DE4310822A1 - 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 diese mit der Spitze mit kleinem Luft­ spalt beabstandet vor dem verengten Querschnitt der Expansionsdüse positioniert ist und wobei in die Brenn­ kammer Treibgase eingespritzt werden.

Lichtbogen-Strahltriebwerke, die in der Fachwelt auch als Arcjets bezeichnet werden, sind unter anderem durch die Veröffentlichung "Cathode Erosion Tests for 30 kW Arcjets" von W. D. Deininger, A. Chopra und K. D. Goodfellow, A/AA 89-2264, bekanntgeworden, die aus Anlaß der Tagung A/AA/ASME/SAE/ASEE 25th Joint Propulsion Conference, Monterey, CA, July 10-12, 1989, erschienen ist. Darüber hinaus sind derartige Trieb­ werke durch die DE 39 31 733 A1 bzw. durch die US 3 759 734 bekanntgeworden. Als Treibgas dient bei diesen Triebwerken in der Regel Ammoniak (NH₃) oder ein durch thermische und/oder katalytische Zersetzung von Hydrazin (N₂H₄) erzeugtes Gemisch aus Ammoniak, Stick­ stoff- (N₂) und Wasserstoffgas (H₂). Das Gas, das bei seinem Eintritt in die Brennkammer zunächst eine Tempe­ ratur in der Größenordnung von 500-600 °C aufweist, erwärmt sich im Lichtbogen, der sich zwischen der Anode und der Kathode bildet, auf Temperaturen von 10-15 000°C, bevor es die Expansionsdüse verläßt und dort den gewünschten vortrieb erzeugt.

Der nach der Zündung bei Gasdurchströmung des Trieb­ werks sich aufbauende Lichtbogen, der sich von der Anode durch den Düsenhals bis zu der im allgemeinen konisch ausgebildeten Spitze der Kathode erstreckt, überträgt den größten Teil seiner kinetischen Energie an das Treibgas im Düsenhals (Constrictor). Dabei bildet sich der Lichtbogen genau auf der Mittelachse des Constrictors aus.

Der Bereich, in dem der Lichtbogen aus der Innenwand der Expansionsdüse austritt, ist mit Wandtemperaturen von über 2000°C thermisch besonders hoch beansprucht.

Ein Lichtbogen-Strahltriebwerk, das sich durch einen hohen spezifischen Schubimpuls sowie durch eine besonders hohe Standzeit auszeichnet, ist aus der DE 41 22 755 A1 bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Triebwerk bilden die Komponenten der Erzeugungsein­ richtung für die Treibgase, d. h. die Zuführeinrichtung für den flüssigen Energieträger und die nachgeschaltete Zersetzungskammer, einerseits und das eigentliche, aus Kathode und Expansionsdüse/Anode bestehende Lichtbogen­ triebwerk andererseits eine winkelförmig angeordnete Baugruppe, bei der die Längsachse der Zersetzungskammer annähernd rechtwinklig zur Längsachse des Lichtbogen­ triebwerks verläuft.

Da eine derartige winkelförmige Anordnung für eine Reihe von Anwendungsfällen mit Nachteilen behaftet ist, ist es Aufgabe der Erfindung, ein Triebwerk der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es unter Beibehaltung der guten Leistungscharakteristik und der hohen Lebensdauer eine Anordnung ermöglicht, bei der die Komponenten für die Treibgasversorgung und das eigentliche Lichtbogentriebwerk zu einer möglichst kompakten Einheit zusammengefaßt sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Triebwerk mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patent­ anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Triebwerkes, die geeignet sind, seine Leistungsfähigkeit und seine Standzeit noch weiter zu erhöhen, sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dadurch, daß bei dem Triebwerk nach der Erfindung die wesentlichen Komponenten zu einer sogenannten in-line- Anordnung zusammengefaßt sind, ergibt sich ein äußerst kompakter und strömungstechnisch günstiger Aufbau. Diese Anordnung wird dadurch ermöglicht, daß bei dem erfindungsgemäßen Triebwerk zumindest ein Teil der Kathode flexibel ausgebildet ist. Hierdurch ist zugleich auch bei hohen Betriebstemperaturen eine Beschädigung der Durchführung des Kathodenanschlusses durch die Gehäusewand ausgeschlossen. Ferner wird durch diese Ausbildung der Kathode ein spannungsfreier Aufbau ermöglicht.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert werden.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch ein Hochleistungs­ triebwerk, wie es unter anderem für die Bahn- und Lageregelung von Raumflugkörpern eingesetzt wird. Das Triebwerk umfaßt eine Zersetzungskammer 1, in der ein flüssiger Energieträger durch thermische und/oder katalytische Zersetzung in gasförmige Komponenten umge­ wandelt wird, die als Treibgase einem Lichtbogentrieb­ werk 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 Hitzeschild 4 umgeben ist, in die Zer­ setzungskammer 1 gelangt. Letztere enthält eine poröse Füllung aus einem katalytisch wirksamen Werkstoff, die im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels aus einzelnen Körnern einer mit Iridium beschichteten Aluminiumoxidkeramik besteht.

Anzumerken ist, daß die verwendeten Treibgase nicht unbedingt aus zersetztem Hydrazin, d. h. den Komponenten NH₃, H₂ und N₂ Gasen, bestehen müssen. Es ist ebenso die Verwendung von Inertgasen möglich. Die eingesetzten Gase müssen aber in jedem Fall sauerstofffrei sein.

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 Constrictor 8 sowie eine Expansionsdüse 9 vorgesehen 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 Zuleitung 13 mit dem Minuspol einer hier nicht dargestellten elektrischen Energiever­ sorgungseinheit verbunden ist. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind dabei die Zersetzungskammer 1 und das Gehäuse 5 auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und bilden eine sogenannte in-line-Anordnung.

Die Zuleitung 13 besteht aus einer Vielzahl von Einzel­ drähten, die im Fall des hier beschriebenen Aus­ führungsbeispiels aus Molybdän bzw. einer Kombination aus Rhenium und Molybdän gefertigt sind. Sie ist weiter­ hin mit einer auf einem Adapterflansch 14 angeordneten stabförmigen Durchführung 15 verbunden. Letztere besteht aus einem den elektrischen Strom leitenden Werkstoff und weist auf ihrer zylindrischen Außenfläche eine Beschichtung 16 aus einem Isolationsmaterial auf, durch die ein elektrischer Kontakt zwischen dem Gehäuse 5 und der Kathode 11 über den Adapterflansch 14 ver­ hindert wird. Im vorliegenden Fall besteht diese Beschichtigung 16 aus einer Aufdampfschicht aus Alumi­ niumoxid (Al₂O₃). Diese wiederum weist im Bereich des Adapterflansches 14 eine zweite Beschichtung 17 aus Metall, in diesem Fall Molybdän, auf, die ebenfalls durch Aufdampfen aufgebracht wurde und die es ermög­ licht, die Durchführung 15 in den Adapterflansch 14 einzulöten.

Die Zuleitung 13 ist über ein Anschlußstück 18 mit der Kathode 11 verbunden, das zwischen einem elektrischen Isolator als Stützkörper 19 sowie einer die Kathode 11 umgebenden, aus Bornitrid als Isolationsmaterial bestehenden Distanzbuchse 20 angeordnet ist. Eine weitere Isolationshülse 23 ist aus Gründen der elek­ trischen Zuverlässigkeit eingebaut.

Die aus der Zersetzungskammer 1 austretenden, durch Pfeile angedeuteten Treibgase gelangen zunächst in den Sammelraum 6, von wo aus sie in ein Rohrsystem 21 weiterströmen, das das Gehäuse 5 im Bereich der Expansionsdüse 9, des Düsenhalses 8 und der Spitze der als Kathode dienenden Elektrode 11 umgibt. Das Rohr­ system 21 wird von einer biffilar gewickelten Spirale gebildet, die im Fall des hier beschriebenen Aus­ führungsbeispiels aus Rhenium besteht und deren kürzeres Ende vor der Brennkammer 7 in den die Kathode 11 umgebenden Raum 22 mündet. Das gasführende Rohr­ system 21 dient dabei zugleich der Kühlung der Brenn­ kammer 7 und der Düsenbereiche 8 und 9.

Aufgrund der unterschiedlich hohen Temperaturen des Gehäuses 5 auf der einen Seite und der Kathode 11 auf der anderen Seite auftretende Biege- oder Druck­ spannungen werden durch die flexible Verbindung 13 zwischen der Kathode und der Gehäuse-Durchführung 15 aufgefangen und führen daher nicht zu einer erhöhten Beanspruchung der Lötung zwischen dem Gehäuse 5 und dem Adapterflansch 14, wobei die unbedingte Gasdichtigkeit dieses Bereiches von ausschlaggebender Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des Triebwerks ist. Zudem erleichtert diese flexible Zuleitung 13 den spannungs­ freien Einbau der Kathode 11 in das Gehäuse 5.

Claims (3)

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 ist und wobei in die Brennkammer Treibgase eingespritzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten (1, 3, 6) für die Treibgasversorgung der Brennkammer (7) sowie die Komponenten des Lichtbogen-Strahl­ triebwerks (7, 8, 9) hintereinander liegend auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, wobei die Kathode (11) über ein unter einem Winkel zu dieser Achse verlaufendes, zumindest bereichsweise flexibel ausgebildetes Anschlußelement (13, 15) mit der elektrischen Energieversorgungseinrichtung ver­ bunden ist.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Bereich (13) des Anschlußelementes in Form eines geflochtenen Zopfes ausgebildet ist.

3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zopf (13) bildenden Einzeldrähte aus Molybdän bzw. Molybdän/Rhenium bestehen.