DE2458368A1

DE2458368A1 - Vorratsbehaelter fuer zwei fluida

Info

Publication number: DE2458368A1
Application number: DE19742458368
Authority: DE
Inventors: Jun Ralph Jones Lake
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-12-12
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1975-06-19
Also published as: US3923188A; CA1017153A; FR2254494B1; DE2458368C3; GB1487769A; JPS5091023A; DE2458368B2; JPS5416612B2; FR2254494A1

Description

7745-74/Kö/S
RCA 63,741
US-SF 426,667
Convention Date:
December 12, 1973

RCA Corporation, New York, IT,Y., V.St.A.

Vorratsbehälter für zwei Eluida

Die Erfindung betrifft einen Vorratsbehälter für zwei Fluida mit einem Tank, dessen Inneres durch eine Trennwand in ein erstes und ein zweites Abteil unterteilt ist, wobei eines der beiden Fluida aus dem zweiten Abteil über eine Auslaßöffnung ablaßbar ist. Der Vorratsbehälter ist insbesondere für Treibmittel von Satelliten-Triebwerken geeignet.

Beim Raumflug eines künstlichen Satelliten in einem Orbit muß darauf geachtet werden, daß der Satellit oder Raumflugkörper seine Raumlage relativ zu einem gegebenen Bezugspunkt im Raum beibehält. Um diese Raumlage zu verändern oder beizubehalten, sieht man Hilfsantriebssysteme oder -triebwerke vor, die Schubkräfte in der Größenordnung von 2,3 kg (5 pounds) oder weniger entwickeln.

Bei derartigen Hilfsantriebssystemen muß für eine verläßlich gleichmäßige, wirksame und genau gesteuerte Ausstoßung des Treibmittels aus einem Vorratstank und Förderung zu den Schubtriebwerken gesorgt werden. Wird ein flüssiges Treibmittel wie Hydrazin verwendet, so müssen Maßnahmen getroffen werden, um die Einmischung von Druckgas wie Stick-

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stoff in das ausgestoßene flüssige Treibmittel zu verhindern. Wird Gas in das flüssige Treibmittel eingemischt und zusammen mit diesem ausgestoßen, so hat dies zur Folge, daß die Triebwerke unregelmäßige und unangemessene Schubwirkungen erzeugen. Um die schädlichen Auswirkungen der Vermischung des Stockstoff-Inertgasdruckmittels mit dem Hydrazin-Treibmittel zu vermeiden, muß über dem Auslaß des Treibmitteltankes ständig ein Vorrat an gasfreiem Flüssigtreibmittel für die Förderung an die Triebwerke bereitstehen.

Das Problem der Bereitstellung von gasfreiem Flüssigtreibmittel wird besonders akut in der Endphase der Entleerung, wenn nur noch eine verhältnismäßig kleine Menge an Treibflüssigkeit im Tank verbleibt, während der Innenraum des Tanks zum größten Teil vom inerten Druckgas eingenommen wird.

Die derzeit verfügbaren Treibstoffvorratssysteme lassen sich allgemein in solche passiver und solche aktiver Art einteilen. Die aktiven Systeme, z.B. solche mit elastometrischen Blasen, metallischen Membranen, Druckdosen und Kolben, sind häufig kompliziert im Aufbau, beschränkt in der Lebensdauer, schwer im Gewicht und mit Schwierigkeiten hinsichtlich der Ausgabe des Treibstoffes in der Endphase der Entleerung behaftet. Passive Systeme, wie sie beispielsweise in der Patentanmeldung (EOA 65 393) der gleichen Anmelderin beschrieben sind, beruhen darauf, daß der flüssige Treibstoff mit Hilfe von Druckgas aus dem Vorratsbehälter oder Tank ausgeblasen wird. Zur Bereitstellung eines gasfreien Flüssigtreibstoffes ist häufig die Verwendung von ansich unerwünschten Trennmembranen erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein passives Vorratssystem für die laufende Bereitstellung eines Vorrats eines gewünschten von zwei Fluida zu schaffen, das die Nachteile der derzeit bekannten Systeme behebt.

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Ein Vorratsbehälter der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das eine Fluid eine Flüssigkeit ist, deren Vorzugsnetzkraft größer als die des anderen Fluids ist; und daß zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen den beiden Abteilen eine aus dem ersten Abteil durch die Trennwand in das zweite Abteil verlaufende Rohranordnung vorgesehen ist, die eine den kapillaren Durchtritt von Flüsigkeit ermöglichende poröse Seitenwandfläche aufweist, die gegen die Innenwand des Tanks gewandt und in einem solchen Abstand von dieser angeordnet ist, daß sich ein kapillares Flüssigkeitsband ausbilden kann.

Dadurch wird erreicht, daß das gewünschte Fluid nach Bedarf oder auf Anforderung so lange ausgegeben werden kann, bis der Vorrat im wesentlichen erschöpft ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine teilweise im Schnitt wiedergegebene Darstellung eines kugelförmigen Vorratstanks in erfindungsgemäßer Ausbildung;

Figur 2 eine Seitenschnittdarsteilung des Vorratstanks nach Figur 1;

Figur 3 eine von oben gesehene Schnittdarstellung des Vorratstanks nach Figur 2, gesehen in der Schnittebene 3-3 in Figur 2, mit Veranschaulichung der Form der Flüssigkeitsbänder;

Figur 4 eine im Schnitt wiedergegebene Stirnansicht eines Stückes eines der Förderrohre;

Figur 5 und 6 fragmentarische Darstellungen der Förderrohranordnung in verschiedenen Betriebsarten;

Figur 7 eine sdiematische Darstellung der Anordnung in Betriebslage;

Figur 8 eine schematische Darstellung, die den Flüssig-

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keitsfluß veranschaulicht; und

Figur 9 einen Schnitt in der Schnittebene 9-9 in Figur

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip der Kapillarität von Flüssigkeiten. Wenn eine benetzende Flüssigkeit in Berührung mit einem benetzbaren foraminösen oder porösen Material, beispielsweise einem geeigneten Sieb, steht, so bewirken die Kapillarkräfte, daß große Oberflächenbereiche von der Flüssigkeit benetzt werden, obwohl das Sieb nur teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Zwischen der benetzenden Flüssigkeit und einem Druckgas oder Gasdruckmittel besteht wegen der Kapillarwirkung eine meniskusförmig gekrümmte Grenzfläche in jeder nicht-eingetauchten Pore eines solchen porösen Materials. Aufgrund der Oberflächenspannung und der Adhäsion zwischen der Flüssigkeit und dem porösen Material hat eine solche Grenz- oder Trennfläche eine ausreichende Stärke oder Festigkeit, um einem Druckunterschied standzuhalten, der andernfalls groß genug wäre, um zu bewirken, daß das Druckgas durch die Poren hindurchtritt oder -strömt. Dieses an den öffnungen oder Poren des Siebes sich einstellende Druckgefälle ist der Schwellendruck des Druckgases, der für das Durchdringen einer solchen Flüssigtrennschicht nötig ist. Die Größe des Druckes ist der Größe der Öffnungen oder Poren des Maschenwerkes des foraminösen Materials umgekehrt proportional.

Bekanntlich beruht die Entstehung der kapillaren Trennfläche in den Poren eines benetzten Siebes auf den zwischenmolekularen Kohäsionskräften, die an der diskreten Grenze zwischen zwei unmischbaren Substanzen oder zwei Phasen der gleichen Substanz auftreten. Die Oberflächenspannung zweier zwischenmolekularer Fluida, z.B. eines Gases und einer Flüssig keit, wirkt wie eine dünne elastische Membrane von im wesentlichen gleichmäßiger Spannung an der Oberfläche des Fluids mit den größten molekularen Kohäsionskräften, d.h. der Flüssig keit im Falle eines Flüssig-Gas-Systems.

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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei Anwendung unter den Kraftbedingungen eines schwachen oder Null-Gravitationsfeldes, sieht einen sphärischen oder kugelförmigen Vorratstank 10 (Figur 1) vor, der zwei Fluida, nämlich ein inertes Druckgas wie Stickstoff und einen flüssigen Treibstoff wie Hydrazin, enthält. Der Umgebungszustand gILt dann als schwaches oder Null-Gravitationsfeld, wenn die Statik oder Dynamik eines Systems relativ zum sich bewegenden Fahrzeug so behandelt werden kann, als handelte es sich tatsächlich um ein schwaches Beschleunigungsfeld, wie es beispielsweise bei einem in einem Orbit umlaufenden Raumfahrzeug auftritt.

Die Erfindung ist jedoch in ihrer Anwendung nicht auf eine solche Umgebung mit schwachem oder fehlendem Gravitations feld beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung unter beliebigen Beschleunigungsbedingungen anwendbar, vorausgesetzt, daß die verwendeten Fluida entsprechende relative Dichten haben. Bei der bevorzugten Ausführungsform, beispielsweise im Falle eines in einem Orbit umlaufenden Raumfahrzeuges, wird durch dessen System mit niedrigem oder Nullwert von g die Auswirkung des unterschiedlichen Gewichtes (der unterschiedlichen Dichte) des Gases und der Flüssigkeit beseitigt. Bei fehlendem Effekt des Faktors des unterschiedlichen Gewichts der beiden Fluida unter Verhältnissen niedriger Gravität oder bei Kompensation des Gravitätseffektes durch Wahl entsprechender relativer Dichten der Fluida wird die Oberflächenspannung an der Grenzfläche der Fluida die vorherrschende Kraft, welche die beiden Fluida orientiert und ihre Vermischung verhindert. Erfindungsgemäß bewirkt, wenn die Fluida im Vorratstank richtig orientiert sind, der Druck des Gases, daß die Flüssigkeit (das Treibmittel) aus dem Tank (10) zwecks Weiterleitung an eine Verbrauchervorrichtung, beispielsweise die Schubtriebwerke des Hilfsantriebssystems eines Raumfahrzeuges, ausgeblasen oder ausgestoßen wird.

Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Vorratstank 10 in Form eines Hohlkugelkörpers von gleichmäßiger

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Wandstärke mit einer Innenfläche 11 und noch zu beschreibender Inneneinrichtung. Die nachstehende" Beschreibung bezieht sich auf den Vorratstank 10 nach Figur 1, 2 und 3, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugsnummera bezeichnet sind. Der Vorratstank 10 und seine Inneneinrichtung bestehen aus einem geeigneten Werkstoff wie korrosionsbeständigem Stahl, der eine hohe Benetzbarkeit für die verwendeten Flüssigkeiten aufweist. Auf der Oberseite des Tanks 10 befindet sich eine runde Einlaßöffnung 15 zum Einleiten der Fluida in das Innere des Vorratstanks 10. Im unteren Teil des kugelförmigen Tanks 10 befindet sich eine kreisförmige Auslaßöffnung 30 für die bevorzugte Ausblasung oder Austreibunghur eines der beiden Fluida. Die Einlaßöffnung 15 und die Auslaßöffnung 30 können statt kreisförmig auch mit beliebiger anderer Form oder Konstruktion ausgebildet sein. Die Einlaßöffnung 15 und die Auslaßöffnung 30 sind zweckmäßigerweise diametral entsprechend dem gewünschten Ausfluß der Flüssigkeiten angeordnet.

Die Inneneinrichtung ist allgemein so getroffen, daß das Innere des Tanks 10 in drei getrennte Abteile unterteilt wird; ein Einlaßabteil 24, ein Innenabteil 26 und ein Auslaßabteil 28. Das Einlaßabteil 24 ist von sowohl dem Innenabteil 26 als auch dem Auslaßabteil 28 durch eine vorzugsweise massive Trenn platte 25, zweckmäßigerweise eine runde Platte oder Scheibe, getrennt, die wie die anderen Bauteile aus einem Werkstoff, beispielsweise korrosionsbeständigem Stahl, besteht, der eine hohe Benetzbarkeit aufweist und von den im Hohlkugelkörper enthaltenen Fluida nicht durchdrungen werden kann. Die Trennplatte 25 kann stattdessen aber auch porös ausgebildet sein. Die Trennplatte 25 ist an der Innenfläche 11 des Vorratstanks 10 befestigt, so daß Flüssigkeit zwischen dem Einlaßabteil 24 und entweder dem Auslaßabteil 28 oder dem Innenabteil 26 gehalten wird, wobei das Nachfüllen oder die Ergänzung von Flüssigkeit durch Öffnungen in Förderrohren 14 und 16 erfolgt. Die Trennplatte 25 ist so dick, daß sie sich starr an der Wandung des Vorratstanks 10 abstützt, jedoch nicht so dick,

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daß sie das Gesamtgewicht des Tanks 10 übermäßig vergrößert. Bei der oben beschriebenen Anordnung steht die Einlaßöffnung 15 in Verbindung mit dem Einlaßabteil 24. Ebenso steht die Auslaßöffnung 30 in direkter Verbindung mit dem Auslaßabteil 28 sowie über eine foraminöse oder poröse Siebschale 27 in Verbindung mit dem Innenabteil 26.

Die beiden Förderrohre 14 und 16 sind gebogene Rohre von irgendeiner geeigneten, vorzugsweise jedoch rechteckigen Querschnittsform, die dicht bei der Innenfläche 11 des Tanks 10 angeordnet sind und von der Einlaßöffnung 15 entlang der Innenfläche 11 des Tanks 10 bis zur Trennplatte 25 verlaufen, und zwar in einem gleichmäßigen Spaltabstand L (dargestellt in Figur 6) von der Innenfläche 11.

Die Trennplatte 25 weist zwei Öffnungen auf, durch die hindurch jedes der beiden Förderrohre 14 und 16 eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Einlaßabteil 24 und dem Innenabteil 26 herstellt. Das Innenabteil 26 und das Außenabteil sind durch die Siebschale 27 aus porösem Material begrenzt und voneinander getrennt. Die Siebschale 27 hat die Form einer Kugelkappe, die zur Abstützung zweckmäßigerweise an der Trennplatte 25 befestigt ist. Das poröse Material kann ein Siebgeflecht von verhältnismäßig hoher Feinheit sein, beispielsweise mit Loch- oder Porendurchmesser von 30 run und aus einem geeigneten Material, das eine gute Dochtwirkung aufweist. Die Siebschale 27 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß der Zwischen raum zwischen ihr und der Innenfläche 11 im wesentlichen gleichförmig ist.

Die G-rößenabmessungen der drei Abteile (24, 26, 28) richten sich nach den Erfordernissen der jeweiligen Raumflugmission. Die Förderrohre (14 und 16), die vom Tankeinlaß 15 zur Trennplatte 25 führen, stellen eine Treibstoffverbindung vom Hauptbehälterraum des Tankes zum Zweitabteil 26 unter der Trennplatte her. Das Zweitabteil 26 verhindert als Gasabfangraum,

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daß sich ansammelndes Gas in das Auslaßabteil 28 eintreten kann, und es stellt außerdem eine redundante Betriebsweise sicher, wie noch beschrieben wird. Das dritte Abteil 28 ist mit Flüssigkeit (Treibstoff) gefüllt und wird als letztes entleert. Wenn alle Flüssigkeit mit Ausnahme der im Auslaßabtei], ausgeblasen oder ausgetrieben ist, tritt aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung Gas durch die Perforationen, und die Ausblasung ist vollständig.

Die Pörderrohre 14 und 16 sind, wie oben beschrieben, vorzugsweise rechteckig im Querschnitt, und ihre gegen die Innenwand 11 gewandten Oberflächen (18, 19) bestehen aus einem foraminösen oder porösen Material von hoher Benetzbarkeit, beispielsweise aus sogenanntem Dutch-Twill-Gewebe, einem Sieb oder Geflecht aus verwobenen Litzen aus 165 X 800 korrosionsbeständigem Stahl.

Die dicht bei der Innenwand 11 befindlichen Siebflächen 18 und 19 der Förderrohre 14 und 16 sorgen für eine gute Flüssigkeitsverbindung während der Endphase der Flüssigkeitsentleerung. Das obere Ende jedes der Förderrohre 14 und 16 endet in je einem Sieb oder Lochplattenpaar 20 bzw. 21, und die beiden Enden sind durch ein Bauteil 31 an der Einlaßöffnung 15 zusammengefügt.

Jedes der Plattenpaare 20 und 21 besteht aus zwei Lochplatten, zweckmäßigerweise mit Löchern von 0,127 mm (0,005 Zoll) Durchmesser, die durch einen Kapillarspalt von 0,51 mm (0,02 Zoll) getrennt sind. Die Einströmdüse 23 nimmt die Plattenpaarenden 20 und 21 der Förderrohre 14 und 16 auf, so daß diese mit einem erheblichen Zwischenraum oder Trennspalt zwischen den Rohrenden gehaltert werden, wobei dieser Trennspalt in seinen Abmessungen nicht auf Kapillarwirkung abgestellt ist, wie es beim Trennspalt zwischen den beiden Platten der einzelnen Plattenpaare der Fall ist.

Die unteren Enden der Rohre 14 und 16 sind offen und an

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der Trennplatte 25 befestigt, wie bereits beschrieben.

Die Trennplatte 25, welche die Kammer 24 von den Kammern 26 und 28 trennt, ist, wie bereits erwähnt, vorzugsweise massiv ausgebildet, mit Ausnahme der die Enden der Förderrohre 14 und 16 aufnehmenden Öffnungen. Die Trennplatte 25 kann auch aus einem geeigneten Material mit Poren oder Siebdurchlässigkeit oder gänzlich aus Siebmaterial bestehen. Die Porenweite einer solchen durchlässigen oder porösen Wandung ist kleiner als die Porenweite der Enden der Rohre 14 und 16 sowie der Seitenwandteile 19. Die jeweils zu wählende Porenweite oder Lochgröße hängt vom Kapillarprinzip ab, wie noch beschriebenlwird. Die Anbringung einer Sieb- oder porösen Wand (18, 19) auf mindestens einer Seite der Rechteckkanäle der Förderrohre 14 und hat den Zweck, ein vorzeitiges Eindringen von Gas in die die Flüssigkeitsverbindung zwischen den Abteilen oder Kammern 24 und 26 herstellenden Förderrohre 14 und 16 zu verhindern, dagegen das Einströmen von Flüssigkeit in die perforierte Seitenwand des Kanalrohres zu ermöglichen. Figur 4 zeigt eine Stirnansiclrüäes Förderrohres 16 mit Lochplatten 2Ta und 21b und der porösen oder Siebwand 19. Wie bereits erwähnt, erzeugen die benetzten Siebe 18 und 19 sowie die Lochplattenpaare 20a, 20b und 21a, 21b eine meniskusförmige G-renzflache zwischen der benetzenden Flüssigkeit und dem Druckgas, die infolge der Oberflächenspannung und der Adhäsionskraft ausreichend fest ist, um einem gewissen Gasdruck standzuhalten, ohne daß Gas durch die Löcher der Lochplattenpaare 20 und 21 oder durch die porösen Wandungen 18 und 19 hindurchströmen kann. Diese Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche bleibt solange erhalten, bis im wesentlichen die gesamte die Außenseite der Förderrohre 14 und 16 berührende Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 ausgeblasen ist.

Sobald im wesentlichen die gesamte mit den Förderrohren 14 und 16 in Berührung stehende Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 entleert ist, sollten die stirnseitigen Lochplatten-

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paare 20 und 21 als erstes das Gas einlassen, bevor Gas durch die porösen Wandflächen 18 und 19 einströmen kann, so daß im wesentlichen die gesamte in den Förderrohren 14 und 16 enthaltene Flüssigkeit entleert wird. Dadurch, daß das Gas zuerst bei den Stirnplattenpaaren 20 und 21 Einlaß findet, wird verhindert, daß infolge Einströmung durch die porösen Wände und 19 Gasblasen in der Flüssigkeit innerhalb eines oder beider Förderrohre 14 und 16 entstehen und dadurch einTeil des Flüssig keitsverbindungsweges zur Innenkammer 26 abgetrennt oder unterbrochen wird. Wenn eine solche Trennung der Flüssigkeit innerhalb des Förderrohres 14 oder 16 erfolgt, so kann es geschehen, daß der abgetrennte Flüssigkeitsteil nicht aus d m Vorratstank 10 abgelassen wird.

Um sicherzustellen, daß das Gas durch die Lochplattenpaare 20 und 21 eher einströmt als durch die porösen Seitenwände 18 und 19 der Förderrohre 14 und 16, macht man die Poren oder Öffnungen der Lochplatten 20 und 21 größer als die öffnungen der porösen oder Siebwände 18 und 19 der Förderrohre, wie in Figur 4 gezeigt.

Figur 5 zeigt die Orientierung des verbliebenen Rests des Flüssigtreibstoffes bei Nullbeschleunigung, wobei der Treibstoff nach wie vor mit konstanter Förderrate angeliefert wird. Dagegen wird während SchubIntervallen das restliche Flüssigkeitsvolumen umorientiert, und es bildet sich, entfernt von der Hauptmenge der Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsband von der in Figur 6 gezeigten Hohlkehlenform aus. Aufgrund dieses Flüssigkeitsbandes kann nach wie vor Flüssigtreibstoff durch die Siebwand 19 des Förderrohres 16 hindurch in die Kammer und anschließend in die Kammer 28 fließen. Bei der Bestimmung der Öffnungs- oder Maschenweite der Siebwände 18 und 19 relativ zur Öffnungsweite der Lochplattenpaare 20 und 21 muß das kapillare Festhaltevermögen für verschiedene foraminöse oder poröse Materialien berücksichtigt werden. Richtlinien

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über das statische und das dynamische Pesthaltevermögen verschiedener Siebe und Lochplatten findet man in den Veröffentlichungen "Design Guide for Surface Tension Positive Expulsion Tankage" von O.A. Armontraont, Bell Aerosystems, 1968, und "Research Task 631" von Martin Marietta Corporation, 1969.

Weiter müssen, um eine vollständige Entleerung der Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 sicherzustellen, Überlegungen hinsichtlich der Abmessung L, d.h. des Abstandes der Förderrohre 14 und 16 von der Innenwand 11 des Vorratstanks getroffen werden. Die Abmessung L ist ein Systemparameter, dessen Wert von den maximal zu erwartenden Beschleunigungskräften, denen das System ausgesetzt ist, abhängt, wie nachstehend erläutert wird.

Der Spalt L zwischen den Förderrohren 14, 16 und der Innenwand 11 des Vorratstanks 10 soll als Kapillarspeicher dienen, so daß der letzte verbliebene Flüssigkeitsrest in der Einlaßkammer 24 den Spaltraum (L) ausfüllt und dadurch diese Restflüssigkeit in Berührung mit den Siebwänden 18, 19 der Förderrohre 14, 16 bleibt, um durch die Förderrohre 14, 16 in die Innenkammer 26 abgelassen zu werden.

Der in der Einlaßkammer 24 verbliebene Flüssigkeitsrest ordnet sich, unter Bedingungen schwacher oder Nullbeschleunigung, so an, daß die Flüssigkeit mit der kleinstmöglichen Oberflächenausdehnung dem Gas ausgesetzt ist. Eine eingehende Erläuterung der Prinzipien des dynamischen Verhaltens von Flüssigkeiten findet sich in der Veröffentlichung der National Aeronautics and Space Administration (NASA): "The Dynamic Behavior of Liquids in Moving Containers" von H. Norman Abranson, insbesondere Kapitel 11. Wie in dieser NASA-Veröffentlichung angegeben, gibt es eine dimensionslose Zahl, die sogenannte "Bond Number" oder Bond-Zahl B , die ein Maß für die auf eine Flüssigkeit einwirkenden Kräfte ist. Und zwar ist die Bond-Zahl ein Maß für die relativen Größen der Gravitations- und Kapillarkräfte und stellt den maßgeblichen Kenn-

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wert für die τοη der Kapillarkraft beherrschte und die von der Gravitationskraft beherrschte Hydrostatik dar.

Pur Bond-Zahlen B₀, die wesentlich kleiner als 1 sind, herrschen die Kapillarkräfte vor, so daß die Flüssigkeit sich in den durch den Spalt L gebildeten Speicherraum einstellt und Flüssigkeitsbänder (32-38) zwischen den Seiten der Förderrohre 14, 16 und der Innenwand 11 des Vorratstanks 10 bildet, wie in der Schnittdarstellung nach Figur 3 durch die Einkehlungen oder Einbuchtungen 32, 34, 36 und 38 angedeutet.

Die Flüssigkeitsbänder 32-38 bleiben unter Sicherstellung der ständigen Verfügbarkeit der Flüssigkeit an den Siebwänden 18, 19 der Förderrohre 14, 16 dadurch erhalten, daß man den Spalt L für eine Bond-Zahl von kleiner als 1 bemißt.

Für den ungünstigsten Fall einer Beschleunigung von 0,02 g kann eine Spaltbreite L zwischen Rohr und Wand von 3,2mm (0,126 Zoll) verwendet werden. Bei Einhaltung eines Sicherheitsspielraums von ungefähr 25 i° kann der Abstand zwischen Eohr und Wand ungefähr 2,54 mm (0,10 Zoll) betragen.

Im Betrieb werden in den Tank durch die Einlaßöffnung zwei Fluida eingefüllt, und zwar zweckmäßigerweise gasförmiger Stickstoff als Druckmittel, vorzugsweise mit einem Druck von 28 kg/cm (400 psi), und eine Flüssigkeit wie Hydrazin als Treibstoff für das Hilfsantriebssystem.

Als Flüssigtreibstoff sollte ein solcher verwendet werden, der bei Berührung mit der Innenwand 11 des Vorratstanks 10, den Förderrohren 14 und 16, der Trennplatte 25 und der Siebschale 27 eine hohe Benetzbarkeit aufweist. Bekanntlich hängt der Grad der Benetzbarkeit einer gegebenen Flüssigkeit auf einer gegebenen Feststoffläche vom Flüssig-Feöt-Berührungswinkel Θ, dem Winkel, den die Oberfläche der Flüssigkeit mit der Oberfläche des Feststoffes bildet oder einschließt, ab. Die meisten üblichen Treibstoffe benetzen die Oberfläche von Metalltanks mit einem Berührungswinkel von nahe 0° (d.h.

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β <<<90).

Der Einfüllzyklus bei der bevorzugten Ausführungsform beginnt mit der vollständigen Entleerung des Vorratstanks 10 (Z.B. von Gas und Flüssigkeit) mittels einer Vakuumvorrichtung (nicht gezeigt). Sodann wird eine, vorbestimmte Menge an flüssigem Hydrazin in den Vorratstank 10 eingefüllt. Wenn das Einfüllen unter Schwerkraftbedingungen erfolgt, ordnet man den Vorratstank 10 so an, daß sich die Auslaßöffnung 30 an der tiefsten Stelle befindet, so daß die Auslaßkammer 28, die Innenkammer 26 und mindestens ein Teil der Einlaßkammer 24 mit flüssigem Hydrazin gefüllt werden. Da das Innere des Tanks 10 vor dem Einfüllen der Flüssigkeit unter Vakuum stand, ist die Möglichkeit, daß Gas in der Flüssigkeit, und zwar in der Innen kammer 26 und der Auslaßkammer 28, eingefangen wird, weitgehend beseitigt. Der Einfüllzyklus wird dadurch beendet, daß durch die Einlaßöffnung 15 das Druckgas eingelassen wird.

Wenn der Vorratstank, beispielsweise beim Starten und Einschießen in eine Umlaufbahn, aus einer G-ravitationsumgebung in eine Umgebung mit schwacher oder Nullbeschleunigung gebracht wird, so orientiert sich die Flüssigkeit in der Einlaßkammer 24 in eine Lage um, in der sie eine Form annimmt, die als "Form mit minimaler freier Oberflächenenergie" bezeichnet werden kann. Bei Nullgravitation oder Nullbeschleunigung ist es die Oberflächenspannungskraft der Flüssigkeit, die so auf das Flüssigkeitsvolumen einwirkt, daß dieses die erwähnte Form annimmt. Die Flüssigkeit orientiert sich im Tank so, daß sie innerhalb eines gegebenen Teils der Kammer diejenige Lage und Form annimmt, welche die kleinstmögliche Größe oder Ausdehnung der Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit hervorruft. Wenn beispielsweise die Einlaßkammer 24 kugelförmig wäre und keine Inneneinrichtung wie die Förderrohre 14 und 16 aufwiese, so würde die Flüssigkeit sich so anordnen, daß eine kugelförmige Gasblase entsteht, indem die Kugelform der Gasglase diejenige Form darstellt, bei der die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas, bei gegebenem Volumen, ihre

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minimale Größe hat. Beim Ümgebungswechsel von Gravitations- oder hoher Beschleunigungskraft auf Null- oder niedrige Beschleunigungskraft steigt die Flüssigkeit in den Förderrohren H und 16 schnelLer auf als die Hauptmasse des Flüssigtreibstoffs in der Einlaßkammer 24 entlang den Seiten der Innenwand 11. Dadurch wird das Gas in den Förderrohren 14 und 16 durch die stirnseitigen Plattenpaare 20 und 21 ausgetrieben, so daß die Förderrohre H und 16 vollständig mit Flüssigkeit gefüllt werden. Die Gründe dafür ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung. Wie bereits erwähnt, muß bei Verwendung des Tanks im Antriebssystem eines Raumfahrzeuges der Treibstoff auf Verlangen an der Auslaßöffnung 30 unabhängig von der räumlichen Orientierung und unabhängig vom Volumen der im Tank verbliebenen Flüssigkeit verfügbar sein. Eine Beschreibung der verschiedenen Stadien der Austreibung oder Ausblasung der Flüssigkeit aus dem Vorratstank 10 unter Berücksichtigung der Auswirkungen der sich ändernden Mengenverhältnisse zwischen Gas und Flüssigkeit macht die Vorteile der Erfindung deutlich. Der in Abteile oder Kammern unterteilte Aufbau ist so eingerichtet, daß eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den Kammern besteht und durch die Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit und den Oberflächen im erfindungsgemäßen Vorratstank eine hochwirksame Austreibung der Flüssigkeit erfolgt.

Am Beginn der Flüssigkeitsentnahme bei niedriger oder Nullgravität sind die Auslaßkammer 28, die Innenkammer 26 und die Förderrohre 14 und 16 vollständig mit Flüssigkeit gefüllt, wie bereits erwähnt. Wegen der Kapillarsperre in den Poren oder Öffnungen des Siebes und dem Zwischenraum der Plattenpaare hat kein Gas durch die Siebwände 18 und 19 oder die stirnseitigen Lochplattenpaare 20 und 21 der Förderrohre 14 und 16 einströmen können.

In dem Maße wie auf Anforderung Flüssigkeit durch die Auslaßöffnung 30 entnommen wird, fließt Flüssigkeit zum Ersatz für diese entnommene Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 über

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die Förderrohre 14 und 16 in die Innenkammer 26 und von dort durch die Siebschale 27 in die Auslaßkammer 28.

Bei der Entnahme von Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 verändert sich die Form der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche aufgrund des sich ausdehnenden Gasvolumens über den Oberflächen der Anordnung innerhalb der Einlaßkammer 24 (d.h. Innenwand 11 des Tanks 10, Trennplatte 25 und Förderrohre 14 und 16), was sich so auswirkt, als wäre die Grenzfläche eine dünne, sich ausdehnende Membrane von gleichmäßiger Spannung zwischen Flüssigkeit und Gas.

Wenn das Flüssigkeitsmanko (der gasförmige Anteil) in der Einlaßkammer 24 den Leerraum des offenen Innenteils, der durch den ^nnenradius der Förderrohre 14 und 16 gebildet wird, übersteigt, so benetzt die Flüssigkeit aufgrund ihrer hochgradigen Benetzbarkeit die Innenwand 11 des Tanks 10, die Oberseite der Trennplatte 25 und die Oberflächen der Förderrohre 14 und 16.

Die Flüssigkeit in ihrem Bestreben, sich so zu orientieren, daß sie&ie Form oder Konfiguration der minimalen Oberflächenenergie annimmt, füllt den Spaltraum zwischen den Förderrohren und der Innenwand des Tanks unter Bildung von Flüssigkeitsbändern mit Kehlen oder Einbuchtungen (32, 34, 36, 38) zwischen den Seitenwänden der Förderrohre 14 und 16 und der Innenwand 11 aus, wie in Figur 3 in der Schnittebene 3-3 des Tanks 10 gezeigt. Wie bereits erwähnt, nehmen die Flüssigkeitsbänder diejenige Form an, welche die minimale Grenzflächenausdehnung zwischen Gas und Flüssigkeit hervorruft. Aufgrund ihrer Oberflächenspannung ist die Flüssigkeit bestrebt, sich auf diejenigen Bereiche des Tanks zu orientieren, die das größte Volumen an Flüssigkeit für die kleinste Flächenausdehnung der Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit enthält. Dies bedeutet, daß bei Entnahme von mehr Flüssigkeit aus der Einlaßkammer die in der Einlaßkammer 24 zurückbleibende Flüssigkeit den Spalt zwischen den Förderrohren 14 und 16 und der Innenwand 11 ausfüllt, bis auch diese Restflüssigkeit

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(d.h. die kleine Flüssigkeitsmenge zwischen den Förderrohren und der Tankwand) in die Förderrohre eingepreßt wird. Somit ändert sich in dem Maße, wie die Flüssigkeit entleert wird, die Form der Flüssigkeitsbänder bei den Förderrohren 14 und von der Form nach Figur 5 in die nach Figur 6.

Solange Flüssigkeit in Berührung mit den Siebwänden 18 und 19 der Förderrohre 14 und 16 steht, wird während der Entnahme von Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 im wesentlichen kein Gas in die Förderrohre 14 und 16 eingelassen. Wenn die Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 im wesentlichen bis auf die in den Förderrohren 14 und 16 verbliebene Flüssigkeit entleert ist, gelangt das Gas an dieser Stelle in die Förderrohre 14 und 16, bevorzugt durch die Lochplaifcen 20 und 21, bevor ein Gaseintritt durch irgendeinen Teil der Schirmwände 18, 19 erfolgt, wodurch eine wirksame Endaustreibung der gesamten Restflüssigkeit sichergestellt wird. Wie bereits erwähnt, wird der bevorzugte Gaseintritt durch die Lochplatten 20 und 21 statt durch die Siebwände 18 und 19 der Förderrohre dadurch erreicht, daß die Öffnungen der Lochplatten 20 und 21 mit größerem Durchmesser als die Öffnungen der seitlichen Siebwände 18 und 19 ausgebildet sind.

Beim Eintritt des Gases durch die Lochplattenpaare 20 und 21 bildet sich eine stabile kapillare Grenzfläche aus, die bei der Entnahme der Flüssigkeit die Förderrohre H und 16 hinabwandert. Der Gaseintritt erfolgt kontinuierlich, solange die Flüssigkeit aus der Auslafikammer ausgetrieben wird. Wenn die Austreibung zu irgendeinem Zeitpunkt unterbrochen wird, tritt kein Gas mehr ein und fließt keine Flüssigkeit zurück zur Einlaßkammer, da die Siebwände benetzt bleiben und die kapillare Grenzfläche erhalten bleibt.

Sobald die Förderrohre 14 und 16 von sämtlicher Flüssigkeit entleert sind, verüLeibt lediglich in der Innenkammer 26 und in der Auslaßkammer 28 noch Flüssigkeit. Diese beiden

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Kammern sind durch die poröse Siebschale 27 voneinander getrennt, die abschließend noch verhindert, daß Gas in die ausgetriebene Flüssigkeit eingemischt wird. Die somit als Gassperre dienende Siebschale 27 hat konzentrische Form und eine Porengröße, die dem statischen Druckgefälle h, d.h. der maximalen Höhe über den Schalendurchmesser, angemessen ist.

Beim Austreiben der Flüssigkeit durch die Auslaßöffnung 30 bildet sich in der Innenkammer 26 eine die verdrängte Flüssigkeit ersetzende Gasblase. Die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche, indem sie ihre "Form der minimalen freien Oberflächenenergie" annimmt, dehnt sich weiter in weitgehend der gleichen Weise aus, wie es für die Phase der Flüssigkeitsentnahme aus der Einlaßkammer 24 beschrieben wurde. Die kapillare Sperre, die durch das benetzte Sieb erzeugt wird, verhindert den Eintritt von Gas durch die Siebschale 27 in die Auslaßkammer 28, bis im wesentlichen sämtliche Flüssigkeit aus der Innenkammer 26 entleert ist.

Sobald sämtliche Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 und der Innenkammer 26 ausgetrieben ist, beginnt das Gas in die Auslaßkammer 28 einzutreten. Nunmehr könnte Gas in den ausfließenden Flüssigkeitsstrom eindringen, so daß die Austreibung von gasfreier Flüssigkeit im wesentlichen beendet ist. Man bildet daher die Auslaßkammer 28 mit minimalem Volumen aus, um den Wirkungsgrad der Austreibung zu maximalisieren. Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform beträgt der Austreibungswirkungsgrad in der Größenordnung von 98 #.

Figur 7 ist eine schematische Darstellung, die das Tanksystem in einer Betriebslage zeigt, die sich einstellt, wenn ein mit dem Vorratsbehälter ausgerüstetes Raumfahrzeug gestartet wird, wobei hohe g-Belastungen bewirken, daß der Flüssigtreibstoff im Behälter die gezeigte Orientierung annimmt. Der Flüssigtreibstoff befindet sich dabei im Behälter in dem unterhalb der Grenzflächenlinie 50 befindlichen Teil, während das Druckgas sich im Raum über dieser Grenzfläche

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befindet, wie gezeigt. Der Stand oder Pegel des Treibstoffes ist h, wie in der Zeichnung dargestellt. Das Volumen der Kapillarrohre oberhalb der Grenzfläche 50 ist mit dem Druckgas gefüllt. Nach dem Start oder Abschuß ergeben sich Beschleunigungen mit niedrigem g-Wert oder g-Wert O, und die äußeren Siebwände 19 der Kapillarrohre 16 und 14 werden infolge von Dochtwirkung vollständig benetzt. Die Eohre füllen sich ebenfalls infolge von Kapillarwirkung unter Austreibung sämtlichen eingefangenen Grases durch die stirnseitigen Siebe oder Wände 21 und 22.

Figur 9 ist eine Schnittdarstellung in der Schnittebene 9-9, welche die Lagebeziehung der Kapillarrohre 16 zur Innenwand 11 des Behälters veranschaulicht. Figur 8 ist eine schematische Darstellung des Systems, welche die Flüssigkeitsströmung aus den drei inneren Kammern durch den Auslaß 30, angedeutet durch die Pfeile, veranschaulicht. Diese Ausströmung erfolgt kontinuierlich auf Anforderung und dauert an, bis sämtliche Flüssigkeit ausgetrieben ist, bevor irgendein Anteil des gasförmigen Druck- oder Treibmittels mit der Flüssigkeit vermischt oder durch den Auslaß 30 ausgetrieben wird, wie oben beschrieben.

Das Druckgas ordnet sich, wie in Figur 8 gezeigt, in Bandform quer über den Behälter mit im wesentlichen linearen oder planebenen Grenzflächen an. Diese Form ergibt sich im Beschleunigungsbetrieb. Dagegen nimmt bei Beschleunigungen mit niedrigem g-Wert das Druckgas eine unregelmäßige Form, und zwar allgemein die einer Kugel oder an den Polen abgeflachten Kugel an, die es ohne Berührung der Oberflächen des Rohres oder Behälters beibehalten kann.

Die Erfindung ist, wie bereits erwähnt, nicht auf die Anwendung in einem schwachen oder Null-Gravitationsfeld beschränkt. Indem man die Dichten zweier unmischbarer Flüssigkeiten einender anpaßt, erreicht man, daß an der Flüssig-

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keitsgrenzflache die Oberflächenspannung skräfte vorherrschen, wie es unter den Bedingungen der fehlenden Schwere (Gravitation) oder des Weltraums der Pail ist. Bekanntlich nähert sich bei Dichteausgleich der beiden Flüssigkeiten die Bond-Zahl dem Wert Null (B_Q -» 0).

Wenn man also durch entsprechende Wahl der physikalischen Parameter, d.h. dadurch, daß man die relativen Dichten der beiden Flüssigkeiten oder Fluida gleich macht, dafür sorgt, daß die Bond-Zahl (B ) gleich oder nahe Hull wird, so sind die Kapillarkräfte (Oberflächenspannungskräfte) vorherrschend, während die Umgebungskräfte wenig oder gar keinen Einfluß auf die Grenzfläche zwischen den beiden Fluida hat.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird durch Ausgleichen der Dichten zweier unmischbarer Flüssigkeiten innerhalb des Vorratstanks 10 ein Zustand erreicht, der als "neutraler Auftrieb" bezeichnet werden kann. Dieser Zustand hebt die Wirkung der Gravitation an der Flüssigkeitsgrenzfläche auf. Bei Verwendung von Flüssigkeiten oder Fluida gleicher Dichte läßt sich daher die Erfindung unter Bedingungen unterschiedlicher Beschleunigungsfelder anwenden.

Der erfindungsgemäße Vorratsbehälter für ein Zweiphasen-Fluid ermöglicht somit eine im wesentlichen kontinuierliche Austragung des einen der beiden Fluida bis zur Entleerung aus dem Behälter.

Der in Kammern oder Abteile unterteilte Aufbau in Verbindung mit der selektiven Siebung zwischen den Förderrohren und dem Auslaßsieb ergibt eine gasfreie Flüssigkeitsverbindung, über die gasfreie Flüssigkeit auf Anforderung nach der Auslaßöffnung fließen kann. Die Benetzbarkeit oder Benetzungsfähigkeit der gewünschten oder Nutzflüssigkeit, die größer als die Benetzbarkeit der anderen Flüssigkeit ist, hat eine optimale Grenzflächenform zwischen den Flüssigkeiten aufgrund von Kapillarwirkung zur Folge. Bei Anwendung der Erfindung unter

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Verhältnissen mit niedrigem g-Wert oder g-Wert 0, beispielsweise für im Orbit umlaufende Satelliten, ist die auszutragende Flüssigkeit ein Treibstoff wie Hydrazin, während das andere Fluid ein Druckmittel wie Stickstoff ist. Die beiden 3?luida sind unvermischbar, und ihre relativen Dichten sind ohne Einwirkung auf die Grenzfläche.

die Anwendung unter Verhältnissen vorhandener Gravitation ist es erforderlich, daß die Fluida im wesentlichen gleiche Dichten haben, so daß die Schwerewirkung neutralisiert wird. Das gewünschte auszutragende Fluid hat vorzugsweise eine größere Benetzbarkeit als das andere, damit unvermischbare Fluid, das zur Austreibung des auszutragenden oder zu fördernden Fluids dient, und es muß eine bevorzugte Benetzungseigenschaft für den Behälter und die anderen Teile innerhalb des Tanks haben (d.h. die Förderrohre, die Trennplatte, die Siebschale am Auslaß). Es muß also die Förder- oder Nutzflüssigkeit eine relativ bessere Benetzbarkeit für die Oberflächen haben, gegenüber der Benetzbarkeit des anderen Fluids.

Die Erfindung ist zwar hauptsächlich für die Anwendung als Vorratsbehälter eines Treibstoffes für im Orbit umlaufende Raumfahrzeuge oder Satelliten gedacht, eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfalle, wo es gilt, ein gewünschtes von zwei Fluida unter Verhältnissen höherer Beschleunigung (d.h. nicht niedrig oder Null) zu fördern.

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Claims

Patentansprüche

Qy Vorratsbehälter für zwei Fluida mit einem Tank, dessen Inneres durch eine Trennwand in ein erstes und ein zweites Abteil unterteilt ist, wobei eines der beiden Fluida aus dem zweiten Abteil über eine Auslaßöffnung ablaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Fluid (Hydrazin) eine Flüssigkeit ist, deren Vorzugsnetzkraft größer als die des anderen Fluids ist; und daß zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen den beiden Abteilen eine aus dem ersten Abteil (24) durch die Trennwand (25) in das zweite Abteil (26, 28) verlaufende Rohranordnung (14, 16) vorgesehen ist, die eine den kapillaren Durchtritt von Flüssigkeit ermöglichende poröse Seitenwandflache (18, 19) aufweist, die gegen die Innenwand (11) des Tanks (10) gewandt und in einem solchen Abstand (L) von dieser angeordnet ist, daß sich ein kapillares Flüssigkeitsband ausbilden kann.
2. Vorratsbehälter nach Anspruch 1 mit einer mit dem ersten Abteil in Verbindung stehenden Einlaßöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranordnung aus zwei Rohrteilen (16, 18) mit rechteckigem Querschnitt besteht, deren jedes von einem bei der Einlaßöffnung (15) befindlichen Teil des Behälters durch die Trennwand (25) hindurch verläuft, derart, daß ein Fluidweg vom ersten zum zweiten Abteil gebildet wird.
3. Vorratsbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrteile jeweils beabstandete poröse Endwände (20, 21) aufweisen, wobei durch den Zwischenraum zwischen den Endwänden ein kapillarer Spalt gebildet wird, der bei Benetzung mit der Flüssigkeit das Einströmen eines gasförmigen Fluids in die beiden Rohrteile verhindert, und wobei die Öffnungen der porösen Endwände relativ größer sind als die Öffnungen der porösen Seitenwandflachen ' (18, 19) der Rohrteile.

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4. Vorratsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand eine das Innere des Behälters überspannende Massivplatte ist.
5. Vorratsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand eine Platte aus porösem Material ist.
6. Vorratsbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Tank eine zweite Trennvorrichtung (27) angeordnet ist, die das zweite Abteil in ein inneres (26) und ein äußeres Abteil unterteilt und die aus porösem Material besteht, dessen Poren für eine kapillare Docht'saugung der Flüssigkeit zwischen dem inneren und dem äußeren Abteil bemessen sind.
7. Vorratsbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Tank ein Hohlkugelkörper ist und daß die zweite Trennvorrichtung ein Teil einer Kugelfläche aus porösem Material ist, das im Tank in einem solchen Abstand von dessen Innenwand angeordnet ist, daß eine kapillare Strömung der !Flüssigkeit ermöglicht wird.

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