DE3902825A1

DE3902825A1 - Strombogentriebwerk

Info

Publication number: DE3902825A1
Application number: DE3902825A
Authority: DE
Inventors: William Wayne Smith; Steven Clark Knowles
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Aerojet Rocketdyne Inc
Priority date: 1986-07-23
Filing date: 1989-01-31
Publication date: 1990-08-02
Anticipated expiration: 2009-02-01
Also published as: US4800716A; DE3902825C2; FR2642476B1; GB2227525B; FR2642476A1; GB2227525A; GB8901954D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kleintriebwerksysteme zum Manövrieren von Raumfahrzeugen, insbesondere betrifft die Erfindung ein Strombogentriebwerk mit Einrichtungen zum Steuern des Lichtbogeneinsatzes und des stationären Be triebs, um dadurch den Wirkungsgrad des Triebswerks zu erhöhen und die Triebwerksleistung zu optimieren.

Wie bekannt, wird in einem Strombogentriebwerk elektrische Energie umgesetzt in thermische Energie, was durch Wärmeübertragung von einer Lichtbogenentladung auf einen strömenden Treibstoff geschieht, sowie durch Um setzung thermischer Energie in gerichtete kinetische Energie durch Expansion des aufgeheizten Treibstoffs über eine Düse. Das folgende Schrifttum vermittelt einen Überblick über die Entwicklung von Strombogentriebwerken, deren Betriebsweise und besonderen Probleme: "Arcjet Thruster for Space Propulsion" von L.E. Wallner und J. Czika, Jr., NASA Tech Note D-2868, Juni 1965; "The Arc Heated Thermal Jet Engine" von F.G. Penzig, AD 671501, Hollomen Air Force Base, März 1966; und "Physics of Eletric Propulsion" von R.G. Jahn, McGraw-Hill Book Company, 1968. Ferner ist die US-PS 45 48 033 von Inte resse.

Obschon seit den frühen sechziger Jahren Standart-Strom bogentriebwerke entwickelt wurden, die mit NH₃ oder mit H₂ arbeiten und einen Wirkungsgrad von etwa 30% auf weisen, leiden diese Strombogentriebwerke an beträcht lichen Schwierigkeiten beim Anlaufen und sind gekenn zeichnet durch starke Erosionserscheinungen beim Start vorgang. Bislang ist noch kein Vorschlag bekanntgeworden, demzufolge zur Verringerung der Erosion des Triebwerk blocks und zur Verlängerung der Lebensdauer des Trieb werks eine wirksame Steuerung des Zündens des Lichtbogens und der Aufrechterhaltung des Lichtbogens im stationären Zustand möglich wäre. Der Lichtbogen hat die Neigung, sich als ein konzentrierter Radialfunke auszubilden, der an einem Kontaktpunkt in der Unterschallzone des Blocks an diesem haften bleibt, wo er im schlimmsten Fall eine vollständige Zerstörung des Triebwerks bewirkt, im besten Fall eine beträchtliche Kraterbildung und Erosion an dem Material hervorruft, wodurch die Anzahl von Be triebszyklen, die normalerweise von dem Triebwerk erwar tet werden darf, beträchtlich reduziert wird. Ferner sind Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad dieser Strom bogentriebwerke keineswegs optimiert. Jüngste empirische Daten zeigen, daß bedeutende Verbesserungen des Leistungsvermögens und des Wirkungsgrads gegenüber den in den frühen sechziger Jahren entwickelten Triebwerken erreicht werden können. Zusätzliche Verbesserungen sind durch geeignete Design-Modifikationen möglich.

Es besteht also der Bedarf an einem neuen Verfahren bei der Auslegung von Strombogentriebwerken mit dem Ziel, die bislang bekannten Probleme in Verbindung mit der Leistungsfähigkeit und dem Wirkungsgrad zu lösen, insbe sondere Probleme zu lösen, die in Verbindung stehen mit dem Zünden des Lichtbogens und der Aufrechterhaltung des Lichtbogens, um abträgliche Einflüsse zu beseitigen, ohne daß gleichzeitig andere, in ihren Ausmaßen entspre chend große Probleme auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strombogentriebwerk anzugeben, welches sich im Vergleich zum Stand der Technik durch höhere Leistungsfähigkeit und höheren Wirkungsgrad auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst, wobei vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung in den Unteransprüchen an gegeben sind.

Die Öffnung ist gekennzeichnet durch verschiedene unter schiedliche Merkmale, die bislang auf dem vorliegenden technischen Gebiet unbekannt waren und durch die die bis lang für Strombogentriebwerke typischen Probleme stark gemildert werden. Das erfindungsgemäß ausgestaltete Strombogentriebwerk arbeitet wirtschaftlich und zuverläs sig und stellt somit ein geeignetes Vorschubsystem zum Manövrieren eines Raumfahrzeugs dar. Die meisten erfin dungsgemäßen Merkmale sind vorteilhaft gemeinsam in ein und demselben Strombogentriebwerk verwirklicht, um den Wirkungsgrad deutlich zu verbessern und die Leistungsfähigkeit zu optimieren. Dennoch konnen in ge wissen Fällen auch aus einer Teilmenge der erfindungsge mäßen Merkmale besondere Vorteile gezogen werden, insbe sondere dann, wenn bestimmte Merkmale separat voneinander in verschiedenen Triebwerken realisiert sind.

Ein Merkmal betrifft die Verwendung einer katalytischen Hydrazin-Zersetzungskammer zum Speisen einer Lichtbogen heizvorrichtung, die zur Erzeugung von in Vorschub um setzbarem, überhitzten und teilweise ionisierten Treib stoff dient.

Ein anderes Merkmal betrifft die Verwendung einer beweg lichen Kathodenstange mit dazugehöriger Regulierung des Treibstoff-Massestroms und des elektrischen Stroms zum Steuern der Lichtbogenstrecke, der Lichtbogenhaftung und des Stromstoßes. Das Minimieren der Strecke, des Stroms und des Treibstoffstroms während der Anlaufphase reduziert die Erosion und den Leistungsbedarf. Nach dem Anfahren kann die Kathode zum Positionieren des Ausgangs punkt des Lichtbogens innerhalb der Überschall-Diffu sionsstrom-Zone der Düse bewegt werden, um optimale Leistung und minimale Erosion zu erzielen.

Ein weiteres Merkmal betrifft die Verwendung eines elek trisch isolierenden Materials zur Bildung der Einschnür stelle des Triebwerkblocks in der vorherrschenden Unter schallzone des Blocks. Die isolierende Einschnürung liefert ein rein axiales elektrisches Feld und einen Strompfad zwischen Kathode und Düsen-Anode stromab be züglich der Einschnürung. Auf diese Weise wird die radiale Elektronenwanderung minimiert und der Bogenkern wird auf eine sehr kleine Querschnittsfläche bei maxi malem Widerstand beschränkt. Ein Strom-"Verlust" auf grund von Elektronendiffusion zu der Einschnürwand hin wird ebenfalls beseitigt.

Ein weiteres Merkmal betrifft die Verwendung einer elek trisch leitenden Zündschiene in Verbindung mit der elek trisch isolierenden Einschnürstelle, mit dem Zweck, die Anlaufströme und damit die Durchbruchspannung nach dem Zünden zu minimieren und somit ein "weiches Anlaufen" zu ermöglichen, wodurch die Erosion auf ein Minimum redu ziert und die Lebensdauer des Triebwerks erhöht wird.

Auch die Verwendung einer einstellbaren, schwimmenden "Elektrode" stellt ein Merkmal der Erfindung dar. Mit diesem Merkmal läßt sich selektiv ein positives oder negatives Potential im Bereich der Einschnürstelle des Triebswerks erreichen, um das radiale elektrische Feld und damit den Durchmesser des Bogenkerns für optimale Leistung und verbesserten Wirkungsgrad zusteuern.

Schließlich ist es ein Merkmal der Erfindung, Einschnür stelle zu verwenden, die einen nicht parallelen Übergang zwischen Unterschall und Überschall aufweisen, um so eine optimale Stelle für den Auftreffpunkt des Lichtbo gens und damit einen verbesserten Wirkungsgrad und eine verbesserte Bogenstabilität zu erhalten. Die Einschnür stellen sind so ausgebildet, daß Niedrigdruck-Überschall zonen verhanden sind, in denen die Lichtbögenenden ?????? Dadurch wird sichergestellt, daß der Lichtbogen mit Diffusion haftet und dadurch Erosion vermieden wird. In Hochdruckzonen ist der Auftreffpunkt des Lichtbogens stärker eingegrenzt, mit der Folge, daß sich der Energie transfer stärker konzentriert und zu höherer Erosion führt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfin dungsgemäßen Strombogentriebwerks,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Strombogentriebwerk- Steuerschaltung,

Fig. 3 eine schematische Axialschnittansicht einer ersten Ausführungsform der Triebwerk-Einschnürung und -Düse, bei denen viele Merkmale der Erfindung verwirklicht sind, und bei denen ein nicht paralleler Übergang von Unterschall zu Über schall-Bereich vorhanden ist, und

Fig. 4 eine schematische Axialschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Triebwerk-Einschnür stelle und der Düse mit einem nicht-parallelen Unterschall/Überschall-Übergang als alternative Ausgestaltung der Düse nach Fig. 3.

Fig. 1 zeigt in teilweise geschnittener schematischer Darstellung ein Strombogentriebwerk 10 mit einer Zuführ leitung 12, die mit einer katalytischen Zersetzungskammer 14 über ein Drosselventil 16 in Verbindung steht. Wenn ein Vorschubimpulse angefordert wird, wird durch die Leitung 12 ein Monotreibstoff, beispielsweise Hydrazin (N₂H₄) eingeleitet und über das Drosselventil 16 in die Zersetzungskammer 14 eingeführt. Im Inneren der Kammer 14 wird ein geeigneter Katalysator, zum Beispiel Shell 405, in üblicher Weise dazu verwendet, das flüssige Hydrazin zu zersetzen in ein Gasgemisch aus N₂, H₂ und NH₃. Aufgrund der exothermen Reaktion weist das Gasgemisch eine erhöhte Temperatur von etwa 1500°F (815°C) auf.

Das Strombogentriebwerk 10 besitzt außerdem einen Block 18 mit einem zentralen Kanal 20 im rückwärtigen Ab schnitt, durch welchen sich eine Kathode 22 erstreckt, die die Form eines langgestreckten, elektrisch leitenden zylindrischen Stabs aufweist. Die Kathode 22 ist an ihrem hinteren Ende 24 über einen Drehbewegungs-Übertra gungsmechanismus 28 mit einem Stellmotor 26 gekoppelt, so daß die Kathode in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung axial bewegt werden kann. Am vorderen Ende besitzt die Kathode 22 eine konische Spitze 30, die sich in das stromaufwär tige Ende einer Bogenbrennkammer 32 erstreckt, welche durch eine Einschnürung oder einen Hals 34 und eine Düsen-Anode 36 im vorderen Abschnitt des Blocks 18 ge bildet wird.

Ferner besitzt der Block 18 einen in ihm gebildeten Wärmetauscher 38, der den vorderen Abschnitt der Kathode 22 umschließt, wobei ein Kanal 40 von der Zersetzungskam mer 14 durch den Wärmetauscher 38 zu der Bogenbrennkam mer 32 führt. Das vorgewärmte Gasgemisch wird von der Zersetzungskammer 14 durch den Kanal 40 zu der Brennkam mer 32 geleitet. In der Brennkammer 32, die durch die Einschnürstelle 34 und die Düsen-Anode 36 gebildet wird, wird ein Lichtbogen erzeugt, welcher stabilisiert wird durch den Kräfteausgleich zwischen dynamischem Gasdruck und Plasmadruck in der Einschnürung 34. Der Lichtbogen geht aus von der Spitze 30 der Kathode 22, durchläuft die Einschnürung 34 und gelangt zu der Düsen-Anode 36. Der Lichtbogen-Gas-Energietransfer innerhalb der Brenn kammer 32 ist ganz wesentlich, und es werden dort be trächtliche Durchschnittstemperaturen von 7000 bis 9000°F (3870 bis 4980°C) erreicht.

Der Triebwerkblock 18 verwendet eine variable, "schimmen de" Elektrode 42 zum Steuern des radialen elektrischen Feldes und zum Optimieren der Verteilung der Elektronen stromträger im Teil der Einschnürung 34. In der Einschnü rung 34 wird ein elektrisch isolierendes Material 44 da zu verwendet, das radiale elektrische Feld zu beseitigen und damit die Stromträger auf den Gasstrom durch die Einschnürstelle zu begrenzen. Beim Zünden des Lichtbogens läßt sich die Lage der Kathode 22 bezüglich der Düsen- Anode 36 durch den Kathodenstellmotor 26 und den An triebsmechanismus 28 ändern. Die Kathode 22 ist an ihrer Hinterkante 24 mit einem metallischen Balg 36 abgedich tet, welcher die Bewegung des Übertragungsmechanismus 28 ermöglicht. Zum Steuern des Strombogentriebwerks ist eine Steuerschaltung 48 vorgesehen, die an eine Spannungs quelle 48 A angeschlossen ist. Die im einzelnen in Fig. 2 dargestellte Steuerschaltung 48 überwacht und steuert den Betrieb des Triebwerks mittels Steuereinrichtungen 48 B-48 G. Die Steuerschaltung 48 fühlt den in an die Kathode 22 angeschlossenen Leitungen 50 fließenden Strom, der zum Erzeugen des Lichtbogens dient, und sie bewegt die Kathode 22 während des Startvorgangs (beim Zünden) nach hinten. Von der Steuerschaltung 48 werden während des Anfahrens Befehle über die Leitung 49 an den Katho denstellmotor 26 gegeben. Während dem Zurückziehen der Kathode wird der Strom seitens der Steuerschaltung 48 über die Leitung 51 auf Betriebspegel angehoben, während gleichzeitig das Drosselventil 16 über Leitungen 52 seitens der Steuerschaltung 48 veranlaßt wird, den Durch satz von flüssigem Einzeltreibstoff auf Dauerbetriebs niveau anzuheben, mit dem Ergebnis, daß der Lichtbogen in einen stationären Betriebszustand übergeht und dann von der Schaltung 48 über die Leitung 43 gesteuert wird.

Die obige Beschreibung stellt einen allgemeinen Überblick über Aufbau und Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Strom bogentriebwerks 10 dar. Im folgenden sollen die mehr all gemein erwähnten Merkmale im einzelnen erläutert werden.

Soft-Start und Starterschiene

Wie oben beschrieben wurde, dienen die verstellbare Kathode 22 und der Antriebsmotor 26 in Verbindung mit dem Übertragungsmechanismus 28 für die Fernsteuerung der Lage der Kathode 22 sowohl zur Erzielung eines erosionsfreien Starts als auch zur Steuerung des Lichtbogenauftreff punkts während des stationären Betriebs. Bei einer fest stehenden Elektrode war der anfängliche Stromstoß beim Zünden des Lichtbogens Ursache für eine mit einer erheb lichen Verkürzung der Lebensdauer verbundene Erosion sowohl an der Kathode als auch am Triebwerkblock 18. Die verstellbare Kathode 22 ermöglicht in Verbindung mit einer Massestromregulierung des vorgewärmten Gasgemisches ein Startverfahren mit geringer Erosion, d.h. einen "soft start".

Bei dem erfindungsgemäßen Startverfahren wird die Kathode 22 zunächst dicht zu der Einschnürstelle 34 bewegt, die bei abwesendem Isoliermaterial 44 auch Teil der Anode ist. Folglich ist beim Zünden lediglich eine anfängliche kleine Strecke zwischen der Kathode 22 und der Einschnü rung 34 vorhanden, und diese Strecke hat Abmessungen im Bereich von 0 bis 0,1 Zoll (2,54 mm). Dann wird ein Niederspannungs-Schwachstrom-Lichtbogen gezündet. Der niedrige Leistungspegel erwärmt die Kathode 22 und die Einschnürstelle 34 ohne abträgliche Wärmeschockeffekte hervorzurufen, wie es bei einem Hochleistungsstart mit feststehender Kathode der Fall wäre. Ist der Lichtbogen einmal gezündet, wird die Kathode 22 durch Betätigen des Stellmotors 26 und des Mechanismus 28 zurückbewegt. Gleichzeitig werden Lichtbogenstrom und Masseströmung des Gasgemisches bis auf Stationärbetriebs-Bedingungen er höht.

Wenn das elektrisch isolierende Material 44, das an der Einschnürstelle 34 aus den oben genannten Gründen ver wendet wird, so ist der Weg zu der Düsen-Anode 36 ver ständlicherweise verlängert, so daß das Zünden des Licht bogens schwieriger ist, da mehr Leistung benötigt wird, um einen Lichtbogen zu erzeugen, was erhöhte Erosions folgen an der Kathode 22 sowie an dem Triebwerkblock 18 zur Folge hat. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, eine Starterschiene oder -verlängerung 54 der Düsen-Anode 36 vorgesehen, und die Starterschiene erstreckt sich stromauf von der Anode 36 durch die aus Isolierstoff bestehende Einschnürung 34, wobei sie zur Brennkammer 32 hin offen liegt, um während des Zündvorgangs als Anode zu fungieren. Die Schiene 54 befindet sich in einem Ausschnitt am Innenumfang des Isoliermaterials 44. Während Fig. 3 eine einzelne Schiene 54 zeigt, sind auch andere Formen möglich. Beim Zünden des Lichtbogens befindet sich also die Spitze 30 der Kathode 22 in dichter Nachbarschaft am stromaufwärtigen Ende der Starterschiene 54 der Düsen-Anode 36. Die Verwendung der Starterschiene 54 bei vorhandenem Iso lierstoffmaterial 44 minimiert die erforderliche Durch bruchspannung und den anschließenden Stromstoß. Sind einmal die stationären Betriebsbedingungen erreicht, wird der Lichtbogen lediglich an der Starterschiene 54 vorbei stromab zu dem aufgeweiteten Abschnitt der Düsen-Anode 36 geblasen, so daß die Schiene dann keinen Zweck mehr erfüllt.

Die einstellbare Kathode 22 wird auch dazu verwendet, den Auftreffpunkt des Lichtbogens im stationären Betrieb zu steuern. Für einen gegebenen Strom, einen gegebenen Strömungsdurchsatz und eine gegebene Düsengeometrie be stimmt sich die Länge des Lichtbogens aus dem Gleichge wicht zwischen thermischen und gasdynamischen Relationen für einen zwischen der Kathode 22 und der Düsen-Anode 36 erzeugten Lichtbogen. Indem die Kathode 22 exakt positio niert wird, läßt sich der Auftreffpunkt des Lichtbogens entlang der aufgeweiteten Wand der Düsen-Anode 36 stromabwärts bewegen. Ein Optimierung der Leistungsfähig keit und eine Minimierung der Erosion lassen sich dadurch erreichen, daß man sicherstellt, daß der Lichtbogen-Auf treffpunkt in der Diffusionszone der aufgeweiteten Düsen- Anode 36 stromab bezüglich der Einschnürung 34 vorhanden ist.

Elektrisches Isoliermaterial innerhalb der Einschnürung

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, setzen sich die zwei stromauf wärts gelegenen Drittel der Einschnürung 34 des Trieb werkblocks 18 zusammen aus dem elektrisch isolierenden Material 44, bei dem es sich zum Beispiel um Bornitrid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid handelt. Der Haupt- Wärmetransfer in einem Lichtbogen erfolgt von der Ohmschen Erwärmung im Kern des Lichtbogens (im mittleren Abschnitt des Bogens) bei anschließender Konvektion die ser Energie zu dem Umgebungsgas hin. Die Ohmsche Erwär mung ist direkt proportional zur Stromstärke, während die Stromstärke direkt proportional zu den an der Kathode 22 emittierten Elektronen ist.

Um den Effekt des Ohmschen Wärmetransfers zu maximieren, müssen die Elektronen in dem Kern des Lichtbogens oder in dem umgebenden überhitzten Gas gehalten werden, und zwar für die maximal erreichbare Distanz. Bislang wurden die Wände der Einschnürung stets aus elektrisch leitendem Metall hergestellt und geerdet. Damit stand ein leitender Pfad von dem Kern des Lichtbogens durch das Gas hindurch zu der Wand zur Verfügung. Anhand einer Analyse wurde vorausgesagt, daß eine beträchtliche Menge des Stroms aufgrund von "Elektronendiffusion" zu den Wänden hin ver loren geht und mithin eine Verringerung des Wirkungsgrads gegeben ist. In einem Test mit isolierendem Material 44 in der Einschnürung 34 des Triebwerks zeigte sich ein Wirkungsgrad von 47% bei 630 lb_f-s/ld_m (Kraft-Pfund- Sekunden pro Massepfund) spezifischem Impuls bei NH₃. Diese Zahlenangaben verdeutlichen die Leistungsverbesse rung von 30-50% gegenüber herkömmlichen Strombogentrieb werken dieses Leistungsbereichs.

Das Isoliermaterial 44 an der Einschnürstelle 34 zwingt also den Strom dazu, einen längeren Weg zu nehmen, bis er die Düsen-Anode 36 erreicht. Dadurch werden die Elektronen in dem Lichtbogenkern und in dem diesen um gebenden Gasgemisch über einen langen Zeitraum hin gehal ten, wodurch die Ohmsche Erwärmung des strömenden Gasge misches verbessert wird.

Schwimmende oder gesteuerte Einschnürungs-Elektrode

Um die sich durch die Einschnürstelle 34 erstreckende Lichtbogensäule entweder zu verbreitern oder weiter ein zuschnüren, wird eine Sekundär-Feldeffektelektrode ver wendet, eine sogenannte schwimmende Elektrode 42. Das oben erläuterte Isoliermaterial 44 für die Einschnürstel le kann mit oder ohne die schwimmende Elektrode verwendet werden. Die Elektrode 42 kann unterschiedliche Form auf weisen. Beispielsweise kann sie als Ring oder Reifen aus gebildet sein. Wenn das Isoliermaterial 44 vorhanden ist, erstreckt sich die Elektrode 42 radial durch das Material hindurch, wie in Fig. 3 zu sehen ist.

Allerdings dient die schwimmende Elektrode 42 nicht als Lichtbogen-Auftreffpunkt. Sie wird auf sekundärem posi tiven oder negativen Potential bezüglich der Kathode 22 gehalten. Dies geschieht mit Hilfe der in Fig. 3 darge stellten Leistungssteuerung 56. Im stationären Betrieb legt die Leistungssteuerung 56 ein festes negatives und positives Potential an die Kathode 22 bzw. die Düsen- Anode 36, während das Potential der schwimmenden Elektro de 42 entweder positiv oder negativ bezüglich der Kathode variiert werden kann. Eine Feinabstimmung der Lichtbogen verbreiterung läßt sich erzielen, indem man das Potential der schwimmenden Elektrode 42 justiert.

Zweck der schwimmenden Elektrode 42 ist es also, den Lichtbogen zu formen, wenn er durch die Einschnürstelle 34 hindurchgeht. Wünschenwert ist es einen möglichst geraden oder flachen Bogen zu haben, wenn dieser durch die Bogenkammer 32 innerhalb der Einschnürung 34 hin durchläuft, so daß der Bogen einen längeren Weg zu der Düsen-Anode 36 nimmt. Dann wird der Bogen daran gehin dert, gerade den nächsten Punkt der Düsenanode 36 zu berühren, wenn er den stromabwärts gelegenen Abschnitt der Einschnürung 34 erreicht. Das an die Elektrode 42 an gelegte elektrische Potential wird also abhängig davon variiert, wie der Lichtbogen geformt ist und welches weitere Verhalten der Bogen aufweisen soll. Die schwim mende Elektrode 42 stellt eine Option dar und kann mit oder ohne das isolierende Material 44 in der Einschnü rung 34 des Triebwerks 10 verwendet werden.

Einschnürungen mit nicht-parallelen Unterschall-/Über schallübergängen

Aufgabe der oben erläuterten schwimmenden Elektrode 42 und des isolierenden Einschnürungsmaterials 44 in Verbin dung mit der nicht-parallelen Form der Einschnürung 34 ist es, dafür zu sorgen, daß der Lichtbogen einen länge ren Weg nimmt, so daß er die Überschallzone der Düsen- Anode 36 erreicht, wo er eine diffuse "Haftung" mit der Anode eingeht. Diese Lichtbogen-Anhaftung an der Anode innerhalb des Strombogens bestimmt direkt das Ausmaß der Erosion während des Zündens und des Einschwingvorgangs. Die Erosion ist größer bei unter hohem Druck erfolgenden Auftreffen im Unterschallbereich als bei unter niedrigen Druck erfolgendem Auftreffen im Überschallbereich. Der Hochdruckbogen ist säulenförmiger und konzentriert damit Energie auf kleinem Raum, während der Niederdruckbogen mehr diffus ist und die Energie folglich in einem brei teren Raum zerstreut. Das Einstellen und das Aufrechter halten eines Niederdruck-Überschall-Bogenkontakts ist von besonderer Bedeutung bei der Erzielung von Trieb werklebensdauern von hunderten von Stunden mit einer Vielzahl von Zündzyklen.

Um die Erosionserscheinungen beim Zündvorgang zu reduzie ren, und um sicherzustellen, daß der Lichtbogen diffus in der Überschall-Niederdruckzone auftrifft, wurden zwei alternative Strombogentriebwerk-Einschnürungen entwickelt. Die in Fig. 3 dargestellte Einschnürung 34 besitzt einen im wesentlichen parallen Unterschall-/ Überschall-Übergangspunkt ohne scharfe Kanten, wobei ein Hals- oder Schallpunkt 58 etwa auf halbem Wege stromab der Lichtbogensäule gelegen ist, während zwischen der Einlaß zone 60 und der Düsen-Anode 36 eine glatte kontinuier liche Kontur vorhanden ist. Annähernd die Hälfte des Lichtbogens befindet sich in einer Unterschallzone links von dem Schallpunkt 58, und eine Hälfte des Bogens be findet sich in der Überschallzone rechts von dem Punkt 58.

Eine in Fig. 4 dargestellte alternative Einschnürung 62 besitzt im wesentlichen eine nicht-parallele Überschall- Konfiguration. Sie zwingt den Lichtbogen durch ihren Schallpunkt 64 fast unmittelbar stromabwärts bezüglich des Lichtbogen-Ursprungs an der Kathode 22. Mehr als 90% der Lichtbogen-Gesamtlänge befinden sich in dem Niederdruck-Überschallbereich. Es sind keine scharfen Kanten vorhanden, und die Diffusionszone des Lichtbogen- Auftreffpunkts wird durch geeignete Wahl des Expansions winkels der Schall-Einschnürung vor Erreichen der Düse 66 erreicht.

Claims

1. Strombogentriebwerk, gekennzeichnet durch

a) eine Einrichtung, die eine Tandemanordnung aus Ein schnürstelle (34) und Düse (36) bildet, welche eine Bogenbrennkammer (32) definieren, wobei zumindest die Düse (36) zur Bildung einer Anode elektrisch leitend ist, und die Einschnürstelle (34) einen etwa ringförmigen Abschnitt aus elektrisch isolierendem Material (44) aufweist, der in der Unterschallzone zwischen einer Kathodenspitze (30) und der Düsenanode (36) angeordnet ist,
b) ein längliches Element (20) mit einer Spitze (30) be nachbart zu und stromauf beabstandet von der Einschnürstelle (34), wobei das elektrisch leitende Element die von der Anode (36) über eine sich etwa zusammen mit der Bogenbrennkammer (32) erstreckende Strecke beabstandete Kathode (22) definiert,
c) eine Einrichtung (56) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an Anode und Kathode, um in der Bogenbrenn kammer (32) einen Lichtbogen zu erzeugen, und
d) eine Einrichtung, mit der der Bogenbrennkammer (32) über die Einschnürstelle (34) gleichzeitig mit der Lichtbogenerzeugung vorgeheizte Gasbestandteile eines katalytisch zersetzten Einzeltreibstoffs zugeführt werden, um eine thermische Erhitzung der Gase in der Kammer (32) und deren Expansion über die Düse (36) hervorzurufen.

2. Strombogentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürstelle aufweist:
eine Einrichtung, die eine elektrisch leitende Verlänge rung (54) der Düsenanode darstellt und eine fest Lage entlang des isolierenden Materials (44) der Einschnür stelle aufweist, die gegenüber der Bogenbrennkammer (32) freiliegt, und die sich axial zwischen der Kathodenspitze (30) und der Düsen-Anode (36) erstreckt, um eine Hilfs strecke bezüglich der Kathodenspitze (30) zu definieren, die wesentlich kleiner ist als die Strecke, die zwischen der Kathode und der Düsenanode (36) definiert ist, und die dazu dient, das Zünden des von der Kathode zu der Anode (36) erzeugten Lichtbogens zu erleichtern.

3. Strombogentriebwerk, gekennzeichnet durch:

a) eine Einrichtung, die eine Tandemanordnung aus Ein schnürung (34) und Düse (36) bildet, welche zusammen eine Bogenbrennkammer (32) definieren, wobei zumindest die Düse elektrisch leitend ist und eine Anode bildet,
b) ein längliches Element (22) mit einer Spitze (30) in der Nachbarschaft zu und stromaufwärts beabstandet von der Einschnürung (34), wobei das Element (22) elektrisch leitend ist, um eine von der Anode über eine sich im wesentlichen mit der Brennkammer (32) erstreckende Strecke beabstandete Kathode zu bilden;
c) eine Einrichtung (56) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Anode und die Kathode, um in der Brennkammer (32) zwischen Kathode und Anode einen Lichtbogen zu erzeugen,
d) eine Einrichtung (12, 14, 16, 40) zum Zuführen vorge wärmter Gasbestandteile eines katalytisch zersetzten Einzeltreibstoffs über die Einschnürung (34) zu der Brennkammer (32), gleichzeitig mit der Erzeugung des Lichtbogens, um so eine thermische Erwärmung der Gase in der Kammer und eine Expansion der Gase über die Düse (34) zu bewirken, und
e) eine darin angeorndete elektrisch leitende Elektrode (42) sowie Mittel zum Verändern des an diese Elektrode gelegten elektrischen Potentials zum Verändern der Form des in der Brennkammer (32) erzeugten Lichtbo gens.

4. Strombogentriebwerk, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) eine Einrichtung, die eine Tandemanordnung aus Ein schnürung (34) und Düse (36) bildet, welche zusammen eine Bogenbrennkammer (32) definieren, wobei zumindest die Düse elektrisch leitend ist und eine Anode definiert,
b) ein längliches Element (20) mit einer Spitze (30) in der Nähe von und stromaufwärts beabstandet von der Einschnürung (34), wobei das Element elektrisch leitend ist und eine Kathode definiert, die von der Anode über eine Strecke beabstandet ist, die sich im wesentlichen zusammen mit der Bogenbrennkammer (32) erstreckt,
c) eine Einrichtung (56) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Anode und die Kathode, um so einen Lichtbogen in der Bogenbrennkammer zwischen Kathode und Anode zu erzeugen,
d) eine Einrichtung zum Zuführen eines strömenden Gases zu der Bogenbrennkammer über die Einschnürung, gleich zeitig mit der Erzeugung des Lichtbogens, um eine thermische Erwärmung des strömenden Gases in der Kam mer bei Expansion des Gases über die Düse (36) hervor zurufen;
wobei die Einschnürung (34) aufweist:
- (i) einen etwa ringförmigen Abschnitt (44) aus elek trisch isolierendem Material, welcher zwischen der Kathodenspitze (30) und der Düsenanode (36) gelegen ist, und
- (ii) eine Einrichtung, die eine elektrisch leitende Verlängerung (54) der Düsenanode (36) definiert und an einer festen Position entlang dem Isolier material (44) der Einschnürung (34) liegt, wobei die Verlängerung zu der Bogenbrennkammer (32) hin freiliegt und sich axial zwischen der Kathoden spitze und der Düsen-Anode erstreckt, um eine Hilfsstrecke mit der Kathodenspitze zu definieren, die wesentlich kürzer ist als die Strecke, die zwischen der Kathode und der Düsen-Anode definiert ist, um das Zünden des zwischen Kathode und Anode erzeugten Lichtbogens zu erleichtern.

5. Strombogentriebwerk, gekennzeichnet durch:

a) eine Einrichtung, die eine Tandemanordnung aus Ein schnürung und Düse bildet, welche zusammen eine Bogen brennkammer definieren, wobei zumindest die Düse elektrisch leitend ist, um eine Anode zu definieren,
b) ein längliches Element mit einer Spitze benachbart zu und stromaufwärts beabstandet von der Einschnürung, wobei das Element elektrisch leitend ist und eine von der Anode über eine Strecke, die sich im wesentlichen zusammen mit der Brennkammer erstreckt, beabstandete Kathode definiert,
c) eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Poten tials an die Anode und die Kathode, so daß ein Licht bogen in der Bogenbrennkammer von der Kathode zu der Anode erzeugt wird,
d) eine Einrichtung zum Zuführen eines strömenden Gases zu der Bogenbrennkammer über die Einschnürung, gleich zeitig mit der Erzeugung des Lichtbogens, so daß eine thermische Aufheizung des strömenden Gases in der Kammer und eine Expansion der Gase über die Düse er folgt, und
(e) wobei die Einschnürung umfaßt:
- (i) einen im wesentlichen ringförmigen Abschnitt (44) aus elektrisch isolierendem Material zwischen der Kathodenspitze und der Düsen- Anode,
- (ii) eine Einrichtung, die eine elektrisch leiten de Verlängerung der Düsenanode definiert, an einer festen Position entlang dem isolierenden Material der Einschnürung gelegen ist, zu der Bogenbrennkammer hin freiliegt und sich axial zwischen der Kathodenspitze und der Düsen-Anode erstreckt, um eine Hilfsstrecke mit der Kathodenspitze zu defineren, welche wesentlich kürzer ist als die Strecke zwischen der Kathode und der Düsen-Anode, um das Zünden des von der Kathode zu der Anode erzeugten Lichtbogens zu erleichtern, und
- (iii) eine Einrichtung, die darin eine elektrisch leitende Elektrode (42) definiert, sowie eine Einrichtung zum Variieren des elektrischen Potentials der Elektrode, um die Form des in der Bogenbrennkammer erzeugten Lichtbogens zu verändern.

6. Strombogentriebwerk, gekennzeichnet durch:

a) eine Einrichtung zur Bildung einer Tandemanordnung aus einer Einschnürung und einer Düse, die zusammen eine Bogenbrennkammer definieren, wobei zumindest die Düse elektrisch leitend ist, um eine Anode zu definieren,
b) ein längliches Element mit einer Spitze benachbart zu und stromaufwärts beabstandet von der Einschnürung, wobei das Element elektrisch leitend ist, um eine Kathode zu definieren, die von der Anode um eine Strecke beabstandet ist, die sich im wesentlichen zu sammen mit der Bogenbrennkammer erstreckt,
c) eine Einrichtung zum Anlengen eines elektrischen Po tentials an die Anode und die Kathode, um in der Bogenbrennkammer einen Lichtbogen zwischen Kathode und Anode zu erzeugen,
d) eine Einrichtung zum Zuführen eines strömenden Gases über die Einschnürung zu der Bogenbrennkammer, gleich zeitig mit der Erzeugung des Lichtbogens, um eine thermische Erwärmung des strömenden Gases in der Kam mer und eine Expansion des Gases über die Düse zu bewirken,
e) wobei die Einschnürung in sich eine elektrisch leiten de Elektrode (42) aufweist, und
f) eine Einrichtung zum Variieren des elektrischen Poten tials an der Elektrode (42), um dadurch die Form des in der Bogenbrennkammer erzeugten Lichtbogens zu ver ändern.