DE3902825C2 - Strombogentriebwerk - Google Patents
StrombogentriebwerkInfo
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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 Betriebs,
um dadurch die Erosion zu verringern, den Wirkungsgrad des Triebwerks 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 Umsetzung
thermischer Energie in gerichtete kinetische
Energie durch Expansion des aufgeheizten Treibstoffs
über eine Düse.
In Astronautica Acta, Bd. 13 (1967), S. 315-325, werden
magnetoplasmadynamische Strombogentriebwerke und Modelle zum
Verständnis ihrer Wirkungsweise erläutert. Eine Zeichnung zeigt das
"NASA-LANGLEY"-Triebwerk, das an der Einschnürung, welche
zusammen mit der Düsenanode die Bogenbrennkammer definiert, einen
isolierenden Bereich besitzt.
Die US-Patentschrift 45 77 461 offenbart ein Raumfahrzeugtriebwerk,
bei dem ein thermisch oder katalytisch zersetzter Einzeltreibstoff, z. B.
Hydrazin, verwendet werden kann.
In AIAA Journal, Bd. 8 (1970), S. 902-907, werden rotierende
Störungen in einem hochenergetischen magnetoplasmadynamischen
Lichtbogen untersucht. Der Treibstoff wird durch die Anode in den
Entladungsspalt injiziert.
Obschon seit den frühen sechziger Jahren Standard-Strombogentriebwerke
entwickelt wurden, die mit NH₃ oder mit
H₂ arbeiten und einen Wirkungsgrad von etwa 30% aufweisen,
leiden diese Strombogentriebwerke an beträchtlichen
Schwierigkeiten beim Anlaufen und sind gekennzeichnet
durch starke Erosionserscheinungen beim Startvorgang.
Bislang ist noch kein Vorschlag bekanntgeworden,
demzufolge zur Verringerung der Erosion des Triebwerkblocks
und zur Verlängerung der Lebensdauer des Triebwerks
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 Betriebszyklen,
die normalerweise von dem Triebwerk erwartet
werden darf, beträchtlich reduziert wird. Ferner
sind Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad dieser Strombogentriebwerke
keineswegs optimiert. Jüngste empirische
Daten zeigen, daß bedeutende Verbesserungen des
Leistungsvermögens und des Wirkungsgrades 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, insbesondere
Probleme zu lösen, die in Verbindung stehen mit
dem Zünden des Lichtbogens und der Aufrechterhaltung des
Lichtbogens, um abträgliche Einflüsse zu beseitigten, ohne daß
gleichzeitig andere, in ihren Ausmaßen entsprechende große Probleme
auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strombogentriebwerk anzugeben,
welches sich im Vergleich zum Stand der Technik durch verringerte
Erosion, höhere Leistungsfähigkeit und höheren Wirkungsgrad
auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst, wobei vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der
Erfindung in den Unteransprüchen angegeben sind.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Verwendung einer elektrisch
leitenden Zündschiene in Verbindung mit einer elektrisch 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 reduziert und die Lebensdauer des Triebwerks erhöht wird.
Eine derartige Zündschiene war bislang auf dem vorliegenden
technischen Gebiet unbekannt. Durch sie können die bislang für
Strombogenbetriebe typischen Probleme stark gemildert werden.
Zur Bildung der Einschnürstelle des Triebwerkblocks in der
vorherrschenden Unterschallzone des Blocks wird ein elektrisch
isolierendes Material verwendet. Die isolierende Einschnürung liefert ein
rein axiales elektrisches Feld und einen Strompfad zwischen Kathode
und Düsen-Anode stromab bezüglich der Einschnürung. Auf diese Weise
wird die radikale Elektronenwanderung minimiert und der Bogenkern
wird auf eine sehr kleine Querschnittsfläche bei maximalem Widerstand
beschränkt. Sein Strom-"Verlust" aufgrund von Elektronendiffusion zu
der Einschnürwand hin wird ebenfalls beseitigt.
Das erfindungsgemäß ausgestaltete Strombogentriebwerk arbeitet
wirtschaftlich und zuverlässig und stellt somit ein geeignetes
Vorschubsystem zum Manövrieren eines Raumfahrzeugs dar.
Das erfindungsgemäße Strombogentriebwerk kann vorteilhaft mit
weiteren Merkmalen ausgestaltet werden:
Ein Merkmal betrifft die Verwendung einer katalytischen
Hydrazin-Zersetzungskammer zum Speisen einer Lichtbogenheizvorrichtung,
die zur Erzeugung von in Vorschub umsetzbarem,
überhitzten und teilweise ionisierten Treibstoff
dient.
Ein anderes Merkmal betrifft die Verwendung einer beweglichen
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 Ausgangspunkts
des Lichtbogens innerhalb der Überschall-Diffusionsstrom-Zone
der Düse bewegt werden, um optimale
Leistung und minimale Erosion zu erzielen.
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
Triebwerks erreichen, um das radiale elektrische Feld
und damit den Durchmesser des Bogenkerns für optimale
Leistung und verbesserten Wirkungsgrad zu steuern.
Schließlich ist es ein Merkmal der Erfindung, Einschnürstelle
zu verwenden, die einen nicht parallelen Übergang
zwischen Unterschall und Überschall aufweisen, um so
eine optimale Stelle für den Auftreffpunkt des Lichtbogens
und damit einen verbesserten Wirkungsgrad und eine
verbesserte Bogenstabilität zu erhalten. Die Einschnürstellen
sind so ausgebildet, daß Niedrigdruck-Überschallzonen
vorhanden sind, in denen die Lichtbögen enden.
Dadurch wird sichergestellt, daß der Lichtbogen
diffus haftet und dadurch Erosion vermieden wird. In
Hochdruckzonen ist der Auftreffpunkt des Lichtbogens
stärker eingegrenzt, mit der Folge, daß sich der Energietransfer
stärker konzentriert und zu höherer Erosion
führt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Strombogentriebwerks,
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Strombogentriebwerk-Steuerschaltung,
Fig. 3 eine schematische Axialschnittansicht einer
ersten Ausführungsform der Triebwerk-Einschnürung
und -Düse,
bei denen ein nicht-paralleler
Übergang von Unterschall zu Überschall-Bereich
vorhanden ist, und
Fig. 4 eine schematische Axialschnittansicht einer
zweiten Ausführungsform der Triebwerk-Einschnürstelle
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 Zuführleitung
12, die mit einer katalytischen Zersetzungskammer
14 über ein Drosselventil 16 in Verbindung steht. Wenn
ein Vorschubimpuls 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
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
815°C auf.
Das Strombogentriebwerk 10 besitzt außerdem einen Block
18 mit einem zentralen Kanal 20 im rückwärtigen Abschnitt,
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-Übertragungsmechanismus
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 stromaufwärtige
Ende einer Bogenbrennkammer 32 erstreckt, welche
durch eine Einschnürung oder einen Hals 34 und eine
Düsen-Anode 36 im vorderen Abschnitt des Blocks 18 gebildet
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 Zersetzungskammer
14 durch den Wärmetauscher 38 zu der Bogenbrennkammer
32 führt. Das vorgewärmte Gasgemisch wird von der
Zersetzungskammer 14 durch den Kanal 40 zu der Brennkammer
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 Brennkammer
32 ist ganz wesentlich, und es werden dort beträchtliche
Durchschnittstemperaturen von
3870 bis 4980°C erreicht.
Der Triebwerkblock 18 verwendet eine variable, "schwimmende"
Elektrode 42 zum Steuern des radialen elektrischen
Feldes und zum Optimieren der Verteilung der Elektronenstromträger
im Teil der Einschnürung 34. In der Einschnürung
34 wird ein elektrisch isolierendes Material 44 dazu
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 Antriebsmechanismus
28 ändern. Die Kathode 22 ist an ihrer
Hinterkante 24 mit einem metallischen Balg 36 abgedichtet,
welcher die Bewegung des Übertragungsmechanismus 28
ermöglicht. Zum Steuern des Strombogentriebwerks ist eine
Steuerschaltung 48 vorgesehen, die an eine Spannungsquelle
Fig. 48A angeschlossen ist. Die im einzelnen in Fig. 2
dargestellte Steuerschaltung 48 überwacht und steuert den
Betrieb des Triebwerks mittels Steuereinrichtungen
48B-48G. 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 Kathodenstellmotor
26 gegeben. Während des Zurückziehens 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 Durchsatz
von flüssigem Einzeltreibstoff auf Dauerbetriebsniveau
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 Strombogentriebwerks
10 dar. Im folgenden sollen die mehr allgemein
erwähnten Merkmale im einzelnen erläutert werden.
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 Lichtbogenauftreffpunkts
während des stationären Betriebs. Bei einer feststehenden
Elektrode war der anfängliche Stromstoß beim
Zünden des Lichtbogens Ursache für eine mit einer erheblichen
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 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 Einschnürung
34 vorhanden, und diese Strecke hat Abmessungen im
Bereich von 0 bis 2,54 mm. Dann wird ein
Niederspannungs-Schwachstrom-Lichtbogen gezündet. Der
niedrige Leistungspegel erwärmt die Kathode 22 und die
Einschnürstelle 34 ohne abträgliche Wärmeschockeffekte
hervorgerufen, 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 erhöht.
Wenn das elektrisch isolierende Material 44, das an der
Einschnürstelle 34 aus den obengenannten Gründen verwendet
wird, so ist der Weg zu der Düsen-Anode 36 verständlicherweise
verlängert, so daß das Zünden des Lichtbogens
schwieriger ist, da mehr Leistung benötigt wird,
um einen Lichtbogen zu erzeugen, was erhöhte Erosionsfolgen
an der Kathode 22 sowie an dem Triebwerkblock 18
zur Folge hat. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, ist,
wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, erfindungsgemäß 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 Isolierstoffmaterial
44 minimiert die erforderliche Durchbruchspannung
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 bestimmt
sich die Länge des Lichtbogens aus dem Gleichgewicht
zwischen thermischen und gasdynamischen Relationen
für einen zwischen der Kathode 22 und der Düsen-Anode 36
erzeugten Lichtbogen. Indem die Kathode 22 exakt positioniert
wird, läßt sich der Auftreffpunkt des Lichtbogens
entlang der aufgeweiteten Wand der Düsen-Anode 36
stromabwärts bewegen. Eine Optimierung der Leistungsfähigkeit
und eine Minimierung der Erosion lassen sich dadurch
erreichen, daß man sicherstellt, daß der Lichtbogen-Auftreffpunkt
in der Diffusionszone der aufgeweiteten Düsen-Anode
36 stromab bezüglich der Einschnürung 34 vorhanden
ist.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, setzen sich die zwei stromaufwärts
gelegenen Drittel der Einschnürung 34 des Triebwerkblocks
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 dieser
Energie zu dem Umgebungsgas hin. Die Ohmsche Erwärmung
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 meist 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 verloren
geht und mithin eine Verringerung des Wwirkungsgrads
gegeben ist. In einem Test mit isolierendem Material 44
in der Einschnürung 34 des Triebwerks zeigte sich ein
Wirkungsgrad von 47%.
Diese Zahlenangaben verdeutlichen die Leistungsverbesserung
von 30-50% gegenüber herkömmlichen Strombogentriebwerken
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 umgebenden
Gasgemisch über einen langen Zeitraum hingehalten,
wodurch die Ohmsche Erwärmung des strömenden Gasgemisches
verbessert wird.
Um die sich durch die Einschnürstelle 34 erstreckende
Lichtbogensäule entweder zu verbreitern oder weiter einzuschnüren,
ist es möglich, außerdem
eine Sekundär-Feldeffektelektrode zu verwenden,
eine sogenannte schwimmende Elektrode 42.
Die Elektrode 42 kann unterschiedliche Form aufweisen.
Beispielsweise kann sie als Ring oder Reifen ausgebildet
sein.
Sie erstreckt sich radial durch das Isoliermaterial
hindurch, wie in Fig. 3 zu sehen ist.
Allerdings dient die schwimmende Elektrode 42 nicht als
Lichtbogen-Auftreffpunkt. Sie wird auf sekundärem positiven
oder negativen Potential bezüglich der Kathode 22
gehalten. Dies geschieht mit Hilfe der in Fig. 3 dargestellten
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 Elektrode
42 entweder positiv oder negativ bezüglich der Kathode
variiert werden kann. Eine Feinabstimmung der Lichtbogenverbreiterung
läßt sich erzielen, indem man das Potential
der schwimmenden Elektrode 42 justiert.
Zwecks der schwimmenden Elektrode 42 ist es also, den
Lichtbogen zu formen, wenn er durch die Einschnürstelle
34 hindurchgeht. Wünschenswert ist es einen möglichst
geraden oder flachen Bogen zu haben, wenn dieser durch
die Bogenkammer 32 innerhalb der Einschnürung 34 hindurchläuft,
so daß der Bogen einen längeren Weg zu der
Düsen-Anode 36 nimmt. Dann wird der Bogen daran gehindert,
gerade den nächsten Punkt der Düsenanode 36 zu
berühren, wenn er den stromabwärts gelegenen Abschnitt
der Einschnürung 34 erreicht. Das an die Elektrode 42 angelegte
elektrische Potential wird also abhängig davon
variiert, wie der Lichtbogen geformt ist und welches
weitere Verhalten der Bogen aufweisen soll. Die schwimmende
Elektrode 42 stellt eine Option dar.
Aufgabe der oben erläuterten schwimmenden Elektrode 42
und des isolierenden Einschnürungsmaterials 44 in Verbindung
mit der nicht-parallelen Form der Einschnürung 34
ist es, dafür zu sorgen, daß der Lichtbogen einen längeren
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 niedrigem
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 breiteren
Raum zerstreut. Das Einstellen und das Aufrechterhalten
eines Niederdruck-Überschall-Bogenkontakts ist
von besonderer Bedeutung bei der Erzielung von Triebwerklebensdauern
von hunderten von Stunden mit einer
Vielzahl von Zündzyklen.
Um die Erosionserscheinungen beim Zündvorgang zu reduzieren,
und um sicherzustellen, daß der Lichtbogen diffus
in der Überschall-Niederdruckzone auftrifft, können weiterhin zwei
alternative Strombogentriebwerk-Einschnürungen verwendet
werden. Die in Fig. 3 dargestellte Einschnürung 34
besitzt einen im wesentlichen parallelen Unterschall-/Überschall-
Übergangspunkt ohne scharfe Kanten, wobei ein
Hals- oder Schallpunkt 58 auf halbem Wege stromab der
Lichtbogensäule gelegen ist, während zwischen der Einlaßzone
60 und der Düsen-Anode 36 eine glatte kontinuierliche
Kontur vorhanden ist. Annähernd die Hälfte des
Lichtbogens befindet sich in einer Unterschallzone links
von dem Schallpunkt 58, und eine Hälfte des Bogens befindet
sich in der Überschallzone rechts von dem Punkt
58.
Eine in Fig. 4 (ohne Zündschiene und schwimmende Elektrode)
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 Expansionswinkels
der Schall-Einschnürung vor Erreichen der Düse
66 erreicht.
Claims (5)
1. Strombogentriebwerk, folgende Merkmale aufweisend:
- a) eine Einrichtung, die eine Tandemanordnung aus Einschnürung (34) und Düse (36) bildet, welche zusammen eine Bogenbrennkammer (32) definieren, wobei zumindest die elektrisch leitende Düse eine Anode darstellt, und wobei die Einschnürung (34) einen etwa ringförmigen Abschnitt (44) aus elektrisch isolierendem Material, welcher zwischen einer Kathodenspitze (30) und der Düsenanode (36) angeordnet ist, aufweist,
- b) ein längliches Element (20) mit einer Spitze (30) in der Nähe von und stromabwärts beabstandet von der Einschnürung (34), wobei das elektrisch leitende Element die Kathode darstellt, 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, gleichzeitig mit der Erzeugung des Lichtbogens, um eine thermische Erwärmung des strömenden Gases in der Kammer bei Expansion des Gases über die Düse (36) hervorzurufen;
gekennzeichnet durch
- e) eine Einrichtung, die eine elektrisch leitende Verlängerung (54) der Düsenanode (36) definiert und an einer festen Position entlang dem Isoliermaterial (44) der Einschnürung (34) liegt, wobei die Verlängerung zu der Bogenbrennkammer (32) hin freiliegt und sich axial zwischen der Kathodenspitze und der Düsen-Anode (36) erstreckt, um das Zünden des zwischen Kathode und Anode erzeugten Lichtbogens zu erleichtern.
2. Strombogentriebwerk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der etwa ringförmige Abschnitt aus elektrisch isolierendem
Material (44) in der Unterschallzone angeordnet ist.
3. Strombogentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einschnürung (34) eine Einrichtung umfaßt, 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.
4. Strombogentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das der Bogenbrennkammer (32) über die Einschnürstelle (34)
gleichzeitig mit der Lichtbogenerzeugung zugeführte Gas vorgeheizte
Gasbestandteile eines katalytisch zersetzten Einzeltreibstoffs
enthält.
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D2 | Grant after examination | ||
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Owner name: AEROJET-GENERAL CORP. (N.D.GES.D. STAATES DELAWARE |
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