DE4217051C2 - Treibstoffversorgungssystem für Raketentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Treibstoffversorgungssystem für in Raumfahrzeugen installierte Raketentriebwerke, welche mit einer oder mehreren, insbesondere zwei, in flüssigem Zustand gespeicherten Treibstoffkomponenten arbeiten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei dem europäischen Patent EP 0 243 398 B1 sind aus Gründen symmetrischer Masseverteilung die beiden Treibstoffkomponenten Brennstoff und Oxidator jeweils in zwei volumengleichen, parallelgeschalteten, diametral angeordneten Speichertanks untergebracht. Die Bedrückung aller Tanks erfolgt aus einem einzigen Druckgasspeicher, es sind jedoch Ventile vorhanden, die es erlauben, die Brennstofftanks mit einem anderen (niedrigeren) Druck zu beaufschlagen als die Oxidatortanks. Diese Maßnahme wird gezielt benutzt, um den tatsächlichen Brennstoffverbrauch dem tatsächlichen Oxidatorverbrauch anzupassen, damit bei Missionsende beide Treibstoffkomponenten gleichermaßen verbraucht sind, d. h. optimal ausgenützt werden. Zu diesem Zweck werden nach jeder Brennphase des Triebwerkes die in den Tanks verbliebenen Mengen (Massen) an Brennstoff und Oxidator gemessen und bei Abweichungen vom Soll-Verhältnis die Tankdrücke so geändert, daß in der nächsten Brennphase der Mehr- oder Minderverbrauch wieder ausgeglichen wird.

Dieses Verfahren berücksichtigt nicht das Phänomen, daß sich in Wirklichkeit auch die parallelgeschalteten Tanks für eine Treibstoffkomponente häufig ungleichmäßig entleeren, trotz gleichen Tankdruckes. Dies tritt dann auf, wenn in den Treibstoffleitungen von den Tanks bis zum Ort der Strömungszusammenführung ungleiche Strömungsverhältnisse herrschen. Hierfür gibt es viele Gründe konstruktiver, fertigungstechnischer bzw. betriebsbedingter Art, wie z. B. unterschiedliche Strömungsquerschnitte, unterschiedliche Strömungslängen, unterschiedliche Leitungsführungen mit verschiedenen Krümmungsradien und mit verschiedenen Einbauelementen, wie Flanschen, Faltenbälgen etc. Es ist nur in den wenigsten Fällen möglich, die zusammenzuführenden Leitungen wirklich identisch zu gestalten. Hinzu kommen Einflüsse wie unterschiedliche Erwärmung und dadurch hervorgerufene Verformungen und Dichteänderungen der Treibstoffe. Auch Schwingungsvorgänge mechanischer und strömungsmechanischer Art in den relativ langen Leitungen von den Tanks bis zum Triebwerk können Ungleichförmigkeiten hervorrufen. Ein kritisches und fertigungstechnisch anspruchsvolles Gebilde ist der Flow-Combiner, also das Element, in welchem die Teilströme einer Treibstoffkomponente zusammengeführt werden. Ungenauigkeiten in diesem Bereich können die Strömungsunterschiede noch spürbar vergrößern. Letztlich führen Ungleichmäßigkeiten in der Ausförderung dazu, daß aus dem zuerst entleerten Tank Bedrückungsgas austritt, welches zum Triebwerk gelangt, wodurch dieses in seiner Leistung beeinträchtigt, durch Erlöschen der Verbrennung stillgesetzt oder sogar zerstört wird. Und dies, obwohl in dem anderen zugehörigen Tank noch eine gewisse Reserve an Treibstoff vorhanden wäre. Somit bewirkt eine ungleichmäßige Ausförderung aus den parallelgeschalteten Speichertanks eine unnötige Verkürzung der Missionsdauer oder sogar den Missionsverlust.

Aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 434 509 A1 ist ein Treibstoffversorgungssystem für einen Satelliten mit mindestens einem gasbedrückten Haupttank und mit einem diesem in Reihe nachgeschalteten, wesentlich kleineren Hilfstank für dieselbe Treibstoffkomponente bekannt. Zwischen Haupt- und Hilfstank ist ein Gassensor angeordnet, welcher den Durchbruch von Bedrückungsgas, d. h. die vollständige Entleerung des Haupttanks, erfaßt und dabei ein Signal aussendet, beispielsweise an eine Bodenstation. Im Moment des Gasdurchbruches ist der Hilfstank noch weitestgehend mit Treibstoff gefüllt, so daß dessen Volumen die verbleibende Missionsdauer, genauer gesagt die Anzahl und Dauer der noch möglichen Triebwerksbrennphasen, bestimmt. Das Volumen des Hilfstanks ist so bemessen, daß es noch für eine gewisse Anzahl von Lageregelungsmanövern und für das letzte Manöver zur Entfernung des funktionsuntüchtigen Satelliten aus seiner Umlaufbahn ausreicht. Die Anordnung mit Haupt-, Hilfstank und Gassensor kann für eine, mehrere oder alle der Treibstoffkomponenten vorhanden sein. Ebenso können zwei Haupttanks für dieselbe Treibstoffkomponente vorgesehen sein, siehe die Fig. 10 und 11. Die Ablaufleitungen der beiden parallelgeschalteten Haupttanks werden noch vor dem Gassensor und somit vor dem Hilfstank zusammengeführt (Flow-Combiner-Prinzip). Bei ungleicher Tankentleerung hat dies zur Folge, daß das aus dem zuerst leeren Tank durchbrechende Gas im Bereich der Leitungszusammenführung den Treibstofffluß aus dem anderen Tank weitgehend blockiert, so daß dieser nicht mehr entleert werden kann, bevor Gas zu den Triebwerken gelangt. Dies wird auch nicht dadurch verhindert, daß die Treibstoffkonzentration im Auslaßbereich aller Tanks mit Hilfe des Kapillareffekts erfolgt. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß hier der Gasdurchbruch von einem oder mehreren Haupttanks in einen Hilfstank sensorisch erfaßt und dabei einer Kommandostelle angezeigt wird, daß noch eine feste, vorbestimmte Restlebensdauer gegeben ist.

Aus der FR-OS 25 37 544 ist eine Lösung mit zwei in Reihe geschalteten, gasbedrückten Tanks für jede Treibstoffkomponente eines Satellitenantriebes bekannt. Der jeweils vorgeschaltete, stromaufwärtige Tank ist besonders leicht, einfach und billig ausgeführt, da er nur während der kurzen Zeitdauer bis etwa zum Erreichen der Umlaufbahn (Apogäum) mit Treibstoff in Berührung kommt. Die eigentliche Betriebsphase des Satelliten mit den erforderlichen Lageregelungsmanövern wird mit der im zweiten, nachgeschalteten Tank verbleibenden Treibstoffmenge durchgeführt. Dabei wird der erste Tank zu einem bestimmten Zeitpunkt volumetrisch vom zweiten Tank getrennt (Pyroventil). Auch hier sind Tankeinheiten mit Kapillareffekt zur Treibstoffsammlung vorgesehen.

Ausgehend von dem in der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 434 509 A1 offenbarten Stand der Technik mit seinen geschilderten Nachteilen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Treibstoffversorgungssystem der eingangs genannten Gattung anzugeben, welches eine möglichst vollständige Entleerung der parallelgeschalteten Tanks ohne vorzeitigen Durchbruch von Bedrückungsgas zum Triebwerk, d. h. ohne vorzeitige Leistungsreduzierung, Stillsetzung oder Zerstörung des Triebwerkes oder der Triebwerke sowie eine Verbesserung der Massenbilanz (Verhältnis von Nutzlast zu Startmasse), gestattet und welches eine Vereinfachung der Leitungsführung, reduzierte Toleranzanforderungen, dadurch eine Reduzierung der Herstellkosten, eine Verringerung der Wahrscheinlichkeit und Stärke von Druckschwingungen im Leitungssystem, eine Reduzierung der Druckverluste, dadurch eine Erhöhung des Triebwerksschubes, und eine Verringerung des Test- und Kalibrieraufwandes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Erfindung liegt also in der separaten Verbindung jedes der parallelgeschalteten Tanks mit einem nachgeschalteten Durchlaufbehälter, welcher bei ungleichmäßiger Entleerung der Tanks ein Durchbrechen des Bedrückungsgases zum Triebwerk so lange verhindert, wie noch Treibstoff aus einem der Tanks nachfließt. Dies wird durch die sich im Durchlaufbe­ hälter ausbildende, freie Treibstoffoberfläche erreicht, welche als Gas­ sperre wirkt. Dabei ist der Durchlaufbehälter so gestaltet und dimensio­ niert, daß diese freie Oberfläche mit Sicherheit entsteht. Dies läßt sich beispielsweise durch einen Abriß der zufließenden Teilströme in ei­ ner plötzlichen, ausreichend großen Querschnittserweiterung erzielen. Dabei kann der Durchlaufbehälter relativ klein und leicht sein. Seine gas­ sperrende Wirkung reduziert erheblich die Anforderungen bezüglich der strömungsmechanischen Angleichung der einzelnen Tankablei­ tungen. Dadurch wird insbesondere die Leitungsführung vereinfacht, was sich konstruktiv und festigkeitsmäßig günstig und kostensenkend aus­ wirkt. Zur Anpassung/Kalibrierung üblicherweise verwendete Drosselele­ mente, wie Blenden, Düsen etc., können weitestgehend entfallen. Dadurch reduzieren sich die Druckverluste und auch die Toleranzanforderungen, die Triebwerksleistung kann gesteigert, die Herstellkosten können ge­ senkt werden. Das kritische Bauelement "Flow-Combiner" kann entfallen und wird durch den Durchlaufbehälter ersetzt. Durch eine Verkürzung der strömungsmechanisch wirksamen Rohrlängen werden die Wahrscheinlichkeit und die Stärke von Druckschwingungen reduziert. Der Test- und Kalibrier­ aufwand bezüglich des Leitungssystems verringert sich ebenfalls, was sich wieder positiv auf die Kosten auswirkt. Durch bessere Ausnutzung der mitgeführten Treibstoffe kann die Betankungsmenge reduziert und da­ mit die Nutzlast erhöht werden.

Die Unteransprüche 2 bis 3 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Treibstoffversorgungssystems nach Anspruch 1.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung noch näher erläu­ tert. Dabei zeigt die Figur in schematischer Darstellung die wesentli­ chen Elemente eines Treibstoffversorgungssystems für zwei Treibstoffkom­ ponenten und ein Triebwerk.

Das Treibstoffversorgungssystem 1 ist in einem - nicht dargestellten - Raumfahrzeug, wie z. B. einer ein- oder mehrstufigen Rakete oder einem Satelliten, installiert und beliefert ein Raketentriebwerk 28 - oder auch mehrere Raketentriebwerke - mit zwei Treibstoffkomponenten, d. h. mit Brennstoff und Oxidator. Als Brennstoff wird beispielsweise Monomethyl­ hydrazin (MMH), als Oxidator Distickstofftetroxid (N₂O₄) verwendet.

Aus Gründen günstiger Raumausnutzung und gleichmäßiger Masseverteilung sind der Brennstoff und der Oxidator auf je zwei volumengleiche Tanks aufgeteilt, wobei sich die dieselbe Treibstoffkomponente enthaltenden Tanks im Raumfahrzeug diametral gegenüberliegen. Somit folgt in Umfangs­ richtung abwechselnd ein Brennstofftank auf einen Oxidatortank und umge­ kehrt. Diese symmetrische Anordnungsweise geht aus der schematischen Fi­ gur nicht hervor, dort sind die Tanks 4, 6 für den Brennstoff und die Tanks 5, 7 für den Oxidator der besseren Übersichtlichkeit wegen paar­ weise nebeneinander dargestellt. An dieser Stelle sei darauf hingewie­ sen, daß in der Figur alle Bauteile auf der Brennstoffseite (links) mit geradzahligen, alle Bauteile auf der Oxidatorseite (rechts) mit ungerad­ zahligen Bezugszeichen versehen sind.

Zur Druckbeaufschlagung der Tanks 4 und 6 sind ein beispielsweise mit Helium gefüllter Gastank 2, ein Ventil 10 und eine sich gabelnde Leitung 16 angeordnet. Die entsprechenden Bauteile auf der Oxidatorseite zur Be­ aufschlagung der Tanks 5 und 7 sind der Gastank 3, das Ventil 11 und die Leitung 17. Die separate Bedrückung von Brennstoff- und Oxidatorseite erlaubt es, falls erforderlich, mit unterschiedlichen Drücken sowie mit verschiedenen Druckgasen zu arbeiten. Die horizontale, gestrichelte Ver­ bindung zwischen den beiden inneren Ästen der Leitungen 16 und 17 deutet den Fall der gemeinsamen, gleichen Druckbeaufschlagung aller Tanks an.

Im Betriebsfall fließt der unter Druck stehende, flüssige Brennstoff aus den Tanks 4, 6 durch die Leitungen 18, 20 in den gemeinsamen Durchlauf­ behälter 8 und von dort aus über die Leitung 22, das Ventil 12 und die Leitung 24 zur Brennkammer des Raketentriebwerkes 28. Nämliches gilt für den Oxidator, welcher durch die Leitungen 19 und 21 in den Durchlaufbe­ hälter 9 und von dort aus über die Leitung 23, das Ventil 13 und die Leitung 25 zum Raketentriebwerk 28 gelangt. Die Strömungsverhältnisse in den Durchlaufbehältern 8 und 9 mit einer Phasentrennung flüssig/gasför­ mig verhindern den Durchbruch von Bedrückungsgas zum Raketentriebwerk 28 so lange, wie flüssiger Treibstoff kontinuierlich aus einem der Tanks 4 oder 6 und 5 oder 7 nachfließt. Die Phasentrennung wird begünstigt durch das in Kreuzschraffur angedeutete Propellant Management Device (PMD) 29 bzw. 30, welches den flüssigen Treibstoff durch Adhäsions- bzw. Kapil­ larkräfte bindet und transportiert. Dies funktioniert auch im - zumin­ dest weitgehend - gravitationslosen Zustand. Ohne eine Vorrichtung wie das PDM muß eine gewisse künstliche Gravitation geschaffen werden durch axiale Beschleunigung und/oder Rotation des Raumfahrzeuges, wobei die Durchströmung der Durchlaufbehälter 8, 9 etwa in Richtung der künstli­ chen Schwerkraft erfolgen sollte. Bei gleichförmiger Rotation des Raum­ fahrzeuges wäre dies beispielsweise radial von innen nach außen.

Falls das Raketentriebwerk 28 zum Zweck der Schubvektorsteuerung schwenk­ beweglich gelagert ist, sind in den Treibstoffleitungen entsprechende Drehgelenke, flexible Bälge o. ä. angeordnet, welche in der Figur der Einfachheit halber nicht wiedergegeben sind.

Über die Ventile 14 und 15 sowie die Leitungen 26 und 27 sind die Tanks 4 und 6 bzw. 5 und 7 jeweils gemeinsam entleerbar und zwar unter Durch­ strömung der Durchlaufbehälter 8 und 9. Dies kann bei unvorhergesehenen Ereignissen in der terrestrischen Startphase (Startabbruch) hilfreich sein.

Die Erfindung ist selbstverständlich auch auf monergole Treibstoffsyste­ me mit nur einer Treibstoffkomponente, welche in zwei oder mehr volume­ trisch gleichen Tanks gespeichert ist, anwendbar.

Dasselbe gilt für Treibstoffsysteme mit mehr als zwei Treibstoffkompo­ nenten, wobei je ein Durchlaufbehälter für eine, mehrere oder alle der Treibstoffkomponenten vorhanden sein kann.

Claims (3)

1. Treibstoffversorgungssystem für in Raumfahrzeugen installierte Raketentriebwerke, welche mit einer oder mehreren, insbesondere zwei, in flüssigem Zustand gespeicherten Treibstoffkomponenten arbeiten,

• - mit einer Aufteilung des Vorrats an einer, mehreren oder allen der Treibstoffkomponenten auf jeweils mindestens zwei, vorzugsweise volumetrisch gleiche, parallelgeschaltete, gleichzeitig zu entleerende Tanks und mit mindestens einem Gasbedrückungssystem zum Ausfördern des Treibstoffes aus den Tanks,
• - mit parallelgeschalteten, eine bestimmte Treibstoffkomponente enthaltenden Tanks, denen ein gemeinsamer Durchlaufbehälter nachgeschaltet ist,
• -das Innere des Durchlaufbehälters hinsichtlich seiner Gestaltung und seiner Dimensionierung ist so ausgelegt, daß sich darin im Betrieb eine freie, eindringendes Gas zurückhaltende Treibstoffoberfläche mit dem Behälterauslauf zugewandter Treibstoffansammlung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelgeschalteten Tanks (4, 6; 5, 7) einer Treibstoffkomponente durch voneinander separate Leitungen (18, 20; 19, 21) mit dem Durchlaufbehälter (8; 9) verbunden sind, so daß der Tankablauf erst im jeweilig zugeordneten Durchlaufbehälter (8; 9) zusammengeführt ist.

2. Treibstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Durchlaufbehälters (8; 9) eine die Bildung einer freien, geschlossenen Treibstoffoberfläche durch Adhäsions- bzw. Kapillarwirkung unterstützende Vorrichtung (29; 30) angeordnet ist.

3. Treibstoffversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Durchlaufbehälters (8; 9) mindestens ein Entleerungsanschluß (Ventil 14; 15, Leitung 26; 27) vorhanden ist, vorzugsweise für die Entleerung der parallelgeschalteten Tanks (4, 6; 5, 7) am Boden im Falle eines Versuches oder eines Startabbruches.