Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung insbesondere
für ein Raumfahrzeug, umfassend eine Plasmakammer, in der in
einem Treibmittel ein Plasma erzeugbar ist, und eine
Fokussierungseinrichtung zum Fokussieren eines elektromagnetischen
Strahlungsfeldes in einen Fokusbereich in der Plasmakammer,
um das Plasma zu erzeugen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von
Stoßwellen, insbesondere zum Antreiben eines Raumfahrzeugs,
mittels Erzeugung eines Plasmas in einem Treibmittel, bei
welchem ein elektromagnetisches Strahlungsfeld in einen
Fokusbereich einer Plasmakammer zur Plasmaerzeugung in dem
Treibmittel fokussiert wird.
Beispielsweise in der US 3 825 211 wurde vorgeschlagen, ein
Raumfahrzeug mittels eines Laserstrahls anzutreiben, wobei
der Laser auf dem Erdboden oder in einem Satelliten
installiert ist. Das Raumfahrzeug weist dazu einen
parabolischen zylindrischen Reflektor auf, und ein Treibmittel
wird einer Fokalachse dieses Reflektors zugeführt.
Ähnliche Vorrichtungen sind auch in den US 3 818 700, US 4 426 843 und
US 5 152 135 beschrieben.
Der Artikel "Propulsion by Absorption of Laser Radiation" von A. N. Pirri, M. J.
Monsler und P. E. Nebolsine in AIAA Journal, Vol. 12, No. 9 (1974), Seiten
1254 bis 1261 beschreibt Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen
bezüglich der Physik von Antriebssystemen, welche auf dem Prinzip der
Strahlungsabsorption beruhen, wobei die Strahlungsquelle ein entfernt
angeordneter Laser ist.
Ein Stab aus einem Festkörper-Treibmittel ist an dem Fokus angeordnet.
Dadurch strömt verdampfendes Treibmittel durch ein Gebiet hoher
Laserintensität und wird dadurch auf hohe Temperaturen aufgeheizt.
JP 63-280872 A und JP 5-79451 A beschreiben ebenfalls
Plasmaantriebsvorrichtungen, bei denen ein Plasma mittels eines Laserstrahls erzeugt wird.
Der Laserstrahl erzeugt in dem Treibmittel ein Plasma, welches sich ausdehnt
und damit wiederum das Treibmittel beschleunigt. Durch eine geeignete
Einrichtung, beispielsweise durch eine Düsenanordnung, wird dann dies in
Vortriebsenergie zum Antriebs des Raumfahrzeugs umgesetzt.
Durch die Entwicklung von gepulsten Hochleistungslasern ist aufgrund der
hohen räumlichen Kohärenz von Laserstrahlung eine Übertragung der
Strahlungsenergie in die Plasmakammer über Entfernungen in der Größenordnung
von 100 bis 1000 km möglich.
Da ein lasergestützter Antrieb seine
Energieerzeugungseinrichtung nicht mitführen muß, sondern sich auch in
größerer Entfernung von dem Antrieb installieren läßt, läßt
sich die Startmasse eines mit einem solchen Antrieb
versehenen Raumfahrzeugs gering halten. Zudem lassen sich mit
Laserantrieben höhere spezifische Impulse erzeugen als mit
konventionellen auf chemischer Verbrennung beruhenden
Antrieben.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Antriebsvorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von
Stoßwellen zu schaffen, welche bzw. welches einen hohen
Wirkungsgrad aufweist und welche bzw. welches steuerbar ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten
Antriebsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der
Plasmakammer eine Plasmazündeinrichtung angeordnet ist, durch
die ein die Plasmadurchbruchsschwelle im Treibmittel
herabsetzendes Material (Zündmedium) in den Fokusbereich bringbar
ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung läßt sich in dem
Fokusbereich an einem vordefinierten Ort, nämlich im wesentlichen
dort, wo das die Plasmadurchbruchsschwelle herabsetzende
Material positioniert bzw. eingebracht wird, ein Plasma
erzeugen, das wiederum zur Erzeugung einer Druckwelle führt.
Die Plasmazündung erfolgt dadurch kontrolliert und
insbesondere in einem punktförmigen Raumbereich, d. h. es ist eine
hohe Reproduzierbarkeit bezüglich des Zündzeitpunkts und des
Zündorts gewährleistet.
Da das elektromagnetische Strahlungsfeld und insbesondere
Laserstrahlung durch ein Plasma besser absorbiert wird als
durch ein neutrales Treibmittel, wird durch die definierte
Plasmaerzeugung auch der Vortriebswirkungsgrad erhöht; die
Energieeinkopplung des elektromagnetischen Strahlungsfeldes
in die Antriebsvorrichtung ist erfindungsgemäß stark
verbessert. Insbesondere muß es erfindungsgemäß auch nicht
vorgesehen werden, ein zusätzliches Absorbermedium der
Plasmakammer zuzuführen, wie es beispielsweise in der US 3 818 700
oder der US 4 036 012 vorgeschlagen ist.
Dadurch, daß durch das Einbringen des die
Plasmadurchbruchsschwelle im Treibmittel herabsetzenden Materials in den
Fokusbereich das Plasma und folglich Plasmapulse an einem
vordefinierten Ort in der Plasmakammer erzeugt werden, ergibt
sich auch die Möglichkeit, den Schubvektor der
Antriebsvorrichtung zu steuern, indem dieser vordefinierte Ort der
Plasmaerzeugung in dem Fokusbereich steuerbar ist. Dies läßt
sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß das die
Plasmadurchbruchsschwelle im Treibmittel herabsetzende
Material gesteuert in dem Fokusbereich positioniert wird. Es
läßt sich dadurch ein mit der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung versehenes Raumfahrzeug auch lagesteuern.
Aufgrund der Steuerbarkeit des Ortes der Plasmaentstehung
wird es auch ermöglicht, das elektromagnetische
Strahlungsfeld in einem schrägen Einfallswinkel zu einer Achse der
Plasmakammer und damit schräg zur Achse eines Raumfahrzeugs
einzukoppeln, da entsprechend durch Steuerung des
vordefinierten Ortes der Plasmaerzeugung der Schubvektor der
Antriebsvorrichtung entsprechend verkippbar ist. Es ist dann
nicht erforderlich, daß die Fokussierungseinrichtung genau
auf das einfallende elektromagnetische Strahlungsfeld
ausgerichtet ist. Dadurch läßt sich unter Umständen auch die
Energieeinkopplung des elektromagnetischen Strahlungsfeldes
in die Plasmakammer verbessern, da das Einkopplungsfeld
entsprechend führbar ist; es kann beispielsweise vorteilhaft
sein, daß das Strahlungsfeld nicht durch einen Treibmittel-
Ausstoßbereich der Antriebsvorrichtung geführt wird, um
Energieverluste durch Absorption zu vermeiden.
Durch den Einsatz des die Plasmadurchbruchsschwelle im
Treibmittel herabsetzenden Materials werden Fehlzündungen
weitgehend vermieden. Solche Fehlzündungen setzen insbesondere an
einer Plasmakammerwand an und führen zu einer Degradation
bzw. zum Materialabtrag an dieser Struktur. Durch den Einsatz
eines Zündmediums werden weiterhin Schwankungen des
Schubvektors der Antriebsvorrichtung in Betrag und Richtung,
welche ohne ein solches Zündmedium zu beobachten sind, stark
verringert.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das die
Plasmadurchbruchsschwelle herabsetzende Material ein Metall ist.
Insbesondere ist dabei das die Plasmadurchbruchsschwelle
herabsetzende Material Kupfer. Es wurde beispielsweise
nachgewiesen, daß die Durchbruchsschwelle in Luft um ca. drei
Größenordnungen höher liegt als der entsprechende Wert für
Kupferdampf über einer Kupferoberfläche in Luft. Bei einem
CO2-Laser mit Wellenlänge 10,6 µm bei einer Pulsdauer von
10 µs liegt die Durchbruchsschwelle in Luft bei 15 kJ/cm2 und
bei 10 J/cm2 bei Kupferdampf. Siehe dazu auch H. M. Musal,
"Pulsed Laser Initiation of Surface Plasma on Metal Mirrors",
Bennett, H. E., Glass, A. J., A. H. Guenther, Eds., Damage in
Laser Materials: 1980, Nat. Bur. Stand. (U.S.) Spec. Publ.
620 (1981), Seite 227.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die
Plasmazündeinrichtung so beweglich in der Plasmakammer angeordnet ist, daß
das die Plasmadurchbruchsschwelle herabsetzende Material
innerhalb des Fokusbereiches positionierbar ist. Dadurch läßt
sich ein Plasmapuls an einem reproduzierbaren vordefinierten
Ort gesteuert innerhalb der Plasmakammer erzeugen, um so eine
Schubvektorsteuerung der Antriebsvorrichtung zu ermöglichen.
Durch eine solche Schubvektorsteuerung läßt sich ein
Drehimpuls erzeugen, um dadurch eine Lageänderung beispielsweise
eines Flugkörpers herbeizuführen. Für die entsprechende
Drehimpulsänderung des Flugkörpers ist maßgebend, wie der
resultierende Schubvektor bezüglich des Schwerpunktes des
Flugkörpers liegt. Es lassen sich dann auch durch Veränderung der
Massenverteilungen am Flugkörper bei unverändertem
resultierendem Schubvektor Drehbewegungen des Flugkörpers um eine
quer zur Flugrichtung stehende Achse erreichen. Dadurch, daß
erfindungsgemäß der Schubvektor steuerbar ist, d. h. dieser
insbesondere auch festgehalten werden kann, ergibt sich somit
eine weitere Möglichkeit zur Lageänderung beispielsweise
eines Flugkörpers.
Bei einer konstruktiv besonders vorteilhaften Ausführungsform
umfaßt die Plasmavorrichtung einen Stift aus einem die
Plasmadurchbruchsschwelle herabsetzenden Material. Dieser
Stift wirkt dann als Zündstift. Er läßt sich auf einfache
Weise in der Plasmakammer und insbesondere in dem
Fokusbereich positionieren, um den Schubvektor der
Antriebsvorrichtung zu steuern (beispielsweise zur Lageregelung eines
Raumfahrzeugs). Das Stiftmaterial selber läßt sich dabei auch
als Treibstoff nutzen, wenn der Stift verdampft; der
Materialdampf kann dann auch als Absorber zur Verbesserung der
Plasmaerzeugung dienen und außerdem direkt zur Schuberzeugung
beitragen. Die Plasmaerzeugung erfolgt im wesentlichen
definiert an einer Stiftoberfläche. Der Kontakt des sich
ausbreitenden Plasmas mit einer Innenwand der Plasmakammer wird
dadurch vermindert.
Günstigerweise ist zur Steuerung des Schubvektors und damit
zur Lageregelung beispielsweise eines Raumfahrzeugs der Stift
schwenkbar in der Plasmakammer angeordnet. Durch
Schwenkpositionierung des Stiftes innerhalb des Fokusbereiches in der
Plasmakammer läßt sich die ausgestoßene Druckwelle steuern.
Günstigerweise ist dabei der Stift in seiner Längsrichtung
verschieblich in der Plasmakammer angeordnet. Es ergibt sich
dann die Möglichkeit, das die Plasmadurchbruchsschwelle
herabsetzende Material (Zündmedium) insbesondere abgestimmt
auf das Abbrandverhalten des Stiftes nachzuführen, um so für
eine gleichmäßige reproduzierbare Erzeugung von Plasmapulsen
in der Plasmakammer zu sorgen.
Konstruktiv vorteilhaft ist es, wenn der Stift in einer Hülse
gelagert ist, mittels welcher der Stift in der Plasmakammer
gehalten ist. Mittels der Hülse läßt sich auf einfache Weise
eine Längsverschieblichkeit des Stiftes ausbilden und über
eine Schwenklagerung der Hülse läßt sich dann der Stift in
der Plasmakammer schwenken.
Bei einer Variante einer Ausführungsform ist ein eine
Plasmadurchbruchsschwelle im Treibmittel herabsetzendes Material in
den Fokusbereich einblasbar. Die Plasmadurchbruchsschwelle
wird dann an einem Einblaspunkt, in dem das Zündmedium-Fluid
in den Fokusbereich gelangt, herabgesetzt. Vorteilhafterweise
umfaßt dann die Plasmazündeinrichtung ein Einblaselement zum
Einblasen von einem eine Plasmadurchbruchsschwelle
herabsetzenden Material in den Fokusbereich. Insbesondere ist es
dabei vorgesehen, daß das Einblaselement schwenkbar in der
Plasmakammer angeordnet ist, um auf diese Weise den
Einblasort des Zündmediums in dem Fokusbereich verändern zu können.
Um den Schubvektor gezielt steuern zu können, ist bei einer
Variante einer Ausführungsform dann vorgesehen, daß der
Einblasdruck von einem die Plasmadurchbruchsschwelle
herabsetzenden Material in den Fokusbereich einstellbar ist. Es
läßt sich dadurch insbesondere steuern, inwieweit von einer
Mündung des Einblaselements in die Plasmakammer eingeblasenes
Zündmedium in den Fokusbereich eindringt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das
elektromagnetische Strahlungsfeld gepulst in die Plasmakammer eingeleitet
ist. Es lassen sich dann in der Plasmakammer reproduzierbare
gleichförmige Plasmapulse erzeugen, welche in Stoßwellen
resultieren, die einen Vorschub zum Antrieb beispielsweise
eines Raumfahrzeugs erzeugen.
Günstig ist es, wenn eine Laserpulslänge höchstens in der
Größenordnung der Zeitdauer ist, welche das Plasma zum
Ausbreiten von seinem Zündort bis zu einem geometrischen
Fokalpunkt benötigt. Insbesondere ist es günstig, wenn die Dauer
eines Laserpulses kürzer ist als die entsprechende
Ausbreitungszeit. Dadurch wird gewährleistet, daß sich das
Plasma an dem durch die Plasmazündeinrichtung definierten Ort
zündet und sich von dort stoßwellenartig ausbreitet.
Insbesondere ist das elektromagnetische Strahlungsfeld ein
Laser-Strahlungsfeld. Mittels gepulsten Hochleistungslasern
läßt sich eine hohe Leistung in die Antriebsvorrichtung
einleiten, wobei wegen der räumlichen Kohärenz der
Laserstrahlung eine Übertragung über Entfernungen in der
Größenordnung von beispielsweise 100 km bis 1000 km möglich ist.
Dadurch läßt sich die Energie von einer Bodenstation auch
über große Höhen in die Fokussierungsrichtung eintragen, um
ein mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung versehenes
Fluggerät anzutreiben.
Bei einer fertigungstechnisch günstigen Variante einer
Ausführungsform ist die Plasmakammer selber als
Fokussierungseinrichtung ausgebildet. Es muß dann keine zusätzliche
Fokussierungseinrichtung zur Einleitung des elektromagnetischen
Strahlungsfelds in die Plasmakammer und zur Fokussierung dort
vorgesehen werden. Günstig ist es, wenn eine Plasmakammerwand
als Reflektor ausgebildet ist. In die Plasmakammer
eingeleitete Strahlung wird dann an einer Plasmakammerwand in
einen Fokusbereich reflektiert, um dort ein Plasma zünden zu
können.
Um eine hohe Reflektivität zu erreichen, ist dann
günstigerweise eine Plasmakammerwand poliert oder verspiegelt, so daß
die Plasmakammerwand möglichst wenig Strahlungsleistung
absorbiert oder streut und eine möglichst große
Strahlungsleistung in den Fokusbereich gelangt.
Es kann vorgesehen sein, daß eine Plasmakammer kegelförmig
ausgebildet ist oder paraboloidförmig. Die Plasmakammer kann
auch eine Mehrzahl von Segmenten umfassen, um die
elektromagnetische Strahlung in einen Fokusbereich zu lenken.
Günstig ist dabei eine paraboloidförmige Ausbildung der
Plasmakammer, da ein großer Öffnungswinkel zur Einleitung der
elektromagnetischen Strahlung bereitsteht und außerdem ein
entsprechend großer Öffnungswinkel zur Ausführung der
Druckwelle zum Antrieb der Antriebsvorrichtung. Zudem läßt sich
die Strahlung im wesentlichen unabhängig von der
Einfallsrichtung konzentrieren.
Günstigerweise ist dann die Plasmazündeinrichtung im Bereich
eines Scheitels der Plasmakammer gehalten. Die
Haltevorrichtung der Plasmazündeinrichtung liegt dadurch im wesentlichen
außerhalb des Strahlengangs des elektromagnetischen
Strahlungsfeldes und wird durch das Plasma und die resultierende
Druckwelle am geringsten beaufschlagt.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante einer
Ausführungsform ist als Treibmittel Luft und insbesondere atmosphärische
Luft eingesetzt. Das Treibmittel muß dann nicht mitgeführt
werden, so daß eine Gewichtsersparnis erreicht ist und die
Antriebsvorrichtung konstruktiv einfach gehalten ist. Das
Treibmittel Luft eignet sich für in der Atmosphäre
eingesetzte Antriebsvorrichtungen, wie beispielsweise in der Nähe
der Erdoberfläche eingesetzte angetriebene Vorrichtungen oder
für Flugkörper innerhalb der Atmosphäre oder auch für
Raumfahrzeuge als Antriebsstufe innerhalb der Atmosphäre.
Günstig ist es dann, wenn die Plasmakammer mit Treibmittel-
Zuführungsöffnungen versehen ist. Es kann sich dabei
insbesondere um Schlitze handeln, welche in einem vorderen Bereich
der Plasmakammer angeordnet sind, so daß das Treibmittel und
insbesondere atmosphärische Luft gut in die Plasmakammer
gelangen kann.
Es kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, daß als
Treibmittel ein mit der Antriebsvorrichtung mitgeführtes Gas
und/oder mitgeführte Flüssigkeit und/oder mitgeführter
Festkörper eingesetzt ist. Werden derartige Treibmittel im
Weltraum in die Plasmakammer eingeblasen, dann läßt sich durch
die Plasmaerzeugung in dem Treibmittel ein entsprechender
Vorschub erreichen. Im Gegensatz zu über chemische
Verbrennungsvorgänge angetriebene Raketen muß aber kein zur
Verbrennung notwendiger Oxidator mitgeführt werden.
Günstig ist es dabei, wenn das elektromagnetische
Strahlungsfeld zur Verdampfung des Treibmittels eingesetzt ist. Es kann
dazu beispielsweise ein Teil der eingekoppelten
Strahlungsleistung abgezweigt werden.
Bei einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist
eine Plasmakammer und/oder eine Fokussierungseinrichtung so
ausgebildet, daß eine Mehrzahl von Fokusbereichen vorliegt.
Beispielsweise kann eine Mehrzahl von rinnenförmigen
Paraboloiden nebeneinander angeordnet sein. Dadurch läßt sich je
nach Anwendung gezielt ein bestimmter Schubvektor einstellen.
Günstigerweise ist dann jedem Fokusbereich eine
Plasmazündeinrichtung zugeordnet, um umfangreiche Steuermöglichkeiten
für die Antriebsvorrichtung zu erhalten.
Bei einer vorteilhaften Variante sind eine Mehrzahl von
Plasmazündeinrichtungen für eine Plasmakammer vorgesehen. Je
nach individueller Ansteuerung der einzelnen
Plasmazündeinrichtungen läßt sich dann die Druckwellenerzeugung in der
Plasmakammer gezielt steuern und so je nach Anwendung ein
bestimmter Schubvektor erzeugen und steuern.
Günstig ist es dann, wenn die Plasmazündeinrichtungen
individuell ansteuerbar sind, beispielsweise indem Stifte aus einem
Zündmedium in oder aus einem Fokusbereich bringbar sind.
Dadurch kann in der Plasmakammer gezielt eine
Druckwellenverteilung zur Erzeugung eines resultierenden Schubvektors bzw.
zur Erzeugung einer Stoßwelle mit einer definierten
Stoßwellenfront eingestellt werden.
Bei einer weiteren Variante einer Ausführungsform weist eine
Plasmakammer eine oder mehrere Fokallinien auf.
Beispielsweise sind dazu Reflektoren der Fokussierungseinrichtung
rinnenförmig ausgebildet oder toroidal ausgebildet. Es läßt
sich dann das Plasma längs einer solchen Fokallinie zünden,
um so eine entsprechende Druckwelle zur Erzeugung eines
Schubvektors für die Antriebsvorrichtung zu erzeugen.
Beispielsweise kann eine Fokallinie geschlossen sein, indem
der entsprechende Reflektor der Fokussierungseinrichtung
toroidal ausgebildet ist. Das Plasma läßt sich dann
insbesondere rotationssymmetrisch zu einem Zentrum einer solchen
geschlossenen Fokallinie erzeugen.
Günstig ist es, wenn eine Mehrzahl von
Plasmazündeinrichtungen längs einer Fokallinie in der Plasmakammer angeordnet
ist, um so insbesondere symmetrisch auf der Fokallinie das
Plasma zu zünden.
Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen,
daß eine Plasmazündeinrichtung ein klingenförmiges Element
aus einem die Plasmadurchbruchsschwelle im Treibmittel
herabsetzenden Material umfaßt. An einer scharfen Kante eines
solchen klingenförmigen Elements erfolgt dann die
Plasmazündung bevorzugt.
Günstig ist es, wenn eine Plasmazündeinrichtung quer zu einer
Fokallinie schwenkbar ist. Es läßt sich dann an der
Fokallinie der Zündort entsprechend einstellen. Weiterhin ist es
günstig, wenn eine Plasmazündeinrichtung bezüglich einer
Fokallinie höhenverstellbar ist, um den Ort der Plasmazündung
gezielt steuern zu können.
Die Erfindung betrifft ferner einen Stoßwellengenerator, bei
welchem die Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 30 ortsfest fixiert ist.
Ein solcher Stoßwellengenerator erzeugt Stoßwellen, die sich
beispielsweise zur Materialprüfung einsetzen lassen.
Erfindungsgemäß lassen sich dabei die Stoßwellen bezüglich ihrer
Ausbreitungsrichtung und dem Betrag ihres Ausbreitungsvektors
gezielt steuern.
Der Stoßwellengenerator weist die gleichen Vorteile auf, wie
sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung erläutert wurden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner durch das oben
beschriebene Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in
den Fokusbereich ein die Plasmadurchbruchsschwelle im
Treibmittel herabsetzendes Material gebracht wird.
Dadurch ergeben sich die Vorteile, die bereits im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung erläutert
wurden. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen wurden
ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung erläutert.
Günstig ist es dabei, wenn das die Plasmadurchbruchsschwelle
herabsetzende Material als Stift im Fokusbereich positioniert
wird. Dadurch ergeben sich umfangreiche
Steuerungsmöglichkeiten zur Steuerung der aus der Plasmakammer austretenden
Druckwelle. Insbesondere ist dazu der Stift relativ zum
Fokusbereich beweglich. Zur Steuerung des Austrittsvektors
der Druckwelle aus der Plasmakammer, welche mittels der
Plasmaerzeugung erzeugt wurde, wird vorteilhafterweise die
Bewegung des Stiftes gesteuert.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das
elektromagnetische Strahlungsfeld gepulst zugeführt wird, um so
gleichförmige Plasmapulse in der Plasmakammer erzeugen zu können,
durch die gepulste Druckwellen erzeugbar sind.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der
Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Plasmakammer
mit einer erfindungsgemäßen
Plasmazündeinrichtung;
Fig. 2 eine Detailansicht der Plasmazündeinrichtung
gemäß Fig. 1;
Fig. 3 den Verlauf der Plasmadurchbruchsschwelle in Luft
im Vergleich zu der Durchbruchsschwelle bei
Kupferdampf über einer Kupferoberfläche in Luft,
wobei Laserlicht eines gepulsten CO2-Lasers mit
einer Wellenlänge von 10,6 µm zugeführt wird; die
Ordinate ist die Laserpulsfluenz F und die
Abszisse die Pulsdauer Tp;
Fig. 4 mittels Raytracing berechneter Verlauf von
Druckwellenfronten in der Plasmakammer gemäß Fig. 1,
wobei die Plasmazündeinrichtung kollinear zu
einer Plasmakammerachse ausgerichtet ist;
Fig. 5 den berechneten Druckwellenverlauf bei einer
gegenüber der Plasmakammerachse geneigten
Zündungseinrichtung;
Fig. 6 die Schubvektordichteverteilung in einer
Austrittsebene der Plasmakammer bei einer
Positionierung der Plasmazündeinrichtung gemäß Fig. 5;
Fig. 7 ein Diagramm der Phase von Stoßwellenfronten bei
einer parabolisch geformten Plasmakammer über dem
Austrittsort aus der Plasmakammer an einer
Austrittsebene;
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Plasmakammer mit einer Mehrzahl von Fokusbereichen und
Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Plasmakammer.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung umfaßt, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Plasmakammer 10
mit einer Plasmakammerwand 12 und einem Kammerraum 14. Die
Plasmakammer 10 ist mit einem anzutreibenden Körper,
beispielsweise einem Raumfahrzeug, verbunden (in der Zeichnung
nicht gezeigt).
Die Plasmakammer 10 ist rotationssymmetrisch um eine Achse 16
ausgebildet. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
weist sie die Form eines Rotations-Paraboloids auf. Die
Plasmakammer 10 ist als Reflektor ausgebildet, indem eine
Plasmakammerinnenwand poliert ist oder verspiegelt, so daß in
den Kammerraum 14 eintretende elektromagnetische Strahlung 18
in einen Fokusbereich 20 reflektiert wird. Ein
elektromagnetisches Strahlungsfeld tritt dabei über eine Eintrittsöffnung
22 in den Kammerraum 14 ein. Durch die paraboloide
Ausgestaltung der Plasmakammer 10 wird elektromagnetische Strahlung in
den Fokusbereich 20 reflektiert.
Die Plasmakammer 10 weist dabei einen geometrischen
Fokalpunkt 21 auf, um den der Fokusbereich 20 liegt. Der
Fokusbereich 20 ist dadurch der Raumbereich um den Fokalpunkt 21,
der eine genügend hohe Energiedichte zur Zündung eines
Plasmas aufweist.
Die Plasmakammer 10 ist damit gleichzeitig als
Fokussierungseinrichtung 24 für das elektromagnetische Strahlungsfeld zur
Fokussierung dessen Energie in den Fokusbereich 20
ausgebildet.
Am oder im Bereich des Scheitels 25 der Plasmakammer 10 ist
eine als Ganzes mit 26 bezeichnete Plasmazündeinrichtung
gehalten (Fig. 2). Durch diese ist ein die
Plasmadurchbruchsschwelle in einem Treibmittel, welches in den Kammerraum 14
eingeführt wird, herabsetzendes Material (Zündmedium) in den
Fokusbereich 20 bringbar.
Bei einer Variante einer Ausführungsform, welche in Fig. 2
gezeigt ist, umfaßt die Plasmazündeinrichtung 26 eine Hülse
28, welche in dem Kammerraum 14 quer zur Achse 16 schwenkbar
angeordnet ist. Dazu ist bei der gezeigten Variante einer
Ausführungsform die Hülse 28 außerhalb der Plasmakammer 10
kardanisch gelagert mit einer Welle 30, welche im
wesentlichen senkrecht zu der Achse 16 ausgerichtet ist und über
einen Antrieb 32 drehbar ist, um so die Hülse 28, welche über
ein Verbindungselement 34 mit der Welle verbunden ist, zu
verschwenken. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die
Hülse 28 durch die Welle 30 in einer Ebene senkrecht zur
Zeichenebene verschwenkbar.
Die Welle 30 mit dem Antrieb 32 wiederum ist als Ganzes über
eine Welle 36 quer dazu drehbar, wobei diese Drehung durch
einen Antrieb 38 antreibbar ist. Bei dem in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel ist die Drehachse der Welle 36 senkrecht
zur Zeichenebene, so daß sich die Hülse 28 in der
Zeichenebene verschwenken läßt.
Die Antriebe 32 und 38 sind dabei so ausgebildet, daß sich
die Hülse 28 in einer definierten Schwenkposition relativ zu
der Achse 16 festhalten läßt.
Um die Verschwenkung der Hülse 28 in dem Kammerraum 14 zu
ermöglichen, ist an dem Scheitel 25 die Plasmakammerwand 12 mit
einer Öffnung 40 versehen, durch die das Verbindungselement
34 geführt ist, um die Hülse 28 mit der Welle 30 zu
verbinden. Über eine flexible Dichtung 42, beispielsweise über
einen Faltenbalg, ist der Kammerraum 14 an der Öffnung 40
abgedichtet, wobei die Dichtung 42 die Schwenkbarkeit der Hülse
28 erlaubt.
Die Hülse 28 und die Dichtung 42 sind dabei aus einem
Material gefertigt, welches temperaturfest bezüglich den in
dem Kammerraum 14 erreichten Temperaturen ist. Außerdem weist
das entsprechende Material eine hohe
Plasmadurchbruchsschwelle auf, um das gezielte Zünden eines Plasmas durch die
Plasmazündeinrichtung 26 nicht zu beeinflussen.
In der Hülse 28 ist ein Stift 44 aus einem die
Plasmadurchbruchsschwelle im Treibmittel herabsetzenden Material
verschieblich geführt. Der Stift ist beispielsweise aus einem
Metall gefertigt und insbesondere aus Kupfer. Der Stift 44
sitzt auf einem Schiebeboden 46 und ist insbesondere an
diesem fixiert. Der Schiebeboden 46 ist in der Hülse 28 längs
einer Hülsenachse verschieblich geführt, so daß eine
Eintauchtiefe des Stiftes 44 in den Fokalbereich 20 veränderbar
ist.
Zur Verschiebungsführung des Schiebebodens 46 weist die Hülse
28 beispielsweise an einer Innenwand eine Zahnleiste auf und
der Schiebeboden ist mit einem angetriebenen Zahnrad 48
versehen.
Durch den Stift 44 in dem Fokusbereich 20 wird die
Plasmadurchbruchsschwelle herabgesetzt. Es erfolgt dann die
Plasmazündung an einem definierten Ort, nämlich im wesentlichen an
der Oberfläche an einem vorderen Ende 50 des Stiftes 44.
In Fig. 3 ist die Durchbruchsschwelle 52 für Luft bei einem
Druck von 1 Atmosphäre im Vergleich zu der
Durchbruchsschwelle 54 für Kupferdampf über einer Kupferoberfläche in
Luft in einem Diagramm der Fluenz F über der Pulsdauer Tp
gezeigt. Es handelt sich dabei um CO2-Laserpulse bei einer
Laserwellenlänge von 10,6 µm. Bei einer Pulsdauer von Tp von
10 µs ist die Durchbruchsschwelle in Luft 15 kJ/cm2 und bei
Kupferdampf über einer Kupferoberfläche 10 J/cm2, d. h. durch
einen Stift 44 aus Kupfer wird die Durchbruchsschwelle um
drei Größenordnungen herabgesetzt.
Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen,
daß das Zündmedium in den Fokusbereich 20 eingeblasen wird,
beispielsweise in Pulverform oder als Gas. Dazu ist die Hülse
28 als Einblaselement ausgebildet, durch die das Zündmedium
in die Plasmakammer 10 einblasbar ist (in der Zeichnung nicht
gezeigt). Insbesondere ist dabei der Einblasdruck steuerbar,
um auf diese Weise den Zündort, an dem die Plasmazündung
einsetzt, steuern zu können.
Günstigerweise weist der Stift 44, welcher als Zündstift für
das Plasma wirkt, eine geringe Reflektivität für
elektromagnetische Strahlung 18 auf, so daß durch den Stift 44 nicht
zu einem wesentlichen Anteil Strahlung aus dem Fokusbereich
20 herausreflektiert wird.
Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung funktioniert wie
folgt:
Elektromagnetische Strahlung 18 wird in die Plasmakammer 10
eingekoppelt, beispielsweise über einen gepulsten
bodenstationären Hochleistungslaser. Aufgrund ihrer Ausbildung als
Fokussierungseinrichtung 24 wird diese Strahlung 18 in der
Plasmakammer 10 in den Fokusbereich 20 fokussiert, so daß
dort eine hohe Energiedichte vorliegt. Der Stift 44 ragt in
diesen Fokusbereich 20 bzw. über das Einblaselement wird ein
Zündmediumfluid in den Fokusbereich 20 eingeblasen. Es
erfolgt dadurch eine Plasmazündung auf reproduzierbare Weise,
d. h. an einem vordefinierten Ort und zu einem definierten
Zeitpunkt. Der vordefinierte Ort ist dabei im wesentlichen
durch das obere Ende 50 des Stiftes 44 gegeben bzw. durch
eine Einblasmündung des Einblaselements.
In der Plasmakammer 10 befindet sich ein Treibmittel, das
dieser zugeführt wurde. Es kann sich dabei beispielsweise um
atmosphärische Luft handeln. Es kann auch zusätzlich oder
alternativ vorgesehen sein, daß mit der Antriebsvorrichtung
beispielsweise in einem Raumfahrzeug zusätzlich ein
Treibmittel mitgeführt ist, wie ein Gas und/oder eine Flüssigkeit
und/oder ein Festkörper. Die Flüssigkeit und/oder der
Festkörper wird dabei dann erhitzt, so daß ein dampfförmiges
Treibmittel entsteht. Insbesondere wird zur Erhitzung des
flüssigen oder festen Treibmittels das elektromagnetische
Strahlungsfeld 18 eingesetzt, indem beispielsweise ein
entsprechendes Teilstrahlungsfeld zur Beaufschlagung des
flüssigen oder festen Treibmittels abgezweigt wird. Das
dampfförmige Treibmittel wird dann der Plasmakammer 10 zugeführt
(in der Zeichnung nicht gezeigt).
Nach der Plasmazündung an der Oberfläche des Endes 50 des
Stiftes 44 bzw. an einer Mündung des Einblaselements breitet
sich das Plasma thermisch und über freigesetzte Elektronen
auf das umgebende Treibmittel aus. Ist dabei eine kritische
Elektronendichte überschritten, die in der Größenordnung von
1018 cm-3 liegt, dann wird die elektromagnetische Strahlung 18
im wesentlichen vollständig im Plasma in der Plasmakammer 10
absorbiert.
Das Plasma dehnt sich explosionsartig aus und beschleunigt
das Treibmittel in der Plasmakammer 10. Das Treibmittel
entweicht dann in einer Überschallströmung über eine
Austrittsebene 56 der Plasmakammer 10 und wird beispielsweise einer
Düsenanordnung zugeleitet (in der Zeichnung nicht gezeigt).
Die im Treibmittel erzeugte Druckwelle (Stoßwelle) bewirkt
einen Schub, so daß über die Antriebsvorrichtung einem
Körper, welcher mit dieser verbunden ist, ein Impuls erteilt
wird. Dies bewirkt dann den Vorantrieb des Körpers.
Durch die Pulsung der eingekoppelten Strahlungsleistung
entsteht dann eine gepulste Druckwelle und damit ein gepulster
Schubvektor. Es muß dafür gesorgt werden, daß in die
Plasmakammer 10 Treibmittel nachgeführt wird. Ist das Treibmittel
atmosphärische Luft, welche in den Kammerraum 14 eindringen
kann, dann füllt dieser sich automatisch mit dem Treibmittel.
Insbesondere ist dazu dann die Plasmakammer 10 mit
Luftzuführungsöffnungen wie beispielsweise Schlitzen versehen, so
daß Luft als Treibmittel in den Kammerraum 14 gelangen kann
(in der Zeichnung nicht gezeigt). Bevorzugt sitzen solche
Öffnungen an einer dem Scheitel 25 abgewandten Vorderseite.
Die Pulslänge der eingekoppelten Strahlungsleistung ist so
eingestellt, daß sie kürzer ist als die Laufdauer einer
Stoßwelle von dem Plasmazündort, welcher durch die
Plasmazündeinrichtung (26) vorgegeben ist, zu dem geometrischen Fokalpunkt
21.
Ist die Antriebsvorrichtung ortsfest gehalten, dann wirkt die
Plasmakammer 10 als Stoßwellengenerator, mit dem sich gezielt
Stoßwellen erzeugen lassen, wobei aus der Austrittsebene 56
eine Stoßwelle austritt.
Dadurch, daß die Hülse 28 schwenkbar in der Plasmakammer 10
angeordnet ist, so daß der Stift 44 bzw. das Einblaselement
schwenkbar ist, läßt sich der vordefinierte Ort der
Plasmazündung in dem Fokusbereich 20 einstellen. Dadurch wiederum
läßt sich die Druckwelle, welche aus der Austrittsebene 56
austritt, steuern und damit wiederum ein resultierender
Schubvektor, um so insbesondere eine Lagesteuerung der
Antriebsvorrichtung und damit eines Körpers, welcher mit der
Antriebsvorrichtung verbunden ist, zu erreichen. Entsprechend
läßt sich bei einem Einsatz als Stoßwellengenerator die
auftretende Stoßwelle steuern.
In Fig. 4 ist eine Plasmakammer 58 gezeigt, welche aus
aufeinanderfolgenden kegelstumpfförmigen Segmenten 60a und 60b
und einem anschließenden Kegelsegment 62 gebildet ist. Diese
Plasmakammer 58 weist eine näherungsweise parabolische
Gestalt auf und ist rotationssymmetrisch um eine Achse 64.
Eingezeichnet ist der mittels Raytracing berechnete Verlauf von
Wellenausbreitungsrichtungen 65, zu denen auslaufende
Druckwellenfronten 65 (Stoßwellenfronten) im Treibmittel senkrecht
liegen. Es wird dabei von einer sphärischen Stoßwelle 66
ausgegangen, die durch die Plasmazündung an der
Plasmazündeinrichtung 26 entsteht. Die austretenden Stoßwellenfronten
erzeugen einen Vorschub an der Plasmakammer 58 zum Antrieb
beispielsweise eines Raumfahrzeugs.
In Fig. 5 ist der Stift 44 der Plasmazündeinrichtung
gegenüber der Achse 64 verkippt. Der Ort der Plasmazündung erfolgt
dadurch außerhalb der Achse 64 und liegt außerhalb des
geometrischen Fokusses der Plasmakammer 58.
Die daraus resultierende Schubvektordichteverteilung an einer
Austrittsebene 68 der Plasmakammer 58 ist in Fig. 6 gezeigt.
Die Null-Linie entspricht dabei der Achse 64
(Symmetriezentrum) und positive Werte entsprechen der
Richtung links der Achse 64 in Fig. 5.
Die Höhe der Balken in dem Diagramm von Fig. 6 zeigt die
Schubvektordichte an. Die Schubvektordichte ist in
willkürlichen Einheiten aufgetragen.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, wird durch die Verkippung
des Stiftes 44 eine erhöhte Schubvektordichte in dem Bereich
der Austrittsebene 68 erzeugt, von dem der Stift 44
weggekippt wurde. Durch die Schwenkbewegung der
Plasmazündeinrichtung 26 wird dadurch ein Drehmoment erzeugt, mittels dem
sich die Lage eines Raumfahrzeugs, welches von der
erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung angetrieben ist, steuern
läßt.
Ist, wie in Fig. 4 gezeigt, der Stift 44 durch den
geometrischen Fokus der Plasmakammer 58 geführt, so weist die
ausgestoßene Druckwelle eine ebene Wellenfront auf.
In Fig. 7 ist für das Modell der Fig. 5 die Phase in
willkürlichen Einheiten über dem Ort an der Austrittsebene
gezeigt. Die Kurve 70 zeigt dabei die direkte Welle, d. h. die
Welle, welche ohne vorherige Reflexion an Wänden der
Plasmakammer 58 aus der Austrittsebene 68 austritt. Die Phasenlage
ist dabei nicht symmetrisch zur Null-Linie, d. h. zur Achse
64, da ja die Plasmazündeinrichtung 26 gegenüber der Achse 24
verkippt ist.
Weiterhin ist der Verlauf der Phase einer reflektierten Welle
72 gezeigt.
So wie bezogen auf die Fig. 5 am linken Rand der
Austrittsebene 68 der Plasmakammer 58 bei nach rechts verkippter
Plasmazündeinrichtung keine direkte Welle auftritt (große
positive Werte auf der Abszisse in der Fig. 7), so tritt
entsprechend am rechten Rand keine reflektierte Welle auf
(hohe negative Werte auf der Abszisse in Fig. 7).
Am linken Rand treten dabei Mehrfach-Reflexionen 74 auf,
d. h. eine Welle wird mehr als einmal an einer
Plasmakammerinnenwand reflektiert. Dies bewirkt die entsprechend mit dem
Bezugszeichen 74 in der Fig. 7 gezeigte Phasenverschiebung.
Durch die Höhenverschieblichkeit des Stiftes 44 in der Hülse
28 läßt sich der Stift 44 insbesondere in Abhängigkeit von
seinem Abbrandverhalten in den Fokusbereich 20 nachführen.
Beispielsweise kann der Stift an seinem Ende 50 verdampfen,
so daß das entsprechende Verdampfungsmaterial als Absorber
für die elektromagnetische Strahlung 18 wirkt. Das zu
verdampfende Zündmedium kann dabei auch direkt zur
Schuberzeugung beitragen, indem der Massenausstoß vergrößert wird
und dadurch der Impulsübertrag.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 8
gezeigt ist, umfaßt eine erfindungsgemäße Plasmakammer 76
eine Mehrzahl von Fokussierungseinrichtungen 78. Dazu ist die
Plasmakammer 76 aus einer Mehrzahl von Parabolrinnen 80, 80a,
80b zusammengesetzt, wobei diese Parabolrinnen nebeneinander
angeordnet sind. Eine entsprechende Parabolrinne 80 weist
eine geometrische Fokallinie 82 auf, welche in Längsrichtung
der Parabolrinne orientiert ist (in der Fig. 8 senkrecht zur
Zeichenebene). Dadurch wiederum weist die Plasmakammer 76
eine Mehrzahl von Fokallinien 82, 82a und 82b bei dem
gezeigten Ausführungsbeispiel auf, bei welchem die Plasmakammer
76 drei Parabolrinnen 80, 80a, 80b umfaßt. Die
Fokussierungseinrichtung 78 weist dann eine Mehrzahl von Fokusbereichen
84, 84a, 84b auf, wobei die einzelnen Fokusbereiche 84, 84a,
84b getrennt voneinander sind. In jeder Parabolrinne 80, 80a,
80b ist dabei eine Plasmazündeinrichtung 86, 86a, 86b
angeordnet.
Es kann dabei auch vorgesehen sein, daß längs einer
Fokallinie 82, 82a, 82b eine Mehrzahl von entsprechenden
Plasmazündeinrichtungen angeordnet ist.
Eine Plasmazündeinrichtung 86 umfaßt dabei insbesondere einen
Stift 88 aus einem die Plasmadurchbruchsschwelle im
Treibmittel herabsetzenden Material (Zündmedium), welcher
klingenförmig ausgebildet ist mit einer Klinge 90, welche
insbesondere quer zur zugeordneten Fokallinie 82 orientiert ist.
Ein solcher Stift 88 ist bevorzugterweise schwenkbar quer zur
zugeordneten Fokallinie 82 in der jeweiligen Parabolrinne 80
gehalten, so daß die Orientierung der Klinge 90 zu der
entsprechenden Fokallinie 82 variierbar ist.
Jede der Plasmazündeinrichtungen 86 ist dabei
bevorzugterweise individuell ansteuerbar. Dies kann beispielsweise
dadurch erfolgen, daß ein individueller Stift 88 aus dem
Fokalbereich gezogen wird, so daß dort dann, wo kein Stift
ist, kein Plasma zündet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 9
gezeigt ist, weist eine Plasmakammer 92 eine geschlossene
Fokallinie 94 auf. Dazu ist die Plasmakammer 92 ringförmig
ausgebildet, indem beispielsweise eine parabolrinnenartige
Struktur toroidal geschlossen ist. Die Plasmakammer 92 weist
dadurch die Gestalt eines Paraboltoroids auf (in der Art
einer Gugelhupfform).
Längs der Fokallinie 94 sind entsprechende
Plasmazündeinrichtungen 26 positioniert mit beispielsweise Zündmedium-
Stiften 88 (in der Zeichnung nicht gezeigt). Diese sind
insbesondere quer zu der Fokallinie 94 schwenkbar gelagert.
Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung läßt sich auch zum
Antrieb von Maschinenteilen verwenden; beispielsweise ist ein
Antriebsrad oder ein Schubkolben mit einer entsprechenden
Plasmakammer versehen und die nach Zündung des Plasmas
erzeugten Stoßwellen bewirken einen Vortrieb des Antriebsrads
bzw. des Schubkolbens.
