DE10040755A1

DE10040755A1 - Treibstofftank

Info

Publication number: DE10040755A1
Application number: DE10040755A
Authority: DE
Inventors: Gaston Netter; Ulrich Renner
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2000-08-19
Filing date: 2000-08-19
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2020-08-20
Also published as: DE10040755C2

Abstract

Bei einem Oberflächenspannungstank, der insbesondere zur Lagerung aggressiver Treibstoffe zum Betrieb von Raumflugkörpern dient, und der mit einem als Fördermedium dienenden Treibgas betrieben wird, erfolgt die Separation des Treibstoffes vom Treibgas in einer Treibstoffentnahmevorrichtung mittels Sieben und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung. Die Entnahmevorrichtung besitzt die Form eines wiederbefüllbaren Reservoirs, das am Boden des Treibstofftanks angeordnet und über Förderleitungen mit dem Inneren des Treibstofftanks verbunden ist. In der Entnahmevorrichtung, deren Gehäuse von einer Basisplatte und einer Abdeckung gebildet wird, die mit einer zentralen, zum Tankraum führenden Öffnung versehen ist, sind Rohrleitungen mit an den Enden angeordneten Adaptern verlegt. Die Rohrleitungen, die asymmetrisch in Bezug auf die Basisplatte angeordnet sind, sind sowohl miteinander als auch mit einem zentralen Sammelbehälter und einem zu den Triebwerken führenden Auslaß verbunden. Auf der Ober- und Unterseite der Basisplatte sind Kapillarbleche angeordnet, die über Anschlüsse mit den Förderleitungen im Tankraum verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Treibstofftank, insbesondere zur Lagerung aggressiver Flüssigkeiten zum Betrieb von Raumflugkörpern, mit einem als Fördermedium dienenden Treibgas sowie mit wenigstens einer Treibstoffentnahmevorrichtung, bei der mittels Sieben und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung eine Separation des Treibstoffes vom Treibgas herbeigeführt wird.

Bei Raumflugkörpern, wie Satelliten oder Orbitalstationen, werden sowohl für die Triebwerke, die der Lageregelung im All dienen, als auch für Triebwerke zur Durchführung des Apogäummanövers überwiegend flüssige Treibstoffe verwendet, die in hierfür geeigneten Behältern mitgeführt und die aus diesen in der Regel unter Verwendung eines Treibgases in die Brenn- bzw. Reaktionskammern der entsprechenden Triebwerke gefördert werden. Als Treibgase werden üblicherweise Inertgase wie Helium (He) oder Stickstoff (N₂) eingesetzt, die unter Druck in den Treibstoffbehälter gepreßt werden und die dadurch den Treibstoff in das zum jeweiligen Triebwerk führende Rohrleitungssystem pressen. Wichtig ist dabei eine vollständige und sichere Trennung zwischen dem als Fördermedium dienenden Treibgas und dem in das Triebwerk gelangenden Treibstoff, da letzterer unbedingt frei von Fremdgaseinlagerungen sein muß.

Eine solche blasenfreie Treibstofförderung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß das Treib- oder Fördergas einerseits und der zu fördernde Treibstoff andererseits durch eine Kunststoffmembran voneinander getrennt werden. Dies ist allerdings immer dann problematisch, wenn der Treibstoff chemisch aggressive Komponenten enthält, die insbesondere bei Langzeitmissionen zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Trennmembran führen können. Letzteres gilt insbesondere für Zweikomponententreibstoffe, die aus einer Brennstoffkomponente und einem dem Triebwerk separat zugeführten Oxidator bestehen und die sich wegen ihrer vergleichsweise höheren Energiedichte vor allem für Langzeitmissionen eignen.

Da das als Oxidator für diesen Zweck vielfach verwendete Stickstofftetroxid (N₂O₄), auch als MON bezeichnet, außerordentlich aggressiv ist und den Einsatz von Kunststoffmembranen praktisch unmöglich macht, wurde in der DE 31 46 262 C2 ein Treibstofftank der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem anstelle einer mechanischen Trennung von Treibgas und Treibstoff die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten, die im nahezu schwerefreien Raum beträchtliche Bedeutung hat, zur Trennung der beiden Phasen ausge nutzt wird. Dieser bekannte Treibstofftank kann sowohl den Treibstoff für das V-Manöver als auch den Treib stoff für den Betrieb im Orbit, also insbesondere für die Lageregelung, aufnehmen. Er ist auch geeignet, die beiden Komponenten eines Zweikomponententreibstoffes in getrennten Kompartments aufzunehmen.

Daneben ist aus der DE 196 23 017 C1 ein Treibstofftank gemäß dem Oberbegriff für Anwendungen in der Raumfahrttechnik bekanntgeworden, bei dem in einer toroidförmigen Anordnung mehrere Teilräume über gemeinsame Leitungen für ein als Austreibgas dienendes Druckfluid sowie über gemeinsame Entnahmeleitungen miteinander verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Treibstofftank der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er eine optimale Ausnutzung des auf der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten Prinzips der Separation vom Treibgas ermöglicht und eine störungsfreie Entnahme unterschiedlicher Treibstoffe bzw. Treibstoffkomponenten gewährleistet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Treibstofftank, bei dem die Entnahmevorrichtung in Form eines wiederbefüllbaren Reservoirs am Boden des Treibstofftanks angeordnet und über Förderleitungen mit dem Inneren des Treibstofftanks verbunden ist. Die Ausgestaltung der bei dem Treibstofftank nach der Erfindung vorgesehenen Entnahmevorrichtung weist dabei den Vorteil auf, daß sie eine geringe Masse und eine sehr geringe Einbauhöhe besitzt und zugleich kostengünstig zu fertigen ist. Wichtig ist vor allem auch, daß sie es ermöglicht, daß der erfindungsgemäße Treibstofftank in bereits gefülltem Zustand vor dem Start auf der Erde auch in waagerechter Position, beispielsweise per Schiff oder mit der Eisenbahn, transportiert werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Treibstofftanks nach der Erfindung, die in den weiteren Ansprüchen angegeben sind, machen diesen besonders geeignet für die speziellen Anforderungen an Komponenten, die in Raumflugkörpern eingesetzt werden.

Nachfolgend soll der erfindungsgemäße Treibstofftank anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Treibstofftank in perspektivischer Ansicht in teilweise geschnittener Darstellung,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des unteren Teils der Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 dargestellte Anordnung nach Entfernen der oberen Abdeckung und

Fig. 4 bis 6 jeweils vergrößerte Detaildarstellungen aus Fig. 2 und 3.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Treibstofftank 1 handelt es sich um einen Oberflächenspannungstank für die Aufnahme und Lagerung von Treibstoff für einen geostationären Satelliten mit einer Aufnahmekapazität angeordneten Entnahmevorrichtung 3 in Form eines wiederbefüllbaren Reservoirs, auch als Propellant Refillable Reservoir (PRR) bezeichnet, führen. Diese Entnahmevorrichtung 3 ist in den nachfolgenden Figuren im Detail dargestellt.

Wie insbesondere die in Fig. 2 dargestellte Schnittzeichnung zeigt, ist die Entnahmevorrichtung 3 auf einer kreisförmigen Basisplatte 4 angeordnet und durch eine sphärische obere Abdeckung 5 mit einer zentralen Öffnung 6 vom übrigen Tankraum getrennt. Weitgehend unterhalb einer zweiten, konusförmigen Abdeckung 7 sind asymmetrisch in Bezug auf die Basisplatte 4 insgesamt vier Rohrleitungen 8 bis 11 verlegt, an deren Enden sogenannte Adapter 12 bis 15 angeordnet sind. Die drei Adapter 13, 14 und 15 sind dabei auf der Basisplatte 4 angeordnet. Jeder dieser Adapter 13 bis 15 besteht aus einem ringförmigen Gehäuse, dessen Ober- und Unterseite jeweils durch ein engmaschiges Sieb abgedeckt ist. Die Maschenweite des Siebs ist dabei so gewählt, daß ein Eindringen von Gasblasen verhindert wird. Der kleinere Adapter 12 besitzt ein auf der Ober- und Unterseite konisch ausgebildetes, ebenfalls mit einem Sieb versehenes Gehäuse und erhebt sich senkrecht oberhalb der Basisplatte 4. Die Adapter 10 bis 13 sind, wie die Abbildung in Fig. 4 zeigt, durch entsprechende Öffnungen mit dem Raum oberhalb der konusförmigen Abdeckung 7 verbunden.

Jeweils auf der Ober- und Unterseite der Basisplatte 4 sind Kapillarbleche oder Vanes 16 bis 18 bzw. 19 bis 21 angeordnet. Diese Kapillarbleche, deren genaue Form aus den Fig. 5 und 6 ersichtlich wird, haben die Aufgabe, unter den Bedingungen einer weitgehenden Schwerelosigkeit den Treibstoff in das Innere der Entnahmevorrichtung 3 zu fördern. Die Förder- oder Pumpwirkung der Kapillarbleche 16 bis 21 beruht dabei auf einer Änderung des Kapillardruckes entlang dieser Bleche, der durch ihre spezielle Formgebung erzielt wird und der die Oberflächenspannung der flüssigen Treibstoffkomponenten ausnutzt. Im Endbereich der Kapillarbleche 16 bis 18 sind zu diesem Zweck Durchlässe 22 in der Basisplatte 4 vorgesehen, durch die der Treibstoff in die Entnahmevorrichtung 3 gelangt. Die Kapillarbleche 19 bis 21 sind über Anschlüsse 23 bis 26 mit den Förderleitungen 2 verbunden.

Über die Adapter 12 bis 15 tritt der Treibstoff in die Rohrleitungen 8 bis 11 ein und gelangt durch diese zu einem zentralen Sammelbehälter 27 am unteren Teil der Basisplatte 4 mit einem Auslaß 28 und über diesen zu den Triebwerken.

Der Effekt der Oberflächenspannung bewirkt dabei auch die Trennung des Treibstoffs bzw. im Fall einer mehrkomponentigen Treibstoffs der Treibstoffkomponenten vom Treibgas, das zum Zweck der Treibstofförderung zu den Triebwerken über in der Zeichnung nicht dargestellte Gaseinlässe in den Tank 1 gedrückt wird. Infolge der Oberflächenspannung der flüssigen Treibstoffkomponenten bilden die engmaschigen Siebe, die vom Treibstoff benetzt werden, eine Barriere gegen das Treibgas, so daß nur die blasenfreien Treibstoffkomponenten in die Rohrleitungen gelangen und infolge des vom Treibgas außerhalb der Adapter 12 bis 15 aufgebauten hydrostatischen Drucks in Richtung Triebwerk gefördert werden. Aufgabe der zentralen Öffnung 6 in der oberen Abdeckung 5 ist es dabei, das Treibgas in beide Richtungen hindurchtreten zu lassen, d. h. in der Antriebs- oder Beschleunigungsphase in die Entnahmevorrichtung 3 hinein, in der sich daran anschließenden 0-g-Phase, d. h. nach Beendigung eines Manövers, aus dieser wieder hinaus.

Bei Adaptern, die, insbesondere bei weitgehend entleertem Tank und bei auf den Treibstofftank einwirkenden Querbeschleunigungen beispielsweise als Folge von Lagekorrekturmanövern, nicht vom flüssigen Treibstoff umgeben sind, verhindert die dennoch erhalten bleibende Benetzung der Siebe durch den Treibstoff, daß Treibgas in das Rohrleitungssystem eindringen kann.

Anzumerken ist, daß es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung möglich ist, anstelle der in der Zeichnung dargestellten Anordnung mit nur einer Treibstoffkammer eine Aufteilung des Treibstofftanks in mehrere Kompartments vorzusehen. Dabei kann sowohl die Anzahl als auch das Größenverhältnis der Kompartments untereinander variiert werden.

Claims

1. Treibstofftank, insbesondere zur Lagerung aggressiver Flüssigkeiten zum Betrieb von Raumflugkörpern, mit einem als Fördermedium dienenden Treibgas sowie mit wenigstens einer Treibstoffentnahmevorrichtung, bei der mittels Sieben und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung eine Separation des Treibstoffes vom Treibgas herbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmevorrichtung (3) in Form eines wiederbefüllbaren Reservoirs am Boden des Treibstofftanks (1) angeordnet und über Förderleitungen (2) mit dem Inneren des Treibstofftanks (1) verbunden ist.

2. Treibstofftank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmevorrichtung (3) aus auf einer Basisplatte (4) und durch eine Abdeckung (5) mit einer zentralen Öffnung (6) vom Tankraum getrennt angeordneten Rohrleitungen (8-11) besteht, an deren Enden Adapter (12-15) angeordnet sind.

3. Treibstofftank nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitungen (8-11) asymmetrisch in Bezug auf die Basisplatte 4 angeordnet und sowohl miteinander als auch mit einem zentralen Sammelbehälter (27) mit einem zu den Triebwerken führenden Auslaß (28) verbunden sind.

4. Treibstofftank nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ober- und. Unterseite der Basisplatte (4) Kapillarbleche (16-21) angeordnet sind, die über Anschlüsse (23-26) mit den Förderleitungen (2) verbunden sind.