DE4310821C2 - Lichtbogen-Strahltriebwerk - Google Patents
Lichtbogen-StrahltriebwerkInfo
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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.
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Owner name: DAIMLER-BENZ AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 80804 M |
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