DE4310821C2 - Lichtbogen-Strahltriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtbogen-Strahltriebwerk, insbesondere für Raumflugkörper, bei dem zwischen einem als Anode und Expansionsdüse ausgebildeten Gehäuse sowie der Spitze einer in diesem angeordneten Kathode bei Gasströmung ein Lichtbogen gezündet wird, wobei die Kathode elektrisch isoliert in einer ersten, als Brenn­ kammer ausgebildeten Ausnehmung des Gehäuses unterge­ bracht ist und dieses mit der Spitze mit kleinem Luft­ spalt beabstandet vor dem verengten Querschnitt der Expansionsdüse positioniert und in Richtung auf diese bewegbar gehaltert ist und wobei in die Brennkammer Treibgase eingespritzt werden.

Als Treibgas dient bei solchen Trieb­ werken in der Regel Ammoniak (NH₃) oder ein durch thermische und/oder katalytische Zersetzung von Hydrazin (N₂H₄) erzeugtes Gemisch aus Ammoniak, Stickstoff-(N₂) und Wasserstoffgas (H₂). Das Gas, das bei seinem Eintritt in die Brennkammer zunächst eine Temperatur in der Größenordnung von 500-600°C aufweist, erwärmt sich im Lichtbogen, der sich zwischen der Anode und Kathode bildet, auf Temperaturen von 10- 15 000°C, bevor es die Expansionsdüse verläßt und den gewünschten Vortrieb erzeugt.

Der nach der Zündung bei Gasdurchströmung des Trieb­ werks sich aufbauende Lichtbogen, der sich durch den Düsenhals erstreckt, überträgt den größten Teil seiner kinetischen Energie an das Treibgas im Düsenhals (Constrictor). Dabei bildet sich der Lichtbogen genau auf der Mittelachse des Constrictor aus.

Ein Lichtbogen-Strahltriebwerk, das sich durch einen hohen spezifischen Schubimpuls sowie durch eine besonders hohe Standzeit ist darüber hinaus durch die DE 41 22 755 A1 bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Triebwerk ist der Abstand zwischen der Kathode und der Expansionsdüse fest vorgegeben.

Demgegenüber ist aus der DE 39 02 825 A1 ein Triebwerk der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Kathode über einen Stellmotor in Richtung auf die Expansions­ düse bzw. von dieser weg verfahrbar gehaltert ist. Da die zur Zündung des Lichtbogens erforderliche Zünd­ spannung vom Abstand zwischen der Anode, d. h. der Expansionsdüse, und der Kathode abhängt, kann diese Spannung um so niedriger gewählt werden, je geringer der Abstand zwischen den beiden Elektrode ist. Indem dieser Abstand in der Startphase des Triebwerkes verringert wird, kann die Erosionsbeanspruchung der Kathodenspitze, die außer von dem in der Brennkammer herrschenden Betriebsdruck wesentlich von dieser Zündspannung bestimmt wird, auf ein Minimum reduziert werden. Sobald sich nach der erfolgten Zündung, ein stabiler Lichtbogen ausgebildet hat, kann durch Verfahren der Kathode der optimale Betriebsabstand zwischen den beiden Elektroden eingestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Triebwerk so auszubilden, daß es einen möglichst einfachen und damit zugleich funktionssicheren Aufbau aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Triebwerk mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruchs 1. Neben seinem einfachen Aufbau und der aufgrund der Abwesenheit eines mechanischen Stell­ antriebes hohen Zuverlässigkeit führt das Triebwerk nach der Erfindung zu einer wesentlichen Gewichts­ einsparung. Da zudem die für die Verstellung des Elektrodenabstandes erforderliche Antriebsleistung in Form thermischer Energie unmittelbar in der Brennkammer erzeugt wird, entfällt überdies die Notwendigkeit einer zusätzlichen Energieversorgung sowie der dazugehörigen Anschlußleitungen.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Erfindung sich insbesondere auch für eine Nachrüstung bereits vorhandener Triebwerke eignet.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Lichtbogen-Strahl­ triebwerk in der Startphase,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Anordnung gemäß Fig. 1 in der Betriebsphase,

Fig. 3 bis 5 Detaildarstellungen eines Stellelementes gemäß den Fig. 1 und 2 und

Fig. 6 bis 8 Detaildarstellungen einer weiteren Aus­ führung eines Stellelementes als längen­ veränderliche Hülse.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung handelt es sich um ein Hochleistungstriebwerk, wie es unter anderem für die Bahn- und Lageregelung von Raumflug­ körpern eingesetzt wird. Das Triebwerk umfaßt eine Zersetzungskammer 1, in der ein flüssiger Energieträger durch thermische und/oder katalytische Zersetzung in gasförmige Komponenten umgewandelt wird, die als Treib­ gase einem Lichtbogentriebwerk 2, einem sogenannten Arcjet, zugeführt werden. Der flüssige Energieträger, im vorliegenden Fall Hydrazin (N₂H₄), befindet sich in einem hier nicht dargestellten Vorratsbehälter, von wo aus er über ein Einspritzrohr 3, das von einem Hitze­ schild 4 umgeben ist, in die Zersetzungskammer 1 gelangt. Letztere enthält eine poröse Füllung aus einem katalytisch wirksamen Werkstoff, der in Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels aus einzelnen Körnern einer mit Iridium beschichteten Aluminium­ oxidkeramik besteht.

Anzumerken ist, daß die Erfindung selbstverständlich nicht auf Triebwerke beschränkt ist, bei denen die Zersetzungskammer in einer gemeinsamen Baugruppe mit dem Lichtbogen-Triebwerk angeordnet ist, wie in den Figuren dargestellt. Im Rahmen der Erfindung ist es vielmehr auch möglich, die Treibgase von einer separat angeordneten Quelle kommend in die Brennkammer des Lichtbogentriebwerks einzuspeisen. Dabei kann es sich um die Zersetzungsprodukte des Hydrazins, im wesent­ lichen NH₃, H₂ und N₂, handeln, es können als Treibgase aber beispielsweise auch Inertgase eingesetzt werden.

Das Lichtbogentriebwerk 2 besteht aus einem im wesent­ lichen rotationssymmetrischen Gehäuse 5, in dem in zentrischer Anordnung ein Sammelraum 6, eine Brenn­ kammer 7, ein sich daran anschließender Düsenhals oder oder Constrictor 8 sowie eine Expansionsdüse 9 vorge­ sehen sind. Die Austrittsöffnung der Expansionsdüse 9 ist von einer Abstrahlfläche 10 umgeben.

Im Zentrum der Brennkammer 7 ist eine stabförmige, konisch zugespitzte Elektrode 11 angeordnet, die über einen zylindrischen Isolationseinsatz 12 gehaltert ist und die über eine flexible Zuleitung 13 mit dem Minus­ pol einer hier nicht dargestellten elektrischen Energieversorgungseinheit verbunden ist. Wie aus Zeichnung hervorgeht, sind dabei die Zersetzungskammer 1 und das Gehäuse 5 auf einer gemeinsamen Achse ange­ ordnet und bilden eine sogenannte in-line-Anordnung. Die Zuleitung 13 besteht aus einer Vielzahl von Einzel­ drähten, die im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels aus Molybdän bzw. einer Kombi­ nation aus Rhenium und Molybdän gefertigt sind. Sie ist weiterhin mit einer auf einem Adapterflansch 14 ange­ ordneten stabförmigen Durchführung 15 verbunden. Letztere besteht aus einem den elektrischen Strom leitenden Werkstoff und weist auf ihrer zylindrischen Außenfläche eine Beschichtung 16 aus einem Isolations­ material auf, durch die ein elektrischer Kontakt zwischen dem Gehäuse 5 und der Kathode 11 über den Adapterflansch 14 verhindert wird. Im vorliegenden Fall besteht die Beschichtung 16 aus einer Aufdampfschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃). Diese wiederum weist im Bereich des Adapterflansches 14 eine zweite Beschich­ tung 17 aus Metall, in diesem Fall Molybdän, auf, die ebenfalls durch Aufdampfen aufgebracht wurde und die es ermöglicht, die Durchführung 15 in den Adapterflansch 14 einzulöten. Eine eingeschobene Keramikisolations­ hülse 25 schützt die Zuleitung vor elektrischem Kontakt mit der Gehäusewand 5.

Die Zuleitung 13 ist über ein Anschlußstück 18 mit der Kathode 11 verbunden, das zwischen einer Druckfeder 19 sowie einem temperaturabhängigen Stellelement 20 ge­ haltert ist. Während sich die Druckfeder 19 an einer die Zersetzungskammer 1 begrenzenden elektrisch iso­ lierenden Platte 21 abstützt, liegen die freien Ende des Stellelementes 20 an einer aus einem Isolierwerk­ stoff bestehenden Distanzbuchse 22 an. Die Kathode 11, das Stellelement 20 sowie das Anschlußstück 18 sind dabei fest miteinander verbunden und, da die Kathode 11 im Isolationseinsatz 12 sowie in der Distanzbuchse 22 längsverschieblich gelagert und über die flexible Zuleitung 13 mit der in den Figuren nicht dargestellten Stromquelle verbunden ist, im Inneren des Gehäuses 5 in Richtung dessen Längsachse beweglich angeordnet. Die Form des Stellelementes 20, das im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels aus einer sogenann­ ten Formgedächtnis- oder Memory-Legierung gefertigt ist, ist in den Fig. 3 bis 5 im Detail gezeigt. Das Stellelement 20 kann dabei auch aus einem Bimetall bestehen. Wichtig für die Funktion des Triebwerkes nach der Erfindung ist, daß es im kalten Zustand die in den Fig. 1 und 4 gezeigte Form aufweist, während es bei einer Erwärmung die in den Fig. 2 und 5 dargestellte Gestalt aufweist. Ferner ist wichtig, daß das Stell­ element 20 und die Druckfeder 19 so aufeinander ab­ gestimmt sind, daß die bei einer Erwärmung des Stell­ elementes 20 auftretenden Verformungskräfte größer sind als die Rückstellkraft der Druckfeder 19.

Die in der Zersetzungskammer 1 erzeugten Treibgase gelangen, wie durch Pfeile angedeutet, zunächst in den Sammelraum 6, von wo aus sie in ein spiralförmiges Rohrsystem 23 weitergeleitet werden, das das Gehäuse 5 im Bereich der Expansionsdüse 9, des Düsenhalses 8 und der Spitze der als Kathode dienenden Elektrode 11 umgibt.

Das Rohrsystem 23 wird von einer biffilar gewickelten Spirale gebildet, die im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels aus Rhenium besteht und deren kürzeres Ende vor der Brennkammer 7 in einen die Kathode 11 umgebenden Raum 24 mündet. Das gasführende Rohrsystem 23 dient dabei zugleich der Kühlung der Brennkammer 7 und des Düsenbereiches 8 und 9.

Vor der Zündung des Lichtbogens weist die Kathode 11, wie in Fig. 1 dargestellt, einen nur geringen Abstand von der die Anode bildenden Expansionsdüse 9 auf, der bei dem hier dargestellten Triebwerk etwa 0,2 bis 0,3 mm beträgt. Demzufolge ist eine nur geringe Zünd­ spannung erforderlich, um zwischen diesen beiden Elektroden bei Gasströmung einen Lichtbogen zu zünden. Durch die dabei freiwerdende thermische Energie der Treibgase kommt es zu einer Erwärmung aller im Gehäuse 5 angeordneten Komponenten und damit auch des Stell­ elementes 20, das daraufhin seine in den Fig. 2 bzw. 5 gezeigt gekrümmte Form annimmt. Diese Formänderung bewirkt eine Verschiebung der aus Stellelement 20, Kathode 11 und Anschlußstück 18 bestehenden Anordnung in Richtung auf die Zersetzungskammer 1 und entgegen der Kraft der Druckfeder 19. Dadurch stellt sich nach kurzer Betriebsdauer des Triebwerks ein größerer Abstand zwischen Anode 9 und Kathode 11 ein, der in diesem Fall bei etwa 1,8 mm liegt, wodurch sich auch die Ausdehnung des Lichtbogens wesentlich vergrößert. Da sich damit zugleich die Oberfläche der Energie­ quelle, d. h. des Lichtbogens, für die in die Brenn­ kammer 7 einströmenden Treibgase wesentlich vergrößert, nehmen diese wesentlich mehr thermische Energie auf und es kommt zu einer deutlichen Vergrößerung des spezi­ fischen Impulses des Triebwerks aufgrund der höheren Abgastemperatur.

Eine alternative Ausbildung des Stellelementes 20′ ist gemäß Fig. 6 bis 8 durch eine längenveränderliche Hülse gebildet. Hierbei wird der Verschiebeeffekt somit aufgrund der Längenveränderung der Hülse erzielt. Die Einstellungen werden entsprechend der vorstehenden Ausführungen in äquivalenter Weise vorgenommen.

Nach dem Abschalten des Lichtbogens, bei Ende der Brenndauer, und der damit verbundenen Abkühlung der Anordnung strebt das Stellelement 20 wieder seine ursprüngliche Gestalt an, wobei die Rückstellbewegung durch die Druckfeder unterstützt wird, und es stellt sich wieder der für einen erneuten Kaltstart optimale Abstand zwischen Anode und Kathode ein, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Durch die Wahl einer geeigneten Form, Stärke und Position des Stellelementes 20 kann der zeitliche Ablauf des vorangehend beschriebenen Vorganges wesent­ lich beeinflußt und den jeweiligen Erfordernissen ange­ paßt werden.

Claims (6)

1. Lichtbogen-Strahltriebwerk, insbesondere für Raum­ flugkörper, bei dem zwischen einem als Anode und Expansionsdüse ausgebildeten Gehäuse sowie der Spitze einer in diesem angeordneten Kathode bei Gasströmung ein Lichtbogen gezündet wird, wobei die Kathode elektrisch isoliert in einer ersten, als Brennkammer ausgebildeten Ausnehmung des Gehäuses untergebracht ist und diese mit der Spitze mit kleinem Luftspalt beabstandet vor dem verengten Querschnitt der Expansionsdüse positioniert und in Richtung auf diese bewegbar gehaltert ist und wobei in die Brennkammer Treibgase eingespritzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11) zur Veränderung ihres Abstandes von der Expansionsdüse (9) über ein temperaturabhängiges Stellelement (20) beaufschlagbar ist.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (20) aus einer Formgedächtnis­ legierung besteht.

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kathode (11) über ein Rückstell­ element (19) beaufschlagbar ist, dessen Wirkungs­ richtung derjenigen des Stellelementes (20) bei einer Erwärmung entgegengerichtet ist.

4. Triebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückstellelement (19) von einer Druckfeder gebildet wird.

5. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11) über eine zumindest bereichsweise flexibel ausgebildeten Anschlußeinheit (13, 15) mit der elektrischen Energiequelle nach außen verbunden ist.

6. Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (13) zur Kathode (11) aus einem aus Einzeldrähten geflochtenen Zopf besteht.