DE1278970B - Elektrisches Triebwerk mit kontinuierlicher Beschleunigung des Plasmas durch Lorentzkraefte - Google Patents

Description

• Elektrisches Triebwerk mit kontinuierlicher Beschleunigung des Plasmas durch Lorentzkräfte Die Erfindung betrifft einen Lichtbogen-Rückstoßantrieb mit eigen- und fremdmagnetischer Beschleunigung des Lichtbogenplasmas, bestehend aus einer stabförmigen Kathode, einer diese umgebenden, einseitig offenen Anode, die eine axialsymmetrische Lichtbogenkammer einschließt, in welche das Treibgas axial von der Kathode her einströmt, und aus ein Fremdmagnetfeld erzeugenden Mitteln außerhalb der Lichtbogenkamme « r.
• Elektrische Triebwerke mit kontinuierlicher Beschleunigung des Plasmas durch eigenmagnetische Lorentzkräfte sind seit 1964 bekannt. Zum Stand der Technik sei hier insbesondere auf den Aufsatz von Th. P eters und K. R ag aller, »Erzeugung hoher Plasmageschwindigkeiten durch Heizung und eigenmagnetische Beschleunigung in Lichtbögen«, DVL-Forschungsbericht DLR FB 64-28 (1964) verwiesen. Auch Triebwerke mit einer zentralen Bohrung durch die Kathode als Zuführung für das Betriebsrnedium sind in dem Bericht von R. A. M o o r e, G. L. Cann, L. R. G all agher, »High specific impulse thermal are« (Jet Thrustor Technology), Air Force Aero Propulsion Laboratory Research and Technology Division Air Force Systems Comtnand, Wright Patterson Air Foree Base, Ohio, Tech. Rpt. AFAPL-TR-65-48, vorgeschlagen worden. - Aus der Zeitschrift »Bull, des schweiz. elektrotechn. Vereins« (Bd. 56, 1965, Nr. 23, S. 1033) ist ein elektrisches Triebwerk mit kontinuierlicher Beschleunigung des Plasmas durch Lorentzkräfte bekannt, bei dem das Plasma zusätzlich zu den durch das Eigenmagnetfeld hervorgerufenen Kräften durch Fremdmagnetfelder beschleunigt wird.
• Sämtliche bisher bekanntgewordenen kontinuierlichen Triebwerke dieser Art weisen unter anderem den Nachteil eines vorzeitigen Abbrandes des Kathodenmaterials auf und bleiben deshalb bezüglich ihrer Anwendungsmöglichkeit auf gewisse spezielle Gebiete beschränkt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine intensive Kühlung der Kathodenspitze zu erzielen, um den Abbrand des Kathodenmaterials zu verringern und gleichzeitig eine stärkere Kontraktion des Kathodenbrennflecks zu erreichen. Letzteres führt bei konstantem Innendurchmesser der Düsenanode zu einem größeren eigenmagnetischen Beschleunigungseffekt.
• Erfindungsgemäß ist daher der eingangs bezeichnete Lichtbogen-Rückstoßantrieb dadurch gekennzeichnet, daß die in der Lichtbogenkammer endende Kathodenspitze eines hohlen Kathodenstabes Bohrungen aufweist, durch die das Treibgas mit einer radialen Richtungskomponente in die Lichtbogenkammer einströmt, und daß zur Erzeugung eines azimutalgerichteten Fremdmagnetfeldes axialgerichtete, stromdurchflossene elektrische Leiter vorgesehen sind.
• Die Kathode ist mit drei Bohrungen versehen, die von der Kathodenachse gleichen Abstand haben und zur Zuführung des Betriebsmediums dienen, das von der Kathodenspitze aus frei in Strahlen expandiert. Die Strahlen vereinigen sich einseitig in der Triebwerksachse und werden zusätzlich zu den durch das Eigenmagnetfeld hervorgerufenen Kräften durch Fremdmagaetfelder beschleunigt, die um (vorzugsweise drei) außerhalb der entstehenden Plasmastrahlen liegende axialgerichtete Leiter gebildet werden. Die Kathodenspitze weist drei symmetrisch zur Spitze verteilte öffnungen auf.
• Das Auftreten mehrerer aus den Kathodenbohrungen austretender, frei expandierender Gasstrahlen, die durch die Joulesche Wärme bei der Entladung auf hohe Temperaturen (Plasmatemperatur) erhitzt werden und die sich einerseits in der Triebwerksachse treffen, ermöglicht eine Erhöhung der Lorentzkräfte (i - B) (s. A b b. 3 und 4), die durch das Eigenmagnetfeld hervorgerufen werden, durch zusätzliche äußere Fremdmagnetfelder.
• Die Erfindung soll nun an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Ab b . 1 bis 4 näher erläutert werden.
• A b b. 1 a stellt die wesentlichsten Teile eines elektrischen Triebwerkes dar; A b b. 1 b und 1 c zeigen je einen Schnitt längs der Linien I-1 bzw. H-II in A b b. 1 a. Das Betriebsmedium M wird durch drei Bohrungen B in der Kathode K dem Triebwerk zugeführt. An der Kathodenspitze treten drei Gasstrahlen aus, die frei expandieren und in dem zwischen Kathode und Düsenanode A brennenden Lichtbogen auf Plasmatemperatur aufgeheizt, d. h. ionisiert werden. Die strichpunktierte Linie G symbolisiert die Begrenzung der Entladung. Der eigenmagnetische Beschleunigungseffekt bei einer glockenförmigen Entladung wird -nur durch die um den Lichtbogen entstehenden azirnutalen Magnetfeldkomponenten hervorgerufen (s. A b b. 3 und 4), d. h., eine Verstärkung dieses Effekts kann nur durch Fremdmagnetfelder mit zur Triebwerksachse azimutalen Magnetfeldkomponenten erreicht werden. Die Anwesenheit eines axialgerichteten Leiters innerhalb der heißen Plasmaströmung, der ein solches Feld erzeugen könnte, ist aus kühlungstechnischen Gründen undenkbar. Axialgerichtete Leiter außerhalb der heißen Plasmaströmung ermöglichen lokale azimutale, Feldkomponenten (s. Ab b. 2), die allerdings je nach Ort verschieden gerichtet sind (einmal im Uhrzeigersinn und einmal entgegen dem Uhrzeigersinn).
• Nur azirautale Feldkomponenten, die in« Strömungsrichtung im Gegenuhrzeigersinn gerichtet sind, führen zu einer Verstärkung des Beschleunigungseffekts, während die entgegengesetzte Feldrichtung zu einer Abbremsung des Plasmas führt. Eine Aufteilung der Entladung in drei Lichtbögen, die sich einerseits in der Triebwerksachse vereinigen, ist deshalb sinnvoll, da man durch die Magnetfelder um drei außerhalb des Plasmas liegende axialgerichtete Leiter L diese Einzellichtbögen getrennt beschleunigen kann. Eine zusätzliche Beschleunigung nach dem Zusammenschluß der drei Strahlen zu einem Strahl kreisrunden,Querschnitts durch Hallkräfte, die durch das Magnetfeld einer elektrischen Spule um das Triebwerk verursacht werden, ist durchaus möglich, da letzteres Magnetfeld innerhalb der drei Strahlen nur eine Ladungstrennung und keine Drehung der Strahlen hervorruft.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Lichtbogen-Rückstoßantrieb mit eigen- und fremdmagnetischer Beschleunigung des Lichtbogenplasmas, bestehend aus einer stabförmigen Kathode, einer diese umgebenden, einseitig offenen Anode, die eine axialsymm rische Lichtz bogenkammer einschließt, in welche das Treibgas axial von der Kathode her einströmt, und aus ein Fremdmagnetfeld erzeugenden Mitteln außerhalb der Lichtbogenkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Lichtbogenkammer endende Kathodenspitze eines hohlen Kathodenstabes Bohrungen aufweist, durch die das Treibgas mit einer radialen Richtungskornponente in die Lichtbogenkammer einströmt, und daß zur Erzeugung eines azimutalgerichteten Fremdmagnetfeldes axialgerichtete, stromdurchflossene elektrische Leiter vorgesehen sind.
2. 2. Rückstoßantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenspitze drei symmetrisch zur Spitze verteilte Öffnungen aufweist und drei Leiter vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Bull. des schweiz. elektrotechn. Vereins, Bd. 56, 1965, Nr. 23, S. 1025.