DE69003509T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhaltung der Wirksamkeit eines katalytischen Bettes in einem Triebwerk. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Methode zur Erhaltung eines katalytischen Triebwerkbetts, das von einem Treibstoff durchströmt wird, sowie eine entsprechende Vorrichtung.
• In bestimmten Triebwerken wie solchen, die in den Raumfahrzeugen verwendet werden, verwendet man Treibstoffe, die man ein katalytisches Bett durchströmen läßt, um sie einer exothermischen Reaktion entsprechend zu zersetzen. Die Zersetzungsgase durchströmen anschließend ein Düse und sind der Ursprung des Schubs des Triebwerks. Das verwendete katalytische Bett ist normalerweise aus Iridium, aufgebracht auf poröse Aluminiumoxidkörner, während der Treibstoff Hydrazin ist. Ein solches Triebwerk ist bekannt aus dem Dokument "Zeitschrift für Flugwissenschaften und Weltraumforschung", Band 6, Nº4, August 1982, Braunschweig DE, Seiten 219-224, Breves & Schmitz: "Hydrazin-Gasgeneratortechnologie für Raumfahrtantriebe."
• Die Figur zeigt, daß ein solches Triebwerk von vorn bis hinten ein bistabiles Elektroventil 1, wenigstens ein Einspritz- Haarröhrchen 2, eine Einspritzkammer 3 , ein katakytisches Bett 4, eine Expansionskammer 5 und eine Düse 6 umfassen kann.
• Das Elektroventil 1 umfaßt, angeordnet in einem Gehäuse, einen Kern 7, versehen mit einem Kopf 8, der gegen den Eingang des Haarröhrchens drücken kann, sowie eine Induktionsspule 9, gesteuert durch ein Betätigungssystem 10, das die Erregungsspannung liefert. Zudem ist das Elektroventil 1 versehen mit einer Versorgungsleitung 11, die mit einem Hydrazinspeicher 12 die dem Hydrazin ermöglicht, zum Einspritzhaarröhrchen 2 zu gelangen, wenn es nicht versperrt ist durch den Kopf 8, indem es das Innere des Kerns 7 durchläuft.
• Das Einspritzhaarröhrchen 2 ist hier dargestellt mit einem gekrümmten Abschnitt 13, um die Druckstöße des flüssigen Hydrazins zu vermeiden und es wird umgeben und gehalten von einem Gehäuse 14, das starr mit dem Elektroventil 1 und der Einspritzkammer 3 verbunden ist, und das im wesentlichen aus einem perforierten Rohr besteht, das als Wärmestrahler dient.
• Das katalytische Bett ist enthalten in einem Rohr 15 und in Längsrichtung komprimiert zwischen einem Eingangsgitter 16 und einem Ausgangsgitter 17, gegen die Einspritzkammer 3 beziehungsweise gegen die Expansionkammer 5 gerichtet.
• Bei kontinuierlichem Normalbetrieb wird das Hydrazin in der Einspritzkammer 3 pulverisiert, und die Tröpfchen schlagen gegen das Eingangsgitter 15. Aus dem Ausgangsgitter 17 treten nur Gase aus, die keinen Hydrazindampf mehr enthalten. Die Temperatur des katalytischen Betts 4 erreicht ungefähr 1 000ºC, und die Temperatur ist deutlich geringer am Eingang der Injektionskammer 3, um die Verdampfung des Hydrazins dort zu vermeiden. Der Wärmeabgstrahler 14 und ein ausreichender Durchsatz von kaltem Hydrazin ermöglichen dies. Die thermischen und hydraulischen Übergangserscheinungen treten hingegen auf, vor allem in der Einspritzkammer 3, bei pulsierender Betriebsweise des Elektroventils 1. Das Ausmaß dieser Übergangserscheinungen ist abhängig von der Konstruktion des Triebwerks.
• Man stellt fest, daß die Wirksamkeit des katalytischen Betts 4 in der Praxis ziemlich schnell abnimmt. Nach einigen Monaten, bei normalem Einsatzbedingungen, hat man Wirkungsgradverluste von bis zu 20 oder 30% festgestellt, was nicht wünschenswert ist bei Satelliten, deren normale Lebensdauer mehrere Jahre beträgt.
• Unter den Ursachen dieser Phänomens seien zur Erinnerung die zunehmende Fragmentation der Körner des Katalysators oder der Iridiumbeschichtung vor allem infolge der Zahl der Übergangserscheinungen und des Zünden des Triebwerks genannt. Eine weitere, bedeutende Ursache, die man mit der Erfindung beseitigen will, steht in Verbindung mit gewissen gelösten, nicht flüchtigen, im Hydrazin enthaltenen Substanzen, die dem Katalysator schaden. Diese Fremdstoffe sind in sehr geringer Konzentration enthalten in dem für die Raumfahrzeuge verwendeten Hydrazin, jedoch ist es umöglich, sie vollständig zu eliminieren. Die Hauptsächlichsten sind das im Elektroventil 1 oder dem Speicher 12 vorhandene Eisen, sowie das in Form von Silan in der Elastomermembran vorhandene Siliciumdioxid, die in den Speichern einer großen Anzahl von Raumfahrzeugen das Hydrazin vom Auspreßgas trennt. Das Hydrazin nimmt diese Fremdstoffe auf, indem es die Oberflächen korrodiert, die es bespült.
• Beim Transport in das Triebwerk und beim Verdampfen des Hydrazins an den wärmsten Flächen schlagen sich die pastösen, dann festen Fremdstoffe nieder, wobei sie einen mehr oder weniger fest an den Flächen haftenden Überzug bildend, abhängig von der Temperatur und beteiligten physico-chemischen Vorgängen. Diese Zustandsveränderungen scheinen weitgehend irreversibel zu sein.
• Während der stabilen, kontinuierlichen Betriebsweise (mehrere zehn Minuten), die erforderlich ist für die Neigungskorrekturen geostationärer Satelliten, erfolgt der Niederschlag vor allem auf den Körnern des katalytischen Betts 4. Während der pulsierenden Betriebsweisen, vor allem wenn das Triebwerk nicht sehr stabil ist, erfolgt der Niederschlag eher in der Einspritzkammer 3 und am Ausgang des Haarröhrchens 2, der sich somit verstopfen kann. Tatsächlich profitiert dann die Einspritzkammer 3 nicht vollständig von der durch das eingespeiste Hydrazin erzeugten Kühlung und erwärmt sich folglich bezüglich der kontinuierlichen Betriebsweise, so daß das Hydrazin vorzeitig verdampft.
• Ungefähr zehn Milligramm Fremdstoffe können Triebwerke mit schwachem Schub, in der Größenordung von einem Newton, fast unverwendbar machen.
• Die vorgeschlagene Methode ermöglicht es, das Besetzen der Körner durch Fremdstoffe zu verhindern.
• Die kontinuierliche Betriebsweise wird dazu ersetzt durch eine pseudo-kontinuierliche Betriebsweise, bei der man kurze periodische Unterbrechungen der Treibstoffzuführung schafft.
• Das sich zeigende Hauptphänomen ist eine Druckänderung in der Einspritzkammer 3 und in dem katalytischen Bett 4: der Druck fällt, sowie die Versorgung unterbrochen ist, und steigt wieder auf den Betriebsnominalwert, sobald die Versorgung wieder aufgenommen wird. Diese Druckschwankungen, die man vergleichen kann mit kleinen Explosionen am Eingang des katalytischen Betts 4, stoßen die Fremdstoffe, die sich dann - auf Grund der erhöhten Temperatur - in pastösem Zustand in dem katalytischen Bett 4 befinden, aus diesem hinaus : die kurzen Unterbrechungen der Versorgung verändern diese Temperatur nicht wesentlich. Die Fremdstoffe werden durch die Düse 6 ausgeschieden. Außerdem genügen kurze Unterbrechungen der Versorgung nicht, um die Einspritzkammer 3 und den Ausgang des Einspritz-Haarröhrchens 2 wesentlich zu erwärmen, so daß man vermeidet, die Verkrustung auf diese Teile zu übertragen.
• Mit einem solchen Verfahren durchgeführte Versuche erlauben, die Wirksamkeit des Triebwerks aufrechtzuerhalten, und es eventuell sogar zu regenerieren, nach einem ersten Auftreten von Verkrustung, dann, wenn ein Überzug sich festsetzen konnte auf den Körnern des Katalysators als Folge von Zeiträumen der Nichtbenutzung des Triebwerks.
• Das Betätigungssystem 10 des Elektroventils 1 erfordert nur kleine Veränderungen, um an diese Methode angepaßt zu werden. Es genügt ein Mikroprozessor 18, versehen mit einem Taktgeber 19, der in regelmäßigen Intervallen für eine bestimmte Dauer die Erregung der Spule 9 unterbricht. Der Mikroprozessor 18 kann ausgewählt werden unter den zahlreich vorhandenen, und seine Programmierung ist einfach für den Spezialisten. Für eine konkrete Anwendung wurde der Mikroprozessor ARRIS 6100 gewählt. Andere Systeme, die z.B. ein Kippglied oder einen durch einen Rechtecksignalgenerator gesteuerten Schalter umfassen, können ebenfalls in Betracht gezogen werden.
• Obgleich es zahlreiche Lösungen für die Anwendung der Erfindung gibt, kann man einige Regeln aufstellen. So können die Unterbrechungen gesteuert werden für Betriebszyklen länger als eine Minute oder einige Minuten. Die periodischen Unterbrechungen können ungefähr alle zehn Sekunden erfolgen, obgleich es keine scharfen Grenzen gibt und die Unterbrechungen nicht notwendigerweise regelmäßige Intervalle aufweisen. Intervalle mit sieben bist fünfzehn Sekunden dürften wenig unterschiedliche Resultate ergeben.
• Die Dauer der Unterbrechungen ist wichtiger als ihr Intervall, denn man stellt fest, daß der Druck sich nicht wesentlich verändert, wenn diese Unterbrechungen zu kurz sind. Wenn hingegen die Unterbrechungen zu lang sind, ist der Druckabfall vom Druck-Wiederanstieg durch einen Zeitraum getrennt, während dem der Druck des verdampften Treibstoffs null ist, und es können sogar die Nachteile des pulsierenden Modus wieder in Erscheinung treten. In beiden Fällen sind die Heftigkeit der Schwankungen und die Wirksamkeit des Ausstoßes der Fremdstoffe reduziert. Eine gute Lösung besteht folglich darin, die Dauer der Unterbrechungen so einzustellen, daß der Druck von dem einer kontinuierlichen Versorgung entsprechenden Nominalwert auf null fällt, dann sofort wieder auf den Nominalwert ansteigt. Diese Dauer beträgt einige hundert Millisekunden. Im besonderen Fall eines Triebwerks mit einem Schub von einem Halb-Newton beträgt eine ausreichende Unterbrechungsdauer von 0,38 bis 0,5 oder 0,6 Sekunden.
• Diese verschiedenen Werte müssen selbstverständlich angepaßt und modifiziert werden für jeden besonderen Fall. Ebenso könnten andere Treibstoff- und Katalysatortypen verwendet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erhaltung der Wirksamkeit eines katalytischen Bettes (4) eines Triebwerks, durchströmt von einem in besagtem Bett zersetzten Treibstoff, dadurch gekennzeichnet, daß es, im Verlauf eines Funktions-Zyklus des Triebwerks, kurze periodische Unterbrechungen der Treibstoffzufuhr verursacht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktions-Zyklus eine Dauer größer einer Minute hat.

3. Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen kleiner einer Sekunde sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen kurz genug sind, damit der Druck in dem katalytischen Bett, welcher aus der Zersetzung des Treibstoffes resultiert, eine Phase des Absinkens, unmittelbar gefolgt von einer Phase des Ansteigens, hat.

5. Vorrichtung zur Erhaltung der Wirksamkeit eines katalytischen Bettes eines Triebwerks, durchströmt von einem in besagtem Bett zersetzten Treibstoff, umfassend eine Ventil-Vorrichtung der Treibstoffzufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß sie Vorrichtungen zur Steuerung des Ventils umfaßt, welche die Durchführung des Verfahrens nach irgend einem der vorstehenden Ansprüche erlaubt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff Hydrazin ist, und das katalytische Bett aus Iridium überzogenen Körnern besteht.