DE3903602C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anwendung von Magnetfeldern in Raketenmotoren mit einer Brennkammer, in der durch den Abbrand eines aus einem Energie- und einem Sauer­ stoffträger bestehenden Treibstoffs heiße Verbrennungs­ gase erzeugt werden, die in einer nachgeschalteten Ex­ pansionsdüse entspannt werden, wobei wenigstens im Aus­ trittsbereich der Verbrennungsgase aus der Brennkammer eine elektrisch versorgbare Spulenanordnung zur Erzeu­ gung eines elektromagnetischen Feldes angeordnet ist.

Die Leistungsfähigkeit eines Raketenmotors wird wesent­ lich durch seinen spezifischen Impuls (Isp) bestimmt. Angesichts des Bedarfs nach Erhöhung der Nutzlast sind zahlreiche Entwicklungen zur Steigerung der Leistungs­ fähigkeit bekannt geworden. Diese Entwicklungen zielen im wesentlichen darauf ab, den Brennkammerdruck zu er­ höhen, die Wirtschaftlichkeit der Verbrennung zu ver­ bessern und das Expansionsverhältnis zu erhöhen.

Kritisch ist nach wie vor die hohe Wärmeübertragung zu den Kammerwänden sowie der Umstand, daß die Material­ grenzen nahezu erreicht sind. Hierdurch ist Raum für weitere Optimierungen gegeben.

Es besteht demgemäß ein überaus starkes Bedürfnis nach neuen Lösungen, die eine weitere Optimierung von Rake­ tenmotoren im Hinblick auf eine weitere Steigerung ih­ rer Leistungsfähigkeit ermöglichen.

Aus diesem Grund sind in der DE-PS 29 12 062 für einen Raketenmotor der eingangs genannten Art bereits Maß­ nahmen vorgeschlagen worden, mit deren Hilfe die Länge und der Durchmesser der Auslaß- bzw. Expansionsdüse vergrößert werden kann, um auf diese Weise das Aus­ dehnungsverhältnis der Treibgase und damit auch die Leistung des Triebwerks zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rake­ tenmotor gemäß dem Gattungsbegriff zur weiteren Stei­ gerung seiner Leistungsfähigkeit dahingehend weiterzu­ bilden, daß auf einfache Weise seine Gasdynamik und Thermodynamik von außen beeinflußbar sind und so die Vorraussetzungen dafür geschaffen werden, daß während des Fluges das Expansionsverhältnis verändert und die Wärmeübertragung zu den Brennkammer- und Expansionsdü­ senwänden verringert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Patent­ anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Bevorzugte Merkmale, die die Erfindung vorteilhaft weiterbilden, sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeich­ net.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Rake­ tenmotors wird es in vorteilhafter Weise ermöglicht, die Verbrennungseffizienz zu erhöhen und durch Bereit­ stellen eines zusätzlichen Freiheitsgrades das Design eines derartigen Raketenmotors weiter zu optimieren.

Zwar stellt es im Zusammenhang mit sogenannten Ionen­ triebwerken oder Plasmaantrieben, wie sie beispiels­ weise in dem Buch "Plasmatechnik", Seiten 406 bis 412, Leipzig 1984, Carl Hanser Verlag München, beschrieben sind, eine für sich genommen bereits bekannte Maßnahme dar, bei einem Raketentriebwerk eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes vorzusehen, jedoch gehören derartige Antriebe einer anderen Gattung an als der Raktetenmotor gemäß dem Oberbegriff. Während bei diesen bekannten Antrieben ein aus einem Treib­ stoff, beispielsweise Lithium, erzeugtes Niederdruck- Gas zunächst ionisiert und anschließend mittels des elektromagnetischen Feldes beschleunigt wird und auf diese Weise der für den Vortrieb benötigte Schub er­ zeugt wird, dient bei dem Raketenmotor nach der Erfin­ dung das elektromagnetische Feld dazu, einen teil­ ionisierten Hochdruck-Gasstrahl in seinem Expansions­ verhalten zu beeinflußen.

Die zu diesem Zweck erfindungsgemäß vorgesehene Spulen­ anordnung ist dabei vorzugsweise im Austrittsbereich der Verbrennungsgase aus der Brennkammer und/ oder im unmittelbaren Umgebungsbereich der Expansionsdüse vor­ gesehen, um die entsprechenden Beeinflussungsmöglich­ keiten wahrzunehmen.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung weist die Spulenanordnung supraleitende Windungen auf, die mittels des flüssigen Raketentreibstoffes, insbesondere flüssigem Sauerstoff oder flüssigem Wasserstoff, um­ spült sind. Zusammen mit der entsprechenden Anordnung der supraleitenden Windungen lassen sich we­ sentliche Vorteile erzielen:

• a) durch Verringerung der Wärmeübertragung an den Dü­ senwänden wird Kühlflüssigkeit eingespart und somit der spezifische Impuls erhöht;
• b) durch Änderung des gasdynamischen Widerstandes innerhalb der Expansions- bzw. Lavaldüse während des Fluges besteht die günstige Möglichkeit, das Expansionsverhältnis zu regeln;
• c) die Verbrennungsvorgänge werden günstig durch Ver­ ringerung von Turbulenzen beeinflußt.

Die genannten Vorteile sind im wesentlichen auf den physikalischen Effekt zurückzuführen, daß einschaltbare starke Magnetfelder das Verhalten elektrisch leitfä­ higer Gase, insbesondere deren Wärmeleitfähigkeit und deren Strömungsverhalten, zu beeinflussen vermögen. Die Verbrennungsgase in typischen Brennkammern sind teil­ weise ionisiert und damit elektrisch leitfähig. Auf­ grund der bevorzugten Ausgestaltung mit einer Spulen­ anordnung mit supraleitenden Windungen, die von dem oh­ nehin vorhandenen flüssigen Raketentreibstoff umspült sind, lassen sich vorteilhaft ohne großen Aufwand sehr starke Magnetfelder in unmittelbarer Nähe der Brenn­ kammer und/oder der Expansionsdüse erzeugen.

Als Material für die supraleitenden Windungen ist eine Materialklasse vorgesehen, deren kritische Temperaturen höher sind als die Siedepunkte des flüssigen Raketen­ treibstoffes, insbesondere von Wasserstoff.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der Zeichnung schematisch dargestellt. In dieser Schnittdarstellung ist ein Raketenmotor 10 gezeigt. Der Raketenmotor 10 besitzt eine Brennkammer 11, eine Expansionsdüse 12 und eine nicht näher dargestellte Stromversorgung, die zu einer Spulenanordnung 20 ge­ führt ist.

Der Brennkammer 11 werden mittels einer Injektionsein­ richtung 13 flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauer­ stoff als Raketentreibstoff zugeführt. Der flüssige Wasserstoff gelangt über eine Leitung 14 und der flüs­ sige Sauerstoff über eine Leitung 15 zur Injektions­ einrichtung 13. Mit den Leitungen 14 und 15 sind ferner jeweils eine Leitung 16 und eine Leitung 17 verbunden, über die elektrisch gut leitfähiges Gas zur gezielten Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Verbren­ nungsgase in der Brennkammer 11 zugeführt werden kann.

Die Brennkammer 11 und die sich daran anschließende Expansionsdüse 12 sind von einem gemeinsamen Mantelraum 18 umgeben, wobei eine Kühlung der Brennkammer 11 und der Expansionsdüse 12 durch Transpiration von Wasser­ stoff erzeugt wird, der über eine Zuführung 19 in den Mantelraum 18 eingeführt wird.

Unmittelbar im Austrittsbereich der Verbrennungsgase aus der Brennkammer 11 und im unmittelbaren Umgebungs­ bereich der Expansionsdüse 12 ist die Spulenanordnung 20 vorgesehen, die Windungen aus einem supraleitenden Material besitzt, dessen kritische Temperatur höher als die Siedepunkte von flüssigem Sauerstoff und Wasser­ stoff ist. Die Windungen der Spulenanordnung 20 steht mit einer Gleichstromversorgung des Raketenmotors in Verbindung und sorgen für ein elektromagnetisches Feld, das in der Figur durch Feldlinien 21 angedeutet ist. Die Windungen der Spulenanordnung 20 sind dabei so ausgerichtet, daß das erzeugte Magnetfeld den Anforde­ rungen entsprechend optimiert ist.

Durch die Spulenanordnung 20 läßt sich der Austritts­ bereich des Verbrennungsgases aus der Brennkammer 11 sowie die Expansionsdüse 12 mit einem starken Magnet­ feld derart beaufschlagen, daß das Verhalten der elek­ trisch leitfähigen und gegebenenfalls durch Zusatz von leitfähigen Gasen in seiner Leitfähigkeit erhöhten Verbrennungsgase beeinflußt wird. Dabei wird ohne großen zusätzlichen Aufwand die Kühlwirkung des bereits vorhandenen flüssigen Raketentreibstoffes ausgenutzt, um aufgrund der supraleitenden Eigenschaften der für die Windungen der Spulenanordnung 20 verwendeten Werk­ stoffe mit relativ niedriger Energie starke Magnet­ felder zu erzeugen.

Claims (7)

1. Anwendung von Magnetfeldern in Raketenmotoren mit einer Brennkammer, in der durch den Abbrand eines aus einem Energie- und einem Sauerstoffträger be­ stehenden Treibstoffs heiße Verbrennungsgase er­ zeugt werden, die in einer nachgeschalteten Ex­ pansionsdüse entspannt werden, wobei wenigstens im Austrittsbereich der Verbrennungsgase aus der Brennkammer eine elektrisch versorgbare Spulenan­ ordnung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (20) Windungen aus einem supra­ leitenden Material aufweist, dessen kritische Temperatur höher ist, als die Siedepunkttempera­ turen von flüssigem Raketentreibstoffen sind, wobei die Windungen der Spulenanordnung (20) mittels des flüssigen Raketentreibstoffes kühlbar sind.

2. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenanordnung (20) im unmittelbaren Umgebungsbereich des Brennkammeraustritts vorgese­ hen ist.

3. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenanordnung (20) im unmittelbaren Umgebungsbereich der Expansionsdüse (12) vorgesehen ist.

4. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenanordnung (20) im unmittelbaren Umgebungsbereich des Brennkammeraustritts und der Expansionsdüse (12) vorgesehen ist.

5. Raketenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (20) von flüssigem Raketentreibstoff umspült angeordnet ist.

6. Raketenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenanordnung (20) in einem Mantel­ raum (18) zur Zuführung von flüssigem Raketentreib­ stoff angeordnet ist.

7. Raketenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Wirkung des elektromagnetischen Feldes (21) eine Einrich­ tung (16, 17) zum Zusetzen eines die elektrische Leitfähigkeit der Verbrennungsgase erhöhenden Ma­ terials in die Brennkammer (11) vorgesehen ist.