ausnutzen. Durch Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur können geringe Beschleunigungskräfte simuliert werden. Die effektive Beschleunigung oder der nachgebildete Wert der Schwerkraft läßt sich kalibrieren durch Verwendung einer Bezugstrennfläche derselben Flüssigkeiten im geraden Abschnitt eines Zylinders. Beide werden i.i einer temperaturgeregelten Kammer aufgestellt, und die Temperatur wird auf verschiedene Werte eingestellt. Durch Vergleich der Meniskusform im Bezugszylinder mit ei.iem bekannten Verlauf der Bond-Zah! B₁, läßt sich der effektive Wert der Schwerkraft oder die Beschleunigungskraft bestimmen. Mit diesem Verfahren des neutralen Auftriebs kann auch die statische Trennfläche demonstriert werden, welche während Druckperioden oder anderen Störungsperior ν* bei der Durchführung der Aufgaben des Raumfahrzeuges auftreten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Speicherbehälter für ein flüssiges und ein gasförmiges oder zwei flüssige Medien, von denen das Medium mit der größeren Benetzungsfähigkeit bei geringer oder ohne Schwerkrafteinwirkung vom anderen Medium aus dem Speicherbehälter aus einer Auslaßöffnung ausdrückbar ist, mit einer Einlaßöffnung zum Einfüllen der Medien und mit einem über der Auslaßöffnung angeordneten siebformigen Zylinder, sowie mit einer Kapillaranordnung, infolge deren das ausdrückbare Medium zur Auslaßöffnung fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapiilaranordnung durch eine Mehrzahl von längs d?r Innenwand (11) des Behäkers (10) von der Auslaßöffnung (16) zur diametral gegenüberliegenden Einlaßöffnung (26) verlaufenden, von der Innenwand (U) des Behälters (10) radial nach innen ragenden Trennblechen (12) solcher Form gebildet wird, daß die Trennbleche (12) in der Nähe der Auslaßöffnung (16) ein größeres Stück nach innen ragen als an von der Auslaßöffnung (16) weiter entfernten Steilen.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaranordnung weiterhin eine Mehrzahl von Sekundärtrennblechen (14) aufweist, welche in der Nähe der Auslaßöffnung (16) von der Innenwand (11) nach innen ragen.

3. Behälter nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß das ausdrückbare Medium ein flüssiger Hydrazin-Treibstoff ist und daß das andere Medium Stickstoff-Druckgas ist.

4. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Medien nicht mischbare Flüssigkeiten gleicher Dichte sind.