DE19623017C1 - Treibstofftank - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Treibstofftank, insbe­ sondere zur Lagerung aggressiver Flüssigkeiten zum Betrieb von Raumflugkörpern, mit wenigstens einer den Tankinnenraum in einzelne Behälter aufteilenden Trenn­ wand, mit Einlaßeinrichtungen für ein als Fördermedium dienendes Treibgas sowie mit Treibstoffentnahmeeinrich­ tungen, bei denen mittels Sieben und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung eine Separation des Treib­ stoffes vom Treibgas herbeigeführt wird.

Bei Raumflugkörpern, wie Satelliten oder Orbital­ stationen werden, sowohl für die Triebwerke, die der Lageregelung im All dienen, als auch für Triebwerke zur Durchführung des Apogäumsmanövers 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 ge­ fördert werden. Als Treibgase werden üblicherweise Inertgase wie Helium (He) oder Stickstoff (N₂) einge­ setzt, die unter Druck in den Treibstoffbehälter ge­ preßt 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 dienen­ des Treibgas und dem in das Triebwerk gelangenden Treibstoff, da letzterer unbedingt frei von Fremdgas­ einlagerungen sein muß.

Eine solche blasenfreie Treibstofförderung kann bei­ spielsweise dadurch erreicht werden, daß das Treib- oder Fördergas einerseits und der zu fördernde Treib­ stoff andererseits durch eine Kunststoffmembran vonein­ ander getrennt werden. Dies ist allerdings immer dann problematisch, wenn der Treibstoff chemisch aggressive Komponenten enthält, die insbesondere bei Langzeit­ missionen zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Trennmembran führen können. Letzteres gilt insbesondere für Zweikomponententreibstoffe, die aus einer Brenn­ stoffkomponente und einem dem Triebwerk separat zuge­ führten Oxidator bestehen und die sich wegen ihrer ver­ gleichsweise höheren Energiedichte vor allem für Lang­ zeitmissionen eignen.

Da das als Oxidator für diesen Zweck vielfach verwende­ te 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 Werte annehmen kann, zur Trennung der beiden Phasen ausgenutzt wird. Dieser bekannte Treibstofftank, der durch eine Trennwand in zwei Kompartments unterteilt ist, kann sowohl den Treibstoff für das AV-Manöver als auch den Treibstoff für den Betrieb im Orbit, also insbesondere für die Lageregelung, aufnehmen. Er ist selbstverständlich auch geeignet, die beiden Komponenten eines Zweikomponenten­ treibstoffes in getrennten Kompartments aufzunehmen. Der bekannte Treibstofftank weist dabei entweder eine kugelförmige oder zylindrische Gestalt oder aber die Form eines - gegebenenfalls abgeflachten - Rotations­ ellipsoids auf.

Daneben ist aus der US 4,768,541 ein System von Treib­ stofftanks für Anwendungen in der Raumfahrttechnik bekanntgeworden, bei dem mehrere kugelförmige Tanks über gemeinsame Leitungen für ein als Austreibgas dienendes Druckfluid sowie über gemeinsame Entnahme­ leitungen miteinander verbunden sind und bei denen geeignete Mittel eine gleichmäßige Entleerung aller zum System gehörender Tanks gewährleisten sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Treibstofftank der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er bei möglichst geringer Einbauhöhe und Fertigungsaufwand eine Lagerung und störungsfreie Entnahme unterschied­ licher Treibstoffe bzw. Treibstoffkomponenten ermög­ licht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Treib­ stofftank mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patent­ anspruches 1. Der erfindungsgemäße Treibstofftank weist dabei nicht nur den Vorteil auf, daß er bei vorge­ gebenem Verhältnis der Gesamtmasse des Tanks zur mitgeführten Treibstoffmasse einerseits und gegebenem Durchmesser der den Tank aufzunehmenden Stufe anderer­ seits eine sehr geringe Bauhöhe und damit auch ein niedriges Gewicht dieser Stufe ermöglicht, sondern er ist zugleich auch sehr kostengünstig zu fertigen. Zwar ist die Verwendung toroidförmiger Tanks für Raumfahrt­ zwecke bereits aus der DE 33 27 738 A1 bekannt, jedoch handelt es sich bei diesem bekannten Tank weder um einen Oberflächenspannungstank, noch sind Mittel vor­ gesehen, die geeignet wären, bei einer gleichzeitigen Aufnahme unterschiedlicher Treibstoffe bzw. Treibstoff­ komponenten eine gleichmäßige und störungsfreie Ent­ nahme zu gewährleisten. Vorteilhafte Weiterbildungen des Treibstofftanks nach der Erfindung, die in den weiteren Ansprüchen angegeben sind, machen diesen besonders vielseitig einsetzbar.

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

Fig. 1 einen toroidförmigen Treibstofftank in Draufsicht in geschnittener Darstellung,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des oberen Teils der Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß III-III durch die in Fig. 2 dargestellten Anordnung,

Fig. 4 eine vergrößerte Detaildarstellung aus Fig. 3,

Fig. 5 eine vergrößerte Detaildarstellung aus Fig. 2,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine Injektordüse und

Fig. 7 eine Detaildarstellung eines Kapillar­ bleches.

Der in den Figuren dagestellten Treibstofftank ist für die getrennte Aufnahme und Lagerung der beiden Komponenten eines Zweikomponententreibstoffes vor­ gesehen. Bei diesen beiden Komponenten handelt es sich im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels um die Komponente Monomethylhydrazin (MMH) als Brennstoff und um Stickstofftetroxid (N₂O₄ oder MON) als Oxidator. Der Treibstofftank ist zu diesem Zweck durch kugelsegment­ artige Trennwände 1 in insgesamt vier Teilräume 2 bis 5 unterteilt, die bei dem hier gezeigten Ausführungs­ beispiel alle in etwa das gleich Volumen aufweisen. Jeweils sich gegenüberliegende Teilräume oder Kom­ partments 2, 4 bzw. 3, 5 sind mit der gleichen Treib­ stoffkomponente befüllt und sind durch Rohrleitungen 6, 7 bzw. 8, 9 miteinander verbunden, die über je eine Injektordüse 10, 11 an die zum Triebwerk führenden, in der Zeichnung nicht dargestellten, getrennten Leitungen für die beiden Treibstoffkomponenten angeschlossen sind. Der Aufbau einer derartigen Injektordüse ist in Fig. 6 im Detail gezeigt und wird im Zusammenhang mit dieser Figur näher erläutert werden.

In jede der Rohrleitungen 6 bis 9 ist ferner eine Drossel 12 bis 15 eingebaut, die jeweils als einfache Strömungsblende ausgebildet ist. Diese bewirkt, daß der Strömungswiderstand in Auslaßrichtung der einzelnen Kompartments 2 bis 5 geringer als in der Gegenrichtung ist und verhindert, daß Treibstoff statt in Richtung Triebwerk lediglich von einem Kompartment in das gegen­ überliegende strömt, wenn bei weitgehend entleerten Kompartments und aufgrund wirkender Querbeschleunigung bei letzteren das Treibstoffauslaßsystem nicht vom Treibstoff beaufschlagt wird.

Einzelheiten des in den einzelnen Kompartments 2 bis 5 angeordneten Systems zur Treibstoffentnahme und der gleichzeitigen Gasrückhaltung, auch als Propellant Management System bezeichnet, sind in den Fig. 2 bis 5 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 2 noch einmal in ver­ größerter Darstellung den oberen Bereich des in Fig. 1 dargestellten Treibstofftanks, während Fig. 3 einen vertikalen Schnitt gemäß der in Fig. 2 angedeuteten Schnittführung durch diesen enthält.

Wie aus diesen Figuren zu ersehen, sind am Boden jedes der Teilräume oder Kompartments 2 bis 5 Rohrleitungen 16 bis 19 verlegt, an deren Enden sogenannte Adapter 20 bis 23 angeordnet sind. Der genaue Aufbau dieser Adapter ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Danach besteht jeder Adapter - im Fall der Fig. 4 handelt es sich um den Adapter 22, aus einem ringförmigen Gehäuse 24, dessen Ober- und Unterseite jeweils durch ein engmaschiges Sieb 25, 26 abgedeckt ist. Oberhalb des Siebes 25 ist ferner ein an beiden Endseiten offenes Rohr 27 angeordnet. Der Adapter 22 ist über zwei Halte­ rungen 28, 29 am Boden des Kompartments 3 befestigt, während die Halterung des Rohres 27 über drei Stütz­ streben 30 bis 32 erfolgt, die ebenfalls fest am Boden des Kompartments 3 angebracht sind. Aus Fig. 5 ist ferner ersichtlich, daß die Rohrleitungen 16 bis 19, hier dargestellt am Beispiel des Rohres 18, an jeweils zwei Punkten mittels Befestigungselementen 33 am Kompartmentboden gehaltert sind.

Vervollständigt wird die Anordnung durch Kapillarbleche 34 und 35, die entlang der Rohrleitungen 16 bis 19 am Kompartmentboden angebracht sind. Diese Kapillarbleche, deren genaue Form aus Fig. 7 ersichtlich wird, haben die Aufgabe, unter den Bedingungen einer weitgehenden Schwerelosigkeit den Treibstoff zu den Adaptern 20 bis 23 zu fördern, von wo er in die Rohrleitungen 16 bis 19 eintritt und durch diese zu dem bzw. den Triebwerken gelangt. Die Förder- oder Pumpwirkung der Kapillar­ bleche 34, 35 beruht dabei auf einer Änderung des Kapillardruckes entlang dieser Bleche, der durch ihre spezielle Formgebung erzielt wird und der die Ober­ flächenspannung der flüssigen Treibstoffkomponenten ausnutzt.

Der Effekt der Oberflächenspannung bewirkt auch die Trennung der Treibstoffkomponenten vom Treibgas, das zum Zweck der Treibstofförderung zu den Triebwerken über in der Zeichnung nicht dargestellte Gaseinlässe in die einzelnen Kompartments 2 bis 5 gedrückt wird. Infolge der Oberflächenspannung der flüssigen Treib­ stoffkomponenten bilden die engmaschigen Siebe 25, 26, die vom Treibstoff benetzt werden, eine Barriere gegen das Treibgas, so daß nur die blasenfreien Treibstoff­ komponenten in die Rohrleitungen gelangen und infolge des vom Treibgas außerhalb der Adapter 20 bis 23 aufge­ bauten hydrostatischen Drucks in Richtung Triebwerk gefördert werden.

Bei Adaptern, die, insbesondere bei weitgehend entleer­ ten Kompartments und bei auf den Treibstofftank ein­ wirkenden in der Zeichnungsebene der Fig. 1 und 2 verlaufenden Querbeschleunigungen beispielsweise als Folge von Lagekorrekturmanövern, nicht vom flüssigen Treibstoff umgeben sind, verhindert die dennoch er­ halten bleibende Benetzung der Siebe durch den Treib­ stoff, daß Treibgas in das Rohrleitungssystem ein­ dringen kann. Bei Beschleunigungen, die im Sinne eines negativen Mikro g senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1 bzw. 2 wirksam werden, transportieren die oberhalb der Adapter 20 bis 23 angeordneten Rohre 27 den Treibstoff zu den Adaptern.

Über die Rohrleitungen 16 bis 19 gelangen die Treib­ stoffkomponenten in die Rohrleitungen 6 bis 9, die an Durchführungen 36 bis 38 aus den Kompartments 2 bis 5 austreten. Aufgrund der in diese Rohrleitungen 6 bis 9 jeweils eingebauten Drosseln 12 bis 15 ist der Strömungswiderstand in diesen Leitungen richtungsab­ hängig. Die als einfache Strömungsblende ausgebildeten Drosseln 12 bis 15 führen dazu, daß in jeder der Rohrleitungen 6 bis 9 der Strömungswiderstand von den Adaptern 20 bis 23 zu einer der Injektordüsen 10, 11 geringer ist als in der Gegenrichtung. Dadurch wird die bereits erwähnte Sperrwirkung gegenüber einem Treib­ stofffluß vom einem Kompartment zum gegenüberliegenden verhindert und damit eine parallele, gleichmäßige Ent­ leerung dieser Kompartments auch bei von außen ein­ wirkenden Beschleunigungsvektoren erreicht.

Ein ähnlicher Effekt wird auch durch die als Injektor­ düse 10, 11 ausgebildete Verbindung derjenigen Rohr­ leitungen 6, 7 bzw. 8, 9 erreicht, die zu Kompartments 2, 4 bzw. 3, 5 mit gleichen Inhalt gehören. Diese in Fig. 6 im Detail dargestellten Injektordüsen 10, 11, deren Aufbau auch von Strahlpumpen her bekannt ist, erzeugen durch die in ihnen realisierte Querschnitts­ verengung eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des geförderten Treibstoffes und erzeugen dadurch einen Unterdruck im Leitungssystem, wodurch gleichfalls ein Übertreten des Treibstoffes von einem Kompartment in das gegenüberliegende verhindert wird.

Anzumerken ist, daß es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung möglich ist, anstelle der in der Zeichnung dargestellten Aufteilung des Treibstofftanks in insge­ samt vier Kompartments auch eine andere Aufteilung vor­ zusehen. Dabei kann sowohl die Anzahl als auch das Größenverhältnis der Kompartments untereinander variiert werden. Dies ist insbesondere dann vorteil­ haft, wenn Treibstoffe für unterschiedliche Zwecke in einem derartigen Tank mitgeführt werden sollen und darunter sowohl Ein- als auch Mehrkomponententreib­ stoffe sind. In jedem dieser Fälle ist es jedoch empfehlenswert, eine symmetrische Aufteilung in der Weise vorzunehmen, wie sie für den Fall zweier unter­ schiedlicher Treibstoffkomponenten vorangehend ausgeführt ist, um mittels der beschriebenen Systeme von Verbindungsleitungen nach Möglichkeit eine de­ finierte und gleichmäßige Entleerung des Tanks sicher­ zustellen.

Claims (7)

1. Treibstofftank, insbesondere zur Lagerung aggres­ siver Flüssigkeiten zum Betrieb von Raumflug­ körpern, mit wenigstens einer den Tankinnenraum in einzelne Behälter aufteilenden Trennwand, mit Einlaßeinrichtungen für ein als Fördermedium dienendes Treibgas sowie mit Treibstoffentnahme­ einrichtungen, bei denen mittels Sieben und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung eine Separation des Treibstoffes vom Treibgas herbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstofftank in an sich bekannter Weise als Toroid ausgebildet ist, der mittels Trennwänden (1) in einzelne Segmente (2-5) unterteilt ist, wobei jedem der Segmente (2-5) Entnahme- und Verbindungsleitungen (6-9, 16-19) zugeordnet sind, und wobei wenigstens vier Segmente (2-5) vorgesehen sind, die symme­ trisch zu einer durch die Mittelachse des Toroids verlaufenden Ebene angeordnet sind, daß jeweils sich gegenüberliegende Teilräume (2, 4 bzw. 3, 5) mit der gleichen Komponente befüllt und über ein gemeinsames Rohrsystem (6, 7 bzw. 8, 9) miteinander verbunden sind, und daß die Rohrleitungen (6-9) Elemente (10-15) aufweisen, die einen Austausch von Flüssigkeit zwischen den Teilräumen (2-5) ver­ hindern.

2. Treibstofftank nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den Vereinigungspunkten der aus mit gleichen Komponenten befüllten Teilräumen (2, 4 bzw. 3, 5) kommenden Rohrleitungen (6, 7 bzw. 8, 9) jeweils als Strahlpumpen ausgebildete Injektordüsen (10, 11) vorgesehen sind.

3. Treibstofftank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Rohrleitung (6-9) eine Strömungsdrossel (12-15) angeordnet ist.

4. Treibstofftank nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Endpunkten von in den Teilräumen (2-5) verlaufenden Entnahme-Rohr­ leitungen (16-19) jeweils mit engmaschigen Sieben (25, 26) versehene Adapter (20-23) angeordnet sind.

5. Treibstofftank nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Adapter als durch Siebe (25, 26) stirnseitig abgedeckter Zylinder ausgebildet ist.

6. Treibstofftank nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß entlang den Entnahme-Rohr­ leitungen (16-19) die Flüssigkeit zu den Adaptern (20-23) fördernde Kapillarbleche (34, 35) angeordnet sind.

7. Treibstofftank nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Toroid in einzelne Teilräume (2-5) gliedernden Trennwände (1) als Kugelsegmente ausgebildet sind.