Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strombogentriebwerks,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Strombogentriebwerk-Steuerschaltung,

Fig. 3 eine schematische Axialschnittansicht einer ersten Ausführungsform der Triebwerk-Einschnürung und -Düse, bei denen ein nicht-paralleler Übergang von Unterschall zu Überschall-Bereich vorhanden ist, und

Fig. 4 eine schematische Axialschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Triebwerk-Einschnürstelle und der Düse mit einem nicht-parallelen Unterschall/Überschall-Übergang als alternative Ausgestaltung der Düse nach Fig. 3.

Fig. 1 zeigt in teilweise geschnittener schematischer Darstellung ein Strombogentriebwerk 10 mit einer Zuführleitung 12, die mit einer katalytischen Zersetzungskammer 14 über ein Drosselventil 16 in Verbindung steht. Wenn ein Vorschubimpuls angefordert wird, wird durch die Leitung 12 ein Monotreibstoff, beispielsweise Hydrazin (N&sub2;H&sub4;) eingeleitet und über das Drosselventil 16 in die Zersetzungskammer 14 eingeführt. Im Inneren der Kammer 14 wird ein geeigneter Katalysator in üblicher Weise dazu verwendet, das flüssige Hydrazin zu zersetzen in ein Gasgemisch aus N&sub2;, H&sub2; und NH&sub3;. Aufgrund der exothermen Reaktion weist das Gasgemisch eine erhöhte Temperatur von etwa 815°C auf.

Das Strombogentriebwerk 10 besitzt außerdem einen Block 18 mit einem zentralen Kanal 20 im rückwärtigen Abschnitt, durch welchen sich eine Kathode 22 erstreckt, die die Form eines langgestreckten, elektrisch leitenden zylindrischen Stabs aufweist. Die Kathode 22 ist an ihrem hinteren Ende 24 über einen Drehbewegungs-Übertragungsmechanismus 28 mit einem Stellmotor 26 gekoppelt, so daß die Kathode in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung axial bewegt werden kann. Am vorderen Ende besitzt die Kathode 22 eine konische Spitze 30, die sich in das stromaufwärtige Ende einer Bogenbrennkammer 32 erstreckt, welche durch eine Einschnürung oder einen Hals 34 und eine Düsen-Anode 36 im vorderen Abschnitt des Blocks 18 gebildet wird.

Ferner besitzt der Block 18 einen in ihm gebildeten Wärmetauscher 38, der den vorderen Abschnitt der Kathode 22 umschließt, wobei ein Kanal 40 von der Zersetzungskammer 14 durch den Wärmetauscher 38 zu der Bogenbrennkammer 32 führt. Das vorgewärmte Gasgemisch wird von der Zersetzungskammer 14 durch den Kanal 40 zu der Brennkammer 32 geleitet. In der Brennkammer 32, die durch die Einschnürstelle 34 und die Düsen-Anode 36 gebildet wird, wird ein Lichtbogen erzeugt, welcher stabilisiert wird durch den Kräfteausgleich zwischen dynamischem Gasdruck und Plasmadruck in der Einschnürung 34. Der Lichtbogen geht aus von der Spitze 30 der Kathode 22, durchläuft die Einschnürung 34 und gelangt zu der Düsen-Anode 36. Der Lichtbogen-Gas-Energietransfer innerhalb der Brennkammer 32 ist ganz wesentlich, und es werden dort beträchtliche Durchschnittstemperaturen von 3870 bis 4980°C erreicht.

Der Triebwerkblock 18 verwendet eine variable, "schwimmende" Elektrode 42 zum Steuern des radialen elektrischen Feldes und zum Optimieren der Verteilung der Elektronenstromträger im Teil der Einschnürung 34. In der Einschnürung 34 wird ein elektrisch isolierendes Material 44 dazu verwendet, das radiale elektrische Feld zu beseitigen und damit die Stromträger auf den Gasstrom durch die Einschnürstelle zu begrenzen. Beim Zünden des Lichtbogens läßt sich die Lage der Kathode 22 bezüglich der Düsen-Anode 36 durch den Kathodenstellmotor 26 und den Antriebsmechanismus 28 ändern. Die Kathode 22 ist an ihrer Hinterkante 24 mit einem metallischen Balg 36 abgedichtet, welcher die Bewegung des Übertragungsmechanismus 28 ermöglicht. Zum Steuern des Strombogentriebwerks ist eine Steuerschaltung 48 vorgesehen, die an eine Spannungsquelle Fig. 48A angeschlossen ist. Die im einzelnen in Fig. 2 dargestellte Steuerschaltung 48 überwacht und steuert den Betrieb des Triebwerks mittels Steuereinrichtungen 48B-48G. Die Steuerschaltung 48 fühlt den in an die Kathode 22 angeschlossenen Leitungen 50 fließenden Strom, der zum Erzeugen des Lichtbogens dient, und sie bewegt die Kathode 22 während des Startvorgangs (beim Zünden) nach hinten. Von der Steuerschaltung 48 werden während des Anfahrens Befehle über die Leitung 49 an den Kathodenstellmotor 26 gegeben. Während des Zurückziehens der Kathode wird der Strom seitens der Steuerschaltung 48 über die Leitung 51 auf Betriebspegel angehoben, während gleichzeitig das Drosselventil 16 über Leitungen 52 seitens der Steuerschaltung 48 veranlaßt wird, den Durchsatz von flüssigem Einzeltreibstoff auf Dauerbetriebsniveau anzuheben, mit dem Ergebnis, daß der Lichtbogen in einen stationären Betriebszustand übergeht und dann von der Schaltung 48 über die Leitung 43 gesteuert wird.

Die obige Beschreibung stellt einen allgemeinen Überblick über Aufbau und Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Strombogentriebwerks 10 dar. Im folgenden sollen die mehr allgemein erwähnten Merkmale im einzelnen erläutert werden.

Wie oben beschrieben wurde, dienen die verstellbare Kathode 22 und der Antriebsmotor 26 in Verbindung mit dem Übertragungsmechanismus 28 für die Fernsteuerung der Lage der Kathode 22 sowohl zur Erzielung eines erosionsfreien Starts als auch zur Steuerung des Lichtbogenauftreffpunkts während des stationären Betriebs. Bei einer feststehenden Elektrode war der anfängliche Stromstoß beim Zünden des Lichtbogens Ursache für eine mit einer erheblichen Verkürzung der Lebensdauer verbundene Erosion sowohl an der Kathode als auch am Triebwerkblock 18. Die verstellbare Kathode 22 ermöglicht in Verbindung mit einer Massestromregulierung des vorgewärmten Gasgemisches ein Startverfahren mit geringer Erosion, d. h. einen "soft start".

Bei dem Startverfahren wird die Kathode 22 zunächst dicht zu der Einschnürstelle 34 bewegt, die bei abwesendem Isoliermaterial 44 auch Teil der Anode ist. Folglich ist beim Zünden lediglich eine anfängliche kleine Strecke zwischen der Kathode 22 und der Einschnürung 34 vorhanden, und diese Strecke hat Abmessungen im Bereich von 0 bis 2,54 mm. Dann wird ein Niederspannungs-Schwachstrom-Lichtbogen gezündet. Der niedrige Leistungspegel erwärmt die Kathode 22 und die Einschnürstelle 34 ohne abträgliche Wärmeschockeffekte hervorgerufen, wie es bei einem Hochleistungsstart mit feststehender Kathode der Fall wäre. Ist der Lichtbogen einmal gezündet, wird die Kathode 22 durch Betätigen des Stellmotors 26 und des Mechanismus 28 zurückbewegt. Gleichzeitig werden Lichtbogenstrom und Masseströmung des Gasgemisches bis auf Stationärbetriebs-Bedingungen erhöht.

Wenn das elektrisch isolierende Material 44, das an der Einschnürstelle 34 aus den obengenannten Gründen verwendet wird, so ist der Weg zu der Düsen-Anode 36 verständlicherweise verlängert, so daß das Zünden des Lichtbogens schwieriger ist, da mehr Leistung benötigt wird, um einen Lichtbogen zu erzeugen, was erhöhte Erosionsfolgen an der Kathode 22 sowie an dem Triebwerkblock 18 zur Folge hat. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, erfindungsgemäß eine Starterschiene oder -verlängerung 54 der Düsen-Anode 36 vorgesehen, und die Starterschiene erstreckt sich stromauf von der Anode 36 durch die aus Isolierstoff bestehende Einschnürung 34, wobei sie zur Brennkammer 32 hin offen liegt, um während des Zündvorgangs als Anode zu fungieren. Die Schiene 54 befindet sich in einem Ausschnitt am Innenumfang des Isoliermaterials 44. Während Fig. 3 eine einzelne Schiene 54 zeigt, sind auch andere Formen möglich. Beim Zünden des Lichtbogens befindet sich also die Spitze 30 der Kathode 22 in dichter Nachbarschaft am stromaufwärtigen Ende der Starterschiene 54 der Düsen-Anode 36. Die Verwendung der Starterschiene 54 bei vorhandenem Isolierstoffmaterial 44 minimiert die erforderliche Durchbruchspannung und den anschließenden Stromstoß. Sind einmal die stationären Betriebsbedingungen erreicht, wird der Lichtbogen lediglich an der Starterschiene 54 vorbei stromab zu dem aufgeweiteten Abschnitt der Düsen-Anode 36 geblasen, so daß die Schiene dann keinen Zweck mehr erfüllt.

Die einstellbare Kathode 22 wird auch dazu verwendet, den Auftreffpunkt des Lichtbogens im stationären Betrieb zu steuern. Für einen gegebenen Strom, einen gegebenen Strömungsdurchsatz und eine gegebene Düsengeometrie bestimmt sich die Länge des Lichtbogens aus dem Gleichgewicht zwischen thermischen und gasdynamischen Relationen für einen zwischen der Kathode 22 und der Düsen-Anode 36 erzeugten Lichtbogen. Indem die Kathode 22 exakt positioniert wird, läßt sich der Auftreffpunkt des Lichtbogens entlang der aufgeweiteten Wand der Düsen-Anode 36 stromabwärts bewegen. Eine Optimierung der Leistungsfähigkeit und eine Minimierung der Erosion lassen sich dadurch erreichen, daß man sicherstellt, daß der Lichtbogen-Auftreffpunkt in der Diffusionszone der aufgeweiteten Düsen-Anode 36 stromab bezüglich der Einschnürung 34 vorhanden ist.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, setzen sich die zwei stromaufwärts gelegenen Drittel der Einschnürung 34 des Triebwerkblocks 18 zusammen aus dem elektrisch isolierenden Material 44, bei dem es sich zum Beispiel um Bornitrid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid handelt. Der Haupt-Wärmetransfer in einem Lichtbogen erfolgt von der Ohmschen Erwärmung im Kern des Lichtbogens (im mittleren Abschnitt des Bogens) bei anschließender Konvektion dieser Energie zu dem Umgebungsgas hin. Die Ohmsche Erwärmung ist direkt proportional zur Stromstärke, während die Stromstärke direkt proportional zu den an der Kathode 22 emittierten Elektronen ist.

Um den Effekt des Ohmschen Wärmetransfers zu maximieren, müssen die Elektronen in dem Kern des Lichtbogens oder in dem umgebenden überhitzten Gas gehalten werden, und zwar für die maximal erreichbare Distanz. Bislang wurden die Wände der Einschnürung meist aus elektrisch leitendem Metall hergestellt und geerdet. Damit stand ein leitender Pfad von dem Kern des Lichtbogens durch das Gas hindurch zu der Wand zur Verfügung. Anhand einer Analyse wurde vorausgesagt, daß eine beträchtliche Menge des Stroms aufgrund von "Elektronendiffusion" zu den Wänden hin verloren geht und mithin eine Verringerung des Wwirkungsgrads gegeben ist. In einem Test mit isolierendem Material 44 in der Einschnürung 34 des Triebwerks zeigte sich ein Wirkungsgrad von 47%. Diese Zahlenangaben verdeutlichen die Leistungsverbesserung von 30-50% gegenüber herkömmlichen Strombogentriebwerken dieses Leistungsbereichs.

Das Isoliermaterial 44 an der Einschnürstelle 34 zwingt also den Strom dazu, einen längeren Weg zu nehmen, bis er die Düsen-Anode 36 erreicht. Dadurch werden die Elektronen in dem Lichtbogenkern und in dem diesen umgebenden Gasgemisch über einen langen Zeitraum hingehalten, wodurch die Ohmsche Erwärmung des strömenden Gasgemisches verbessert wird.

Um die sich durch die Einschnürstelle 34 erstreckende Lichtbogensäule entweder zu verbreitern oder weiter einzuschnüren, ist es möglich, außerdem eine Sekundär-Feldeffektelektrode zu verwenden, eine sogenannte schwimmende Elektrode 42. Die Elektrode 42 kann unterschiedliche Form aufweisen. Beispielsweise kann sie als Ring oder Reifen ausgebildet sein. Sie erstreckt sich radial durch das Isoliermaterial hindurch, wie in Fig. 3 zu sehen ist.

Allerdings dient die schwimmende Elektrode 42 nicht als Lichtbogen-Auftreffpunkt. Sie wird auf sekundärem positiven oder negativen Potential bezüglich der Kathode 22 gehalten. Dies geschieht mit Hilfe der in Fig. 3 dargestellten Leistungssteuerung 56. Im stationären Betrieb legt die Leistungssteuerung 56 ein festes negatives und positives Potential an die Kathode 22 bzw. die Düsen-Anode 36, während das Potential der schwimmenden Elektrode 42 entweder positiv oder negativ bezüglich der Kathode variiert werden kann. Eine Feinabstimmung der Lichtbogenverbreiterung läßt sich erzielen, indem man das Potential der schwimmenden Elektrode 42 justiert.

Zwecks der schwimmenden Elektrode 42 ist es also, den Lichtbogen zu formen, wenn er durch die Einschnürstelle 34 hindurchgeht. Wünschenswert ist es einen möglichst geraden oder flachen Bogen zu haben, wenn dieser durch die Bogenkammer 32 innerhalb der Einschnürung 34 hindurchläuft, so daß der Bogen einen längeren Weg zu der Düsen-Anode 36 nimmt. Dann wird der Bogen daran gehindert, gerade den nächsten Punkt der Düsenanode 36 zu berühren, wenn er den stromabwärts gelegenen Abschnitt der Einschnürung 34 erreicht. Das an die Elektrode 42 angelegte elektrische Potential wird also abhängig davon variiert, wie der Lichtbogen geformt ist und welches weitere Verhalten der Bogen aufweisen soll. Die schwimmende Elektrode 42 stellt eine Option dar.

Aufgabe der oben erläuterten schwimmenden Elektrode 42 und des isolierenden Einschnürungsmaterials 44 in Verbindung mit der nicht-parallelen Form der Einschnürung 34 ist es, dafür zu sorgen, daß der Lichtbogen einen längeren Weg nimmt, so daß er die Überschallzone der Düsen-Anode 36 erreicht, wo er eine diffuse "Haftung" mit der Anode eingeht. Diese Lichtbogen-Anhaftung an der Anode innerhalb des Strombogens bestimmt direkt das Ausmaß der Erosion während des Zündens und des Einschwingvorgangs. Die Erosion ist größer bei unter hohem Druck erfolgenden Auftreffen im Unterschallbereich als bei unter niedrigem Druck erfolgendem Auftreffen im Überschallbereich. Der Hochdruckbogen ist säulenförmiger und konzentriert damit Energie auf kleinem Raum, während der Niederdruckbogen mehr diffus ist und die Energie folglich in einem breiteren Raum zerstreut. Das Einstellen und das Aufrechterhalten eines Niederdruck-Überschall-Bogenkontakts ist von besonderer Bedeutung bei der Erzielung von Triebwerklebensdauern von hunderten von Stunden mit einer Vielzahl von Zündzyklen.

Um die Erosionserscheinungen beim Zündvorgang zu reduzieren, und um sicherzustellen, daß der Lichtbogen diffus in der Überschall-Niederdruckzone auftrifft, können weiterhin zwei alternative Strombogentriebwerk-Einschnürungen verwendet werden. Die in Fig. 3 dargestellte Einschnürung 34 besitzt einen im wesentlichen parallelen Unterschall-/Überschall- Übergangspunkt ohne scharfe Kanten, wobei ein Hals- oder Schallpunkt 58 auf halbem Wege stromab der Lichtbogensäule gelegen ist, während zwischen der Einlaßzone 60 und der Düsen-Anode 36 eine glatte kontinuierliche Kontur vorhanden ist. Annähernd die Hälfte des Lichtbogens befindet sich in einer Unterschallzone links von dem Schallpunkt 58, und eine Hälfte des Bogens befindet sich in der Überschallzone rechts von dem Punkt 58.

Eine in Fig. 4 (ohne Zündschiene und schwimmende Elektrode) dargestellte alternative Einschnürung 62 besitzt im wesentlichen eine nicht-parallele Überschall-Konfiguration. Sie zwingt den Lichtbogen durch ihren Schallpunkt 64 fast unmittelbar stromabwärts bezüglich des Lichtbogen-Ursprungs an der Kathode 22. Mehr als 90% der Lichtbogen-Gesamtlänge befinden sich in dem Niederdruck-Überschallbereich. Es sind keine scharfen Kanten vorhanden, und die Diffusionszone des Lichtbogen-Auftreffpunkts wird durch geeignete Wahl des Expansionswinkels der Schall-Einschnürung vor Erreichen der Düse 66 erreicht.