DE2320245A1

DE2320245A1 - Fluessigkeitsbehaelter

Info

Publication number: DE2320245A1
Application number: DE2320245A
Authority: DE
Inventors: Daniel Lee Balzer; Jun Ralph Jones Lake
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1972-04-24
Filing date: 1973-04-19
Publication date: 1973-11-15
Also published as: JPS4947927A; CA1007995A; GB1422658A; US3854905A; DE2320245C2; JPS5249562B2; FR2182503A5

Description

7506-73/Sch/Ro.
RCA 65,393
US-Ser.No. 246,525
Filed: April 24, 1972

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Flüssigkeitsbehälter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitstank oder -behälter, insbesondere für flüssigen Kraftstoff und ein Druckmittel in einem Raumfahrzeug. Ein solcher Behälter erfordert eine Vorrichtung, welche den flüssigen Kraftstoff in eine Auslaßöffnung drückt, wenn er entnommen und benötigt wird. Der Behälter muß so konstruiert sein, daß der flüssige Kraftstoff frei von gasförmigem Druckmittel ist, und zwar unabhängig von der räumlichen Lage des Behälters in einer Umgebung niedriger oder gar keiner Schwerkraft.

Stand der Technik

Beim gegenwärtigen Stand der Raumfahrttechnologie sieht man Hilfsantriebssysteme zur Lagesteuerung und zum Stationärhalten des Raumfahrzeugs vor, welche Drucke in der Größenordnung von 2 1/4 kp oder weniger erzeugen. Diese Systeme müssen einen zuverlässigen, gleichförmigen, wirksamen und genau gesteuerten Ausstoß des Treibstoffes aus einem Vorratstank gewährleisten, ohne daß ein Druckgas sich mit dem austretenden Kraftstoff vermischt, weil dann nämlich falsche und unpassende Drücke auftreten würden. Um die unerwünschten Wirkungen einer

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Vermischung inerten gasförmigen Druckmittels (beispielsweise Stickstoff) mit einem Treibstoff zu vermeiden, verwenden die derzeitigen aktiven Auslaßsysteme Metallmembranen, elastomere Blasen, Kolben und zahlreiche andere Mittel zur Durchführung und Aufrechterhaltung einer physikalischen Trennung der beiden fluiden Medien. Um die Medien im getrennten Zustand zu erhalten, hat man auch durchbrochene Bauteile benutzt, wie dies beispielsweise im US-Patent 3 486 302 beschrieben ist. Derartige Systeme sind jedoch komplex und schwierig herzustellen und erlauben nicht die vollständige Ausnutzung des im Behälter enthaltenen Treibstoffes wegen der Schwierigkeit, den Treibstoff aus der Austrittsöffnung herauszutreiben.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Systeme eine Vermischung des Treibstoffes mit dem Treibgas zu unterbinden und gleichzeitig den gespeicherten Treibstoff restlos auszunutzen. Die Aufgabe der Erfindung wird durch die in ,den Ansprüchen angegebenen Mittel gelöst.

Die Erfindung verwendet einen Speicherbehälter, aus dem eines von zwei fluiden Medien bis zur vollständigen Entnahme kontinuierlich entnommen werden kann, wenn es benötigt wird. Die Vorrichtung enthält einen Speicherbehälter mit einer inneren Oberfläche, einer ersten öffnung ..zum Einfüllen der fluiden Medien, und einer zweiten öffnung zur Entnahme des ausgewählten fluiden Mediums aus dem Behälter. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, welche für einen kontinuierlichen Flußweg des ausgewählten fluiden Mediums aus der zweiten öffnung sorgt und ein längliches Bauteil im Behälter umfaßt, welches neben der inneren Oberfläche angeordnet ist und sich auf die zweite öffnung zu erstreckt. Dieses längliche Bauteil wirkt mit der inneren Oberfläche und dem ausgewählten fluiden Medium so zusammen, daß für dieses kontinuierlicher Flußweg gebildet wird.

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Darstellung der Erfindung

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht eines kugelförmig ausgebildeten Tanks nach der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Tanks;

Fig. 3 einen Schnitt von oben auf den in Fig. 2 dargestellten Tank, welcher auch die Form der Flüssigkeitsmenisken, welche sich nach der Erfindung ausbilden, zeigt und

Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt eines Meniskus, der sich durch Zusammenwirken des fluiden Mediums mit einer Rippe im kugelförmigen Tank nach der Erfindung ausbildet.

Die Erfindung basiert auf dem Prinzip der Kapillarwirkung fluider Medien. In der Praxis sind mindestens zwei nicht mischbare fluide Medien und ein nach der Erfindung ausgebildeter Vorratstank vorgesehen. Die fluiden Medien bilden durch Oberflächenspannung skr äf te eine Zwischenfläche aus. Bekannterweise entsteht eine Zwischenfläche durch intermolekulare Kohäsivkräfte, die an der diskreten Grenze zwischen zwei Substanzen und/oder zwei Phasen derselben Substanz auftritt. Die Oberflächenspannung zweier nicht mischbaren fluiden Medien, wie eines Gases und einer Flüssigkeit, wirken wie eine dünne elastische Membrane praktisch gleicher Spannung an der Oberfläche des fluiden Mediums mit der größten Kohäsivmolekularkraft, also der Flüssigkeit.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für eine Umgebung mit geringem oder gar keinem Schwerefeld besteht in der Form eines kugelförmigen Speichertanks 10, der zwei fluide Medien enthält, eines in Form eines Gases und das andere in Form einer Flüssigkeit. Die Umgebung wird als mit niedrigem oder ohne Schwerefeld angesehen, wenn die statischen oder dynamischen Verhältnisse eines Systems relativ zu seinem sich bewegenden Trägerfahrzeug so behandelt werden können, als wenn tatsächlich

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ein geringes Beschleunigungsfeld vorhanden wäre.

Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf Umgebungen mit geringem oder überhaupt ohne Schwerefeld beschränkt. Wie aus den nachfolgenden Erläuterungen hervorgeht, eignet sich die Erfindung zur Anwendung in jeglichem Beschleunigungsfeld vorausgesetzt, daß die benutzten fluiden Medien geeignet gewählte Dichten haben. Bei der bevorzugten Ausführungsform eliminiert das Schweresystem, dessen Gravitätskonstante klein oder null ist, die Wirkung des unterschiedlichen Gewichtes (Dichte) von Gas und Flüssigkeit. Bei Fehlen der Wirkung des unterschiedlichen Gewichtes der beiden fluiden Medien in einer Umgebung geringen Schwerefeldes oder durch die Verwendung ausgewählter relativer Dichten wird die Oberflächenspannung an der Trennfläche zwischen den fluiden Medien die vorherrschende Kraft, welche die beiden Medien orientiert und ihr Vermischen verhindert. Wenn die Medien in" dem erfindungsgemäßen Speichertank 10 erst einmal richtig orientiert sind, dann wirkt der Gasdruck so, daß er die Flüssigkeit aus dem Tank 10 zur Verteilung an einzelne Verbraucherstellen heraustreibt.

Fig. i zeigt in perspektivischer Darstellung einen Vorratstank 10 in Form einer hohlen kugelförmigen Wandung mit einer Innenwand 11 gleichförmiger Dicke und einem inneren Aufbau, wie er nachfolgend beschrieben wird. Der Tank und sein innerer Aufbau bestehen vorzugsweise aus Metall wie nichtrostendem Stahl. Am oberen Teil des Tanks befindet sich eine zylindrische Einlaßöffnung 26, durch welche die fluiden Medien in das Innere des Tanks 10 gelangen können. Am unteren Teil ist der kugelförmige Tank mit einer Auslaßöffnung 16 für die bevorzugte Entnahme nur einer der beiden fluiden Medien vorgesehen. Zwar sind die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung vorzugsweise von zylindrischer Form, jedoch können sie auch in irgendeiner anderen geeigneten Form oder Gestalt ausgebildet sein. Die öffnungen 26 und 16 liegen sich diametral gegenüber entsprechend der gewünschten Flußrichtung der fluiden Medien vom Eingang zum Ausgang, jedoch können die öffnungen auch an

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anderen Stellen vorgesehen sein, wenn dies nötig ist. Auch können mehr als eine Einlaßöffnung 26 oder Auslaßöffnung 16 vorgesehen sein. Im Falle zusätzlicher Auslaßöffnungen kann eine entsprechende Abwandlung des inneren Aufbaus erforderlich sein. Wie eine solche Abwandlung_f welche das Vorsehen mehrerer öffnungen erlaubt _s aussehen kann _e ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Der innere Aufbau besteht aus einer Konfiguration einer Mehrzahl erster und zweiter Elemente 12 bzw. 14 und einer Auslaßöffnung 16 von zylindrischer Form. Die Auslaßöffnung 16 ist mit einem durchbrochenen Material _t geeigneter Weise in Form eines nichtrostenden. Stahlsiebes, bedeckt. Die ersten und zweiten Elemente 12 und 14 haben ebene Oberflächen- die als Prallflächen dienen und mit der Innenwand 11 Verbindungswege zwischen den Elementen und zwischen Einlaßöffnung 26 und Auslaßöffnung für das fluide Medium bilden_β Die ersten und zweiten Elemente 12 und 14 werden nachfolgend als Primärprallbleche 12 bzw. Sekundärprallbleche 14 bezeichnet.

Die Primärprallbleche 12 bestehen vorzugsweise aus vier symmetrischen, in gleichen Abständen abgeflachten ebenen Oberflächen einer sich erweiternden Form. Jedes Primärprallblech ragt in radialer Richtung von der Innenwand 11 weg und befindet sich vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der inneren Oberfläche der Behälterwand. Die Prallbleche 12 können auch so angeordnet sein, daß sie die Innenfläche II berühren, vorzugsweise bilden sie mit ihr jedoch einen engen Spalt. Dieser Spalt erleichtert die Herstellung und erlaubt Formänderungen, wie sie bei extremen Umgebungstemperatüränderungen auftreten können. Die Primärprallbleche 12 verlaufen entlang der Innenwand der kugelförmigen Behälterwandung von der Einlaßöffnung 24 zur Auslaßöffnung 16 und laufen an den Enden der Achse, in welcher die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung 16 liegen, zusammen. Die Breite (radiale Abmessung) und damit die Fläche der Oberseite jeder der Primärprallbleche 12 soll sich mit zunehmendem Umfangsabstand von der Einlaßöffnung 26 vergrößern, so daß sie ihre größ-

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te Oberseitenfläche in der Nähe der Auslaßöffnung 16 haben. Die zunehmende Breite jedes Prallbleches ist in Fig. 1 durch die radialen Linien 24 bzw. 22 veranschaulicht. Die Linie 24, welche sich näher an die Einlaßöffnung 26 befindet^ ist kürzer (die Prallbleche haben also eine geringere Breite! als die Linie 22 in der Nähe der Auslaßöffnung (wo die Prallbleche breiter sind). Jedes der Prallbleche ist von einer relativ dünnen Wandstärke,, jedoch kann diese Wandstärke mit irgendeiner praktischen Abmessung gewählt werden. Die Anzahl der Primärprallbleche 12 kann beliebig gewählt werden, je nach der Größe and Form des Tanks und nach der Art der verwendeten fluiden Medien.

Die vier Primärprallbleche 12 sind vorzugsweise mit einem gelochten Material in Form eines geschlossenen Zylinders 18 verbunden, der sich an der Auslaßöffnung- 16 des Tanks befindet« Das gelochte Material wirkt als kapillare Gasbarriere gegenüber jedem mit der Flüssigkeit gemischten Gas. Der Siebzylinder 18 verhindert, daB mit der Flüssigkeit vermischtes Gas durch die ÄuslaSöffnung 16 aus dem Tank 10 herausgelangt -, so daß sichergestellt ist, daß nur gasbiasenfreie Flüssigkeit geliefert wird.

Wenn der "Tank in einer kontrollierten Umgebung verwendet wird., so daß er keinen äußeren Beschleunigungen oder Vibrationen ausgesetzt ist (welche das Gas mit der Flüssigkeit vermischen könnten), dann würde auch eine einfache öffnung ohne eine siebförmige Abdeckung für die Auslaßöffnung 16 genügen.

Als Teil des Innenaufbaus können weiterhin vier Sekundärprallbleche 14 vorgesehen sein. Ähnlich wie die Primärprallplatten oder Prallbleche 12 sind die Sekundärprallbleche 14 relativ dünn und haben ebene Oberflächen. Gemäß Fig. 1 ragen die Oberflächen der Prallbleche in radialer Richtung von der Achse 13, in welcher die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung 16 liegen, weg. Die Sekundärprallbleche 14 sind in gleicher Weise mit dem Kapillarzylinder 18 verbunden und liegen

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jeweils zwischen einem Paar benachbarter Primärprallbleche 12. Durch die Anordnung der Primärprallbleche 12 und der Sekundärprallbleche 14 an der Auslaßöffnung 16 werden acht Reservoire 15 für das fluide Medium gebildet, wie Fig. 3 am besten erkennen läßt, wobei sich die Auslaßöffnung 16 am Boden dieser Reservoirs befindet. Die Oberflächen dieser Prallbleche sind praktisch eben. Jedoch können sie gegebenenfalls auch gebogen oder anderweitig geformt sein, so daß sie die gewünschten Wege für das fluide Medium entlang den Verbindungsstellen der Innenwand 11 des Behälters 10 mit den Prallblechen 12 und 14 sowie mit deren Oberflächen bilden.

Der kugelförmige Behälter IO besteht vorzugsweise aus swei Halbkugeln, deren jede so geformt ist, daß die durch den Rand der Halbkugel gebildete Ebene die Achse 13 zwischen Einlaßöffnung 26 und Äuslaflöffnung 16 rechtwinklig schneidet. Jedes der Primärprallbleche 12 ist, beispielsweise durch Verschweißen, fest mit dem Kapillarzylinder 18 derart verbunden* daß sich die Prallbleche 12 In ihrer Länge radial von der Achse des Zylinders 18 weg erstrecken. Die Sekundärprallbleche 14 sind in gleicher Weise fest mit dem iylinder 18 verbunden. Die Prallblech-Zylinder-Anordnung 12, 14, 13 ist innerhalb einer der Halbkugsln durch Befestigung des KapillarZylinders an eine öffnung, beispielsweise der Auslaßöffnung 16, montiert. Die Praliblech-Zylinder-Anordnung 12, 14₀ 13 ist ferner durch Anbringung wie Verschweißen jedes der Primärprallbleche 12 an der Innenfläche der Halbkugel wie an deren Kante befestigt. Die Kugel 10 wird dann durch geeignete Verbindung wie Schweißen oder dgl. ihrer beiden Halbkugeln längs ihres Randes gebildet.

Im Betrieb enthält der Tank sswel fluide Medien, deren eines geeigneterweise gasförmiger Stickstoff ist und als Druckgas von etwa 21 kg/cm dient, während das andere Hydrazin sein kann, der als Treibstoff für das Raumfahrzeug dient. Beide Medien werden durch die Einlaßöffnung 26 in den Tank eingebracht. Herrscht nur eine geringe oder gar keine Schwerkraft, dann beeinflussen die relativen Dichten der Medien nicht die Lage oder Orientie-

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rung der Flüssigkeit innerhalb der Kugel. ■

Die Flüssigkeit sollte so gewählt sein, daß sie das -die Innenfläche 11.des Tankes 10 und die Prallbleche 12 und 14 bildende Material benetzt. Der Grad der Benetzfähigkeit einer bestimmten Flüssigkeit gegenüber einer bestimmten festen Oberfläche ist in der Technik durch den Benetzungswinkel Θ definiert, welcher derjenige Winkel ist, den die Oberfläche der Flüssigkeit mit der Oberfläche des festen Körpers bildet. Die meisten üblichen Treibstoffe benetzen C0<9O) die Oberfläche metallischer lanks mit ©inem Benetzungswinkel In der Nähe von"null.

Bei einer bevoräugten Jkusführtmgsform wird der Tank zunächst teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt? und anschließend wird das Druckgas eingelassen« Bei niedriger oder gar keiner Schwerkraft orientiert sich die Flüssigkeit innerhalb des Tanks nach dem Gesetz der minimalen Oberflächenenergie, Hierbei wirkt die Oberflächenspannung" der Flüssigkeit auf das Flüssigkeitsvplumen so ein, das sich eine Form ausbildete, su welcher eine minimale Oberflächenenergie benötigt wird.-Die Flüssigkeit orientiert sich im Tank 10 ia eine Lage und Form innerhalb eines gegebenen Bereiches des Tanks, bei welcher die Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit möglichst klein ist. Wenn beispielsweise derjkugeiförmige Speichertank 10 nicht irgendwelche inneren Einbauten hätte, sondern nur seine kugelförmige Innenfläche 11? dann würde sich die Flüssigkeit als Hohlkugel ausbilden, welche eine kugelförmig© "Gasblase umschließt. Die Kugelform ist diejenige Form* bei welcher sich die minimale Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit für ein vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen ausbildet. _;

Wird der Tank in einem Antriebssystem für ein Raumfahrzeug verwendet, dann muß der Treibstoff an der Auslaßöffnung 26 unabhängig von der jeweiligen Raumorientierung und unabhängig vom Volumen des restlichen Treibstoffes zur Verfügung stehen. Eine Beschreibung der verschiedenen Stufen oder Phasen der Abgabe des (flüssigen) Treibstoffes aus dem Speichertank

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unter Berücksichtigung der Wirkungen der sich verändernden Volumenanteile von Gas und Flüssigkeit verdeutlicht die Vorteile der hier beschriebenen Erfindung. Die gegenseitigen Wirkungen zwischen den fluiden Medien und den Oberflächen im Speichertank bewirken eine sehr wirksame Abgabe der Flüssigkeit.

Die Form der Flüssigkeit innerhalb des Tanks verändert sich mit dem Fortschreiten der Abgabephasen der Flüssigkeit. Die Form der Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit formt sich selbst auf der Oberfläche des inneren Aufbaus in Abhängigkeit von der Ausdehnung des Gases, wenn die Flüssigkeit aus dem Tank entnommen wird, als wenn die Trennfläche aus einer dünnen zusammenziehbaren Membrane gleichförmiger Spannung zwischen Flüssigkeit und Gas bestehen würde.

Bei der Betrachtung der Flüssigkeitsentnahme sei zuerst eine Phase untersucht, wo das Gasvolumen innerhalb des Tankes geringer als der Leerraum oder der innere freie Teil der Primärprallbleche 14 ist, d.h. wenn die Prallbleche vollständig von der Flüssigkeit bedeckt sind. In dieser Phase orientiert sich die Flüssigkeit unabhängig von der Wirkung der Prallbleche 12 und 14. unter diesen Verhältnissen nimmt die Flüssigkeit den Zustand geringster Oberflächenenergie an und umschließt eine kugelförmige Gasblase. In diesem Zustand ist ein ausreichendes Flüssigkeitsvolumen an der Ausgangsöffnung 16 verfügbar, so daß nur Flüssigkeit ohne Gasblasen unter dem Gasdruck aus dem Tank herausgetrieben wird.

Die zweite Phase tritt ein, wenn das Gasvolumen im Tank den inneren offenen Raum innerhalb der Prallbleche überschreitet, was dann der Fall ist, wenn eine bestimmte Menge des flüssigen Treibstoffes entnommen ist. Da das flüssige Hydrazin die Eigenschaft hat, Metalloberflächen in hohem Grade zu benetzen, benetzt die Flüssigkeit die innere Oberfläche 11 des Tanks und die Prallbleche 12 und 14. Die Flüssigkeit, die dazu neigt, sich nach dem Grundsatz der minimalen Oberflächenenergie zu orientieren, bildet Menisken 40 von der in Fig. 4 grundsätzlich dargestellten Form, bei welcher die Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit minimal ist. Aufgrund ihrer Ober-

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flächenspannung sucht sich die Flüssigkeit in Bereichen des Tanks zu orientieren, welche das größte Flüssigkeitsvolumen in der kleinsten Oberfläche enthält. Wie in Fig. 2 dargestellt und bereits erläutert worden ist, ist die Oberfläche der Primärprallbleche in der Nähe der Auslaßöffnung 16 am größten. Daher bilden die Oberflächenbereiche in der Nähe der Auslaßöffnung 16 ein größeres Reservoir für das flüssige Hydrazin, welches diese Menisken bildet, als die Teile, wo die Prallbleche kleiner sind. Das allmähliche Anwachsen der Größe der Menisken entlang der Prallbleche oder Trennbleche 12 ist in Fig. 3 durch zwei Bereiche 30 und 32 veranschaulicht. Diese Figur stellt einen Schnitt durch den in Fig. 2 gezeigten Tank in der Schnittebene 3-3 dar, wobei zusätzlich die Flüssigkeitsmenisken eingezeichnet sind.

Die Änderung der Größe der Menisken ist durch den relativ größeren Meniskus 32 veranschaulicht, welcher dem größeren Oberflächenbereich (Teil 29) des Primärprallbleches 12 (Fig. 2) entspricht im Vergleich zu dem relativ kleinen Meniskus 30, der sich an dem relativ kleinen Teil 31 der Oberflächenbereiche des Primärprallbleches 12 befindet. Das größere Volumen eines über der Auslaßöffnung 12 orientierten Meniskus stellt sicher, daß genügend Fluidmedium zur Entnahme zur Verfügung steht, so daß die Möglichkeit einer Gasdurchmischung des entnommenen Treibstoffes minimal wird.

Die Sekundärtrennbleche 14 werden vorgesehen, falls nötig, damit sich ein wesentlich größerer Anteil der Flüssigkeit über der Auslaßöffnung 16 orientiert. Die zusätzlichen Oberflächenbereiche der Trennbleche 14 können zur Verdoppelung der Anzahl der keilförmigen Reservoire 15 für die Flüssigkeit unmittelbar oberhalb der Auslaßöffnung 16 vorgesehen werden. Die Flüssigkeit sucht sich in diese kleineren keilförmigen Reservoire 15 zu konzentrieren, da hierzu kleinere Oberflächen für ein relativ größeres Gesamtflüssigkeitsvolumen benötigt werden. Dieses vergrößerte Flüssigkeitsvolumen in der Nähe der Auslaßöffnung 16 stellt ferner sicher, daß die aus dem Tank herausgedrückte

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Flüssigkeit blasenfrei ist.

Die Sekundärtrennbleche 14 ragen in radialer Richtung von der zwischen der Einlaßöffnung 26. und der Auslaßöffnung 16 gebildeten Achse weg. Diese Sekundärtrennflächen 14 erstrecken sich nur über einen Teil des Umfang's des kugelförmigen Tanks 10. Die am weitesten von der Achse" 13 entfernten Enden 20 sind gemäß Fig, 2 so geneigt, daß sie die größten Obsrflächenbesreiche der Trennbleche 14 nahe der Äusgangsöffnung 16 bilden. Die größeren Flüssigkeitsvolumina, die durch Vergrößerung der Anzahl der Flüssigkeitsreservoire 15 oberhalb der Auslaßöff- !iung 16 aur Verfügung stehen, reduzieren die nachteiligen äußeren Einwirkungen» die durch Beschleunigung ond Vibrationen verursacht werden. Wenn beispielsv?eise eine Äisialkraft «ua£ dan Speicher tank 10 in einer Richtung -wirkt _g die mit der gewünschten Flußrichtung äer Flüssigkeit beim Heraustreiben aus den Tank zusammenfällt, ümxn. sucht sich das fluids Medium mit der größeren Trägheit in Sichtung auf die Eingangsöffnung 26 su orientieren. Wenn man also ©Ine genügend große Kraft anwendet, dann sieht sich die Flüssigkeit von der Jmslaßöffnung vollständig zurück,-so aaß in einem soleSisn Falle kein flüssiger Treibstoff .geliefert werden kann? auch wenn er benotigt wird. Ohne die Sekundärtrennbleche 14 bilden die vier primären Trennbleche 12 vier keilförmige Reservoire (±n Form von Quadranten) an der Äuslaßöffnung. Durch Hinzufügen von vier Sekundärtrennbiechen 14 verdoppelt sich die Anzahl der Reservoire», Es sollte also eine geeignete Anzahl von Reservoiren vorgesehen werden, damit sichergestellt wird, daß jede äußere Äxialkraft kompensiert wird, ohne daß die Flüssigkeit sich von der Äuslaßöffnung zurücksieht.

Bestimmte Prinzipien des dynamischen Verhaltens von fluiden Medien, welche bei der hier beschriebenen Erfindung ausgenutzt werden, sind in den NASA-Publikationen unter dem Titel "The Dynamic Behavior of Liquids in Moving Containers" von H. Horman Äbranson, insbesondere im Kapitel 11, beschrieben. Danach wird als Maß für die auf eine Flüssigkeit einwirkenden Kräfte eine

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dimensionslose Zahl, die Bond Number B_Q verwendet. Sie ist ein Maß für die relativen Größen der Schwerkraft und der Kapillarkräfte und stellt einen wichtigen Parameter für die Bezeichnung der kapillarbeherrschten und gravitätsbeherrschten hydrostatischen Verhältnisse dar.

Die hauptsächlichen physikalischen Parameter, welche für Kapillarkräfte bei der Flüssigkeitsorientierung von Bedeutung sind, sind

1.) der Benetzungswinkel Θ

2.) die Oberflächenspannung σ

3.) die Dichte ρ des fluiden Mediums und

4.) der charakteristische Krümmungsradius r der Kapillare. Der Benetzungswinkel Θ ist ein Maß für die Benetzbarkeit eines festen Körpers durch eine Flüssigkeit. Die Benetzbarkeit beträgt in einem System mit einem flüssigen Treibstoff wie Hydrazin in einem nichtrostenden Stahlbehälter praktisch 100%.

Für kleinere Bond-Zahlen B als eins herrschen die Kapillarkräfte vor, und daher bleibt die Flüssigkeit in ihrer ursprünglichen Lage und wirkt damit äußeren Kräften entgegen. Ist die Bond-Zahl dagegen größer als eins, dann reorientiert sich die Flüssigkeit und sucht sich in entgegengesetzter Richtung wie die äußeren Kräfte zu bewegen. Eine Kraft, die von außen auf den Treibstofftank einwirken kann, ohne die Kapillarausbildung der Menisken zu zerstören, ist umgekehrt proportional dem Krümmungsradius des Kapillarmeniskus. Sieht man eine größere Anzahl von Sekundärtrennblechen vor, so daß die Nummer der keilförmigen Reservoire erhöht wird, dann verringert sich der Kapillarradius und vergrößert sich die Flussigkeitshaltefähigkeit der Kapillareinbauten, so daß die Flüssigkeit über der Auslaßöffnung zusammengehalten wird.

Wird der Treibstofftank 10 Vibrationen ausgesetzt, dann wird die Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit zerstört, so daß Gas in die Flüssigkeit eindringen und in ihr Gasblasen bilden kann. Fehlt die Schwerkraft oder andere äußere Kräfte, dann verbleiben die Gasbiasen in der Flüssigkeit. Um zu verhindern,

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daß solche Blasen durch die Auslaßöffnung 16 aus den Tank hinausgelangen, ist bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Treibstofftanks der Zylinder 18 vorgesehen, der, wie bereits erwähnt, aus durchlöchertem Material besteht und vorzugsweise durch ein Sieb aus nichtrostendem Stahl gebildet wird und der als Gassperre gegenüber in der Flüssigkeit enthaltenen Gasblasen unter Ausnutzung der Kapillarwirkung eines benetzten Siebes dient. Ein benetztes Sieb hindert Gasblasen am Durchtritt durch die Sieböffnungen, welche mit Flüssigkeit benetzt sind, deren Oberflächenspannung ausreichend groß ist, um Druckgas am Durchtritt zu hindern. Der Zylinder 18 ist über der Auslaßöffnung 16 angeordnet und umschließt diese vollständig, so daß die aus dem Tank gedrückte Flüssigkeit nicht mit dem Druckgas vermischt ist.

Der hier beschriebene Behälter ist nicht auf die Verwendung bei geringer oder fehlender Schwerkraft beschränkt. Durch Abstimmung der Dichten zweier nichtmischbarer Flüssigkeiten bildet sich infolge der Oberflächenspannungskräfte eine Trennschicht zwischen den Flüssigkeiten aus, wie es im Falle fehlender Schwerkraft oder im Weltraum der Fall ist. Es ist bekannt, daß die Bond-Zahl gegen null geht, wenn die Dichte der beiden Flüssigkeiten übereinstimmt.

Sorgt man dafür, daß die Bond-Zahl B_Q durch entsprechende Wahl der physikalischen Parameter sehr klein oder auch null ist, indem man die relativen Dichten der beiden Flüssigkeiten etwa gleich macht, dann herrschen die Kapillarkräfte (Oberflächenspannung) vor, während die äußeren Kräfte nur wenig oder gar keine Wirkung auf die Trennfläche zwischen den Flüssigkeiten hat.

Durch einen Abgleich der Dichten zweier nichtmischbarer Flüssigkeiten innerhalb des Tanks 10 läßt sich ein Zustand "neutralen Auftriebs" erreichen, bei welchem an der Trennfläche der Flüssigkeiten keine Schwerkraftwirkung auftritt. Der hier beschriebene Tank eignet sich also auch für die Ver-

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wendung zweier Flüssigkeiten gleicher Dichte in unterschiedlichen Beschleunigungsfeldern.

Die üblichste Technik zur Prüfung der Wirkungsweise von Geräten bei geringer oder fehlender Schwerkraft sind Freifall-Versuche. Hierbei läßt man das zu testende Gerät, also in diesem Falle den Tank, aus einer vorbestimmten Höhe ohne störende weitere Einflüsse zur Erde fallen. Da alle Teile des Gerätes in der gleichen Weise beschleunigt werden sind die relativen schwerkraftbedingten Kräfte zwischen Flüssigkeit, Gas und Behälter null. Das Testverfahren bei freiem Fall läßt sich sowohl unter statischen als auch unter dynamischen Bedingungen durchführen. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch in der beschränkten Testzeit, die zwischen den Höhenpegeln, zwischen denen der freie Fall erfolgt, nur zur Verfügung steht. Eine Hohe von ungefähr 30 m ergibt eine Zeit des freien Falls von nur 2,6 s. Die erforderliche Zeit für die Umorientierung einer Flüssigkeit aus dem ursprünglichen Zustand unter Schwerkraft von ein g bis zum Schwerkraftszustand geringer Erdbeschleunigung ist so kurz, daß die auf diese Weise testbaren Modelle in ihrer Größe zu stark beschränkt werden.

Ein brauchbareres Verfahren zur Simulierung eines Zustandes der Schwerkraft null oder zur Inbetriebnahme des hier beschriebenen Behälters unter der Schwerkraft ein g ist die bereits angedeutete Technik des "neutralen Auftriebs". Diese Technik läßt sich auch zur Demonstration bestimmter dynamischer Charakteristika eines Systems für den Fall geringer Gravitation durch entsprechende Wahl der Fehlanpassung der Dichten der beiden Flüssigkeiten anwenden. Das Verfahren des neutralen Auftriebs läßt sich so durchführen, daß man den Tank aus Glas oder Metall (vorzugsweise nichtrostender Stahl) herstellt. Die inneren Oberflächen des Tanks und die Prallbleche werden mit einem nichtadhäsiven Material wie Plastik etwa in Form von Tetrafluoräthylen CC₂F₄) beschichtet. Als Flüssigkeit wird Wasser und eine Lösung von Chloroform und Hexan verwendet. Hierbei benetzt die Lösung von Chloroform und Hexan vorzugsweise die

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Oberfläche der Trennbleche und des Tanks. An der Trennfläche der beiden Flüssigkeiten stellt sich ein Berührungswinkel von nahezu null ein. Der Tetrafluoräthylenfilm ist besonders zweckmäßig, da er durchsichtig ist und eine direkte Beobachtung des Speichertanks im simulierten Betrieb erlaubt.

Die Chloroform/Hexan-Lösung wird zu einer Dichte gemischt, welche etwa mit derjenigen des Wassers übereinstimmt, und die beiden Flüssigkeiten werden im gewünschten Verhältnis, normalerweise 60% Wasser, in den Tank eingefüllt. Die endgültige Dichte dieses Flüssigkeitssystems läßt sich genau einstellen, indem man Tropfen entweder des dichteren Chloroforms oder des weniger dichten Hexans zugibt, bis keiner der flüssigen Bestandteile mehr eine Tendenz zum Hochkriechen zeigt. In diesem Zustand ändert sich die Trennfläche nicht mit ihrer Orientierung im Raum. Da die Dichten der beiden Flüssigkeiten sich mit der Temperatur unterschiedlich ändern, führen Wärmegradienten in der Umgebung des Systems zu Dichteunterschieden und zu einer Zerstörung der Trennfläche. Für Simulationen niedriger Gravitation reicht es jedoch aus, wenn die Umgebungstemperatur innerhalb weniger Grade konstantgehalten wird, wie es in den meisten Fällen für die Raumtemperatur ohnehin gilt.

Abgesehen von dieser unerwünschten Wirkung thermischer Gradienten läßt sich eine thermischbedingte Dichtenveränderung aber auch vorteilhaft ausnutzen. Eine in ihrer Temperatur kontrollierte Kammer läßt sich zur Simulierung von Umweltzuständen niedriger Dichte, wie sie während der Antriebsintervalle eines Raumfahrzeuges auftreten, zum Testen des hier beschriebenen Tanks ausnutzen. Durch Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur können geringe Beschleunigungskräfte simuliert werden. Die effektive Beschleunigung oder der nachgebildete Gravitationswert läßt sich kalibrieren durch Verwendung einer Bezugstrennfläche derselben Flüssigkeiten im geraden Abschnitt eines Zylinders. Beide werden in einer temperaturgeregelten Kammer aufgestellt, und die Temperatur wird auf verschiedene Werte eingestellt. Durch Vergleich der Meniskusform im Bezugs-

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zylinder mit einem bekannten Verlauf der Bond-Zahl B läßt sich der effektive Gravitätswert oder die Beschleunigungskraft bestimmen. Mit diesem Verfahren des neutralen Auftriebs, gemäß der Erfindung, kann auch die statische Trennfläche demonstriert werden, welche während Druckperioden oder anderen Störungsperioden bei der Durchführung der Aufgaben des Raumfahrzeugs auftreten.

Der vorstehend beschriebene Speichertank für in zwei Phasen vorliegende fluide Medien erlaubt die kontinuierliche Entnahme der Medien bis zur Entleerung des Behälters. Trennbleche sorgen zusammen mit der Innenfläche des Tanks für einen Fließweg für das fluide Medium, so daß dieses dort bevorzugt zu einer Auslaßöffnung fließt, wenn es benötigt wird. Dadurch, daß die Benetzungsfähigkeit des benötigten fluiden Mediums größer als die Benetzfähigkeit des anderen fluiden Mediums ist, bildet sich eine optimale Trennflächenform zwischen den beiden Medien infolge von Kapillarwirkungseigenschaften aus. Wenn das fluide Medium vollständig entnommen worden ist, nimmt die Trennfläche die Form von Menisken an den Schnittpunkten der Trennbleche mit dem Behälter ein. Die größeren Trennblechflächen, welche sich näher an der Auslaßöffnung befinden, bilden größere Reservoirs für die Flüssigkeit in der Nähe der Auslaßöffnung. Für die Benutzung des Tanks bei geringer oder gar keiner Schwerkraft, also etwa für Satellitenzwecke, ist die benötigte Flüssigkeit ein Treibstoff wie Hydrazin, und das andere Medium ist ein Druckgas wie Stickstoff.Die beiden Medien mischen sich nicht, und ihre relativen Dichten haben keinen Einfluß auf die Trennfläche. Für die Verwendung unter Einfluß der Schwerkraft ist es erforderlich, daß die fluiden Medien praktisch die gleichen Dichten haben, so daß die Wirkung der Schwerkraft aufgehoben wird. Die zu entnehmende Flüssigkeit hat vorzugsweise eine größere Benetzungsfähigkeit als das andere sich nicht vermischende Medium, welches nur zum Heraustreiben der benötigten Flüssigkeit dient, wobei bevorzugte Benetzungseigenschaften

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gegenüber Tank- und Trennblechoberflächen vorliegen müssen. So muß die benötigte Flüssigkeit eine wesentlich bessere Benetzungsfähigkeit gegenüber diesen Oberflächen haben als die Benetzungsfähigkeit des anderen Mediums.

Wenn die Erfindung auch hauptsächlich für die Verwendung als Vorratstank für einen Treibstoff für Satelliten gedacht ist, so versteht es sich, daß er auch in der beschriebenen Weise zur Speicherung eines ausgewählten von zwei fluiden Medien Verwendung finden kann.

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Claims

Patentansprüche

ί 1.)) Speicherbehälter...für zwei fluide Medien, von denen eines ^*—arftnommen werden soll, wenn der Behälter Bedingungen niedriger oder fehlender Schwerkraft ausgesetzt ist, wobei der Behälter eine erste öffnung zum Einfüllen der Medien und eine zweite öffnung zur Entnahme des ausgewählten Mediums aufweist und über der zweiten öffnung ein siebförmiges Teil angeordnet ist, und wobei eine Kapillaranordnung vorgesehen ist, infolge deren das ausgewählte fluide Medium zur zweiten öffnung fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaranordnung durch eine Mehrzahl von Trennblechen (12) gebildet wird, welche sich von der Innenwand (11) des Behälters (10) nach innen erstrecken und längs der Innenwand von der zweiten öffnung (16) zu einem diametral gegenüberliegenden Bereich der Innenwand verlaufen und in der Nähe der zweiten öffnung ein größeres Stück (22) nach innen ragen als an von der zweiten öffnung entfernten Stelle.
2.) Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die KapiIlaranordnung weiterhin eine Mehrzahl von Sekundärtrennblechen (14) aufweist, welche in der Nähe der zweiten öffnung (16) von der Innenwand nach innen ragen.
3.) Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennz ei ch.net , daß das ausgewählte fluide Medium eine Flüssigkeit und das andere Medium ein Gas ist.
4.) Behälter nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e η η zeichnet , daß das ausgewählte fluide Medium ein flüssiger Hydrazin-Treibstoff ist und daß das andere Medium Stickstoff-Druckgas ist.
5.) Behälter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die beiden fluiden Medien nicht mischbare Flüssigkeiten praktisch gleicher Dichte sind und daß das ausgewählte fluide Medium eine größere Benetzungsfähigkeit

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gegenüber der Kapillaranordnung als das als Druckmittel benutzte Medium ist.

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