DE1270510B - Elektrischer Plasmastrahlantrieb - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

F03h

Deutsche KL: 88 e -1/02

Nummer: 1270 510

Aktenzeichen: P 12 70 510.1-33

Anmeldetag: 4. November 1964

Auslegetag: 12. Juni 1968

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Plasmastrahlantrieb mit zwei Beschleunigungselektroden in Form von nebeneinanderlaufenden Leitschienen oder von zwei koaxial und konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden, zwischen denen ein durch sein Eigenmagnetfeld entlang dieser Elektroden beschleunigter Lichtbogen gezündet wird, und einer Vorrichtung zum Einbringen einer zu ionisierenden und zu beschleunigenden Substanz in kondensierter Phase in den Raum zwischen den Beschleunigungselektroden.

Derartige Strahlantriebe sind insbesondere zur Beschleunigung oder Steuerung von Raumfahrzeugen im schwerelosen Raum geeignet, obwohl oder gerade weil sie (derzeit) nur verhältnismäßig geringe Schubkräfte erzeugen, denn auf interplanetaren Flügen kommt man mit kleinen Schüben aus, da nur geringe Gravitationskräfte zu überwinden sind. Diese Antriebe benötigen dafür weniger Stützmasse, weil die Stützmassen-Austrittsgeschwindigkeit sehr hoch ist. Stattdessen können größere Nutzlasten mitgeführt werden. Hinzu kommt, daß sich der Schub und die Austrittsgeschwindigkeiten innerhalb weiter Grenzen ändern lassen.

Da die Stützmasse und der Treibstoff bei Raumflügen (zumindest derzeit) nicht ersetzt werden können, will man einerseits nur so viel aus dem Vorratsbehälter entnehmen, wie zur Erzeugung des gewünschten Schubimpulses erforderlich ist, und andererseits die Austrittsgeschwindigkeit noch weiter steigern. Dazu hat man bei bekannten Plasmastrahlantrieben einerseits Ventile entwickelt, die nur dann zu ionisierende Stützmasse in die Brennkammer lassen, wenn es gewünscht wird. Jedoch sollte man bei Raumfahrzeugen zur Steigerung der Zuverlässigkeit mechanisch bewegte Teile vermeiden, wo immer es möglich ist. Zum anderen ist es bekannt, zur Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit die Leitschienen zu verlängern und ein zusätzliches äußeres Magnetfeld anzubringen. Dies hat aber den Nachteil, daß dadurch das Gewicht des Antriebs auf Kosten der Nutzlast wesentlich erhöht wird.

Ferner ist es bekannt, die als Stützmasse verwendete Substanz nur von einem zwischen den Beschleunigungselektroden gezündeten Lichtbogen erst zu verdampfen und dann zu ionisieren, was den Nachteil hat, daß eine verhältnismäßig hohe Zündspannung wegen des relativ großen Elektrodenabstands erforderlich ist.

Gemäß der Erfindung werden alle diese Nachteile dadurch beseitigt, daß die Beschleunigungselektroden entweder von einer eine Düse bildenden Begrenzungs-Elektrischer Plasmastrahlantrieb

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:
Aldo Vittorio la Rocca,
Villanova, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. November 1963
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as wand umgeben oder selbst als Düse ausgebildet sind, daß die Düse auf ihrer Schmalseite von einem Pfropfen aus porösem Material verschlossen ist, über den die Substanz zwischen die Beschleunigungselektroden gelangt, und daß an der inneren Oberfläche des Pfropfens Verdampfungselektroden angeordnet sind, zwischen denen ein Lichtbogen gezündet wird. Die Beschleunigungselektroden mit einer eine Düse bildenden Begrenzungswand zu umgeben oder selbst als Düse auszubilden, hat den Vorteil, daß das Plasma nicht nur durch das Eigenmagnetfeld des Lichtbogens, sondern gleichzeitig noch durch Strömungskräfte beschleunigt wird. Außerdem ist diese Anordnung kürzer und kompakter im Aufbau als bekannte Plasmastrahlantriebe, bei denen sich eine Düse an die Elektroden anschließt. Wenn die Elektrode selbst als Düse ausgebildet ist, hat dies den weiteren Vorteil, daß der Lichtbogen vollständig von einem elektrisch leitenden Schirm umgeben ist, so daß der Funkverkehr mit dem Raumfahrzeug nicht übermäßig durch das Magnetfeld des Lichtbogens gestört wird.

Dadurch, daß die Düse auf ihrer Schmalseite von einem porösen Pfropfen verschlossen ist, über den die Substanz zwischen die Beschleunigungselektroden gelangt, entfallen mechanisch bewegte Teile, wie Ventile, denn die Substanz diffundiert von selbst im selben Maße, wie sie im Lichtbogen der Ver-

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dampfungselektroden verdampft, an die innere Potential liegende Verdampfungselektroden, eingedüsenseitige Oberfläche des Pfropfens. bettet in den porösen Pfropfen, zwischen den Be-

Es ist zwar von mit Kontakt-Ionenquellen arbeiten- schleunigungselektroden konzentrisch um die innere den elektrostatischen Ionentriebwerken her bekannt, Beschleunigungselektrode angeordnet sind und die als Kontaktfläche ein Netz oder ein poröses Gebilde 5 die Beschleunigungselektroden speisende Spannungszu verwenden, jedoch nur um eine möglichst große quelle mit der die Verdampfungselektroden speisen-Oberfläche zu erhalten. Während man bei Kontakt- den Spannungsquelle in Reihe geschaltet ist.
Ionenquellen auf die Bedingung achten muß, daß die Durch diese Anordnung zünden mehrere Ver-

bei Vereinigung von Elektron und Ion zum neutralen dampfungslichtbogen entweder zwischen den VerAtom frei werdende Ionisierungsenergie kleiner sein io dampfungselektroden und der inneren Beschleunimuß als die von einem Elektron beim Verlassen des gungselektrode oder den Verdampfungselektroden Metallverbandes zu überwindende Austrittsarbeit, so und der äußeren Beschleunigungselektrode, und daß nur bestimmte Kombinationen von Kontakt- gleichzeitig zündet der Beschleunigungslichtbogen materialien und Treibstoffen verwendet werden zwischen den Beschleunigungselektroden. In jedem können, entfällt diese Einschränkung durch die Ver- 15 Falle entsteht eine ringförmige, radialsymmetrische Wendung der Verdampfungselektroden. Entladung, bei der ein hoher Ionisierungswirkungs-

Durch entsprechende Steuerung der Intensität grad und infolge der verhältnismäßig großen Masse, und/oder Dauer des zwischen den Verdampfungs- die verdampft wird, größere Schubkräfte erzielt elektroden gezündeten Lichtbogens ist es ferner werden.

möglich, die verdampfte Menge der Substanz genau 20 Zur Stabilisierung der Verdampfungslichtbögen dem Bedarf anzupassen. sind die Verdampfungselektroden vorzugsweise über

Bei der Verdampfung im Lichtbogen der Ver- Widerstände miteinander verbunden,
dampfungselektroden wird die nunmehr gasförmige Der Raumbedarf des Strahlantriebs läßt sich noch

Substanz gleichzeitig ionisiert und dann durch Zünden dadurch verringern oder bei gleichen räumlichen Abeines Lichtbogens zwischen den Beschleunigungs- 25 messungen die Beschleunigungsstrecke längs der Beelektroden nicht nur durch das Magnetfeld dieses schleunigungselektroden vergrößern, daß die innere Lichtbogens, sondern auch durch die Wärme der Beschleunigungselektrode hohl ausgebildet und der Lichtbögen thermisch beschleunigt. Da das Gas vor poröse Pfropfen in der hohlen Elektrode derart andern Zünden des Beschleunigungslichtbogens bereits geordnet ist, daß ein kleiner Hohlraum in der inneren (zumindest teilweise) ionisiert ist, braucht dessen 30 Elektrode verbleibt, dessen eine Wandung von der Zündspannung nicht mehr so hoch zu sein wie bei be- Verdampfungsoberfläche des porösen Pfropfens gekannten Plasmastrahlantrieben, bei denen das Gas bildet wird und der über radiale Bohrungen in der noch nicht ionisiert ist. Aber auch die Spannung zum inneren Elektrode mit dem Raum zwischen den kon-Zünden des Verdampfungslichtbogens braucht nur zentrischen Beschleunigungselektroden in Verbinverhältnismäßig niedrig zu sein, weil die Ver- 35 dung steht, während eine Verdampfungselektrode dampfungselektroden an der inneren Oberfläche des durch eine Isolation in den Hohlraum ragt.
Pfropfens angeordnet sind, auf der sich die durch den Vorzugsweise handelt es sich bei den Spannungs-

Pfropfen diffundierende Substanz zwischen den Ver- quellen um triggerbare Impulsgeneratoren, so daß dampfungselektroden ansammelt, so daß beim An- sowohl die Dauer als auch die Stärke und die Folgelegen einer Spannung an die Verdampfungselektroden 40 frequenz der Schubimpulse des Antriebs steuerbar ist. ein Strom durch die Substanz fließt, der diese Sub- Die zu ionisierende Substanz enthält vorzugsweise

stanz verdampft und schließlich zum Lichtbogen Metall, z. B. Caesium oder Lithium. Dabei ist die wird. metallische Substanz pulverförmig und in einem Öl

Bei nichtkoaxialer Anordnung der Beschleuni- mit niedrigem Dampfdruck aufgeschwemmt. Diese gungselektroden und in Fällen, in denen auf eine rein 45 Substanz wird derjenigen porösen Seite des Pfropfens metallische Düse verzichtet werden kann, ist die An- zugeführt, die den Verdampfungselektroden gegenordnung dann so getroffen, daß die Beschleunigungs- überliegt.

elektroden die Längskanten einer trichterförmigen Insgesamt ergeben sich durch die Erfindung also

flachen Düse aus Isoliermaterial bilden und zwei folgende wesentliche Vorteile: die Schubimpulse Verdampfungselektroden in einer zur Ebene der Be- 50 lassen sich auf einfache Weise genau steuern, der schleunigungselektroden senkrechten Ebene ange- Treibstoff- und Stützmassenverbrauch bei der ordnet sind. Dadurch ergibt sich neben der zur Be- Steuerung ist minimal, der Treibstoff bzw. die Stützschleunigung des Plasmas ebenso günstigen aerody- masse kann in flüssigem oder festem Zustand bei namischen Anordnung der weitere Vorteil, daß man Normaltemperatur und in kleinstem Raum gefrei in der Wahl des Elektrodenabstandes an der 55 speichert werden, die Schubkräfte und Schubimpulse Düsenschmalseite ist und die in senkrechter Richtung können durch Steuerung der Verdampfung des zuzum Verdampfungslichtbogen weggetriebenen Gase nächst nicht gasförmigen Treibstoffes durch Steueschneller mit den Beschleunigungselektroden in Be- rung der zugeführten Energie in einem großen Bereich rührung kommen und der Beschleunigungslichtbogen reguliert werden, und schließlich wird der Treibstoff nahezu unverzögert zündet. Dies ist wichtig für Fälle, 60 ohne Verwendung mechanischer Teile selbsttätig zuin denen die Steuerung möglichst unverzüglich ein- geführt, und die Austrittsgeschwindigkeiten sind greifen muß. durch wahlweise Änderung der Energiezufuhr pro

Bei koaxial und konzentrisch zueinander ange- Einheit der erzeugten Gasmenge einstellbar,
ordneten Beschleunigungselektroden ist die An- Dem besseren Verständnis der Erfindung dienen

Ordnung dann vorzugsweise so getroffen, daß die 65 die Zeichnungen. Darin ist

äußere Beschleunigungselektrode eine trichterförmige F i g. 1 eine teilweise im Schnitt und nur schema-

Düse und die innere Beschleunigungselektrode keulen- tisch dargestellte Expansionsdüse, die mit einer förmig ausgebildet ist, während mehrere auf gleichem Gruppe parallel angeordneter Stabelektroden ver-

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sehen ist, wie sie bei einer Ausführungsart der Er- während die Elektrode 20 und die Isolation 28 teilfindung verwendet werden; weise unter der Schnittfläche des Gehäuses 18 liegen. F i g. 2 eine Ausführung der Erfindung, in der die Dieser Schnitt liegt in der Ebene, die durch die Verdampfungsentladung zwischen zwei unabhängigen Mittellinien der Elektroden 12 und 14 geht. Man Elektroden stattfindet; 5 sieht also, daß die Elektroden 20 und 22 in Ebenen F i g. 3 eine andere Ausführungsart der Anordnung liegen, die schräg zu der Ebene verlaufen, die durch nach Fig. 2; die Mitten der Elektroden 12 und 14 geht, während F i g. 4 eine Vorderansicht der in F i g. 3 darge- die Entladungsspitzen 24 und 26 in derselben Ebene stellten Ausführung; wie die Elektroden 12 und 14 liegen. Die Entladungs-F i g. 5 eine teilweise im Schnitt und nur schema- ίο spitzen 24 und 26 der Elektroden 20 und 22 liegen tisch dargestellte Expansionsdüse, bei der die Düse an der Vorderseite eines porösen Pfropfens 32, der selbst eine der konzentrisch angeordneten Elektroden gewöhnlich aus Keramik mit einer geeigneten Durchbildet, lässigkeit besteht. In dem Schnitt ist durch parallele F i g. 6 eine teilweise im Schnitt und schematisch Linien eine Vielzahl in der Figur von links nach dargestellte Ausführung der Erfindung mit einem 15 rechts gehender Durchgänge angedeutet. Obwohl der konzentrischen Aufbau wie dem der F i g. 5, bei der Pfropfen 32 in der Weise porös sein muß, daß die die ionisierende Verdampfungsentladung zwischen Durchgänge in dieser Richtung verlaufen, wird diese unabhängigen Verdampfungselektroden und einer Darstellung für ausreichend befunden, da es keine Beschleunigungselektrode erfolgt; genormte Darstellungsart für poröse Keramik gibt. Die F i g. 7 ein Schnitt durch einen konzentrischen 20 Poren des Pfropfens 32 sind mit einer Suspension Elektrodenaufbau, bei dem die Verdampfungsent- oder einer anderen flüssigen Substanz gefüllt. Diese ladung zwischen einer Verdampfungselektrode und Aufschwemmung enthält entweder reine Stoffe oder dem Inneren der inneren der zwei konzentrischen chemische Verbindungen (oder beides), die leicht Beschleunigungselektroden stattfindet, so daß Dampf verdampft und leicht ionisiert werden können. In der in den Hauptentladungsraum strömt. 35 dargestellten Ausführung kann diese Suspension aus In F i g. 1 ist die im Schnitt gezeigte Expansions- herkömmlichem pulverförmigem Lithium oder CaedüselO trichterförmig dargestellt, obwohl ihre tat- sium bestehen, das in einem öl mit niedrigem Dampfsächliche Form dem Strömungsverlauf der sich aus- druck, wie es in öldiffusionsvakuumpumpen verdehnenden und beschleunigenden Gase genau ange- wendet wird, aufgeschwemmt ist. Auf der Oberfläche paßt werden kann. Die einfach als parallele Stäbe 30 der rechten Enden 34 und 36 des Pfropfens 32 lagert dargestellten Elektroden 12 und 14 wirken als Leit- sich das metallische Lithium oder Caesium ab. Für schienen, über die einer ionisierten oder teilweise begrenzte Anwendungsfälle kann der Pfropfen 32 den ionisierten Gaswolke dadurch kinetische Energie zu- nicht-gasförmigen ionisierbaren Treibstoff in seinen geführt werden kann, daß der· Lichtbogen zwischen Poren speichern. Um jedoch unabhängig von der den Elektroden 12 und 14 nicht nur durch thermische 35 Menge des Treibstoffs zu sein, der in den Poren des Expansion des Gases auf Grund der bei der Gasent- Pfropfens 32 gespeichert werden kann, ist eine ladung entstehenden Wärme, sondern auch durch die elastische Blase oder eine nachgiebige, fingerhutartige elektromagnetischen Kräfte zwischen dem Lichtbogen Kammer 38 dargestellt. Diese kann durch ihre eigene und dem magnetischen Feld desselben Stroms in den Elastizität oder äußere Kräfte (z. B. durch eine her-Elektroden an diesen entlang beschleunigt wird. 40 kömmliche Spiralfeder), durch verdichtetes Gas oder Man beachte, daß bei dieser Ausführung der gesättigten Dampf unter Druck stehen oder Dochte Trichter oder die Düse 10 in Wirklichkeit nicht 39 enthalten, so daß ihr Inhalt infolge äußerer Einelektrisch leitend zu sein braucht, obwohl durch die Wirkungen auf die Oberfläche weitergeleitet wird. Schraffur in dem Schnitt Metall angedeutet wird. In Dabei ist sie so an den Pfropfen 32 angeschlossen, dieser Ausführung wurde es eigentlich nur wegen 45 daß das Material in der Blase 38 auf die rechte Seite seiner mechanischen Eigenschaften und der Fähig- des Pfropfens 32 zu gelangen sucht, wo es das Makeit, nötigenfalls das bei der Entladung entstehende terial auf den Verdampfungsoberflächen 34 und 36 Hochfrequenzrauschen abzuschirmen, verwendet. ersetzt, das der rechten Seite entzogen wurde. Der Ferner ist in der Figur ein Rechteck 16 dargestellt, Druck der Blase 38 erleichtert die Verwendung einer das die verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten der 50 pastenartigen Masse wie Amalgam. An die Elekparallelen Elektrodenanordnung 12 und 14 symboli- troden 20 und 22 ist eine die Verdampfungseleksiert, die in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt sind. troden speisende Spannungsquelle 40 angeschlossen. F i g. 2 stellt einen Schnitt durch die wesentlichen Sie kann durch Signale über eine Leitung 41 gesteuert Teile einer besonderen Ausführung der durch das werden. An die Elektroden 12 und 14 ist eine ähn-Rechteck 16 in F i g. 1 symbolisierten Ausführungs- 55 liehe die Beschleunigungselektroden speisende möglichkeiten dar. Die Schienen oder Elektroden 12 Spannungsquelle 42 angeschlossen. Wesentlich für und 14 liegen zum Teil in einem Block oder Gehäuse die Wirkungsweise der Erfindung ist, daß eine elek-18 aus Isoliermaterial. Dieses muß hohe dielektrische trische Entladung zwischen den Elektroden 24 und Kräfte aufnehmen können und darf die Wirkungen 26 stattfindet, die das angesammelte Material von der der im allgemeinen zwischen den Elektroden 12 und 60 Verdampfungsoberfläche 36 verdampft und ionisiert. 14 stattfindenden ionisierenden elektrischen Ent- Da der ionisierbare Treibstoff in Dampfform zwischen ladungen nicht verschlechtern. Durch den Körper des den Elektroden 12 und 14 vorliegt, muß zwischen Gehäuses 18 gehen die Verdampfungselektroden 20 diesen eine so hohe Potentialdifferenz bestehen, daß und 22. Diese enden in Entladungsspitzen 24 und 26 eine Ionisations- oder Bogenentladung durch den und sind in getrennte Isolierhülsen 28 und 30 ge- 65 Dampf erfolgt und diesen einmal nach rechts in der hüllt. Figur beschleunigt und ihm zum anderen bei der In der Figur ist zu erkennen, daß die Elektrode 22 elektrischen Entladung Energie zuführt. Der auf diese und die Isolation 30 vollständig dargestellt sind, Weise entladene Dampf wird, wie aus der Figur her-

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vorgeht, durch die Düse 10 entspannt und nach Entladungsspitzen 24 und 26 stattfinden und nicht rechts in der Fig. 1 ausgestoßen, wobei das ganze nur auf der geraden Linie zwischen ihnen. Bildet man System durch den Rückstoß einen Impuls nach den Pfropfen 32 so aus, daß die Flächen 34 und 36 links erhält. Die Zeiten, während denen die genau in den Entladungspfad zwischen den Elek-Spannungsquellen 40 und 42 an ihre jeweiligen Elek- 5 troden 12 und 14 hineinragen, dann ist es möglich, troden Spannung liefern, und die Höhe dieser durch die Hauptentladung weiteren Treibstoff zu Spannungen können auf die verschiedenste Weise ge- verdampfen. Dabei muß aber die Spannungsquelle 42 ändert werden. Da eine der Aufgaben darin besteht, so beschaffen sein, daß sie die Dauer ihrer eigenen die Schubkraft genau zu steuern, wird die Spannungs- Entladung begrenzt, da sie anderenfalls die Gasquelle 40 vorzugsweise als Impulsgenerator ausge- io erzeugung und Lichtbogenentladung ständig aufrechtbildet, der in geeigneter Weise getriggert, durch seinen erhalten würde.

Entladungsfunken zwischen den Entladungsspitzen Obwohl gesagt wurde, daß die zum Verdampfen

24 und 26 der Elektroden 20 und 22 von der Ver- verwendete Substanz eine Aufschwemmung fein Verdampfungsoberfläche 36 eine vorherbestimmbare teilten Metalls, wie z. B. Lithium oder Caesium sein Menge ionisierbaren Treibstoffs verdampft. In bevor- 15 kann, muß natürlich erwähnt werden, daß auch zugten Ausführungen der Erfindung wird die flüssige Metalle wie Quecksilber und viele Ver-Spannungsquelle 42 nicht direkt zur Schubkraft- bindungen, die chemisch oder durch elektrische Entsteuerung gesteuert, sondern so eingestellt, daß sie ladungen in ionisierbare Bestandteile zerlegt werden einen Lichtbogen bestimmter Intensität erzeugt, wenn können, zu verwenden sind. Viele Katodenüberzüge ionisierbarer Treibstoff zwischen die Elektroden 12 ao in Vakuumröhren und besonders die in Stroboskop- und 14 gelangt. Unter der Annahme, daß eine gleich- lampen verwendeten Materialien zeigen diese Eigenförmige Energieabgabe von der Spannungsquelle 42 schaft in hohem Maße.

und eine gleichförmige Menge Treibstoff vorliegt, Die F i g. 3 und 4 stellen eine andere Ausführung

wäre die gesamte einer jeden Menge Treibstoff auf der Erfindung mit parallelen Beschleunigungselekihrem Wege entlang den Elektroden 12 und 14 züge- 35 troden 12 und 14 dar. Dabei ist F i g. 4 eine Vorderführte Energie gleichförmig, und somit würde ein von ansicht der Fig. 3. Die Elektroden 12 und 14 sind der Spannungsquelle 40 erzeugter Impuls ein ganz be- durch ein isolierendes Gehäuse 48 voneinander gestimmtes Schubmoment bewirken. Dieser Schub- trennt und gehaltert. Ein poröser Pfropfen 32 ist impuls sollte ziemlich klein sein, so daß eine Ein- ebenfalls in dem Gehäuse 48 angeordnet und wird stellung der Geschwindigkeit des Fahrzeuges bis zu 30 durch zwei Verdampfungselektroden durchbohrt, von jeder gewünschten Höhe mit hoher Genauigkeit er- denen nur die durch eine Hülse 54 isolierte Elekreicht werden kann, indem eine entsprechend große trode 22 zu sehen ist. Die Elektrode 22 endet an der Anzahl Triggerimpulse auf die Quelle 40 gegeben Entladungsspitze 26 und ihre Partnerelektrode an der wird, so daß sich das gewünschte Zeitintegral aus Entladungsspitze 24. Dabei sind sie beide so angeeiner großen Zahl kleiner Impulse ergibt. 35 ordnet, daß ihre Entladungsstrecke senkrecht zu der

Es ist klar, daß die Spannungsquelle 42 einfach aus Entladungsstrecke zwischen den Elektroden 12 und einer Gleichstromquelle bestehen kann, die einen 14 liegt. Das Verdampfungsmaterial dringt, wie in Strom entsprechend der Größe des ionisierten und der Ausführung nach F i g. 2 durch die Poren des leitend gemachten Pfades zwischen den Elektroden porösen Pfropfens 32. Ein Unterscheidungsmerkmal 12 und 14 liefert. Diese Ausführung dürfte unwirt- 40 dieser Ausführung ist der nicht leitende Trichter schaftlich sein, wenn das Arbeitsspiel der Vorrich- oder die Düse 10 (die außen durch eine leitende Abtung klein ist. Bei kleinen Arbeitsspielen ist es viel schirmung umgeben sein kann), die die bereits erwirtschaftlicher, einen Kondensator über einen ge- wähnten Entladungsstrecken umgibt und ein kurzes eigneten Ohmschen Widerstand oder eine Impedanz Stück entlang den Elektroden 12 und 14 verläuft, von einer Gleichspannungsquelle aufzuladen, da 45 wobei sie eine Kammer bildet, in der sich der Lichtdessen Entladestrom wesentlich kleiner als der Ent- bogen durch den ionisierten Dampf ausbildet und ladestrom zwischen den Elektroden 12 und 14 ist. von wo aus er sich in den Raum zwischen diesen Bei einer solchen Entladung wird die in den Konden- Elektroden ausdehnt. Die Elektroden 12 und 14 sind sator (oder Verzögerungskreis) über lange Zeit ge- in der Nähe der Entladungsspitzen 24 und 26 mit speicherte Energie in viel kürzerer Zeit entladen. 50 Vorsprüngen versehen, die einander gegenüberstehen, Andererseits wäre es auch zulässig, die Spannungs- so daß die Lichtbogenentladung am Anfang über quelle 40 ausgeschaltet zu lassen und nur dann ein- eine kürzere Strecke erfolgt als später. Diese Vorzuschalten, wenn durch die Quelle 40 ein Impuls auf Sprünge bilden eine Kammer, die zur Ausbildung und die Elektroden 24 und 26 gegeben wird. Diese Mög- Ausrichtung der Antriebsentladung besonders günstig lichkeit wird erwähnt, um zu zeigen, daß es viele 55 geformt ist. Der Anschluß der Spannungsquellen mögliche Abwandlungen für das Ein- oder Ab- dieser Ausführung entspricht genau dem der F i g. 2 schalten der Elektrodenspannung gibt. Gewöhnlich und wird deshalb hier nicht wiederholt. Wie die vermeidet man jedoch die Unkosten einer Schaltung strichpunktierten Linien andeuten, ist die Ausfür das schnelle Ein- und Ausschalten der Quelle 42 führung nach F i g. 3 eine mögliche Ausführung des und beschränkt sich auf das Triggern der Quelle 40 60 Rechtecks 16 nach F i g. 1.

zur Steuerung der Entladung. F i g. 5 zeigt, teilweise im Schnitt, eine im wesent-

Man beachte, daß nicht nur zwischen den Ent- liehen konzentrische Elektrodenanordnung, die sich ladungsspitzen 24 und 26 auf der Verdampfungsober- von der der F i g. 1 darin unterscheidet, daß die Düse fläche 36, sondern auch hinter den Entladungsspitzen 62 gleichzeitig eine Elektrode der Beschleunigungsauf der Verdampfungsoberfläche 34 eine Treibstoff- 65 elektroden ist, die Elektrode 64 die Gegenelektrode ablagerung stattfindet. Da die Treibstoffablagerung ist und beide Elektroden 64 und 62 konzentrisch auf den Oberflächen 34 und 36 elektrisch gut leiten angeordnet sind. Das Rechteck 66 stellt wieder die kann, kann die Entladung irgendwo im Umkreis der verschiedensten Ausführungsformen der Erfindung

dar, zu denen auch diese konzentrische Elektrodenanordnung gehört. In F i g. 5 muß die Düse 62 elektrisch leitend sein, da sie auch als Elektrode dient. Die Bemerkung über die möglichen Abwandlungen der endgültigen Form der Düse 10 gilt auch für die Düse 62 und die Elektrode 64.

Das Treibstoff versorgungssystem kann an alle Ausführungsarten der Elektrodenanordnung, von der zweidimensionalen (Schienenbeschleuniger) bis zur axialsymmetrischen, angepaßt werden. Der grundlegende Unterschied kann darin gesehen werden, daß letztere eine Mittelelektrode für die Hauptentladung benötigen. Die Form dieser Mittelelektrode kann von der eines koaxialen Zylinders gleicher oder vergleichbarer Länge — im Falle zylindrischer äußerer Elektroden — bis zu den kürzeren, im Grenzfalle knopfähnlichen, Formen variiert werden, falls die äußere Elektrode divergiert oder konvergiert.

F i g. 6 stellt ein Ausführungsbeispiel des Rechtecks 66 der F i g. 5 dar. Die Elektroden 62 und 64 sind in dem isolierenden Gehäuse 68 gelagert und werden durch dieses voneinander getrennt. Ein poröser Pfropfen 32 ist zwischen den Elektroden 62 und 64 konzentrisch angeordnet und von beiden durch das Gehäuse 68 isoliert. Mehrere durch Hülsen 72 isolierte Verdampfungselektroden 71 enden in Entladungsspitzen 74. Die Verdampfungselektroden 71 sind über Ohmsche Stabilisierungswiderstände 75 miteinander und mit einem Anschluß einer Spannungsquelle 40 verbunden, deren anderer Anschluß mit der Elektrode 64, wie dargestellt, verbunden ist. Die Quelle 40 wird durch Signale über die Leitung 41 gesteuert. Ein Impuls der Spannungsquelle 40 verursacht eine Entladung zwischen den Entladungsspitzen 74 und der Elektrode 64 über die Ablagerungen 78 des Verdampfungsmaterials auf der Oberfläche des porösen Pfropfens 32, die mit einer Suspension von Verdampfungsmaterial angereichert ist, wie bereits an Hand von F i g. 2 beschrieben wurde. In der Umgebung der Elektrode 64 bildet sich auf diese Weise eine ionisierte Dampfmenge. Durch diese Dampfmenge hindurch leitet die Spannungsquelle 42 eine Entladung zwischen den Elektroden 62 und 64 ein, so daß sich diese Dampfmenge durch den Raum zwischen den Elektroden 62 und 64 hindurch beschleunigt, ausrichtet und ausdehnt. Die Fortsetzung der Elektroden ist im wesentlichen in F i g. 5 zu sehen.

Es ist natürlich möglich, die Spannungsquellen so anzuschließen, daß die Entladung zwischen den Entladungsspitzen 74 und der Elektrode 62 und nicht der Elektrode 64 stattfindet. Oder man läßt die Verdampfungsentladung zwischen verschiedenen Elektroden 71 stattfinden, statt sie alle miteinander zu verbinden. Die grundlegende Aufgabe besteht jedoch darin, eine radialsymmetrische Gasmenge zu erzeugen. Dies kann auf verschiedenste Weise erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Elektroden 71 abwechselnd, vorzugsweise über Ohmsche Stabilisierungswiderstände 75, miteinander zu verbinden, so daß zwei Elektrodengruppen gebildet werden, die mit den beiden Anschlüssen der Spannungsquelle 40 verbunden werden können. Diese Anordnung erzeugt eine ringförmige, radialsymmetrische Entladung. Sie tragen natürlich alle zum Nutzen der Erfindung bei, daß Gas als Treibstoff erzeugt wird, der dabei gleichzeitig ionisiert und leitend wird, so daß eine Bogenentladung zwischen den Beschleunigungselektroden stattfindet. Die konzentrische Elektrodenanordnung von F i g. 5 wurde gewählt, um die besondere Ausführung zu zeigen, bei der die Ionisierungsentladung zwischen den Verdampfungselektroden und einer der Beschleunigungselektroden stattfindet. Dasselbe Prinzip läßt sich natürlich auch auf die parallele Elektrodenanordnung anwenden.

F i g. 7 stellt eine Ausführung der Erfindung dar, die auch als spezielles Ausführungsbeispiel des Rechtecks 66 in F i g. 5 angesehen werden kann. In diesem Falle sind die Elektroden 62 und 64 durch einen Isolationsring 86 voneinander getrennt. Die Mittelelektrode 64 ist hohl. Eine einzelne Verdampfungselektrode 88 ist mit Hilfe der Isolation 90 in der Mitte der Elektrode 64 angeordnet. Gegenüber der Elektrode 88 befindet sich der poröse Pfropfen 92, der nicht von der Elektrode 64 isoliert ist. Als Treibstoffspeicher ist wieder eine nachgiebige Blase 38 dargestellt, die auf ähnliche Weise wie in F i g. 2 an den porösen Pfropfen 32 angeschlossen ist. Die Elektrode 64 ist innen hinter der Blase 38 durch einen Einschub 96 abgeschlossen. Der poröse Pfropfen 32 (und die Blase 38) enthalten ähnlich wie schon oben beschrieben, eine Aufschwemmung eines Treibstoffs, der als Ablagerung 98 auf der Verdampfungsoberfläche des Pfropfens 32 erscheint. Der kleine Hohlraum 97, der durch die Ablagerung 98 (oder die Verdampfungsoberfläche des Pfropfens 32), eine Fläche der Isolation 90 und die der Elektrode 64 gebildet wird, ist mit einer oder mehreren Bohrungen 100 versehen, die das Innere des Hohlraumes 97 mit dem Raum zwischen den Elektroden 62 und 64 verbinden. In F i g. 7 ist die Spannungsquelle 40 an die Elektroden 88 und 64 angeschlossen. Ein Stromstoß aus der Spannungsquelle 40 trifft direkt auf die Ablagerung 98, wo er ionisierten Dampf erzeugt, der infolge thermischer und elektromagnetischer Kräfte durch die Bohrungen 100 entweicht. Die Spannungsquelle 42 liefert wieder die Energie für einen Lichtbogen zwischen den Elektroden 62 und 64, der dann die Gas- oder Dampfmasse aus dem Raum zwischen den Elektroden 62 und 64 hinaustreibt.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Plasmastrahlantrieb, mit zwei Beschleunigungselektroden in Form von nebeneinanderlaufenden Leitschienen oder von zwei koaxial und konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden, zwischen denen ein durch sein Eigenmagnetfeld entlang dieser Elektroden beschleunigter Lichtbogen gezündet wird, und einer Vorrichtung zum Einbringen einer zu ionisierenden und zu beschleunigenden Substanz in kondensierter Phase in den Raum zwischen den Beschleunigungselektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektroden entweder von einer eine Düse bildenden Begrenzungswand umgeben oder selbst als Düse ausgebildet sind, daß die Düse auf ihrer Schmalseite von einem Pfropfen aus porösem Material verschlossen ist, über den die Substanz zwischen die Beschleunigungselektroden gelangt, und daß an der inneren Oberfläche des Pfropfens Verdampfungselektroden angeordnet sind, zwischen denen ein Lichtbogen gezündet wird.

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2. Strahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektroden (12,14) die Längskanten einer trichterförmigen flachen Düse (10) aus Isoliermaterial bilden und zwei Verdampfungselektroden (24, 26) in einer zur Ebene der Beschleunigungselektroden senkrechten Ebene angeordnet sind.

3. Strahlantrieb mit zwei koaxial und konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Beschleunigungselektrode (62) eine trichterförmige Düse und die innere Beschleunigungselektrode (64) keulenförmig ausgebildet ist, während mehrere auf gleichem Potential liegende Verdampfungselektroden (71), eingebettet in den porösen Pfropfen (32), zwischen den Beschleunigungselektroden (62, 64) konzentrisch um die innere Beschleunigungselektrode (64) angeordnet sind, und die die Beschleunigungselektroden speisende Spannungsquelle (42) mit der die Verdampfungselektroden speisenden Spannungsquelle (40) in Reihe geschaltet ist.

4. Strahlantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungselektroden (71) über Widerstände (75) miteinander verbunden sind.

5. Strahlantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Beschleunigungselektrode (64) hohl ist und der poröse Pfropfen (32) in der hohlen Elektrode (64) derart angeordnet ist, daß ein kleiner Hohlraum (97) in der inneren Elektrode (64) verbleibt, dessen eine Wandung von der Verdampfungsoberfläche des porösen Pfropfens (32) gebildet wird und der über radiale Bohrungen (100) in der inneren Elektrode (64) mit dem Raum zwischen den konzentrischen Beschleunigungselektroden (62, 64) in Verbindung steht, während eine Verdampfungselektrode (88) durch eine Isolation (90) in den Hohlraum (97) ragt.

6. Strahlantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen (42,40) triggerbare Impulsgeneratoren sind.

7. Strahlantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz Metall, z. B. Caesium oder Lithium, enthält.

8. Strahlantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Substanz pulverförmig und in einem Öl mit niedrigem Dampfdruck aufgeschwemmt ist.

9. Strahlantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz der porösen Seite des Pfropfens zugeführt wird, die den Verdampfungselektroden gegenüberliegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Proc. of the Sec. U. N. Int. Conf. on the Peaceful

Uss of Atomic Energy, Vol. 32, 1958, P/367, S. 427

bis 430;
Elektrotechnische Zeitschrift, Ausgabe A, April,

1963, Heft 8, S. 245 bis 252;
Luftfahrttechnik, 1962, Nr. 3, S. 75 bis 80, und

Nr. 5, S. 131 bis 140.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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