DE4321725A1 - Triebwerk für Raumflugkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Triebwerk, insbesondere ein thermisches Lichtbogen-Triebwerk 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 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 ein Treibmittel eingespritzt wird.

Thermische Lichtbogen-Triebwerke, 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 entweder Ammoniak (NH₃) oder ein durch thermische und/oder katalytische Zer­ setzung 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 der Kathode bildet, auf Temperaturen von 10-15 000°C, bevor es die Expan­ sionsdüse 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 Bereich des Düsenhalses (Constrictor). Dabei bildet sich der Lichtbogen genau auf der Mittelachse dieses Constrictors aus.

Thermische Lichtbogentriebwerke, bei denen Ammoniak als Treibmittel verwendet wird, sind dabei für nahezu alle Leistungsklassen im Einsatz. Dem Vorteil einer vergleichsweise unproblematischen Handhabung dieses Treibmittels im Vergleich zum Hydrazin steht auf der anderen Seite ein geringerer spezifischer Impuls gegenüber, der mit den bekannten ammoniakbetriebenen Lichtbogentriebwerken erzielt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Triebwerk der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es eine möglichst hohe Effektivität aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Triebwerk mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs­ gemäßen 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 das Ammoniak vor seinem Eintritt in die Brennkammer über einen Katalysator geleitet und praktisch vollständig in die Gase Wasserstoff (H₂) und Stickstoff (N₂) dissozi­ iert wird, deren Austrittsgeschwindigkeit bei gleicher Brennkammertemperatur und gleichem Brennkammerdruck wesentlich höher als diejenige von Ammoniakdampf liegt, wird der Wirkungsgrad dieses Triebwerkes nachhaltig verbessert.

Als besonders geeignet für die Zersetzung bzw. Disso­ ziation des Ammoniaks haben sich dabei Katalysatoren erwiesen, wie sie auch in Hydrazintriebwerken einge­ setzt werden, also insbesondere Platin-, Iridium-, Palladium- und Rutheniumkatalysatoren. Diese Kataly­ satoren können dabei sowohl als Granulat, als Feinsieb oder in Form kleiner Kugeln aus Vollmaterial eingesetzt werden. Wichtig ist dabei in jedem Fall, daß die Ober­ fläche des Katalysators möglichst groß ist.

Um eine möglichst hohe Zerfallsrate des in die Brenn­ kammer eingespritzten Ammoniaks zu erzielen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Triebwerkes ferner vorgesehen, daß der Katalysator­ bereich zusätzlich beheizt wird. Bei Triebwerken mit nur geringem Durchsatz kann es hingegen genügen, wenn, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Triebwerkes nach der Erfindung, ein rohrförmig ausge­ bildeter Katalysator, der von dem zu zersetzenden Ammoniak durchströmt wird, das Triebwerksgehäuse wendelförmig umgeben.

Obwohl das erfindungsgemäße Triebwerk in erster Linie für den Einsatz von Ammoniak als Treibmittel geeignet ist, kann es auch mit Stickstoff (N₂), Argon (Ar), Wasserstoff (H₂) oder anderen Gasen betrieben werden. In diesem Fall ergibt sich seine leistungserhöhende Wirkung aus einer Aufheizung der Treibgase, bevor diese in die Brennkammer eingespritzt werden, wodurch es ebenfalls zu einer Steigerung des erreichbaren spezifischen Impulses kommt.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes thermisches Lichtbogentriebwerk,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein weiteres und

Fig. 3 einen Schnitt durch ein drittes thermi­ sches Lichtbogentriebwerk.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Triebwerk, wie es unter anderem für die Bahn- und Lageregelung von Raumflugkörpern eingesetzt wird. Das Triebwerk umfaßt eine Zersetzungskammer 1, in der das Treibmittel kata­ lytisch in seine gasförmigen Komponenten umgewandelt wird, die als Treibgase einem Lichtbogentriebwerk 2, einem sogenannten Arcjet, zugeführt werden. Das Treib­ mittel, im vorliegenden Fall Ammoniak (NH₃), befindet sich in einem Vorratsbehälter 3, von wo aus es in gasförmiger Form über eine Zuleitung 4 sowie ein Ventil 5 in die Zersetzungskammer 1 gelangt.

Letztere ist im Fall des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels zylindrisch ausgebildet und umgibt das ebenfalls zylinderförmige Lichtbogentriebwerk 2 konzentrisch. Die Zersetzungskammer 1 ist mit einem Katalysator 6 gefüllt, das in diesem Fall aus mit Iridium dotierten Kugeln aus Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) besteht. Die Katalysatorkugeln werden an den Endbereichen der Zersetzungskammer 1 jeweils von ringförmigen Siebzylindern 7 bzw. 8 in ihrer Position fixiert, wobei der im Eintrittsbereich der Zersetzungs­ kammer 1 angeordnete Siebzylinder 7 zugleich eine gleichförmige Verteilung des einströmenden Ammoniaks auf das Katalysatorbett 6 bewirkt. Im Endbereich der Zersetzungskammer 1 sind Durchgangsbohrungen 9 in das Gehäuse 10 des eigentlichen Lichtbogentriebwerkes 2 angeordnet, durch die das in seine Bestandteile Wasser­ stoff (H₂) und Stickstoff (N₂) dissoziierte Treibgas in einen Sammelraum 11 und von da aus in die Brennkammer 12 des Lichtbogentriebwerkes 2 eintritt.

Das Lichtbogentriebwerk 2 umfaßt neben dem im wesent­ lichen rotationssymmetrischen Gehäuse 10, in dem in zentrischer Anordnung der Sammelraum 11 sowie die Brennkammer 12 angeordnet sind, einen sich an die Brennkammer 12 anschließenden Düsenhals oder Constrictor 13 sowie eine Expansionsdüse 14.

Im Zentrum der Brennkammer 12 ist eine stabförmige, konisch zugespitzte Elektrode 15 angeordnet, die über einen zylindrischen Isolationseinsatz 16 gehaltert ist und die über eine Zuleitung 17 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 10 auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und bilden eine sogenannte in-line-Anordnung.

Da wegen der unterschiedlichen Temperaturen und der daraus resultierenden, unterschiedlich großen thermi­ schen Ausdehnung des Gehäuses 10 und der Expansionsdüse 14 die Gefahr gegeben wäre, daß es zu einer mechani­ schen Beschädigung der Anordnung kommen könnte, ist die Expansionsdüse 14 nur mit dem Außenmantel 18 der Zersetzungskammer 1 fest verbunden, während sie mit dem Gehäuse 10 des Lichtbogentriebwerkes 2 eine Schiebe­ passung mit einem Luftspalt 19 bildet.

Das in Fig. 2 dargestellte Triebwerk unterscheidet von dem vorangehend beschriebenen dadurch, daß in diesem Fall die Zersetzungskammer aus einem Platinrohr 21 besteht, das das Gehäuse 30 des Lichtbogentriebwerkes 22 wendelförmig umgibt und das in diesem Fall mit der Außenwand des Gehäuses 30 verlötet ist. Das Rohr 21 ist mit Iridiumkugeln 26 als Katalysator gefüllt, die durch jeweils endseitig angeordnete Siebzylinder 27 und 28 in ihrer Einbaulage fixiert sind. Die Kugeln 26 werden dabei, um eine möglichst gleichmäßige Packungsdichte zu erzielen, in das bei der Herstellung zunächst gerade Rohr 21 gefüllt und durch Einvibrieren gleichmäßig verteilt, bevor das Rohr 21 dann anschließend um das Gehäuse 30 des Lichtbogentriebwerkes 22 gewickelt und mit seinem brennkammerseitigen Ende in die Wand des Gehäuses 30 eingelötet wird.

Diese Triebwerkskonzeption ist besonders für Licht­ bogentriebwerke mit geringeren Schubleistungen, etwa unterhalb 10 kW, und entsprechend geringem Durchsatz an Treibmittel geeignet. Aufgrund des thermischen Kontaktes des Rohres 21 mit dem Gehäuse 30 überträgt sich ein Teil der in der Brennkammer 32 erzeugten Wärme auf das Rohr 21 und beschleunigt dort den Zerfall des durch das Katalysatorbett strömenden Ammoniaks. Die Iridiumkugeln 26 bewirken dabei zugleich das Entstehen einer turbulenten Gasströmung.

Schließlich ist in Fig. 3 ein Triebwerk dargestellt, das neben der Verwendung von Ammoniak als Treibmittel auch besonders für den Einsatz anderer Gase wie Wasser­ stoff, Stickstoff oder Argon als Treibmittel geeignet ist. Dieses Triebwerk unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten dahingehend, das in ein Platinrohr 41, ein Lichtbogentriebwerk 42 umgibt, ein Heizleiter 46 eingesetzt ist. Dieser Heizleiter 46, der über ein Heizelement 47 beheizbar ist, wird in das zunächst gerade Rohr 41 eingeschoben und anschließend mit diesem gemeinsam um das Gehäuse 50 des Lichtbogentriebwerkes 42 gewickelt. Der Endbereich des Rohres 41 wird dabei wieder mit dem Gehäuse 50 verlötet. Das gasförmige Treibmittel wird dabei über einen Ansatz 48 in das Rohr 41 geleitet und in diesem auf Temperaturen von bis zu 1200°C aufgeheizt, bevor es in die Brennkammer 52 strömt. Durch diese Vorwärmung des Treibmittels ergibt sich auch bei der Verwendung von Gasen, die nicht dissoziieren, ein deutlich höherer thermischer Wirkungsgrad bzw. ein größerer spezifischer Impuls des Triebwerkes.

Claims (7)

1. Triebwerk, insbesondere Lichtbogen-Triebwerk 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 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 ein Treibmittel einge­ spritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammer (12, 32, 52) eine Einrichtung (1, 21, 41) zur katalytischen und/oder thermischen Zersetzung des eingespritzten Treibmittels vorgeschaltet ist.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem das Gehäuse (10) des Lichtbogentriebwerkes (2) konzentrisch umgebenden, mit einem Katalysator (6) befüllten Zer­ setzungskammer (1) besteht.

3. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem das Gehäuse (30, 50) des Lichtbogentriebwerkes (22, 42) wendelförmigen Rohr (21, 41) besteht.

4. Triebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (21) mit einem Katalysator (26) befüllt ist.

5. Triebwerk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in das Rohr (41) ein Heizleiter (46) eingesetzt ist.

6. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorbett (6, 26) aus mit Iridium (Ir) dotierten Kugeln aus Aluminium­ oxidkeramik (Al₂O₃) besteht.

7. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel aus Ammoniak (NH₃) besteht.