DE4123153C2 - Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger und Anodenkörper - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger und einen Anodenkörper dafür.

Typische Lichtbogen-Strahl-Antriebsvorrichtungen oder -Schuberzeuger verwenden einen elektrischen Lichtbogen zum Erhitzen eines strömenden Treibmittels bei seinem Durchtritt durch eine Lichtbogenkammer, die im allgemeinen als eine konvergierende/divergierende Düse ausgebildet ist. Der übliche Schuberzeuger besitzt typischerweise einen hohlen Anodenkörper mit einem durchgehenden Hohlraum, der die Düse bildet. Koaxial ausgerichtet mit und beabstandet von der Düse ist eine zylindrische Kathode. Die Anode und die Kathode sind gewöhnlich aus Wolfram oder anderen Hochtemperatur-Metallegierungen hergestellt.

Typische Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger sind in den US-Patenten 3 603 089 und 3 425 223 offenbart und auch in "Physics of Electric Propulsion" von Robert G. Jahn, McGraw Hill, Seite 90-130, beschrieben. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger mit verbesserter Effizienz sind in den US-Patenten 4 800 716, 4 882 465 und 4 926 632 offenbart. US 4 800 716 offenbart insbesondere einen Anodenkörper mit einer divergie­ renden Düse und einem ebenfalls, jedoch weniger stark, divergierenden Verengungsbereich.

Ein vereinfachtes Beispiel eines üblichen Lichtbogen- Strahl-Schuberzeugers ist in Fig. 2 schematisch im Querschnitt dargestellt. Dieser Lichtbogen-Strahl-Schub­ erzeuger 10 besitzt einen im wesentlichen hohlen Anodenkörper 12, der in ihm eine divergierende Düse 14 bildet. Die Düse 14 ist um eine zentrale Achse 16 symmetrisch. Koaxial ausgerichtet und stromaufwärts beabstandet von dem Anodenkörper 12 ist eine zylindrische Kathode 18, die eine im wesentlichen konische Kathodenspitze 20 besitzt. Diese Spitze ist von dem Anodenkörper 12 durch einen Spalt 22 beabstandet. Ein derartiger Lichtbogen- Strahl-Schuberzeuger ist zum Beispiel offenbart in J. Spacecraft a. Rockets, Bd. 4 (1967), S. 685-687, Fig. 1a.

Ein Treibmittelgas 24 wird in einer Wirbelströmung in die Düse 14 durch den Spalt 22 eingespeist, vorbei an einem Düsenhals 26 und einem Verengungs­ bereich 28, und dann zur Erzeugung von Schub- bzw. Antrieb durch einen divergierenden Bereich 30 der Düse 14 expandiert.

Gleichzeitig wird ein elektrisches Potential zwischen der Kathode 18 und dem Anodenkörper 12 angelegt, um einen den Spalt 22 überbrückenden Lichtbogen 32 zu erzeugen. Der von der Kathode ausgehende Lichtbogen 32 wird von dem strömenden Treibmittel durch die Eintrittsöffnung 26 und durch die zylindrische Verengung 28 getrieben, so daß das stromabseitige Ende des Lichtbogens 32 im divergierenden Bereich 30 der Düse 14 am Anodenkörper 12 anhaftet. So dient die Verengung 28 dazu, den Lichtbogen in Längsrichtung auszudehnen und dadurch die Kontaktzeit des Lichtbogens mit dem Treibmittel zu verlängern. Das steigert die Wärmeübertragung zwischen dem Lichtbogen 32 und dem durch die Verengung 28 tretenden Treibmittel 24.

Die Länge der Verengung wird entsprechend der jeweiligen Anwendung des Lichtbogenstrahls gewählt. In einigen Anwendungsbereichen kann die Verengung nicht wünschenswert sein. In diesem Fall wird die Verengung effektiv die Länge Null haben.

Die Wirbelströmung des Treibmittels durch die Verengung 28 in den divergierenden Bereich 20 der Düse erzeugt entlang der Achse 16 durch die Verengung 28 ein zentrales Gebiet niedriger Dichte, das dazu neigt, den Lichtbogen 32 zu stabilisieren. Zusätzlich ist die Wirbelströmung des Treibmittels 24 durch die Verengung 28 im Bereich der Oberflächen der Verengung 28 bevorzugt laminar. Diese laminare Strömung des Treibmittels isoliert wirksam den Bereich des Anodenkörpers 12, der an die Verengung 28 angrenzt. Das macht die Wärmeübertragung zum Anodenkörper 12 durch den Lichtbogen im Gebiet der Verengung sehr gering.

Grundsätzlich verursachen die hohe Temperatur und die elektromagnetischen Felder des elektrischen Lichtbogens 32 thermische Anregungen, Ionisierung und teilweise Dissoziation des Treibmittels 24, wenn es durch die Eintrittsöffnung, die Verengung und in den divergierenden Bereich der Düse 14 strömt. Das ionisierte und dissoziierte Treibmittel 24 wird dann zur Erzeugung von Schub in dem divergierenden Bereich 30 ausgedehnt. Die Effizienz, mit der die elektrische Energie des Lichtbogens 32 im Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger 10 in kinetische Energie umgewandelt wird, wird teilweise begrenzt durch die Energie, die vom Lichtbogen auf die Gasmoleküle übertragen wird für die Dissoziation und Ionisation des Treibmittelgases, wenn es durch den Lichtbogen in die Eintritts­ öffnung und durch die Verengung 28 tritt.

Ein Teil dieser Energie kann durch Rekombination und Reassoziation der Ionen und neutralen Spezies zurückgewonnen werden. Rekombination und Deionisation verlaufen jedoch langsam im Vergleich zur Durch­ trittszeit des Treibmittels durch die Düse und treten daher stromabwärts von der Düse auf. Dementsprechend ist die für die Dissoziation und Ionisation des Treibmittelgases verwendete Energie effektiv verloren. Dieser Verlust wird im allgemeinen als ein Verlust durch eingefrorene Strömung bezeichnet. Die Verluste durch eingefrorene Strömung begrenzen bei üblichen Lichtbogen-Strahl-Schub­ erzeuger-Konstruktionen die erhältliche Effizienz auf etwa 30%.

Es wurden verschiedene Versuche erwogen und unter­ nommen, um Verluste durch eingefrorene Strömung zurückzugewinnen und so die Effizienz von Licht­ bogen-Strahl-Schuberzeugern zu verbessern. Ein Versuch ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser vereinfachten Schnittansicht eines Lichtbogen-Strahl-Schub­ erzeugers 40 dachte man, daß die Verluste durch eingefrorene Strömung zurückgewonnen werden könnten, wenn der gesamte Lichtbogen 32 innerhalb der Verengung 42 und einer darin effektiv gebildeten Mischkammer eingezwängt werden könnte. Bei dieser Konstruktion nach dem Stand der Technik schloß die Verengung 42 einen vergrößerten Mischkammer- Abschnitt 44 ein, der in einer Verengung 46 endete. Der Lichtbogen 32 haftete am Anodenkörper 12 innerhalb des vergrößerten Bereichs 44 an. Die Mischkammer 44 sorgte für eine längere Verweilzeit des Gases, wenn es durch die Verengung 42 trat, was teilweise Rekombination und daher Rückgewinnung eines Teils der Verluste durch eingefrorene Strömung ermöglichte. Ein derartiger Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger ist z. B. gezeigt in J. Spacecraft a. Rockets, Bd. 4 (1967), S. 685-687, Fig. 1b.

Da jedoch das Anhaften des Lichtbogens innerhalb der Mischkammer 44 stattfand, wurde eine beträchtliche Wärmemenge auf die Anodenwandung übertragen, was netto sehr wenig oder keine Verbesserung in der Gesamteffizienz einbrachte.

Es besteht daher nach wie vor Bedarf an einem Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger mit verbesserter Effizienz, der die innewohnenden Verluste möglichst gering macht, die Verluste durch eingefrorene Strömung zurückgewinnt und die effektive Umwandlungs-Ef­ fizienz von elektrischer Energie in Antriebs­ energie möglichst groß macht.

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger mit verbesserter Effizienz zur Verfügung zu stellen, der verringerte Verluste durch eingefrorene Strömung besitzt und eine verlängerte Lebensdauer sowie eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den in Anspruch 1 angegebenen Schuberzeuger und den in Anspruch 11 angegebenen Anodenkörper. Sinnvolle Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Der Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach der vorliegenden Erfindung ist ein Schuberzeuger mit einer konvergierenden/divergierenden Düse. Der divergierende Teil der Düse besitzt einen divergierenden Rekombinations-Bereich in Tandemanordnung mit einem divergierenden Expansions­ bereich, um die Rückgewinnung von Verlusten durch eingefrorene Strömung und ihre Umwandlung in nutzbaren Schub bzw. Antrieb zu erlauben. Der Expansions-Bereich besitzt einen größeren Divergenzgrad als der Rekombinationsbereich. Der Durchgang der Wirbelströmung des durch die Verengung tretenden ionisierten Treibmittelgases wird im Rekombinations-Be­ reich der divergierenden Düse verzögert, um es zu ermöglichen, daß Rekombination stattfindet und Wärme in Form von kinetischer Energie auf das Gas übertragen wird. Mit anderen Worten: Der Rekombinations-Bereich ermöglicht es, daß ionische, dissoziative und Rotations-Energie-Modi zu Translations-Modi relaxieren, die dann in der Düse in Schub umgewandelt werden können. So wird ein Teil der Verluste durch eingefrorene Strömung zurückgewonnen, bevor das Gas in den divergierenden Expansions-Bereich der Düse eintritt.

Die Länge der Verengung ist etwa gleich ihrem Durchmesser.

Es wurde gefunden, daß der Übergang zwischen dem Rekombinations-Bereich und dem Expansions-Bereich in einem bestimmten Bereich stromabwärts von der Verengung stattfinden muß.

Dieser Übergangsbereich der Düse wird in Axialrichtung begrenzt durch einen Düsen-Durchmesser, der etwa 1,5 mal so groß wie der Verengungs- Durchmesser ist, und einen Düsen-Durchmesser, der etwa 4,0 mal so groß wie der Verengungs-Durch­ messer ist, und durch einen Divergenz-Winkel ausgehend von der Verengung von zwischen etwa 5° und etwa 15°.

Der Übergang kann allmählich oder abrupt erfolgen. Es kann zum Beispiel eine fließende Übergangsform verwendet werden, so lange der Übergang innerhalb des oben angegebenen Bereichs stattfindet, und es wird eine erhebliche Rekombination stattfinden, was zu einer erheblichen Steigerung der Effizienz führt.

Eine bevorzugte Anordnung mit konischen Rekombinations- und Expansions-Bereichen ist grundsätzlich eine doppelwinklige, divergierende Düse. Sie schafft ein Gebiet hohen Druckes im Rekombinations-Bereich, was die Ionen-Rekombination und daher die Rückgewinnung von Verlusten durch eingefrorene Strömung beschleunigt. Es wurde eine Steigerung der Gesamteffizienz von etwa 7% erreicht.

Der Expansions-Bereich besitzt einen Kegelhalbwinkel von zwischen 20° und 40°. Der Rekombinations-Bereich besitzt einen Kegelhalbwinkel von zwischen 5° und 15°. Zusätzlich ist das Durchmesser-Verhältnis zwischen dem Übergang von Rekombinations- und Expansions-Be­ reich und der Verengung zwischen etwa 1,5 und 4,0. In einer optimierten, bevorzugten Ausführungsform sind die Kegelhalbwinkel 7° für den Rekombinations-Bereich und 20° für den Expansions-Bereich.

Der Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach der vorliegenden Erfindung hat auch eine Lichtbogen-Spannung zur Folge, die wesentlich höher ist als die vergleichbarer, üblicher Lichtbogen-Strahl-Düsen-Konstruktionen, die mit den gleichen Eingaben an Energie und Strömung arbeiten.

Das erlaubt einen Lichtbogen-Strahl-Betrieb bei einer wesentlich geringeren Stromstärke bei gleicher angelegter Spannung, was wiederum eine verlängerte Lichtbogen-Strahl-Lebensdauer, eine geringere Gesamt­ systemgröße und eine bessere Zuverlässigkeit bedeutet.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Teil-Schnittansicht eines Lichtbo­ gen-Strahl-Schuberzeugers mit Doppelwinkel-Düse nach einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Teil-Längsschnitt-Ansicht eines üblichen Lichtbogen-Strahl-Schuberzeugers nach dem Stand der Technik

Fig. 3 eine Teil-Schnittansicht eines anderen üblichen Lichtbogen-Strahl-Schuberzeugers nach dem Stand-der Technik

Fig. 4 eine graphische Darstellung des spezifischen Impulses, aufgetragen gegen das Verhältnis von Energie : Strömungsrate, die den spezifischen Impuls, der mit einer Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Düse erreichbar ist, mit dem der in Fig. 2 gezeigten Düse nach dem Stand der Technik vergleicht

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Molenbruchs, aufgetragen gegen die Rekombinations-Rate, welche die Auswirkungen des Drucks auf die Rekombinations-Rate für Hydrazin als Treibmittel zeigt

Fig. 6 eine vergrößerte Teil-Längsschnitt-Ansicht des Schuberzeugers von Fig. 1, welche die Lage des Übergangs-Bereichs veranschaulicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Lichtbogen-Strahl Schuberzeugers nach vorliegender Erfindung ist schematisch in Fig. 1 veranschaulicht. Der Lichtbogen- Strahl-Schuberzeuger 50 enthält einen elektrisch leitenden Anodenkörper 52 mit einem darin ausgebildeten Anoden-Hohlraum 54, der eine um eine zentrale Achse 58 symmetrische, konvergierende/divergierende Düse 56 bildet. Bei dieser Ausführungsform weist der Anoden-Hohl­ raum 54 einen konvergierenden Bereich 59 und einen tandemartig angeordneten, konischen, divergierenden Rekombinations-Bereich 60 und einen divergierenden, konischen Expansions-Bereich 62 auf.

Wie in Fig. 1 veranschaulicht, weist der Anoden-Hohlraum 54 weiterhin stromaufwärts von und übergehend in den Rekombinations-Bereich 60 einen zylindrischen, mit der Achse 58 koaxialen Verengungs-Be­ reich 64 auf. Der Verengungs-Bereich 64 stellt effektiv einen Düsenhals mit einer Länge "L" dar. Die Länge "L" ist etwa gleich dem Verengungs-Durchmesser "D".

Ein Kathodenkörper 66 mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt ist koaxial entlang der Achse 58 gelegen und von dem konvergierenden Bereich 59 des Anodenkörpers 52 durch einen Spalt 68 beabstandet. Die Kathode 66 weist bevorzugt eine im wesentlichen konische, scharfe Spitze 70 auf. Eine Versorgungseinrichtung für elektrischen Strom wie eine Gleichstrom-Energieversorgung 72 ist elektrisch mit dem Kathodenkörper 66 und dem Anoden­ körper 52 verbunden, um einen den Spalt 68 überbrückenden elektrischen Lichtbogen 74 zu erzeugen. Eine Wirbel­ strömung von Treibmittelgas 76 wird eingebracht, zum Beispiel eingespritzt, und zwar bevorzugt tangential entlang der Kathoden-Spitze 70 durch den Spalt 68 und radial und tangential in die Verengung 64. Die Spiralströmung des Treibmittels 76 treibt ein Ende des Lichtbogens 74 stromabwärts durch die Verengung 64 und veranlaßt den Lichtbogen, entweder im Rekombinations-Bereich 60 oder im divergierenden Expansionsbereich 62, abhängig vom Versorgungsdruck des Treibmittels 76, diffus an der Anode 52 anzuhaften. Der Lichtbogen erhitzt, dissoziiert und ionisiert das Treibmittelgas 76 zumindest teilweise, wenn das Gas durch die Verengung 64 durchtritt, wie vorher beschrieben.

Der Expansions-Bereich 62 besitzt einen größeren Divergenzgrad (θ₂) als der Rekombinations-Bereich 60 (θ₁). Der Expansions-Bereich 62 und der Rekombinations-Bereich 60 sind kegelförmig ausgebildet in Fig. 1. Diese Bereiche müssen nicht kegelförmig sein, so lange der Expansions-Bereich einen größeren Divergenz-Grad besitzt als der Rekombinations-Bereich.

Da die Divergenz des Rekombinations-Bereichs 60 geringer ist als die des divergierenden Expansions-Be­ reichs 56, d. h. θ₁ < θ₂, verursacht sie eine zeitliche Verzögerung bei der Druckverringerung und der Ausdehnung des ionisierten und dissoziierten Treibmittels 76. Diese Verzögerung schafft einen Bereich mit relativ hohem Druck im divergierenden Rekombinations-Bereich 60 der Düse, was eine teilweise Rekombination der ionisierten und neutralen Spezies des Treibmittelgases 76 erlaubt. Ein Vergleich von Rekombinations-Raten bei verschiedenen Drücken ist in Fig. 5 gezeigt. Diese Figur veranschaulicht, daß die Verzögerung bei relativ hohem Druck zumindest eine teilweise Rückgewinnung von Verlusten durch eingefrorene Strömung zurück in das Gas erlaubt.

Mit anderen Worten: Wenn die Ionen und neutralen Spezies im Rekombinations-Bereich 60 rekombinieren, wird Wärme zu dem Gas zurückgeführt, die dann zur Umwandlung in Schub verfügbar ist, wenn das Gas sich durch den divergierenden Expansions-Bereich 62 der Düse 56 ausdehnt. Daher erhöht der Anteil des Treibmittels, der im Rekombinations-Bereich 60 rekombiniert, die Gesamt-Energieumwandlungs-Ef­ fizienz des durch die Düse 56 des Lichtbogen- Strahl-Schuberzeugers 50 strömenden Treibmittelgases 76. Es konnte gezeigt werden, daß bei der vor­ liegenden Erfindung die erreichbare Gesamteffizienz gegenüber der Basis-Düse mit einfach gerad­ liniger Divergenz von 2° um 33% bis über 37% ansteigt.

Der spezifische Impuls des Treibmittelgases für Verschiedene Energie/Strömungs-Raten, wenn es im erfindungsgemäßen Schuberzeuger verwendet wird, ist in Fig. 4 veranschaulicht. Der spezifische Impuls, der mit Hydrazin im Lichtbogen-Strahl Schuberzeuger entsprechend einer bevorzugten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung erreicht wird, wird durch die Doppelwinkel-Düsen-Kurve 80 veranschaulicht. Der spezifische Impuls, der der Düse nach dem Stand der Technik mit einem Divergenz-Ke­ gelwinkel von 20°, die in Fig. 2 veranschaulicht ist, zuzuschreiben ist, wird durch die Basislinien-Kurve in Fig. 4 gezeigt. Wie man sofort sehen kann, ist der spezifische Impuls des erfindungsgemäßen Schuberzeugers etwa 10 bis 20 Sekunden größer als der der Düse nach dem Stand der Technik bei Verhält­ nissen von Energie : Strömung bzw. Leistung : Massen­ strom (spezifische Energie) von 3,2 bis 3,8, die bei Schuberzeugern von weniger als 2,5 kW von besonderem Interesse sind.

Das Phänomen, von dem man annimmt, daß es für die beobachtete Steigerung der Effizienz verantwortlich ist, ist in Fig. 5 veranschaulicht. Die Energie, die normalerweise als eingefrorene Strömung verloren­ geht, kann zurückgewonnen werden, wenn die geeignete Umgebung geschaffen wird, um die Rekombinations- und Relaxations-Raten zu beschleunigen, oder um die für die Rückgewinnung verfügbare Zeit zu erhöhen und die Wärmeverluste an die Anodenwandungen des Schuberzeugers zu minimieren. Rekombinations-Raten erhöhen sich beträchtlich bei höheren Drücken. Bei einem Druck von einer Atmosphäre (0,1 MPa) ist die Rekombinations-Rate zum Beispiel etwa viermal so groß wie die des gleichen Gases bei halbem Druck. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Schuberzeuger schafft der Rekombinations-Bereich 60 einen divergierenden Bereich mit relativ hohem Druck, in dem Rekombination und Rückgewinnung von einge­ frorener Strömungs-Energie stattfinden kann.

Für einen Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger mit dieser verbesserten Effizienz sind die Abmessungs-Beziehungen zwischen dem divergierenden Expansions-Bereich und dem Rekombinations-Bereich wichtig. Diese Beziehungen sind deutlich veranschaulicht in der vergrößerten Teilschnittansicht von Fig. 6.

Der Übergang 78 zwischen dem Expansions-Bereich 62 und dem Rekombinations-Bereich 60 muß innerhalb eines Übergangs-Bereichs 84 stattfinden. Der Übergang kann scharf sein, wie in der Doppelwinkel-Konstruktion, oder kann eine sanfte Kurve sein, so lange der Übergang innerhalb dieses Übergangs-Bereichs liegt. Außerdem können die Rekombinations- und Expansions-Bereiche kegelförmig sein, wie gezeigt, oder gekrümmt, trompetenförmig.

Der Übergangs-Bereich 84 steht in direkter Beziehung zum Verengungs-Durchmesser D. Der Bereich 84 wird in Axialrichtung begrenzt durch eine stromaufwärtige Stelle gleich etwa 1,5 D und eine stromabwärtige Stelle gleich etwa 4,0 D und liegt zwischen Divergenz-Win­ keln von etwa 5° und 15°, ausgehend vom Verengungs-Ausgang 86.

Die Länge des Verengungsbereichs ist etwa gleich seinem Durchmesser.

Bei den konischen Formgebungen, die in den Fig. 1 und 6 veranschaulicht sind, fand man, daß die Gesamteffizienz optimal ist, wenn der Rekombinations-Bereich 60 einen Kegelhalbwinkel (θ₁) von zwischen etwa 5° und 15° und der Expansions-Bereich einen Kegelhalbwinkel (θ₂) von zwischen 20° und etwa 40° besitzt. Der Durchmesser der kreisförmigen Mündung 80 der Düse 56 hat zum Durchmesser des Verengungs-Bereichs bevorzugt ein Verhältnis innerhalb eines Bereichs von etwa 30 bis 250.

Insbesondere kann die optimale Effizienz für das Treib­ mittel N₂H₄ mit einem θ₁ gleich etwa 7° und θ₂ gleich etwa 20° erreicht werden. Schließlich wurde auch gefunden, daß die Länge L des Verengungs-Bereichs 64 optimal ist, wenn sie etwa gleich dem Durchmesser des Verengungs-Bereichs 64 ist.

Die Konstruktion der Düse, die die Rückgewinnung von eingefrorener Strömungs-Energie erlaubt in einem divergierenden Rekombinations-Bereich mit einer relativ geringen Rate von Treibmittel-Aus­ dehnung gerade stromab des Düsen-Halses oder der Verengung, gefolgt von einem Expansions-Bereich mit sehr viel höherer Expansions-Rate, erzeugt eine wesentlich höhere Gesamteffizienz der Umwandlung von elektrischer Energie in kinetische Energie als frühere Konstruktionen von Lichtbogen-Strahl-Düsen. Darüber hinaus führt die Konstruktion der Düse zu einem elektrischen Lichtbogen-Strahl-Betrieb bei einer wesentlich höheren Lichtbogen-Spannung als bei üblichen Lichtbogen-Strahl-Düsen-Konstruktionen, die mit den gleichen Eingaben an Energie und Strömungsrate arbeiten.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, verwendete zum Beispiel eine erfindungsgemäße 1,7 kW-Düse eine angelegte Spannung von 176 V und einen Strom von 9,7 Amp. Im Gegensatz dazu verwendete die übliche 1,7 kW-Düse wie in Fig. 2 gezeigt, eine Spannung von 126 V mit einem Strom von 13,5 Amp. Dementsprechend wird im Fall des erfindungsgemäßen Lichtbogen-Strahl-Schub­ erzeugers das Stromniveau bei gleichen Energie- und Strömungs-Rate-Eingaben über 25% reduziert.

Das veranschaulicht die Möglichkeit zur Reduzierung der Erosionsraten von Kathode und Anode, die in üblichen Einengungs-Lichtbogen-Strahl-Triebwerken allgemein vorhanden sind. Das hat wichtige Vorteile für die Lebensdauer des Lichtbogen-Strahl-Systems und das Lichtbogen-Strahl-System-Niveau. Zum Beispiel kann die Energieversorgung kleiner sein, die Größe und Masse der elektrischen Verkabelung kann reduziert werden, usw.

Claims (17)

1. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger (50) mit:

• - einem elektrisch leitenden Anodenkörper (52) mit einem darin ausgebildeten Anodenhohlraum (54) der eine um eine durch ihn hindurchgehende zentrale Achse (58) symmetrische, konvergente/divergente Düse (56) definiert, wobei die Düse eine tandem­ artig angeordnete, zylindrische Verengung (64), deren Länge etwa gleich ihrem Durchmsesser ist, einen divergierenden Rekombinationsbereich (60) und einen divergierenden Expansionsbereich (62) aufweist, und der divergierende Expansionsbereich einen größeren Divergenzgrad besitzt als der Rekombinationsbereich, wobei der Rekombinationsbereich und der Expansionsbereich an einem Übergang (78) ineinander übergehen und der Übergang (78) und die Verengung (64) ein Durchmesserver­ hältnis von Übergang : Verengung innerhalb eines Bereiches von etwa 1,5 bis etwa 4,0 besitzen,
• - einem elektrisch leitenden Kathodenkörper (66), der mit dem Anoden­ körper (52) koaxial und durch einen Spalt (68) von ihm beabstandet ist,
• - einer Einrichtung (72) zum Zuführen von elektrischen Strom, die mit der Kathode (66) und der Anode (52) verbunden ist, um einen den Spalt (68) überbrückenden elektrischen Lichtbogen (74) zu erzeugen,
• - einer Einrichtung zum Einbringen einer Wirbelströmung an Treibmittelgas (76) durch den Spalt (68) in die Düse (56), wobei der Lichtbogen (74) das Treibmittel­ gas zumindest teilweise ionisiert und dissoziiert,
• - wobei der Treibmittelstrom ein Ende des Lichtbogens (74) in den Rekombinationsbereich (60) treibt, in dem ein Teil des ionisierten und dissoziierten Treibmittels (76) rekombiniert zur Steigerung der Effizienz der Energieumwandlung des durch die Düse (56) strömenden Treibmittelgases.

2. Schuberzeuger nach Anspruch 1, bei dem jeder der divergierenden Bereiche (60, 62) eine im wesentlichen konische Form besitzt.

3. Schuberzeuger nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Rekombinationsbereich (60) einen Kegelhalbwinkel von zwischen etwa 5° und 15° besitzt.

4. Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Expansionsbereich (62) einen Kegelhalbwinkel von etwa zwischen 20° und etwa 40° besitzt.

5. Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Expansionsbereich (62) einen Kegelhalb­ winkel von etwa 40° oder weniger besitzt.

6. Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Übergang (78) kreisförmig ist.

7. Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Expansionsbereich (62) in einer kreisförmigen Mündung (80) endet, wobei die Mündung und der Verengungsbereich (64) ein Durchmesserverhältnis von Mündung : Verengungsbereich innerhalb eines Bereiches von etwa 30 bis etwa 250 besitzen.

8. Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Winkel des Rekombinationsbereichs (60) etwa 7° beträgt.

9. Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Winkel des Expansionsbereichs (62) etwa 20° beträgt.

10. Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Treibmittelgas (76) radial und tangential in den Verengungsbereich (64) des Anodenhohlraums (54) eingebracht wird.

11. Anodenkörper (52) zur Verwendung für einen Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger (50), wobei der Anodenkörper in ihm eine um eine durch ihn hindurchgehende zentrale Achse symmetrische, konvergente-divergente Düse (56) definiert, die entlang der Achse tandemartig angeordnet einen konvergenten Bereich (59), einen zylindrischen Verengungsbereich (64), dessen Länge etwa gleich seinem Durchmesser ist, einen divergenten Rekombinationsbereich (60) und einen divergenten Expansionsbereich (62) besitzt, und wobei der divergente Expansionsbereich einen größeren Divergenzwinkel als der Rekombinationsbereich besitzt, und wobei der Rekombinationsbereich und der Expansions­ bereich an einem Übergang (78) ineinander übergehen und der Übergang (78) und der Verengungsbereich (64) ein Durchmesserverhältnis von Übergang : Verengung innerhalb eines Bereiches von etwa 1,5 bis etwa 4,0 besitzen.

12. Anodenkörper (52) nach Anspruch 11, bei dem jeder der divergenten Bereiche (60, 62) eine im wesentlichen konische Gestalt besitzt.

13. Anodenkörper (52) nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der Rekombinationsbereich (60) einen Kegelhalbwinkel von zwischen etwa 5° und 15° besitzt.

14. Anodenkörper (52) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Expansions­ bereich (62) einen Kegelhalbwinkel von zwischen etwa 20° und etwa 40° besitzt.

15. Anodenkörper (52) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Expansionsbereich (62) einen Kegelhalbwinkel von nicht mehr als etwa 40° besitzt.

16. Anodenkörper (52) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem der Expansionsbereich (62) in einer kreisförmigen Mündung (80) endet, wobei die Mündung und der Verengungsbereich (64) ein Durchmesser-Ver­ hältnis von Mündung : Verengungsbereich innerhalb eines Bereiches von etwa 30 bis etwa 250 besitzen.

17. Anodenkörper (52) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem der Übergang (78) kreisförmig ist.