DE3920890A1 - Lichtbogen-strahl-schuberzeuger mit verbesserter lichtbogenanhaftung zur verbesserung der leistungsfaehigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft, allgemein ausgedrückt, Systeme mit geringem Antrieb, insbesondere zum Manövrieren von Raumfahrzeugen, und spezieller eine elektrothermische Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtung oder -Schuberzeuger, der mindestens eines mehrerer verschiedener Merkmale zur Verbesserung der Lichtbogenanhaftung verwendet und da­ durch eine erhöhte Leistungsfähigkeit erreicht.

Wie herkömmlich bekannt, wandelt eine elektrothermische Lichtbogen-Strahlantriebsvorrichtung elektrische Energie in thermische Energie um durch Wärmeübertragung von einer Lichtbogenentladung auf ein strömendes Treibmittel und thermische Energie in gerichtete kinetische Energie durch Expansion des erwärmten Treibmittels durch eine Düse. Zur Erklärung der Konstruktion und der Arbeitsweise sowie der mit dieser Art von elektrothermischem Antrieb ver­ bundenen Probleme der Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrich­ tung aus historischer Sicht wird die Aufmerksamkeit auf die folgenden Veröffentlichungen gerichtet: "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 6 71 501, Hollomen Air Force Base, März 1966; und "Physics of Electric Propulsion" von R.G. Jahn, Mc-Graw-Hill Book Company 196S. Weiterhin sei auch auf das US-Patent 45 48 033 von G.L. Cann verwiesen.

Die meisten elektrothermischen Lichtbogenstrahl-Antriebs­ vorrichtungen haben als gemeinsame Merkmale eine Anode in der Form eines Düsenkörpers und eine Kathode in der Form eines zylindrischen Stabes mit einer konischen Spitze. Der Düsenkörper weist eine Lichtbogenkammer, die in einem hinteren Bereich des Körpers durch eine Veren­ gung gebildet ist, und eine Düse in einem vorderen Bereich des Düsenkörpers auf. Der Kathodenstab ist auf der Längsachse des Düsenkörpers ausgerichtet, wobei sich seine konische Spitze in das aufwärts liegende Ende der Lichtbogenkammer erstreckt und von der Verengung beab­ standet ist, um so dazwischen einen Abstand zu bilden.

Elektrothermische Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtungen, die gegenwärtig entwickelt werden, sind hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit hauptsächlich aufgrund eines Verlustmechanismus begrenzt, der auch Verlust durch ein­ gefrorene Strömung genannt wird. Verluste durch einge­ frorene Strömung umfassen Ionisierung, Dissoziation sowie Deponieren von Energie in angeregte Molekülzustände. Ver­ luste durch eingefrorene Strömung treten auf, wenn das Treibmittelgas auf sehr hohe Temperaturen durch engen Kontakt mit einem elektrischen Lichtbogen erwärmt wird und dann durch eine Düse ausgestoßen wird. Bei üblichen Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtungen besteht in Be­ reichen mit hohem Druck unzureichend Zeit, die Ionen oder die dissoziierten Moleküle zur rekombineren oder eine Erholung von der angeregten Zuständen zu erreichen. Die bei diesen Vorgängen eingesperrte Energie ist daher ver­ loren und für den Schub nicht verfügbar. Zusätzlich zu den Verlusten durch eingefrorene Strömung bei der Standartgeometrie mit eingeengtem Lichtbogen sind übliche Einengungs-Lichtbogen-Strahltriebwerke gegenüber großen Fluktuationen des Massenstroms nicht tolerant, weil der Lichtbogen in Bereiche "geblasen" wird, in denen Wärme­ übertragung und die Umwandlung von thermischer Energie in kinetische Energie unzulänglich sind.

Daher besteht ein Bedürfnis für einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Lichtbogenanhaftung in einem Lichtbogen- Schuberzeuger dahingehend, daß seine Leistungsfähigkeit verbessert wird.

Lösungen dieser Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 und 2 angegeben; vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Diese Erfindung stellt eine Lichtbogenstrahl-Antriebsvor­ richtung mit verbesserter Leistungsfähigkeit zur Verfü­ gung, die so konstuiert ist, daß sie die oben genannten Befürfnisse befriedigt. Diese Erfindung umfaßt mehrere verschiedene Merkmale, die im Stand der Technik nicht bekannt sind, die die Probleme wesentlich verbessern, die bisher mit der Steuerung des Lichtbogenanhaftbereichs bei üblichen Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtungen auf­ traten, und die dahingehend vielversprechend sind, daß sie eine Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtung zu einem ökonomischen und zuverlässigen Antriebssystem zum Manö­ vrieren von Raumfahrzeugen machen. Die meisten der Merk­ male sind vorteilhafterweise zusammen in der gleichen Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtung vereint, um be­ trächtlich verbesserte Leistungsfähigkeit sowie optimier­ te Leistung zu realisieren, obwohl man sich in einigen Fällen die Vorteile, die von einigen der Merkmalen abzu­ leiten sind, unabhängig von den anderen in unterschied­ lichen Antriebsvorrichtungen zunutze machen kann.

In erster Linie erbringen die Merkmale eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Lichtbogen­ strahl-Antriebsvorrichtung durch Steuerung der Lage der Lichtbogenanhaftzone durch richtige Anwendung von Iso­ lierung und durch Schaffung von Bedingungen hinter bzw. abwärts von dieser Zone, um Rekombination und Relaxation von Verlusten durch eingefrorene Strömung zu erzeugen. Ein Merkmal betrifft die Verwendung von elektrischen Isolationstechniken, um die Lichtbogenanhaftung vor oder aufwärts von der Expansionsdüse in eine eingeengte Licht­ bogengeometrie zu zwingen. Ein anderes Merkmal bezieht sich auf die Verwendung eines divergierenden/konvergie­ renden Abschnitts in Kombination mit der Steuerung der Lichtbogenanhaftung in einer eingeengten Lichtbogen­ geometrie. Noch ein weiteres Merkmal betrifft die Verwen­ dung von thermisch und mechanisch isoliertem Raum (ohne Material) in Kombination mit einem der beiden oben genannten Merkmale, was eine dichte Annäherung der Iso­ lations- und Lichtbogenanhaftbereiche ohne Erosion der Isolierung erbringt. Ein letztes Merkmal betrifft die Verwendung einer Sekundärtreibmittel-Zuführung in Kombination mit irgendeinem der oben genannten drei Merkmale, um die Leistungsfähigkeit durch Rückgewinnen der Verluste durch eingefrorene Strömung zu verbessern.

Folglich ist diese Erfindung insbesondere auf eine Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtung gerichtet, die die Kombination der folgenden Merkmale aufweist: (a) eine Einrichtung zum Bilden einer ringförmigen Ver­ engung und einer ringförmigen Düse, die Tandeman­ ordnung aufweisen und innere Oberflächen haben, die zusammen eine Lichtbogenkammer definieren, wobei die Verengung einen subsonisch zu supersonischen Über­ gangsbereich bildet, der axial koextensiv zu seiner inneren Oberfläche ist; (b) ein erster ringförmiger Bereich der Verengung, der elektrisch isolierend ist, um einen Isolator zu bilden; (c) ein zweiter ringförmiger Bereich der Verengung, der elektrisch leitend ist, um eine Anode zu bilden, die Seite an Seite zum Isolator und aufwärts davon angeordnet ist, wobei der Isolator und die Anode axial koextensiv mit dem durch die Verengung gebildeten Übergangsbereich sind und entlang diesem an­ ordnet sind; (d) ein längliches Teil mit einer Spitze, die der Anode der Verengung benachbart und aufwärts davon von dieser beabstandet ist, wobei das Teil elektrisch leitend ist, um eine Kathode zu bilden, die durch eine Lücke von der Anode beabstandet ist, welche Lücke im wesentlichen zu der Lichtbogenkammer koextensiv ist; und (e) eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Anode und die Kathode, um einen elek­ trischen Lichtbogen in der Lichtbogenkammer von der Kathode zu der Anode zu erzeugen, was ein thermisches Erwärmen der Teibmittelgase, die durch den Übergangs­ bereich der Verengung strömen, und deren Expansion durch die Düse hervorruft, wobei die Anordnung des Isolators von der Anode abwärts eine Ausbreitung und Anhaftung des elektrischen Lichtbogens an dem Bereich der Anode in dem Übergangsbereich der Verengung erzeugt, und wobei sie eine Bewegung des Ausbreitungs- und Anhaftbereichs des Lichtbogens hinter dem Isolator abwärts zu der Düse als Antwort auf Veränderungen des Treibmittelgas-Massen­ stroms durch die Verengung verhindert. Die Antriebsvor­ richtung kann einen dritten ringförmigen Bereich der Verengung aufweisen, der elektrisch isolierend ist, um einen weiteren Isolator zu bilden, der Seite an Seite zu der Anode, aufwärts davon, angeordnet ist und der näher bei der Kathode liegt als die Anode.

Die Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtung kann einen Ex­ pansions- und Kompressionshohlraum enthalten, der in der Kammer durch Divergenz und Konvergenz der Seite an Seite gelegenen Oberflächenbereiche der Verengung ge­ bildet ist, die durch die entsprechend Seite an Seite angeordnete Anode und den Isolator gebildet sind. Der Expansions- und Kompressionshohlraum schafft einen Bereich niedrigen Drucks an der Anode für die Lichtbogen­ anhaftung und -ausbreitung. Außerdem kann die Antriebs­ vorrichtung eine Einrichtung an der Verengung enthalten, die einen Bereich thermischer und mechanischer Isolierung zwischen der Anode und dem Isolator bildet, was einen Bereich stagnierenden Gases und eine mechanische Grenz­ fläche in diesem Bereich schafft, was die Temperatur an dem Isolator entsprechend vermindert und seine Lage von dem Bereich der Lichtbogenanhaftung und -ausbreitung an der Anode weiter weg verlegt. Ebenso kann die Antriebs­ vorrichtung eine Einrichtung enthalten, die eine Passage durch den Isolator zu der Lichtbogenkammer bildet, um einen Weg für Sekundärströmung von Treibmittelgas in die Kammer abwärts von dem Bereich der Lichtbogenanhaftung und -ausbreitung zu schaffen, um Verluste durch einge­ frorene Strömung zurückzugewinnen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand mehrerer zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch den Kathodenstab und den Anoden-Düsenkörper einer üblichen, bekannten Lichtbogenstrahl-Antriebs­ vorrichtung;

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch den Kathoden­ stab und den Anoden-Düsenkörper in einer Licht­ bogenstrahl-Antriebsvorrichtung mit verbesserter Leistungsfähigkeit in einer ersten Ausführungs­ form gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen schematischen Axialschnitt durch den Kathodenstab und den Anoden-Düsenkörper der Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 4 einen schematischen Axialschnitt durch den Kathodenstab und den Anoden-Düsenkörper der Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtung in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung; und

Fig. 5 einen schematischen Axialschnitt durch den Kathodenstab und den Anoden-Düsenkörper der Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtung in einer vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung entsprechen in sämt­ liche Figuren gleiche Bezugszeichen gleichen oder ent­ sprechenden Teilen.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 wird in schematischer und fragmentarischer Form eine übliche elektrothermische Lichtbogenstrahl-Antriebs­ vorrichtung oder -Schuberzeuger mit eingeengter Licht­ bogengeometrie gemäß dem Stand der Technik gezeigt, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Wie allgemein bekannt ist, weist die Lichtbogenstrahl- Antriebsvorrichtung 10 eine Anode 12 in der Form eines zylindrischen Körpers, der aus elektrisch leitendem Metall besteht, und eine Kathode 14 in der Form eines länglichen zylindrischen Stabes, der aus elektrisch leitendem Metall besteht, mit einer konischen Spitze 16 auf. Der Anodenkörper 12 weist eine Lichtbogenkammer 18, die durch eine Verengung 20 in der Form einer quasi­ zylindrischen, inneren Oberfläche 22 in einem hinteren Bereich des Körpers gebildet ist, und eine Düse 24 in der Form einer konischen, inneren Oberfläche 26 in einem vorderen Bereich davon auf. Die Verengung 20 bildet einen subsonisch zu supersonischen Übergangsbereich in der Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtung 10, der axial im wesentlichen das Ausmaß der inneren Oberfläche 22 hat. Der Kathodenstab 14 ist auf der Längsachse A des Anoden­ körpers 12 ausgerichtet, wobei sich seine Spitze 16 in das stromaufseitige Ende der Lichtbogenkammer 18 und be­ nachbart von der Verengung 20 erstreck, so daß dazwischen ein Abstand 28 gebildet ist.

Eine Leistungssteuerung 30 ist zwischen dem Anodenkörper 12 und dem Kathodenstab 14 elektrisch verbunden und in einer bekannten Art betreibbar, um dazwischen ein elek­ trisches Potential anzulegen, das an dem Anodenkörper 12 positiv und an dem Kathodenstab 14 negativ ist, um die Erzeugung eines den Abstand 28 überbrückenden Lichtbogens 32 zu initiieren. Die Leistungssteuerung ist in Block­ form dargestellt, da ihre Komponenten im Stand der Technik bekannt sind; diese Bestandteil im Detail darzu­ stellen würde lediglich dazu führen, die Komplexität der Erklärung der Lichtbogenstrahl-Antriebsvorrichtung 10 zu erhöhen, ohne etwas zur Klarheit hinzuzufügen.

Der Lichtbogen 32 wird zuerst zwischen der Spitze 16 des Kathodenstabs 14 und dem Anodenkörper 12 am Eingang zu der Verengung 20 initiiert. Der Lichtbogen 32 wird dann stromabwärts entlang der Oberfläche 22 der Verengung durch unter Druck stehendes Treibmittelgas mit einer wirbelartigen Strömung, wie durch den Pfeil 34 darge­ stellt, durch den Abstand 28 und darüberhinaus durch die Verengung 20 und aus dem subsonisch/supersonisch Über­ gangsbereich der Düse 24 der Antriebsvorrichtung 10 ge­ trieben. Der Lichtbogen 32 stabilisiert sich an der Ober­ fläche 26 der Düse 24 des Anodenkörpers 12.

Bei der oben beschriebenen üblichen Lichtbogenstrahl- Antriebsvorrichtung 10 mit eingeengter Lichtbogenform ist der elektrische Lichtbogen 32 durch die parallele Elek­ trodengeometrie der zylindrischen Oberfläche 22 der Verengung und durch die dynamischen Kräfte der radialen Gasströmung des induzierten Wirbels, der durch tangentiale Zuführung der Treibmittels erzeugt wird, "eingeengt" bzw. "eingeschnürt". Das Treibmittelgas wird in dem Bereich der Verengung 20 und in dem Bereich der Lichtbogenausbreitung an dem Mund 36 der Düse 22 strom­ ab des Ausgangs der Verengung aufgeheizt. Dieses über­ hitzte Gas wird dann aus der Düse 22 augestoßen, um Schub zu erzeugen. Der elektrische Kreis der Lichtbogen­ strahl-Antriebsvorrichtung 10 ist zwischen dem Kathoden­ stab 14 und dem Anodenkörper 12 vollständig, wobei Lichtbogenanhaftung in dem Bereich des Düsenmundes 36 auftritt. Die Lage der Lichtbogenanhaftung in dem Anoden­ körper 12 wird durch die Massenflußrate, die den Licht­ bogenausbreitungsbereich die Düse 24 abwärts drückt, und durch das Vorhandensein eines elektrisch leitenden Be­ reichs, d.h. des Anodenkörpers, für die Lichtbogenanhaf­ tung bestimmt.

Das kürzlich erfolgte Testen einer Lichtbogenstrahl- Antriebsvorrichtung mit der oben beschriebenen Standard­ konfiguration hat zwei wichtige Aspekte der Lichtbogen­ strahl-Leistung aufgedeckt. Bei diesen Tests wurde herausgefunden, daß der Lichtbogenausbreitungsbereich in einem großen Anteil zu der Wärmeübertragung auf das Treibmittelgas beiträgt. Die Wärmeübertragung in dem Bereich der Verengung 20 wurde parametrisch durch Varia­ tion der Länge der Verengung untersucht. Die aufgezeich­ nete Leistung zeigte an, daß, selbst wenn die Länge auf Null vermindert wurde, die Leistung der Antriebsvorrich­ tung im wesentlichen die gleiche war. Diese erste wich­ tige Feststellung dieser Untersuchung war die entschei­ dende Bedeutung der Lichtbogenanhaftung; wenn die Massen­ flußrate verändert wurde, änderte sich die Leistungs­ fähigkeit dieser Antriebsvorrichtung wesentlich. Verän­ derungen in dem Massenfluß von 10 bis 15% führten zu Änderungen von bis zu 25% in der gesamten Leistungsfähig­ keit. Wie vorher diskutiert, ändern Veränderungen in dem Massenfluß die Lage des Lichtbogenausbreitungsbereichs und des Lichtbogenanhaftungsbereichs.

Große Schwankungen bei der Leistungsfähigkeit, wenn der Massenfluß variiert wird, sind unakzeptabel, da Raumfahr­ zeuge ein "Ausblas"-Verfahren der Treibmittelzufuhr an­ wenden, bei dem der Treibmitteltank-Zufuhrdruck und damit die Massenflußrate um einen Faktor von 2 vom anfänglichen Zünden bis zum Ende einer Mission fallen kann. Die Steuerung des Lichtbogenanhaftungsbereichs unter Verände­ rung der Bedingungen des Massenflusses ist daher sehr wichtig für den möglichen Einsatz dieser Lichtbogen­ strahl-Antriebsvorrichtung mit einem "Ausblas"-Treibmit­ tel-Zuführsystem.

Aufgrund früherer Analysen und Untersuchungen wurde fest­ gestellt, daß große Schwankungen in der Leistungsfähigkeit einer Antriebsvorrichtung mit Ände­ rungen sowohl in der Menge der Energie, die von der Lichtbogenanhaftung an der Anode abgeführt wird, als auch in der Menge der Energie, die an Verluste durch eingefrorene Strömung verlorengeht, in Zusammenhang ge­ bracht werden können. Es wurde herausgefunden, daß eine zusätzliche Aufenthaltszeit vor der Expansion in der Düse vorteilhaft ist, um Verluste durch eingefrorene Strömung zu minimieren. Dies ist besonders wirksam, wenn die zusätzliche Aufenthaltszeit in einem Bereich hohen Drucks und/oder niedriger Temperatur verbracht wird, aber ohne wesentliches Mischen und resultierendes Schmelzen der Anode. Die Merkmale dieser Erfindung, die nun beschrieben werden, beziehen sich direkt darauf, dieses Ziel zu erreichen und die Bewegung des Lichtbogenanhaftbereichs unter Veränderung des Massenflusses zu minimieren, was der Mangel bei der oben beschriebenen Standard-Licht­ bogenstrahl-Antriebsvorrichtung 10 ist.

Fig. 2 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Licht­ bogenstrahl-Antriebsvorrichtung 40 mit verbesserter Leistungsfähigkeit dar, die entsprechend dieser Erfindung konstruiert ist. Die erste Ausführungsform zeigt die Verwendung von elektrischen Isolationstechniken, um die Lichtbogenanhaftung und -ausbreitung vor der Expansions­ düse der Antriebsvorrichtung in eine eingeengte Licht­ bogengeometrie zu zwängen.

Grundsätzlich enthält die Lichtbogenstrahl-Antriebsvor­ richtung 40 einen zylindrischen Körper 42, der eine ringförmige Verengung 44 und eine ringförmige Düse 46 bildet, die in Tandemanordnung im hinteren und im vorde­ ren Bereich des Körpers angeordnet sind und entsprechende quasi-zylindrische und konische innere Oberflächen 48 und 50 aufweisen, die zusammen eine Lichtbogenkammer 52 de­ finieren. Die Verengung 44 bildet einen subsonisch zu supersonischen Übergangsbereich in der Lichtbogenstrahl- Antriebsvorrichtung 40, der axial das Ausmaß der inneren Oberfläche 48 hat. Ein erster ringförmiger Bereich 54 der Verengung 44 ist ein Isolator, der aus elektrisch isolie­ rendem Material gebildet ist. Beispielsweise kann das Material des Isolators 44 Bornitrid, Aluminiumoxid, Quarz oder irgendein geeignetes Hochtemperatur-Isolationsmate­ rial sein. Ein zweiter ringförmiger Bereich 56 der Ver­ engung 44 ist eine Anode, die aus elektrisch leitendem Metall hergestellt ist. Beispielsweise kann das Metall der Anode 56 Wolfram sein. Die Anode 56 ist Seite an Seite zum Isolator 54 angeordnet und erstreckt sich davon stromaufwärts. Ebenso haben der Isolator 54 und die Anode 56, die tandemartig angeordnet sind, axial eine Ausdehnung entsprechend dem durch die Verengung 44 de­ finierten Übergangsbereich und sind entlang diesem angeordnet.

Die Antriebsvorrichtung 40 weist weiterhin ein längliches Teil in der Form eines zylindrischen Stabes 58 auf, der eine konische Spitze 60 hat, die in der Nähe von der Verengung 44 und von dieser aufwärts beabstandet ist. Der Stab 58 besteht aus einem elektrisch leitenden Metall, beispielsweise Wolfram, und bildet eine Kathode, die von der Anode 56 einen Abstand 62 hat, dessen Ausmaß im wesentlichen der Lichtbogenkammer 52 entspricht. Ins­ besondere ist die Kathode 58 auf der Längsachse B des Körpers 42 ausgerichtet, wobei sich ihre Spitze 60 in das aufwärtsliegende Ende der Lichtbogenkammer 52 er­ streckt.

Eine Leistungssteuerung 64 ist zwischen der Anode 56 und der Kathode 58 elektrisch verbunden und in einer bekannten Art betreibbar, um ein elektrisches Potential dazwischen anzulegen, welches bei der ringförmigen Anode positiv und bei der Kathode negativ ist, um die Erzeugung eines den Abstand 62 überbrückenden elektrischen Licht­ bogens 66 zu initiieren. Die Leistungssteuerung 64 ist für sich genommen identisch zu derjenigen, die in Ver­ bindung mit der bekannten Standard-Antriebsvorrichtung 10 verwendet ist. Diese ist ebenfalls in Blockform darge­ stellt, da ihre Komponenten in der Technik gut bekannt sind, und sie im Detail darzustellen würde lediglich dazu führen, die Komplexität der Erklärung der Licht­ bogenstrahl-Antriebsvorrichtung 40 zu erhöhen, ohne etwas zur Klarheit hinzuzufügen.

Wie vorher sorgt der Lichtbogen 66, der in der Kammer 52 erzeugt worden ist, für thermische Erwärmung der Treib­ mittelgase, die durch die Kammer strömen, wie durch den Pfeil 68 dargestellt, und für deren Expansion durch die Düse 46 der Antriebsvorrichtung. Im Fall der Antriebs­ vorrichtung 40 mit verbesserter Leistungsfähigkeit ver­ ursacht nun jedoch die Anordnung des Isolators 54 von der Anode 56 abwärts, daß die Ausbreitung und das Anhaften des elektrischen Lichtbogens 66 in dem Bereich der Anode 56 und somit innerhalb des Übergangsbereichs der Ver­ engung 44, wie in Fig. 2 dargestellt, auftreten, und ver­ hindert die Bewegung des Ausbreitungs- und Anhaftbereichs des Lichtbogens hinter dem Isolator 54 abwärts zu der Düse 46 als Antwort auf Veränderungen im Massenfluß des Treibmittelgases durch die Verengung 44.

Durch die oben beschriebene Verwendung der elektrischen Isolierung in der Verengung 44 wird eine Lichtbogenan­ haftsteuerung und eine Verbesserung der Erholung von Verlusten durch eingefrorene Strömung erreicht. Der elektrische Lichtbogen 66 wird daran gehindert, die Verengung hinuntergeblasen zu werden, durch die Gegenwart des darin enthaltenen Isolators 54 und durch Isolieren der Düse 46 von dem Rückstromweg durch die Anode 56, die stromauf von dem Isolator 54 angeordnet ist.

Eine zusätzliche Isolierung kann auch verwendet werden, um die gewünschte Anhaftstelle zu erreichen, indem ver­ hindert wird, daß Strom zu einer Stelle stromauf von dem Anhaftbereich der Anode 56 fließt. Die Verwendung solcher zusätzlicher Isolierung ist in Fig. 3 dargestellt, wo ein dritter ringförmiger, elektrisch isolierender Bereich der Verengung 44 einen weiteren Isolator 70 bildet, der Seite an Seite zur Anode 56, stromauf davon und stromauf von dem Übergangsbereich, angeordnet ist und der näher bei der Kathode 58 liegt als die Anode 56. Der aufwärts angeordnete Isolator 70 muß nicht den gewünschten Effekt bei sämtlichen Massenflüssen und Leistungsniveaus er­ reichen. Beispielsweise wurden bei Stromniveaus unterhalb 12 bis 15A nicht-erosive Starts erreicht, selbst wenn alle die Teile des Körpers 42, die von der Anode 56 auf­ wärts angeordnet sind, aus dem gleichen elektrisch leitenden Material hergestellt sind wie die Anode. Bei einem Strom von 25A und mehr ist es schwierig, sich allein auf durch schnelles Gas dynamisch induzierte Be­ wegung der Lichtbogensäule in dem Bereich des Körpers 42 zu verlassen, der von der Anode 56 aufwärts angeordnet ist, um Erosion zu verhindern. Daher sollte bei höheren Stromniveaus der stromaufwärtige Körperbereich als Iso­ lator 70 gemäß Fig. 3 ausgebildet sein. Jedoch ist es nicht erforderlich, daß die Düse 46 aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist, es kann irgendein geeignetes Hochtemperatur-Isolationsmaterial sein oder irgendein hochtemperaturbeständiges Metall, wie Wolfram oder Rhenium, solange kein Rückstromweg geschaffen ist.

Wärmeübertragung von dem Lichtbogen 66 auf das strömende Gas erfolgt hauptsächlich in dem Ausbreitungs- und Anhaftbereich des Lichtbogens bei der Anode 56. Wenn dieser Bereich aufgrund des hohen Drucks in der Verengung 44 keine Lichtbogenausbreitung zuläßt, wird der Treib­ mittelwirbel rotieren und den Lichtbogen ausbreiten, wobei lokales Schmelzen des Anodenbereichs verhindert wird. Die Erholung der Energiemodes, die zu der Verhin­ derung von Verlusten durch eingefrorene Strömung gehört, tritt in dem Bereich des Isolators 54 unmittelbar stromab von der Anode 56 auf. Die Länge und der Durchmesser des Isolationsbereichs könnte für verschiedene Leistungsni­ veaus und Massenflüsse variieren. Die Expansion von über­ hitztem Treibmittel, um den Schub zu erhalten, tritt dann in der Düse 46 auf.

Fig. 3 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel der Licht­ bogenstrahl-Antriebsvorrichtung mit verbesserter Lei­ stungsfähigkeit dar, die mit 40A bezeichnet ist und ent­ sprechend den Prinzipien dieser Erfindung aufgebaut ist und die gleiche Konstruktion aufweist wie die erste Ausführungsform gemäß Fig. 2 mit Ausnahme des nachfol­ gend beschriebenen zusätzlichen Merkmals. Das zweite Ausführungsbeispiel zeigt die Verwendung eines Expansions- und Kompressionshohlraums 72, der in der Lichtbogenkammer 52 durch divergierende und konvergierende, Seite an Seite angeordnete Oberflächenbereiche 74 und 76 der Verengung gebildet ist. Diese Oberflächenbereiche 74 und 76 sind an der Anode 56 und dem Isolator 54 gebildet, die ent­ sprechend Seite an Seite angeordnet sind. Der Expansions- und Kompressionshohlraum 72 sorgt für einen Niederdruck­ bereich bei der Anode 56 für das Anhaften und die Aus­ breitung des Lichtbogens. Somit ermöglicht der Hohlraum 72 die Verwirklichung der zusammengesetzten Ziele der Steuerung der Lichtbogenanhaftung und der Anodenanhaftung bei niedrigerem Druck. Alle isolierenden und elektrisch isolierten Bereiche können die gleichen sein wie in der Antriebsvorrichtung 40 gemäß Fig. 2. Die Oberfächengeo­ metrie der Verengung 44 ist verändert, um einen Bereich der Lichtbogenausbreitung und -anhaftung unter niedrige­ rem Druck bei der Anode 56 zu ermöglichen. Durch die Steuerung des Drucks und Verwendung der Geometrieverände­ rungen, wie gezeigt, läßt sich eine geringere Erosion in dem Bereich der Verengung 44 von der Anode 56 errei­ chen (wenn er leitend oder ein potentieller Rückstrom­ weg ist).

Fig. 4 stellt eine dritte Ausführungsform der Licht­ bogenstrahl-Antriebsvorrichtung mit verbesserter Lei­ stungsfähigkeit dar, die mit 40B bezeichnet ist, ent­ sprechend den Prinzipien dieser Erfindung konstruiert ist und die gleiche Konstruktion wie das erste Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 2 aufweist mit Ausnahme des folgenden zusätzlichen Merkmals. Das dritte Ausführungs­ beispiel veranschaulicht die Verwendung einer Einrichtung an der Verengung 44, die eine Zone thermischer und mecha­ nischer Isolierung zwischen der Anode 56 und dem Iso­ lator 54 definiert. Genauer ausgedrückt, schafft diese Zone einen inneren Bereich 78 stagnierenden Gases und eine äußere mechanische Grenzfläche 80, was das Erwärmen des Isolators 54 durch die Anode 56 entsprechend vermin­ dert und seine Lage weiter weg von dem Bereich der Lichtbogenanhaftung und -ausbreitung an der Anode 56 ver­ schiebt. Dieses Merkmal kann in Kombination mit dem Merk­ mal gemäß Fig. 2 (wie in Fig. 4 dargestellt) oder mit den Merkmalen gemäß den Fig. 2 und 3 verwendet werden.

Allgemein ausgedrückt, kann eine elektrische Isolierung zwischen zwei Leitern oder eine thermische und mecha­ nische Isolierung zwischen einem Leiter und einem Isola­ tor durch Einhalten eines ausreichenden Abstands zwischen diesen Oberflächen durch kontrolliertes Beabstanden er­ reicht werden. Wenn die beiden Materialien sehr hohe Temperaturen aufweisen und eines dieser Materialien weniger temperaturgeeignet ist als das andere Material, dann kann physikalische Isolierung entscheidend sein für die Verhinderung der Verdampfung des Materials mit niedrigerer Temperaturbeständigkeit. In den Fig. 2 und 3 ist das Material des Isolators 54 vollflächig in Kon­ takt mit dem Material der Anode 56 angeordnet, die den Rückstromweg bildet. Tests und Analysen haben ergeben, daß unter bestimmten Bedingungen der leitende örtliche Anodenanhaftbereich Temperaturen erreichen kann, die über die stabilen Temperaturen von elektrischen Isolations­ materialien hinausgehen. Während erfolgreiche Tests mit direkter Grenzfläche zwischen Isolator und Leiter bei Leistungsniveaus von bis zu 2 kW durchgeführt worden sind, trat bei Untersuchungen im Bereich von mehr als 10 bis 30 kW eine beachtliche Erosion des Isolations­ materials auf.

Fig. 4 stellt die Verwendung von Kammern oder Bereichen 78 mit stagnierendem Gas dar, um eine mechanische und thermische Isolierung der Lichtbogenanhaftbereichs bei der Anode 56 von dem elektrischen Isolator 54 zu errei­ chen. Die mechanische Grenzfläche 80 verringerter Flächengröße zwischen dem Anoden- und dem Isolatormate­ rial ist von dem lokalen Bereich der Lichtbogenanhaftung weggerückt, und die thermische Leitung zu dem Isolator 54 von der Stromrückführelektrode oder Anode 56 ist minimiert. Die Bereiche 78 mit stagnierendem Gas beein­ flussen die Haupt-Treibmittelströmung im wesentlichen nicht, wenn diese Bereiche klein genug gemacht sind. Die Bereiche 78 mit stagnierendem Gas haben kälteres Gas in der Nähe des Oberflächenbereichs 75, und daher ist die Temperatur des stagnierenden Gases weit geringer als die der Anode 56.

Fig. 5 stellt ein viertes Ausführungsbeispiel der Licht­ bogenstrahl-Antriebsvorrichtung mit verbesserter Lei­ stungsfähigkeit dar, die mit 40C bezeichnet ist, ent­ sprechend den Prinzipien dieser Erfindung konstruiert ist und die gleiche Konstuktion wie das zweite Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 3 aufweist mit Ausnahme des folgenden zusätzlichen Merkmals. Das vierte Ausführungsbeispiel veranschaulicht die Verwendung einer Passage 82, die durch den Isolator 54 zu der Lichtbogenkammer 52 gebildet ist, um einen Weg für Sekundärströmung von Treibmittel­ gas, wie durch den Pfeil 84 gezeigt, in die Kammer 52 abwärts von dem Bereich der Lichtbogenanhaftung und -ausbreitung, wie der Anode 56, zu schaffen, um Verluste durch eingefrorene Strömung zurückzugewinnen. Dieses Merkmal kann in Kombination mit dem Merkmal gemäß Fig. 2 oder mit den Merkmalen der Fig. 2 und 3 (wie in Fig. 5 gezeigt) mit oder ohne das Merkmal gemäß Fig. 4 verwendet werden.

Allgemein ausgedrückt, können Verluste durch eingefrorene Strömung wesentlich durch erhöhte Rekombinations- und Erholungsereignisse zwischen Molekülen minimiert werden. Die Häufigkeit dieser Ereignisse ist höher in Bereichen höheren Drucks und niedrigerer Temperatur. Diese beiden Bedingungen können durch Zuführen einer geringen Menge an Treibmittelgas erreicht werden, welches noch nicht mit dem elektrischen Lichtbogen 66 in engem Kontakt war. Fig. 5 veranschaulicht die Verwendung von sekundärer Zuführung als einen Teil der Niederdruck-Anhaftsteuerung. Die primäre Treibmittelzuführung 68 wird durch Kontakt mit dem Lichtbogen 66 in der Lichtbogenausbreitungsregion erwärmt. Ein Teil des Treibmittelstroms wird vor der primären Treibmittelzuführung durch geeignete Einrich­ tungen (nicht dargestellt) zu der sekundären Zuführpassa­ ge 82 (oder Passagen), die in dem Isolator 54 enthalten sind, abgezweigt. Dieser Strom mit niedrigerer Tempera­ tur tritt in den Vorexpansionsbereich der Lichtbogen­ kammer 52 gerade von der Düse 46 aufwärts ein, wodurch vermehrt Rekombinations- und Relaxationsereignisse hervorgerufen werden. Alternativ kann eine Sekundärzu­ führung dieser Art in der Spaltisolierung der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 4 verwendet werden, indem der Lückenraum ein Füllraum für die Sekundärzuführung ist.

Claims (6)

1. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger mit:

• a) einer Einrichtung zum Bilden einer ringförmigen Verengung (44) und einer ringförmigen Düse (46), die Tandemanordnung aufweisen und entsprechende Oberflächen (48, 50) enthalten, wobei in der Ein­ richtung eine Lichtbogenkammer (52) vorhanden ist;
• b) einem ersten ringförmigen Bereich der Verengung (44), der elektrisch isolierend ist, um einen Isolator (54) zu bilden;
• c) einem zweiten ringförmigen Bereich der Verengung (44), der elektrisch leitend ist, um eine Anode (56) zu bilden, die Seite an Seite mit dem Isolator (54) stromaufwärts von diesem angeordnet ist;
• d) einem länglichen Teil (58) mit einer Spitze (60), die in der Nähe der Anode (56) der Verengung (44) und stromaufwärts von dieser beabstandet ist, wobei das Teil (58) elektrisch leitend ist, um eine Kathode (58) zu bilden, die von der Anode (56) einen Abstand (62) hat, der im wesentlichen das Ausmaß der Lichtbogenkammer (52) hat; und mit
• e) einer Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Anode (56) und die Kathode (58), um einen elektrischen Lichtbogen (66) in der Licht­ bogenkammer (52) von der Kathode (58) zu der Anode (56) zu erzeugen, was ein thermisches Aufheizen von Treibmittelgasen, die durch die Kammer (52) strömen, und deren Expansion durch die Düse (46) verursacht, wobei die Anordnung des Isolators (54) stromabwärts von der Anode (56) ein Ausbreiten und ein Anhaften des elektrischen Lichtbogens (66) im Bereich der Anode (56) in der Verengung (44) verursacht und wobei diese Anordnung ein Bewegen des Ausbreitungs- und Anhaftbereichs des Lichtbogens stromabwärts hinter den Isolator (54) zu der Düse (46) in Reaktion auf Veränderungen des Treibmittelgas-Massenstroms durch die Verengung (44) verhindert.

2. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger mit:

• a) einer Einrichtung zum Bilden einer ringförmigen Verengung (44) und einer ringförmigen Düse (46), die Tandemanordnung aufweisen und entsprechende innere Oberflächen (48, 50) haben, wobei in der Einrichtung eine Lichtbogenkammer (52) vorhanden ist und wobei die Verengung (44) einen subsonisch zu supersonischen Übergangsbereich definiert, der axial das Ausmaß seiner inneren Oberfläche hat;
• b) einem ersten ringförmigen Bereich der Verengung (44), der elektrisch isolierend ist, um einen Isolator (54) zu bilden;
• c) einem zweiten ringförmigen Bereich der Verengung (44), der elektrisch leitend ist, um eine Anode (56) zu bilden, die Seite an Seite mit dem Isolator (54) stromaufwärts von diesem angeordnet ist, wobei der Isolator (54) und die Anode (56) axial ein Ausmaß entsprechend dem Übergangsbereich, der durch die Verengung (44) gebildet ist, haben und längs diesem angeordnet sind;
• d) einem länglichen Teil (58) mit einer Spitze (60), die in der Nähe der Anode (56) der Verengung (44) und stromaufwärts von dieser beabstandet ist, wobei das Teil (58) elektrisch leitend ist, um eine Kathode (58) zu bilden, die von der Anode (56) einen Abstand (62) hat, der im wesentlichen das Ausmaß der Licht­ bogenkammer (52) hat; und mit
• e) einer Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Anode (56) und die Kathode (58), um einen elektrischen Lichtbogen (66) in der Lichtbogen­ kammer (52) von der Kathode (58) zu der Anode (56) zu erzeugen, was ein thermisches Aufheizen von Treibmittelgasen, die durch den Übergangsbereich der Verengung (44) strömen, und deren Expansion durch die Düse (46) verursacht, wobei die Anordnung des Isola­ tors (54) stromabwärts von der Anode (56) ein Aus­ breiten und ein Anhaften des elektrischen Lichtbogens (66) im Bereich der Anode (56) in dem Übergangsbereich (44) verursacht und wobei diese Anordnung ein Bewegen des Ausbreitungs- und Anhaft­ bereichs des Lichtbogens stromabwärts hinter den Isolator (54) zu der Düse (46) in Reaktion auf Ver­ änderungen des Treibmittelgas-Massenstroms durch die Verengung (44) verhindert.

3. Schuberzeuger nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen dritten ringförmigen Bereich der Verengung (44), der elektrisch isolierend ist, um einen weiteren Isolator (70) zu bilden, der Seite an Seite zu der Anode (56) stromaufwärts von dieser ange­ ordnet ist und der näher zu der Kathode (58) als die Anode (56) ist.

4. Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Expansions- und Kompressionshohlraum (72) in der Kammer (52) durch Seite an Seite angeordnete, divergie­ rende und konvergierende Oberflächenbereiche der Veren­ gung (44) gebildet ist, die an entsprechend Seite an Seite angeordneten Anode (56) und Isolator (54) definiert sind, wobei der Expansions- und Kompressionshohlraum (72) einen Niederdruckbereich an der Anode (56) für die Lichtbogenanhaftung und -ausbreitung schafft.

5. Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung an der Verengung (44), die eine Zone thermischer und mechanischer Iso­ lierung zwischen der Anode (56) und dem Isolator (54) bildet, was einen Bereich mit stagnierendem Gas und eine mechanische Grenzfläche an der Zone schafft, was ent­ sprechend die Temperatur an dem Isolator (54) vermindert und seinen Ort weiter weg von dem Anhaft- und Ausbrei­ tungsbereich des Lichtbogens an der Anode (56) verlagert.

6. Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die eine Passage (82) durch den Isolator (54) zu der Lichtbogenkammer (52) bildet zum Schaffen eines Weges für Sekundärströmung von Treibmittelgas in die Kammer stromabwärts von dem An­ haft- und Ausbreitungsbereichs des Lichtbogens, um Ver­ luste durch eingefrorene Strömung zurückzugewinnen.