DE60211774T2

DE60211774T2 - Cryotechnische Schubeinheit

Info

Publication number: DE60211774T2
Application number: DE60211774T
Authority: DE
Inventors: Dominique Valentian; Jacques Borromee
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: RU2282744C2; US6581882B2; FR2822193B1; FR2822193A1; DE60211774D1; EP1241341A1; US20020139902A1; EP1241341B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein kryotechnisches Antriebsmodul mit geringem Schub, das auf eine herkömmliche Trägerrakete oder auf eine bergungsfähige Trägerrakete anwendbar ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein kryotechnisches Antriebsmodul mit geringem Schub, das ermöglicht, den Bahnübergang eines Satelliten zu gewährleisten, wobei das Antriebsmodul in den Satelliten integriert sein oder eine separate Antriebsstufe bilden kann.
Stand der Technik
Ein Hauptanliegen auf dem Gebiet des Starts von Satelliten liegt in der Verbesserung der auf die geostationäre Umlaufbahn gebrachten Masse bei einer bestimmten Trägerraketenmasse.
Die herkömmlichste Methode beruht darauf, einen Satelliten auf die Übergangs- oder Transferbahn, die sogenannte GTO (Geostationary Transfer Orbit) zu bringen, anschließend diesen Satelliten mit Hilfe eines 2-Flüssigkeits-Apogäumsmotors auf die geostationäre Umlaufbahn zu überführen, wobei das 2-Flüssigkeits-Antriebsmodul in den Satelliten integriert ist.
Es wurde außerdem vorgeschlagen, einen Satelliten mit Hilfe einer flüssigen Wasserstoff verwendenden solarthermischen Stufe von einer unteren Umlaufbahn auf eine geostationäre Umlaufbahn zu überführen.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise in dem Artikel von J.A. Bonometti und C.W. Hawk, mit dem Titel „Solar thermal rocket research apparatus and proposed testing" (University of Alabama – 1994) beschrieben.
Dieses Verfahren wird auch in dem Artikel von J.M. Shoji, erschienen in Progress in Astronautics and Aeronautics-AIAA – Band 87, mit dem Titel „Potential of advanced solar thermal propulsion (Seiten 30 bis 47) Orbit raising and maneuvering propulsion: research status and needs" behandelt.
Nach diesem bekannten Verfahren, das in 2 veranschaulicht ist, wird das Licht der Sonne über einen Parabolspiegel 5 auf einen Sonnenofen 6 konzentriert, in dem der Wasserstoff auf eine Temperatur in der Größenordnung von 2000 K erhitzt wird. Der Wasserstoff wird anschließend in einer Düse eines Triebwerks 8 dadurch druckentlastet, daß eine hohe Ausströmgeschwindigkeit (7500 bis 8000 m/s), also ein spezifischer Impuls nahe 750 bis 800 s geliefert wird. In 2 ist das Schema einer solchen Anordnung mit einem Satelliten 2, der einerseits über eine Schnittstelle 1 mit einer Trägerrakete und andererseits über ein Strukturgitter 4 mit einem Wasserstoffbehälter 3 verbunden ist, zu sehen. Das Bezugszeichen 7 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Beschaffung des flüssigen Wasserstoffs, um den Sonnenofen 6 und das Triebwerk 8 zu versorgen.
Eine solche Vorrichtung, die in der Praxis niemals angewandt worden ist, sollte theoretisch ermöglichen, die auf die geostationäre Umlaufbahn gebrachte Masse zu erhöhen. Diese Ausgestaltung weist jedoch mehrere Nachteile auf.
Insbesondere ist es für das Erreichen einer Temperatur von 2000 K erforderlich, einen Konzentrationsfaktor des Solarflusses von 5000 bis 8000 einzusetzen, was einen Spiegel von sehr guter Qualität voraussetzt, der sehr schwer erhältlich ist, wenn man Zwängen unterworfen ist, welche die Begrenzung der an Bord befindlichen Masse implizieren. Des weiteren muß die Ausrichtung auf die Sonne sehr präzise sein, in der Größenordnung von ± 5 Bogenminuten entlang von zwei Achsen; dies wirft Probleme hinsichtlich der Fluglagenkontrolle auf.
Der Platzbedarf des Behälters 3 für den flüssigen Wasserstoff stellt ebenfalls eine Schwierigkeit dar. Denn um beispielsweise einen gelieferten Gesamtimpuls von 30 MN·s (MegaNewton·Sekunde) zu erhalten, muß ein Behälter mit 4000 kg flüssigem Wasserstoff verwendet werden, der dann ein Volumen von 60 m³ aufweist (was beispielsweise einen Durchmesser von 4,2 m und eine Höhe von 5 m impliziert).
Die Entwicklungen der Bahnübergangssysteme, die auf einer flüssigen Wasserstoff verwendenden solarthermischen Stufe basieren sind folglich aufgrund dieser Nachteile vorweg belastet.
Nach einer weiteren Technik, die ermöglicht, die auf die geostationäre Umlaufbahn oder GTO gebrachte Masse zu erhöhen, wird eine kryotechnische Trägerraketenoberstufe eingesetzt, die ermöglicht, Behälter mit relativ geringem Volumen zu verwenden, die eine leichtere Integration in die Trägerrakete ermöglichen. Um einen Gesamtimpuls von 30 MN·s zu erzielen, erfordert somit eine kryotechnische Stufe mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff eine Ergolmasse von 6600 kg, jedoch beträgt das Volumen der Behälter lediglich 22 m³.
Die derzeit eingesetzten kryotechnischen Stufen erfordern jedoch den Einsatz von Turbopumpen, was die Kosten erhöht.
Einige Erfinder haben vorgeschlagen, mit Druck beaufschlagte kryotechnische Stufen, ohne die Verwendung von Turbopumpen auszubilden, jedoch führten diese Konzepte zu keinen konkreten Ausführungen. Denn in der Praxis muß der Wasserstoffdruck stets höher sein als der Sauerstoffdruck, um die regenerative Kühlung der Brennkammer sicherzustellen. Hieraus folgt, daß die für das Unterdrucksetzen erforderliche Heliummasse dann verhindernd wirkt.
Aus der internationalen Anmeldung WO 87/04992 ist ein Antriebssystem mit bei Umgebungstemperatur flüssigen hypergolischen Treibstoffen oder Ergolen bekannt, das einen Apogäumsmotor, Sekundär- oder Nebentriebwerke zur Fluglagenkontrolle, erste und zweite Behälter zur Versorgung mit lagerbaren Treibstoffen oder Ergolen sowie Mittel zum intermittierenden Unterdrucksetzen dieser Versorgungsbehälter umfaßt. Die Verwendung von Steuermitteln mit SQUIB-Ventilen, die den Zustand nur ein einziges Mal ändern können, verhindert die Durchführung von aufeinanderfolgenden Zündungen des Apogäumstriebwerks.
Gegenstand und kurze Beschreibung der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu beheben und insbesondere zu ermöglichen, den Bahnübergang eines Satelliten mit einer Vorrichtung sicherzustellen, die einfacher, leichter und platzsparender als die Vorrichtungen des Standes der Technik ist, und zwar dadurch, daß die Verwendung von Turbopumpen vermieden und daß der Einsatz sowohl von Triebwerken als auch von Ergolbehältern vernünftiger Größe ermöglicht wird, die den Platzbedarf der betrachteten, für den Bahnübergang des Satelliten erforderlichen Antriebsstufe begrenzen.
Erreicht werden diese Ziele dank eines kryotechnischen Antriebsmoduls mit geringem Schub, das einen Schub zwischen 100 und 1000 N aufweist und das dadurch gekennzeichnet ist, daß es wenigstens ein kryotechnisches Haupttriebwerk, dessen Verbrennungsdruck zwischen 2 und 10 bar beträgt, wenigstens zwei Nebentriebwerke zur Fluglagenkontrolle, wenigstens erste und zweite Behälter zur Versorgung mit kryogenem Ergol, Mittel zur intermittierenden Unterdrucksetzung der Versorgungsbehälter sowie Mittel umfaßt, um Zündungen des kryotechnischen Haupttriebwerks auf intermittierende Weise während der intermittierenden Unterdrucksetzung der Versorgungsbehälter auszulösen, wobei die Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündungen zwischen ungefähr 1 Stunde 30 Minuten und 12 Stunden beträgt, daß die Mittel zur intermittierenden Unterdrucksetzung eines Versorgungsbehälters wenigstens einen Wärmetauscherkreis, der einem Wärmespeicher zugeordnet ist, und Mittel umfassen, um eine vorbestimmte Menge eines Ergols in dem Wärmetauscherkreis in Umlauf zu bringen, und daß es ferner Mittel umfaßt, um den Wärmespeicher in den Zeitabschnitten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündungen wieder zu erhitzen.
Der Wärmespeicher, welcher einem Ergolbehälter zugeordnet ist, kann wenigstens teilweise mit Hilfe eines Sonnensensors, beispielsweise mit Hilfe eines flachen Sonnensensors erhitzt werden, dessen Verhältnis von Absorptionsvermögen/Emissionsvermögen (α/ε) größer als 1 ist und der auf seiner Rückseite mit einer Superisolierung versehen ist.
Der Wärmespeicher kann jedoch auch wenigstens teilweise durch Wiedergewinnung der Wärmeverluste einer Brennstoffzelle, die mit Hilfe der verdampften Ergole funktioniert, erhitzt werden.
Die Brennstoffzelle kann mit den kalten Ergoldämpfen versorgt werden, die aus einem Wärmetauscher stammen, welcher dazu bestimmt ist, die Zapftemperatur eines Ergolbehälters konstant zu halten.
Der Wärmespeicher kann auch wenigstens teilweise durch elektrisches Heizen erhitzt werden.
Die Wärmespeicherung innerhalb des Wärmespeichers erfolgt vorteilhafterweise durch ein Material mit Phasenänderung, wie beispielsweise ein alkalisches Metall auf einem Kohlenwasserstoff.
Nach einer besonderen Ausführungsform umfaßt das kryotechnische Antriebsmodul erste und zweite Ergolbehälter, um das Haupttriebwerk zu versorgen, und werden die Ergole vollständig in den den Behältern zugeordneten Wärmespeichern verdampft, so daß ein konstantes Mischungsverhältnis gewährleistet ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt das kryotechnische Antriebsmodul wenigstens erste und zweite Hauptergolbehälter und wenigstens erste und zweite Sekundär- oder Nebenergolbehälter, die Pufferbehälter bilden, wobei die Nebenbehälter durch die Mittel zur Unterdrucksetzung unter Druck gesetzt werden können und derart dimensioniert sind, daß sie ermöglichen, ein Orbitalmanöver sicherzustellen, wenn sie das Haupttriebwerk auf intermittierende Weise versorgen, und daß sie am Ende einer Zündung vollkommen leer sind, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Nebenbehälter aus den entsprechenden Hauptbehältern zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündungen erneut zu versorgen, und wobei der Druck der Hauptbehälter geringer als der Versorgungsdruck des Haupttriebwerks gehalten wird.
In diesem Fall ist nach einer besonderen Ausführungsform ein Nebenbehälter mit einer Wärmeisolierung überzogen und ist im Inneren eines Hauptbehälters angebracht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale sowie Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von besonderen, als Beispiele gegebenen Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen, in diesen zeigen:
1 eine schematische Gesamtansicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen kryotechnischen Antriebsmoduls und eines Satelliten, dem das Modul zugeordnet ist,
2 auf schematische Weise eine solarthermische Stufe gemäß dem Stand der Technik sowie den Satelliten, dem diese solarthermische Stufe zugeordnet ist,
3 ein Gesamtschema der Hauptfunktionselemente eines Beispiels eines kryotechnischen Antriebsmoduls mit Solarheizung, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
die 4 und 5 eine Schnittansicht bzw. eine Vorderansicht eines Beispiels eines planen Sonnensensors mit integriertem Wärmespeicher und Wärmetauscher, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbar ist,
6 eine schematische Schnittansicht, welche die Zuordnung eines planen Sonnensensors und eines separaten Wärmespeichers zeigt,
7 in einer Schrägansicht ein Beispiel eines passiven, planen Sammelspiegeln zugeordneten Sonnensensors, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbar ist,
8 in einer Schrägansicht ein Beispiel eines passiven, Parabolsammelspiegeln zugeordneten Sonnensensors,
9 das Gesamtschema der Hauptfunktionselemente eines Beispiels eines erfindungsgemäßen kryotechnischen Antriebsmoduls, das Hilfspufferbehälter zum Einsatz bringt,
10 das Gesamtschema der Hauptfunktionselemente eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsmoduls, das Hilfspufferbehälter einsetzt und das eine Vorverdampfung der Ergole sicherstellt,
11 das Gesamtschema der Hauptfunktionselemente eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsmoduls, das eine Brennstoffzelle verwendet,
12 das Einsetzen eines Wärmetauschers in den Boden eines Hauptergolbehälters, der in dem erfindungsgemäßen kryotechnischen Antriebsmodul verwendbar ist,
13 das Detail eines Ausführungsbeispiels des in 12 dargestellten Wärmetauschers, und
14 eine Teilansicht eines Hauptergolbehälters, der in dem erfindungsgemäßen kryotechnischen Antriebsmodul einsetzbar ist und einen Pufferbehälter innerhalb des Hauptbehälters enthält.
Detaillierte Beschreibung besonderer Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist das Gesamtschema eines Beispiels eines erfindungsgemäßen kryotechnischen Antriebsmoduls 100 mit einem Haupttriebwerk 10 der Art Sauerstoff-Wasserstoff-Triebwerk zu sehen, dessen Brenndruck in der Größenordnung von 2 bis 10 bar gering genug ist, um Wärmeflüsse an der Wand zu erzeugen, die fünf- bis zehnmal geringer sind als im Falle eines herkömmlichen kryotechnischen Triebwerks, wodurch es möglich ist, für dieses Haupttriebwerk 10 eine vereinfachte regenerative Kühlung oder sogar eine Strahlungs- und Schleierkühlung zu verwenden.
Das Haupttriebwerk 10 kann als einziges vorhanden und an einem Kardanantrieb angebracht sein oder es kann eine Einheit aus wenigstens drei kryotechnischen Haupttriebwerken umfassen, deren Einzelschub durch einen variablen Druckverlust an den Ergolversorgungskreisen kontrolliert wird.
Das Haupttriebwerk 10 oder die Einheit der Haupttriebwerke weist bzw. weisen einen geringen Schub, in der Größenordnung von 100 bis 1000 N auf, wodurch es möglich ist, deren Platzbedarf und folglich den Platzbedarf der gesamten Antriebsstufe zu verringern. Die Verwendung mehrerer Haupttriebwerke mit geringem Schub ermöglicht beispielsweise, die Länge der gesamten Stufe um mehr als 3 Meter im Vergleich zu herkömmlichen Ausbildungen zu verringern.
Das Antriebsmodul 100 kann zwischen zwei und sechs Triebwerken zur Fluglagenkontrolle umfassen, wie beispielsweise ein Triebwerk 21 zur Giersteuerung und ein Triebwerk 22 zur Rollsteuerung.
Die elektrische Versorgung des Antriebsmoduls 100 kann von einem an dem Modul befestigten Photovoltaik-Solarpanel 51 aus erfolgen, sie könnte jedoch auch mit Hilfe eines Speisekabels erfolgen, das mit dem Satelliten 200 verbunden ist, der mit dem Antriebmodul 100 auf die Umlaufbahn zu bringen ist. Die elektrische Versorgung kann auch mit Hilfe einer Brennstoffzelle, wie der Brennstoffzelle 270 der 11 erfolgen, die durch Verdampfung der kryogenen Ergole gespeist werden kann.
Die Versorgung des Haupttriebwerks 10 mit Ergolen erfolgt auf intermittierende Weise durch Unterdrucksetzen der Hauptbehälter 31, 32 zur Lagerung von flüssigem Wasserstoff bzw. von flüssigem Sauerstoff. Da der Betriebsdruck gering ist, bleibt der Strukturfaktor der Behälter 31, 32 vernünftig.
Die Behälter 31, 32 zur Versorgung mit kryogenen Ergolen wie H₂, O₂ werden ohne Turbopumpen durch einfache Verdampfung einer vorbestimmten Menge eines jeden Ergols in einem Wärmespeicher, wie zum Beispiel dem Speicher 60 der 4 und 5 oder dem Speicher 160 der 6 unter Druck gesetzt. Der Wärmespeicher 60 ist einem Wärmetauscherkreis 70 und einer elektrischen Mikropumpe zugeordnet, die dazu dient, eine bestimmte Ergolmenge in dem Wärmetauscherkreis 70 in Umlauf zu bringen.
In 1 ist als Beispiel eine erste Mikropumpe 71 dargestellt, die einem ersten Behälter 31 und einem Wärmespeicher 61 zugeordnet ist.
Der Wärmespeicher 60, 160 wird in den Zeitabschnitten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündungen des Haupttriebswerks 10 erhitzt.
Der Wärmespeicher kann entweder durch Solarheizung, durch elektrische Heizung, durch Wiedergewinnung der Wärmeverluste einer Brennstoffzelle, die mit Hilfe der verdampften Ergole funktioniert, oder durch eine Kombination der drei Methoden erhitzt werden.
Der Wärmespeicher wird zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündungen des Triebwerks oder der Triebwerke 10 erhitzt, wobei diese Zeitdauer des Wartens zwischen zwei Zündungen entsprechend der Exzentrizität der Umlaufbahn zwischen 1 Stunde 30 Minuten und 12 Stunden beträgt. Die Zahl der aufeinanderfolgenden Zündungen des Haupttriebwerks 10 kann beispielsweise zwischen 10 und 30 liegen, und sie erfolgen im Perigäum oder Apogäum der Umlaufbahn, so daß das Orbitalmanöver somit aufgrund des absichtlich geringen Schubs des kryotechnischen Antriebsmoduls 100 in Schritten erfolgt. Die Zeitabstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündungen stellen jedoch keine Totzeiten dar und werden genutzt, um den Wärmespeicher wieder zu erhitzen.
Die 4 und 5 zeigen ein Beispiel eines Wärmespeichers 60 mit einem flachen Sonnensensor 60a, der den Wärmespeicher 60 in Kontakt mit Wasserstoffumlaufrohren eines Wärmetauscherkreises 70 direkt erwärmt. Eine Superisolierschicht 60b ist an der Rückseite des Wärmespeichers 60 und des Wärmetauschers 70 angeordnet.
Der eigentliche Wärmespeicher 60 ist vorteilhafterweise von einem Material mit Phasenänderung, wie einem alkalischen Metall oder einem Kohlenwasserstoff gebildet, wodurch es möglich ist, die Masse zu verringern.
Der plane Sonnensensor 60a kann mit einem Überzug mit kontrolliertem Emissionsvermögen (Verhältnis Absorptionsvermögen/Emissionsvermögen α/ε >> 1) versehen sein, so daß dieser Sensor eine Gleichgewichtstemperatur von über 100°C in der Sonne erreichen kann. Für den Sensor der 4 und 5 sind um mehrere Grad variierende Einfallwinkel des Solarflusses annehmbar.
Als Variante zeigt 6 ein Beispiel eines planen Sonnensensors 160a, der einer auf der Rückseite befindlichen Superisolierschicht 160b zugeordnet ist und der dazu dient, einen separaten Wärmespeicher 160 mittels eines an der Vorderseite des Sensors 160a angeordneten Rohrstranges 166 und mittels eines Fluidzirkulationsnetzes 170a, das einem Mikroventilator 170b zugeordnet ist, zu erhitzen.
Im Unterschied zum solarthermischen Antrieb ermöglicht die Verwendung von planen Sonnensensoren 60a, die Anforderungen hinsichtlich der präzisen Ausrichtung aufzuheben, wobei ein Fehler in der Größenordnung von ± 20° auf zwei Achsen vollkommen akzeptabel ist.
Die Fläche und folglich die Masse des Sonnensensors 60a kann dadurch bestimmt werden, daß plane Konzentrationsspiegel 161 (7) oder parabolisch-zylindrische Konzentrationsspiegel 162 (8) verwendet werden, ohne daß dies die Anforderungen der Ausrichtung auf die Sonne erhöht.
3 zeigt das Prinzipschaltbild der Unterdrucksetzung der Behälter 31, 32 durch Wärmespeicherung mit mit Sonnensensoren ausgestatteten Wärmespeichern 61, 62, die den Hauptbehältern 31, 32 für flüssigen Wasserstoff bzw. für flüssigen Sauerstoff zugeordnet sind.
In dem Beispiel der 3 stellt ein elektronischer Steuerkreis 110, der über ein Solarpanel 51 versorgt wird, die Versorgung von den Behältern 31, 32 zugeordneten elektrischen Mikropumpen 71, 72 sicher. Das Solarpanel 51 kann an dem Antriebsmodul oder an dem auf die Umlaufbahn zu bringenden Satelliten angebracht sein, wobei die elektrische Verbindung zwischen dem Solarpanel 51 und dem elektrischen Steuerkreis durch einen abwerfbaren Verbinder sichergestellt werden kann. Das Antriebsmodul 100 kann jedoch selbst in den Satelliten 200 integriert sein.
Die elektrischen Mikropumpen 71, 72 spritzen nach Bedarf die flüssigen Ergole in die Wärmespeicher 61, 62 ein, wodurch die Ergole auf nahe der Umgebungstemperatur gebracht werden und durch die Leitungen 105, 106 das Unterdrucksetzen der entsprechenden Behälter 31, 32 sichergestellt wird.
Wenn die Solldrücke erreicht sind, werden die Mikropumpen 71, 72 abgeschaltet. Die Steuerung der Mikropumpen 71, 72 wird durch die elektronischen Steuerkreise 110 sichergestellt, die mit Druckfühlern 101, 102 verbunden sind, welche den Druck der Behälter 31, 32 messen.
Nach Unterdrucksetzen der Behälter 31, 32 müssen nur die Elektroventile 91, 92 zur Versorgung des Hauptmotors 10 mit Ergolen geöffnet, anschließend der Motor 10 durch elektrische Entladung gezündet werden, um das Orbitalmanöver sicherzustellen.
Die in 3 dargestellte Ausführung kann durch Verwendung von Hilfspufferbehältern 33, 34 in Verbindung mit Hauptergolbehältern 31, 32, wie in den 9 bis 11 dargestellt, verbessert werden, in denen jedoch, um die Zeichnungen übersichtlicher zu gestalten, der elektronische Steuerkreis 110, die Druckfühler 101, 102 und die Stromversorgung 51 nicht dargestellt sind, obwohl diese Elemente ebenfalls Teil der Ausführungsformen der 9 bis 11 sind.
In dem Maße wie die im Laufe eines Manövers eingesetzte Ergolmasse in der Größenordnung von 100 kg liegt, können für die Manöver Pufferbehälter 33, 34 von kleiner Größe verwendet werden, die leichter unter Druck zu setzen sind als die Hauptbehälter 31, 32. Dies ermöglicht überdies, den Strukturfaktor der Hauptbehälter 31, 32 zu reduzieren, wobei letztere einem gemäßigten Druck in der Größenordnung von 1 bar absolut ausgesetzt sind.
Betrachtet man 9, so wird ersichtlich, daß die Hilfsbehälter 33, 34, mit anfangs niedrigem Druck nach einer Zündung aus den Hauptbehältern 31, 32 mit Ergol gefüllt werden können, indem die Verbindungsventile 93, 94 zwischen den Hauptbehältern 31, 32 und den Hilfsbehältern 33, 34 geöffnet werden.
Die Hilfsbehälter 33, 34 werden anschließend durch Aktivierung der Mikropumpen 71, 72, die das flüssige Ergol in die Wärmespeicher 61, 62 einspritzen, unter Druck gesetzt, wobei die an den Röhrenleitungen 105, 106 zum Unterdrucksetzen der Hauptbehälter 31, 32 angeordneten Ventile 103, 104 geschlossen bleiben.
Der Druck in den Hilfsbehältern 33, 34 kann so von 1 bar auf beispielsweise 5 bar steigen. Wenn der Solldruck erreicht ist, werden die Ventile 91, 92 zur Versorgung des Haupttriebswerks 10 geöffnet und kann das Manöver stattfinden.
Während des Zündens des Triebwerks 10 wird der Druck der Pufferbehälter 33, 34 durch Aktivierung der Mikropumpen bei Bedarf in etwa konstant gehalten.
Der in den Wärmespeichern 61, 62 zirkulierende Gasfluß ermöglicht auch den Betrieb der Fluglagekontrolltriebwerke 21, 22 mittels der Leitungen 121, 122, die über die zwischen den Wärmespeichern 61, 62 und den Pufferbehältern 33, 34 angeordneten Ventile 107, 108 mit gasförmigem Ergol beaufschlagt werden.
Man wird feststellen, daß im Falle der Ausführungsformen der 3 und 9 das Haupttriebwerk 10 mit flüssigen Ergolen versorgt wird.
Es ist wünschenswert, dieses Triebwerk 10 mit verdampften Ergolen zu versorgen, um Schwierigkeiten beim Kühlen oder große Schwankungen des Mischungsverhältnisses zu vermieden, die aufgrund der geringen Größe des Haupttriebwerks 10 auftreten könnten.
10 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem nicht nur die Hilfstriebwerke 21, 22, 23 mit Gas beaufschlagt werden, sondern bei dem das Haupttriebwerk 10 selbst mit gasförmigen, in den Wärmespeichern 61, 62 verdampften Ergolen versorgt wird.
Im Falle der 10, in dem die Elemente, die denen der 9 gleich sind, dieselben Bezugsziffern tragen, werden die gesamten Ergole, die über die Mikropumpen 71, 72 in die Wärmespeicher 61, 62 geleitet werden, verdampft. Die Wärmekapazität der Speicher muß demzufolge angepaßt werden. Die verdampften Ergole werden nach Durchlaufen der Wärmespeicher 61, 62 nicht zu den Pufferbehältern 33, 34 zurückgeleitet, sondern werden – ganz im Gegenteil – direkt in das Haupttriebwerk 10 und in die Nebentriebwerke 21 bis 23 eingespritzt.
Um beispielsweise 20 kg flüssigen Wasserstoff zu verdampfen und anschließend zu erhitzen, bedarf es einer Energie von 37 MJ, was eine durchschnittliche Leistung von 2500 W in 3 Stunden voraussetzt. Ein Sonnensensor von 2,2 m² ist bei weitem ausreichend, um eine solche Leistung zu liefern.
Man wird feststellen, daß = damit die Pufferbehälter in Mikroschwerkraft befüllt werden können – man sicher sein muß, daß das flüssige Ergol stets auf der Zapfseite des Hauptbehälters vorliegt.
Zur Lösung dieses Problems läßt man das flüssige Ergol langsam an den Wänden des Behälters zirkulieren und wird die Zapfstelle mit Hilfe eines Wärmetauschers lokal gekühlt.
Ein Beispiel einer solchen mit ATVS (Active Thermodynamic Vent System) bezeichneten Vorrichtung ist in der Publikation von E.C. Cady und A.D. Olsen, mit dem Titel „Thermal Upper Stage Technology Demonstration Program" AIAA 96 – 3011 – 32nd AIAA Joint Propulsion Conference, Lake Buena Vista, Juli 1996 beschrieben.
Die 12 und 13 zeigen ein Einsatzbeispiel einer solchen Vorrichtung in einem Hauptbehälter 31 eines erfindungsgemäßen Antriebsmoduls.
Der Boden des Behälters 31 ist von einem Zapfvolumen eingenommen, das über einen Wärmetauscher 370 gekühlt wird, der ein Rippen-Tauscherrohr 375 umfassen kann. Eine kleine Elektropumpe 371 ermöglicht, das gekühlte Fluid über ein mittleres Rohr 380 in dem Behälter zirkulieren zu lassen. Ein Druckminderventil 390 ermöglicht, das Fluid zu verdampfen, und die kalten Dämpfe werden anschließend über ein Rohr 391 aus dem Behälter abgeführt. Das Ablassen der kalten Dämpfe kann nur während der Zündung des Haupttriebwerkes stattfinden, das über die untere Rohrleitung 341 versorgt worden ist.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das eine Brennstoffzelle 270 verwendet, die aus den Hauptbehältern 31, 32 und aus den Hilfsbehältern 33, 34 permanent mit Ergolen versorgt werden kann. Insbesondere kann die Brennstoffzelle 270 durch die kalten Ergoldämpfe gespeist werden, die aus dem Wärmetauscher stammen, welcher dazu bestimmt ist, die Zapftemperatur jedes Hauptbehälters konstant zu halten.
Die Brennstoffzelle 270 kann mittels einer Leistungsschiene 280 die erforderliche Leistung an die unterschiedlichen Einrichtungen (Pumpen, Ventile, elektrische Vorwärmer) sowie an das Modul des Antriebsmoduls (Trägheitsnavigations-Leitwerk, Bordrechner, Funkverbindungen) liefern.
Da der Leistungsgrad der Zelle 270 in der Größenordnung von 50 % liegt, werden die Verluste verwendet, um die gesamten Ergole oder einen Teil der Ergole, mit denen das Haupttriebwerk 10 versorgt wird, in einem Modul 260 zu erhitzen, das einen Wärmetauscher und einen Wärmespeicher bildet. Die über die Zelle 270 abgegebene Leistung wird so in dem Speicher 260 gespeichert, um die flüssigen Ergole zu erhitzen, wodurch es möglich ist, die Hilfsbehälter 33, 34 unter Druck zu setzen und sowohl das Haupttriebwerk 10 als auch die Fluglagenkontrolltriebwerke 21 bis 23 zu beaufschlagen.
Wenn die Zelle eine durchschnittliche Leistung von 1 kW entwickelt, wird die innerhalb von 3 Stunden gespeicherte Energie im wesentlichen 11 MJ erreichen.
Im Falle einer Ausführungsform, wie derjenigen der 11, die eine Brennstoffzelle 270 eher als einen Sonnensensor 60a als Heizquelle verwendet, kann die Fluglagenkontrolle über die Sekundärtriebwerke 21 bis 23 von der Ausrichtung auf die Sonne entkoppelt werden, was eine zusätzliche Freiheit bei der Positionierung bietet.
14 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der ein Pufferbehälter 133 innerhalb eines Hauptbehälters 131 angeordnet ist. Dies ermöglicht, eine kompaktere Einheit auszubilden und die Wärmeverluste zu reduzieren.
Der Pufferbehälter 133 ist mit einer äußeren Schicht 139 zur Wärmeisolierung versehen und ist einem Füllventil 193 sowie einer Leitung 138 für das Unterdrucksetzen des Behälters zugeordnet.
Der Pufferbehälter 133 ist oberhalb eines Wärmetauschers 370 angebracht, der dem Wärmetauscher der 13 gleichartig sein kann. Das Vorhandensein eines in einem Hauptbehälter 131 aufgenommenen Pufferbehälters 133 begünstigt das Zurückhalten der Flüssigkeit in der Nähe des Wärmetauschers 370, insbesondere bei Betriebsende. Das Zirkulationsrohr 380 ist auf die Seite des Hauptbehälters 131 verlagert.
Bei einem erfindungsgemäßen Antriebsmodul kann die Kontrolle des Schubvektors auf drei unterschiedliche Arten erfolgen, wobei die Antiroll-Funktion ihrerseits durch wenigstens zwei Hilfstriebwerke 21, 22 sichergestellt wird.
Nach einem ersten Fall ist das Haupttriebwerk 10 zwei Paaren von Hilfstriebwerken zur Nick- und Giersteuerung mit einer zum festen Haupttriebwerk 10 parallel verlaufenden Achse zugeordnet.
Nach einem zweiten Fall ist das Haupttriebwerk 10 an einem Kardangelenk angebracht. Zwei elektromechanische Zylinder stellen eine Ausrichtung gegenüber dem Antriebsmodul sicher.
Nach einem dritten Fall wird die Funktion des Haupttriebwerks durch drei oder vier Triebwerke sichergestellt, deren Schub über ein proportionales Ventil eingestellt werden kann, das die Ergoldurchflußmenge mehr oder weniger drosselt, wodurch es möglich ist, die Position des Schubvektors in bezug auf den Schwerpunkt zu kontrollieren.
In dem Fall, in dem das erfindungsgemäße kryotechnische Antriebsmodul 100 Sonnensensoren verwendet, kann angemerkt werden, daß es sehr einfach ist, den Anforderungen hinsichtlich Ausrichtung gerecht zu werden (in der Größenordnung von 20° Toleranz entlang zweier Achsen), während der Einsatz von Lösungen der Art solarthermisch ein Ausrichten von zwei Achsen bis auf 5 Bogenminuten impliziert.
Außerdem weist das kryotechnische Triebwerk mit geringem Schub aufgrund der durchschnittlichen Dichte der Ergole von 0,3 anstatt 0,07 im Vergleich zu den solarthermischen Lösungen ein geringeres Volumen auf, was die Integration unter einer Haube erleichtert. Darüber hinaus ist die Trockenmasse des erfindungsgemäßen Moduls reduziert, da die Wärmespeicherung leichter ist, liegt der Masseprozentsatz der Behälter unter 10 % (gegenüber etwa dem Zweifachen im Falle einer solarthermischen Lösung) und ist ein primärer Sonnenenergie-Konzentrator nicht mehr erforderlich wie im Falle der solarthermischen Lösungen. Schließlich wird auch die Gesamtdauer einer Mission mit einem erfindungsgemäßen Antriebsmodul verkürzt.
Stellt man einen Vergleich mit einer herkömmlichen kryotechnischen Oberstufe auf, so weist das erfindungsgemäße Antriebsmodul bei gleicher Technologie aufgrund der Tatsache, daß weder Heliumkugeln noch Gasexpansions-Platten eingesetzt werden, sowie aufgrund der Tatsache, daß das Haupttriebwerk selbst leichter und wesentlich platzsparender ausgebildet ist, eine geringere Trockenmasse auf. Des weiteren ist das Haupttriebwerk kostengünstiger, und die meisten anderen Komponenten von geringer Größe sind ebenfalls preisgünstiger.
Im Falle einer kryotechnischen Oberstufe, die auf herkömmliche Art und Weise durch den Druck eines Behälters beaufschlagt wird, kann angemerkt werden, daß der geringe Druck der Brennkammer in Kombination mit einem hohen Schub zu einem sehr sperrigen Triebwerk führt, das trotzdem ein geringeres Expansionsverhältnis als ein Motor mit Turbopumpen, d.h. einen geringeren spezifischen Impuls aufweist.
Im Gegensatz hierzu ermöglicht die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Lösung, dank der Durchführung von Mehrfachzündungen an den Apsiden einen geringen Druck der Brennkammer und einen geringen Platzbedarf in Einklang zu bringen.
Der geringe Druck der Brennkammer verringert den Wärmefluß, der etwa achtmal geringer ist als bei einem Motor mit Turbopumpen, wodurch es möglich ist, eine vereinfachte regenerative Kühlung oder aber eine Strahlungskühlung anzuwenden.
Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung der Solarheizung, wenigstens für das Unterdrucksetzen der Behälter, die Masse und die Einrichtungen, die mit der Druckbeaufschlagung mittels Helium verbunden sind, entfallen zu lassen.
Schließlich ermöglicht die Erfindung, die Sequenzen intermittierender Zündungen mit den Phasen des Aufwärmens der Wärmespeicher auf einfache Art und Weise zu koordinieren.

Claims

Kryotechnisches Antriebsmodul mit geringem Schub, das einen Schub zwischen 100 und 1000 N aufweist, umfassend mindestens ein kryotechnisches Haupttriebwerk (10), dessen Verbrennungsdruck zwischen 2 und 10 bar beträgt, mindestens zwei Nebentriebwerke (21, 22) zur Fluglagenkontrolle, mindestens erste und zweite Behälter (31, 32, 33, 34) zur Versorgung mit kryogenem Ergol, Mittel (110, 71, 72, 61, 62) zur intermittierenden Unterdrucksetzung der Versorgungsbehälter (31, 32, 33, 34) und Mittel (110, 91, 92), um Zündungen des kryotechnischen Haupttriebwerks (10) auf intermittierende Weise während der intermittierenden Unterdrucksetzung der Versorgungsbehälter (31, 32, 33, 34) auszulösen, wobei die Dauer zwischen zwei aufeinander folgenden Zündungen zwischen ungefähr 1 Stunde 30 Minuten und 12 Stunden beträgt, wobei die Mittel zur intermittierenden Unterdrucksetzung eines Versorgungsbehälters (31, 32, 33, 34) mindestens eine Wärmetauscherkreis (70; 170a), die mit einem Wärmespeicher (60; 160; 260) verbunden ist, und Mittel (71, 72) umfassen, um eine vorbestimmte Menge eines Ergols in der Wärmetauscherkreis (70; 170a) in Umlauf zu bringen, und ferner Mittel (161, 162, 270) umfassen, um den Wärmespeicher (60; 160; 260) in den Zeiten zwischen zwei aufeinander folgenden Zündungen wieder zu erhitzen.
Antriebsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (60; 160) mindestens teilweise mit Hilfe eines Sonnensensors (60a; 160a) erhitzt wird.
Antriebsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (60; 160) durch einen flachen Sonnensensor (60a; 160a) wieder erhitzt wird, dessen Verhältnis von Absorptionsvermögen/Emissionsvermögen (ε/α) größer als 1 ist und der mit einer Superisolierung (60b; 160b) auf seiner Rückseite versehen ist.
Antriebsmodul nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnensensor (60a; 160a) mit einem System von flachen oder parabolischzylindrischen Konzentrationsspiegeln (161; 162) verbunden ist.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (260) mindestens teilweise durch Wiedergewinnung der Wärmeverluste einer Brennstoff-Zelle (270), die mit Hilfe der verdampften Ergole funktioniert, erhitzt wird.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeicherung im Wärmespeicher (60; 160; 260) durch ein Material mit Phasenänderung, wie beispielsweise ein alkalisches Metall auf einem Kohlenwasserstoff erfolgt.
Antriebsmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Zelle (270) mit den kalten Ergoldämpfen versorgt wird, die von einem Wärmetauscher (370) kommen, der dazu bestimmt ist, die Zapftemperatur eines Ergolbehälters (31) konstant zu halten.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (60; 160; 260) mindestens teilweise durch elektrische Heizung erhitzt wird.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es ein einziges kryotechnisches Haupttriebwerk (10) umfaßt, das auf einem Kardanantrieb befestigt ist.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens drei kryotechnische Haupttriebwerke umfaßt, deren Einzelschub durch einen variablen Druckverlust an den Ergolversorgungsschaltungen kontrolliert wird.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es erste und zweite Ergolbehälter (31, 32) umfaßt, um das Haupttriebwerk (10) zu versorgen, und daß die Ergole zur Gänze in den Wärmespeichern (61, 62), die mit den Behältern (31, 32) verbunden sind, verdampft werden, um ein konstantes Mischungsverhältnis zu gewährleisten.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Versorgungsbehälter (31, 32) mit einer Umlaufpumpe (371) versehen ist, die auf dem Körper eines zugehörigen Wärmetauschers (370), der sich auf der Zapfseite befindet, befestigt ist.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens erste und zweite Hauptergolbehälter (31, 32) und mindestens erste und zweite Nebenergolbehälter (33, 34) umfaßt, die Pufferbehälter darstellen, wobei die Nebenbehälter (33, 34) durch die Mittel zur Unterdrucksetzung unter Druck gesetzt werden können und derart dimensioniert sind, daß sie es ermöglichen, ein Orbitalmanöver sicher zu stellen, wenn sie das Haupttriebwerk (10) auf intermittierende Weise versorgen, und am Ende einer Zündung vollkommen leer zu sein, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Nebenbehälter (33, 34) aus den entsprechenden Hauptbehältern (31, 32) zwischen zwei aufeinander folgenden Zündungen neu zu versorgen, und wobei der Druck der Hauptbehälter (31, 32) geringer als der Versorgungsdruck des Haupttriebwerks (10) gehalten wird.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Nebenbehälter (133) mit einer Wärmeisolierung verkleidet und im Inneren eines Hauptbehälters (131) befestigt ist.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es eine elektrische Versorgung umfaßt, die von einer Brennstoff-Zelle (270) gebildet ist, die mit den verdampften kryogenen Ergolen gespeist wird.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es eine elektrische Versorgung umfaßt, die von mindestens einer mit diesem Modul verbundenen Solarpanel (51) gebildet ist.
Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es eine elektrische Versorgung umfaßt, die von einem Speisekabel gebildet ist, das mit dem Satelliten (200) verbunden ist, der mit diesem Modul (100) in die Umlaufbahn gebracht wurde.