DE4337581B4

DE4337581B4 - System zur Versorgung von Motoren eines Raumfahrzeuges mit flüssigem Treibstoff

Info

Publication number: DE4337581B4
Application number: DE4337581A
Authority: DE
Inventors: Christophe Koppel
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1992-11-04
Filing date: 1993-11-04
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: GB2272488A; JPH06206598A; GB2272488B; FR2697587A1; FR2697587B1; GB9322869D0; DE4337581A1; US5531067A; CA2102480A1

Abstract

System zur Versorgung von Motoren eines Raumfahrzeuges, das unter Schwerelosigkeit oder unter Mikrogravitation betrieben wird, mit mindestens einem flüssigen Treibstoff, wobei das System zum Speichern des flüssigen Treibstoffes unter einem bestimmten, den Versorgungsdruck der Motoren übersteigenden Druck steht und einen Haupttank ohne eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung oder eine eine flüssige von einer gasförmigen Phase trennende Vorrichtung umfaßt, sowie einen Hilfstank, der kleinere Ausmaße als der Haupttank aufweist und der mit einer Vorrichtung zur Trennung der flüssigen von der gasförmigen Phase ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Schaltvorrichtung (13; 130) zur Versorgung zumindest einiger Motoren aufweist, wobei die Schaltvorrichtung (13; 130) ein seiektives Wiederauffüllen des Hilfstanks (10; 100) mit Treibstoff aus dem Haupttank (3; 30) ermöglicht, und daß die Versorgung zumindest einiger Motoren des Raumfahrzeugs mit flüssigem Treibstoff in Abhängigkeit von den Flugbedingungen des Raumfahrzeuges aus dem Haupttank (3; 30) oder dem Hilfstank (10; 100) erfolgt, wobei der Treibstoff frei von...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Versorgung Von Motoren eines Raumfahrzeuges, das unter Schwerelosigkeit oder Mikrogravitation betrieben wird, mit mindestens einem flüssigen Treibstoff. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein System zur Versorgung von wiederzündbaren Raketenmotoren und ist hauptsächlich bestimmt für Betriebs und Antriebssysteme von Raumfahrzeugen aller Art, insbesondere von Satelliten oder Trägerfahrzeugen, unabhängig davon, ob sie wiederverwertbar sind oder nicht. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung der Versorgung.
In derartigen Raumfahrzeugen werden Motoren oder andere Empfänger mit Flüssigkeiten (insbesondere mit Treibstoffkomponenten) versorgt, die aus einem oder mehreren Speicherbehältern durch Unterdrucksetzung mit Hilfe von Edelgas ausgestoßen werden. Da die Versorgung erfolgen muß mit Treibstoffflüssigkeiten, die frei sind von Gasanteilen, ist es insbesondere schwierig, derartige Treibstoffflüssigkeiten unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit oder der Mikrogravitation einzusammeln.
Zur Lösung dieses Problems gibt es bereits Vorrichtungen, die speziell dazu ausgebildet sind, eine Flüssigkeit auszustoßen, und die in Tanks angeordnet sind, die unter Schwerelosigkeit benutzt werden sollen. Mit Hilfe derartiger Vorrichtungen kann die im Tank enthaltene Flüssigkeit herausgezogen werden, unabhängig davon, wo sie sich im Tank befindet. Derartige Vorrichtungen nützen die Oberflächenspannungskräfte aus, die unter den Bedingungen der Mikrogravitation entscheidend werden. Derartige Kräfte ziehen die Flüssigkeit in Bereiche, in denen die Wände enger zusammen sind und in denen die Form der Phasengrenzfläche flüssig/gasförmig eine optimale Ausdehnung einnimmt.
Die Behälter und die darin enthaltenen Vorrichtungen zum Ausstoßen der Flüssigkeit (liquid expulsion devices LEDs) können verschiedene Formen aufweisen, die von der beabsichtigten Anwendung abhängig sind, aber sie sind in jedem Falle kompliziert in ihrer Struktur und stark überdimensioniert.

Eine Lösung dieses Dimensionierungsproblemes ist in der französischen Patentanmeldung Nr. 2 655 943 sowie der US-Patentschrift Nr. 5,116,000 beschrieben. Diese Anmeldung zeigt ein Speichersystem, das im Zusammenhang mit einer Treibstoffanordnung, bei der zwei Flüssigkeiten verwendet werden, benutzt werden kann, um flüssigen Treibstoff unter Druck zu speichern. Dabei nimmt jede Flüssigkeit einen Hauptraum ein, der Platz läßt für ein kleines Restvolumen für Gas zur Unterdrucksetzung, und es ist ein zusätzlicher Raum vorgesehen für Gas, der mit dem genannten Restvolumen in Verbindung steht und der als Ausgleichsgefäß dient, wenn der Druck im Hauptraum zunimmt. Der Hauptraum ist somit besser dimensioniert, aber seine interne Struktur bleibt kompliziert und erfordert eine Vorrichtung zum Ausstoßen der Flüssigkeit (LED), deren Ausführung sehr exakt sein muß und schwierig ist. Dies ist mit sehr hohen Kosten verbunden, die das gesamte Versorgungssystem belasten.

Aus der Offenlegungsschrift DE 42 17 051 A1 ist ein Treibstoffversorgungssystem bekannt, bei dem der flüssige Treibstoff ausgehend von einem Haupttank über einen nachgeschalteten Durchlaufbehälter dem Triebwerk des Raumfahrzeugs zugeführt wird. Im Durchlaufbehälter, der kleinere Ausmaße als der Haupttank aufweist, ist eine die flüssige von der gasförmigen Phase trennende Vorrichtung angeordnet.

Die US-Patentschrift Nr. 5,071,093 beschreibt ein Treibstoffversorgungssystem, bei dem ein Haupttank und ein diesem nachgeschalteter Hilfstank zum Einsatz kommen, wobei beide Tanks eine Vorrichtung zum Trennen der gasförmigen von der flüssigen Phase aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu überwinden und ein Versorgungssystem für Raketenmotoren so auszugestalten, daß eine beträchtliche Verringerung der Kosten erzielt werden kann, ohne daß dabei die Gesamtleistung des Systems Einbußen erleidet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Versorgungssystem für Raketenmotoren so auszugestalten, daß verschiedene Motoren und Empfänger nacheinander versorgt werden können, unabhängig von der Stärke, dem Vorzeichen oder der Richtung der Resultierenden der Oberflächeneffekte, die auf das Raumfahrzeug einwirken, und dies ungeachtet einer einfacheren Struktur des Versorgungssystems.

Diese Aufgaben werden durch ein System zur Versorgung von Motoren eines Raumfahrzeuges, das unter Schwerelosigkeit oder unter Mikrogravitation betrieben wird, mit mindestens einem flüssigen Treibstoff, mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Die Verringerung der Masse und der Kosten, die dadurch erreicht wird, daß Haupttanks mit Vorrichtungen zur Trennung der flüssigen Phase von der gasförmigen Phase durch einfache Behälter ersetzt werden, eröffnet günstige Aussichten zur Verbesserung der Konkurrenzfähigkeit von Raumfahrzeugen.

Durch das Wiederauffüllen des Hilfstanks ermöglicht es die Schaltvorrichtung, daß die Motoren, die so verbunden sind, daß sie immer aus einem der Tanks versorgt werden können, je nachdem, welcher dafür gerade geeignet ist, bei vielfachen Gelegenheiten erneut gezündet werden können.

Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung in einer Verbindungsleitung angeordnet, die einen Ausgang des Hilfstanks mit einem Ausgang des Haupttanks verbindet, wobei der Haupttank direkt eine erste Gruppe von Antriebsgliedern und der Hilfstank direkt eine zweite Gruppe von Antriebsgliedern versorgt.

Die Schaltvorrichtung kann als drei Ausgänge aufweisendes Ventil ausgebildet sein.

Bei dieser ersten Ausführungsform umfaßt ein damit verbundenes Verfahren die folgenden Schritte:

a) Versorgung der Hilfsmotoren aus dem Hilfstank;
b) nach einer bestimmten Zeitspanne, die lange genug ist, um eine gasblasenfreie Versorgung aus dem Haupttank sicherzustellen, Vorsorgung der Hauptmotoren aus dem Haupttank und Auslöschen der Hilfsmotoren;
c) Öffnen der Schaltvorrichtung, so daß der Hilfstank gefüllt werden kann;
d) nach einer bestimmten Zeitspanne, die lange genug ist, um den Hilfstank wieder aufzufüllen, Schließen der Schaltvorrichtung;
e) Auslöschen der Hauptmotoren; und
f) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte a) bis e) solange, bis das Fassungsvermögen des Haupttankes aufgebraucht ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung am Ausgang des Haupttankes angeordnet, und ein Satz von Antriebsgliedern wird direkt entweder vom Hilfstank oder vom Haupttank versorgt, sofern die Antriebsglieder aktiviert sind und somit ermöglichen, daß die darin enthaltenen Treibstoffflüssigkeiten herausgezogen werden.

Bei dieser zweiten Ausführungsform umfaßt das damit verbundene Verfahren die folgenden Schritte:

a) Versorgung der Hauptmotoren aus dem Hilfstank;
b) nach einer bestimmten Zeitspanne, die lange genug ist, um eine gasblasenfreie Versorgung aus dem Haupttank sicherzustellen, Öffnen der Schaltvorrichtung, so daß sowohl die Hauptmotoren aus dem Haupttank versorgt werden können als auch der Hilfstank aus dem Haupttank wieder aufgefüllt werden kann;
c) Auslöschen der Hauptmotoren und Schließen der Schaltvorrichtung; und
d) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte a) bis c) solange, bis das Fassungsvermögen des Haupttankes aufgebraucht ist.

Günstig ist es, wenn der Haupttank und der Hilfstank selbständig unter Druck gesetzt werden (sogenannte "blow-down pressurization").

Zusätzlich kann das Versorgungssystem einen Gasbehälter umfassen, um den Haupttank wieder aufzuladen, nachdem er bereits selbständig (durch sogenanntes "blow-down") unter Druck gesetzt wurde.

Durch diese zusätzliche Struktur ist es möglich, die Einsatzdauer des Raumfahrzeuges, das mit dieser Wiederaufladevorrichtung ausgerüstet ist, zu verlängern, ohne daß es notwendig ist, den vorliegenden Haupttank auszutauschen. Um eine günstige Dimensionierung während des Starts zu erreichen, ermöglicht diese Struktur außerdem eine beträchtliche Verringerung des gesamten Platzbedarfs der Apparatur, da in der Wiederaufladevorrichtung ein höherer Druck herrscht.

Günstig ist es, die Tanks mit Hilfe eines einzigen gemeinsamen Behälters unter Druck zu setzen, der zur Unterdrucksetzung Edelgas unter einem hohen Druck enthält.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hilfstank direkt durch den Haupttank unter Druck gesetzt wird, der wiederum selbständig unter Druck gesetzt wird (durch sogenanntes "blow-down").

Aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben sich im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung. Es zeigen:
1: eine erste Ausführungsform eines Versorgungssystems für Raketenmotoren;
2: eine zweite Ausführungsform eines Versorgungssystems für Raketenmotoren;
3: eine veränderte Ausgestaltung, anwendbar für die in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen; und
4: eine weitere Ausführungsform eines Versorgungssystems im Zusammenhang mit einer Antriebsvorrichtung für einen Satelliten.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Versorgungssystems gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsform dient zur Versorgung einer Vielzahl von Antriebsgliedern 1a, ..., 1n; 2a, ..., 2n, beispielsweise der Haupt- und Hilfsschubmotoren eines Trägerfahrzeugs. Sie ist für verschiedene Treibstoffarten anwendbar, z.B. einkomponentige Treibstoffe wie Hydrazin N₂H₄, sogenanntes "dual mode" Hydrazine N₂H₄ und Stickstoffperoxyd N₂O₄, welches zum Betreiben sowohl als einkomponentiger Treibstoff zur Kontrolle von Umlaufbahn oder Stellung als auch als zweikomponentiger Treibstoff für Kulminationspunkt-Manöver geeignet ist. Außerdem ist diese Ausführungsform auch für zweikomponentige Treibstoffe wie Monomethylhydrazin MMH und Stickstoffperoxyd N₂O₄ anwendbar. Im Falle von zweikomponentigen Treibstoffen ist die von jedem der beiden Komponenten verwendete Anordnung mit der in 1 gezeigten identisch.
Eine Anordnung zum Empfang eines einkomponentigen Treibstoffes oder einer der Komponenten eines zweikomponentigen Treibstoffes umfaßt einen als einfacher Behälter ausgebildeten Haupttank 3 mit einer Wand aus Metall, deren Dicke an den in Frage kommenden Treibstoff angepaßt ist. Dieser Tank hat weder eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung (LED) noch eine Vorrichtung zur Trennung der Flüssigkeit vom Gas, wie sie bisher für den Betrieb unter Schwerelosigkeit oder Mikrogravitation notwendig waren. Ein Ausgang 3a des Haupttankes, der in Abhängigkeit von der Schubrichtung von ersten Antriebsgliedern 1a bis 1n positioniert ist, ist über eine Hauptleitung 4 direkt mit diesen Antriebsgliedern verbunden. Ein gegenüber dem Ausgang 3a positionierter Eingang 3b ist über eine Gaseingangsleitung 5 mit einem Gasbehälter 6 verbunden, der zur Unterdrucksetzung verwendet wird. Die Gaseingangsleitung 5 weist ein Abstellventil 7 auf, das vorteilhafterweise pyrotechnisch betätigt wird, sowie eine Rückschlagvorrichtung 8 und einen Druckregulator 9.
Neben dem Haupttank 3 umfaßt das Versorgungssystem einen Hilfstank 10, der in seinen Ausmaßen beträchtlich kleiner ausgebildet ist und der im Gegensatz zum Haupttank 3 eine Vorrichtung zum Ausstoßen von Flüssigkeit aufweist, um eine Strömung von gasblasenfreier Flüssigkeit liefern zu können. Dieser Hilfstank hat ein beträchtlich kleineres Fassungsvermögen als der Haupttank, so daß auch seine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung LED beträchtlich kleinere Ausmaße hat. Sie ist in vorteilhafter Weise in Form einer einfachen Sammlertasche 10c oder in Form von Bälgen ausgebildet, die jeweils einfach, zuverlässig und billig sind. Ein Ausgang 10a des Hilfstankes ist über eine Hilfsleitung 11 direkt mit zweiten Antriebsgliedern 2a bis 2n verbunden. Der Hilfstank 10 ist anfänglich teilweise mit einem Edelgas unter einem geeigneten Druck gefüllt, so daß er selbständig unter Druck gesetzt wird. (Dies ist als sogenannte "blow-down"-Vorrichtung bekannt.)
Eine Verbindungsleitung 12, die eine Schaltvorrichtung 13 aufweist, dient dazu, den Ausgang 3a des Haupttankes mit dem Ausgang 10a des Hilfstankes zu verbinden.
Ein Fachmann ist in der Lage, die beschriebene Anordnung mit Sicherheitsvorrichtungen, Sensoren und verschiedenen Ventilen zum Füllen und Leeren zu vervollständigen, die erforderlich sind, um die Vorrichtung, deren Wirkungsweise nachfolgend beschrieben ist, in Betrieb zu nehmen.
Im Verlauf seines Einsatzes kann es beispielsweise für eine dritte Stufe eines Trägerfahrzeuges oder eines Satelliten erforderlich sein, daß sie unter Schwerelosigkeit betrieben wird. Unter derartigen Bedingungen kann die in seinen Behältern enthaltene Flüssigkeit irgendwo innerhalb der Behälter angeordnet sein. Dies hat im allgemeinen zur Folge, daß Vorrichtungen erforderlich sind, die die Oberflächenspannung ausnützen, um zu bewirken, daß die freie Oberfläche der Flüssigkeit eine bekannte Lage einnimmt. Dies erfordert eine Vielzahl von Abgreifpunk ten oder eine beträchtliche Verkleinerung von Siebblechen zum Binden von Flüssigkeit, die frei ist von Gasblasen.
Im vorliegenden Beispiel hat der Haupttank 3 des Versorgungssystems keine derartige Vorrichtung, und unter bestimmten Flugbedingungen, unter denen die Hauptleitung 4 mit zur Unterdrucksetzung verwendetem Gas versorgt wird, kann dies zu unerwünschten Betriebsbedingungen führen. Deshalb werden im Falle, daß es nicht möglich ist, Flüssigkeit aus dem Haupttank zu ziehen, einige der zweiten Antriebsglieder 2a bis 2n aus dem Hilfstank versorgt. Dieser kann unabhängig von der Höhe, dem Vorzeichen und der Richtung der Resultierenden der Oberflächenkräfte, die auf das System wirken, aktiviert werden, da er eine LED-Vorrichtung aufweist zum Trennen der Flüssigkeit von der Gasphase. Die Versorgung nur derjenigen zweiten Antriebsglieder, die im wesentlichen in dieselbe Richtung wie die ersten Antriebsglieder 1a bis 1n zeigen, bewirkt, daß die im Haupttank enthaltene Flüssigkeit gegen dessen Ausgang 3a getrieben wird, so daß anschließend die ersten Antriebsglieder nach einer bestimmten Zeitverzögerung direkt aus dem Haupttank versorgt werden können.
Parallel dazu ist es möglich, den Hilfstank mit Flüssigkeit aus dem Haupttank wieder aufzufüllen, indem die Schaltvorrichtung 13 eine bestimmte Zeit lang geöffnet wird.
Die oben genannten Schritte können während eines Einsatzes mehrmals wiederholt werden, solange noch Flüssigkeit im Haupttank zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann mehr als 99% des gesamten Fassungsvermögens des Tankes ausgenützt werden. Günstig ist es, die Schaltvorrichtung 13 als elektrisch gesteuertes Ventil auszubilden, das für eine ausreichend lange Zeitspanne geöffnet wird, während der die ersten Antriebsglieder aus dem Haupttank versorgt werden.
Das Ventil 13 kann drei Ausgänge aufweisen, so daß drei Gruppen von Antriebsgliedern versorgt werden können.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Versorgungssystems, in dem der Satz von Antriebsgliedern gleichzeitig vom Haupttank und vom Hilfstank versorgt wird.
Die bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Bauteile werden in 2 mit identischen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Der Haupttank 3 wird über einen Druckregulator 9, eine Rückschlagvorrichtung 8 und ein pyrotechnisch gesteuertes Abstellventil 7 von einem Gasbehälter 6 unter Druck gesetzt. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Beispiel ist der Ausgang 3a des Tankes über die Hauptleitung 4 mit allen Antriebsgliedern 1a bis 1n und 2a bis 2n verbunden, und die Schaltvorrichtung 13 ist direkt am Ausgang des Haupttankes 3 positioniert. Entsprechend ist der Ausgang 10a des Hilfstankes in gleicher Weise über die Hilfsleitung 11 direkt mit allen Antriebsgliedern verbunden.
Wie schon im ersten Ausführungsbeispiel hat der Haupttank 3 keine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung, d.h. er hat kein Siebblech oder sonstige Vorrichtung, die Kapillarkräfte oder Kräfte, die mit der Oberflächenspannung verbunden sind, ausnutzt, und die aufgrund der für solche Vorrichtungen erforderlichen Reinheitsanforderungen schwierig einzubauen und mit sehr beträchtlichen Kosten verbunden ist. Der Haupttank 3 erfordert auch keine Kolben, Bälge, Taschen oder Membranen, die mit einer beträchtlichen Masse verbunden sind und mit Schwierigkeiten des Einbaus, sofern sie in einen "großen" Tank eingebaut werden. Diese Schwierigkeiten weisen dieselbe Größenordnung auf und haben eine weitere nachteilige Wirkung auf die Kosten.
Wie bisher wird der Hilfstank 10 selbständig unter Druck gesetzt (durch sogenanntes "blow-down").
Die Arbeitsweise des Systems erfolgt wie nachfolgend beschrieben, wobei angenommen wird, daß es ursprünglich nicht möglich ist, die Antriebsglieder aus dem Haupttank zu versorgen.
Die ersten Antriebsglieder werden deshalb nur aus dem Hilfstank versorgt, in dem die Oberfläche der Flüssigkeit eine exakte örtliche Lage einnimmt. Dies hat zur Folge, daß die Flüssigkeit im Haupttank gegen den Ausgang 3a getrieben wird. Danach kann die Flüssigkeit aus dem Haupttank gezogen werden, um alle Antriebsglieder zu versorgen, sofern die Schaltvorrichtung 13 am Ausgang des Haupttankes geöffnet ist. Aufgrund der Verbindung, die zwischen den Antriebsgliedern und jedem der Tanks existiert, ist eine der Wirkungen der Versorgung der Antriebsglieder aus dem Haupttank, daß parallel dazu der Hilfstank wieder aufgefüllt wird.
3 zeigt eine veränderte Ausgestaltung in Bezug auf die Unterdrucksetzung des Hilfstankes 10, der nun durch eine Druckerzeugungsquelle 15 über eine Leitung 14 unter Druck gesetzt wird, die sich parallel zu der den Haupttank 3 versorgenden Eingangsleitung 5 erstreckt. Diese einzige Druckerzeugungsquelle 15 dient somit dazu, sowohl den Haupttank als auch den Hilfstank unter Druck zu setzen. Diese Anordnung ist in gleicher Weise für die in 1 dargestellte erste Ausführungsform wie für die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform anwendbar. (In 3 ist als Beispiel lediglich die in 2 dargestellte Ausführungsform gezeigt.)
Bei einer weiteren Ausgestaltung wird der Haupttank 3 selbständig unter Druck gesetzt ("blow-down"), und die Druckerzeugungs quelle 15 ist mit einem Behälter zum Wiederauffüllen lediglich des Haupttankes mit Gas zur Unterdrucksetzung ausgebildet, da der Hilfstank 10 in gleicher Weise mit seiner eigenen internen Unterdrucksetzung ausgebildet ist.
Besonders günstig ist eine derartige Anordnung im Zusammenhang mit existierenden Vorrichtungen, da sie es ermöglicht, das Fassungsvermögen des Versorgungssystems zu erhöhen, ohne den bereits eingebauten Tank zu verändern. Im Verhältnis zu einem System, das nur eine Tankanordnung mit selbständiger Unterdrucksetzung aufweist, kann der gesamte Platzbedarf des Versorgungssystems im Entwurfsstadium verringert werden, da in dem Wiederaufladebehälter ein größerer Druck herrscht.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind keine externe Druckerzeugungsquelle oder Wiederaufladebehälter vorgesehen, so daß der Haupttank 3 ebenso wie der Hilfstank 10 selbständig unter Druck gesetzt wird. Nachdem die ersten oder zweiten Antriebsglieder versorgt wurden, wird der Hilfstank durch Kompression wieder unter Druck gesetzt, die dadurch erzielt wird, daß während der Zeitspanne, in der das Schaltventil 13 geöffnet ist, Flüssigkeit aus dem Haupttank eingespritzt wird, so daß die in den Tanks herrschenden Drücke am Ende der genannten Zeitspanne ein Gleichgewicht erreichen. Diese Zeitspanne kann im voraus bestimmt werden als Funktion der erforderlichen Strömungsrate und als Funktion der in den jeweiligen Tanks herrschenden Drücke.
4 zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Versorgungssystems bei einem geostationären Satelliten.
Wie in den vorigen Fällen umfaßt das System einen Haupttank 30 und einen Hilfstank 100, deren externe Unterdrucksetzung ge meinsam mit Hilfe eines Gasbehälters 60 erfolgt. Der Haupttank zur Versorgung des Motors mit Treibstoff während der Lebensdauer des Satelliten ist schräg ausgerichtet und hat einen Ausgangspunkt 30a, der in bekannter Weise angeordnet ist, so daß Treibstoff frei von Gasblasen zur Verfügung steht. Ebenfalls in bekannter Weise umfaßt der Satellit zumindest einen Kulminationspunkt-Motor 100a, 100b und stellungs- und bahnkontrollierende Motoren 200a bis 200n. Der (die) Kulminationspunkt-Motor(en) ist (sind) über entsprechende Einspritzventile 101 und 201 und über ein gemeinsames Abstellventil 20 direkt mit dem Haupttank 30 verbunden, während die kleineren Motoren mit dem Hilfstank 100 verbunden sind.
Eine Leitung 120, die ein Schaltventil 130 aufweist, verbindet die Treibstoff-Ausgangspunkte 30a und 100a der beiden Tanks. Gestrichelte Linien 31 und 32 zeigen die freie Oberfläche des Treibstoffes, der im Haupttank enthalten ist, wenn der (die) Kulminationspunkt-Motor(en) in Betrieb ist (sind) und wenn die Motoren zur Kontrolle der Stellung und der Bahn des Satelliten in einem Süd-Manöver in Betrieb sind.
Üblicherweise hat der Haupttank ein Volumen von ungefähr 1.000 dm³ (der Tank kann aus einer Vielzahl kleinerer Tanks aufgebaut sein), und der Hilfstank kann für eine Nutzlast von 1 bis 2 dm³ (Gesamtvolumen 2 bis 4 dm³) dimensioniert sein. Dieses Volumen ist ausreichend, um zumindest ein Nord/Süd-Manöver auszuführen. Das Volumen des Gasbehälters zur Unterdrucksetzung beträgt ungefähr 80 dm³. Die verwendeten Drücke betragen ungefähr 2 MPa in jedem Tank und 25 MPa im Gasbehälter zur Unterdrucksetzung.
Um nicht verwertbare Reste zu verkleinern, kann der Haupttank eine Vorrichtung umfassen, die ein Hin- und Herschütteln ver meidet, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht wird.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Versorgungssystems für ein typisches Beispiel einer Satellitenverlagerung beschrieben, d.h. während eines Kulminationspunktmanövers, dem weitere Manöver zur Kontrolle der Bahn und der Stellung folgen.
Angenommen, die Haupttanks und die Hilfstanks wurden ursprünglich auf der Erde oder während des Betriebes in früheren Stadien mit Treibstoffflüssigkeit gefüllt, so verläuft die Arbeitsweise wie folgt:
Für das Kulminationspunktmanöver:
Nach der schwerelosen Phase des Übergangs in die geostationäre Bahn sind die Treibstoffflüssigkeiten (ohne Gasblasen) nur aus den Hilfstanks 100 verfügbar. Deshalb geht dem Betrieb des Kulminationspunkt-Motors ein Betrieb der die Bahn oder die Stellung kontrollierenden Motoren voraus, um die Treibstoffflüssigkeiten gegen ihre entsprechenden Haupttanks zu schieben.
Die Schaltventile 130 sind ursprünglich geschlossen und die folgenden Schritte werden durchgeführt:

a) Die stellungskontrollierenden Motoren werden betrieben, um die Treibstoffflüssigkeiten in ein Ende ihrer entsprechenden Tanks zu treiben, so daß eine freie Oberfläche jeder Treibstoffflüssigkeit entsprechend der Oberfläche 32 erzielt wird;
b) nach einer Zeitspanne, die in Abhängigkeit der Hin- und Herbewegung in den Haupttanks (ungefähr eine Sekunde) bestimmt wird, wird der Kulminationspunkt-Motor in Betrieb gesetzt und die stellungskontrollierenden Motoren werden ausgelöscht;
c) die Schaltventile werden geöffnet, um die Hilfstanks wieder aufzufüllen;
d) nach einer Zeitspanne, die dadurch bestimmt wird, daß gewährleistet ist, daß die Hilfstanks aufgefüllt wurden, werden die Schaltventile geschlossen;
e) der Kulminationspunkt-Motor wird ausgelöscht; und
f) die Schritte a) bis e) können wiederholt werden, wobei der Kulminationspunkt-Motor wieder gezündet wird.

Für ein bahnkorrigierendes Manöver:
Sofern die Nord/Süd-Bewegung immer in derselben Richtung erfolgt (beispielsweise in Richtung Norden), dann werden die aufeinanderfolgenden Schritte wie folgt durchgeführt, wobei die Schaltventile ursprünglich geschlossen sind:

a) Die einen Schub in Richtung Süden bewirkenden Motoren werden betrieben, um die Treibstoffflüssigkeiten in Richtung der entsprechenden Enden der Haupttanks zu treiben;
b) nachdem eine bestimmte Zeitspanne verstrichen ist, die bestimmt wird als Funktion der Hin- und Herbewegung in den Haupttanks (ungefähr eine Sekunde), werden die Schaltventile geöffnet;
c) die Treibstoffflüssigkeiten aus den Haupttanks werden direkt den sich in Betrieb befindenden Motoren zugeführt, und sie dienen außerdem dazu, die Hilfstanks zu füllen, die Vorrichtungen zur Phasentrennung umfassen; und
d) am Ende des Betriebes der einen Schub in Richtung Süden bewirkenden Motoren werden gleichzeitig die Einspritzventile und die Schaltventile geschlossen.

Für ein stellungskontrollierendes Manöver:
Die Versorgung der benutzten Motoren erfolgt ausschließlich aus den Hilfstanks, die Phasentrennungsvorrichtungen (LEDs) aufweisen. Die Amplitude der Manöver ist somit durch das Fassungsvermögen der Hilfstanks begrenzt, aber der Verbrauch während solcher Manöver ist immer sehr gering.
Sollte es trotzdem notwendig sein, die Hilfstanks wieder aufzufüllen, so ist es möglich, einen bahnkontrollierenden Zyklus wie folgt durchzuführen, wobei angenommen wird, daß die Schaltventile ursprünglich geschlossen sind:

a) Die einen Schub in Richtung Süden bewirkenden Motoren werden betrieben, um die Treibstoffflüssigkeiten in ein Ende ihrer Haupttanks zu treiben;
b) nach einer bestimmten Zeitspanne, die bestimmt wird in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung in den Haupttanks (ungefähr eine Sekunde), werden die Schaltventile geöffnet;
c) die sich in Betrieb befindenden Motoren werden direkt mit Treibstoffflüssigkeiten aus den Haupttanks versorgt und gleichzeitig werden die Hilfstanks, die einen Phasentrennungsvorrichtung aufweisen, wieder aufgefüllt; und
d) nach einer bestimmten Zeitspanne werden die Einspritzventile und die Schaltventile gleichzeitig geschlossen.

Claims

System zur Versorgung von Motoren eines Raumfahrzeuges, das unter Schwerelosigkeit oder unter Mikrogravitation betrieben wird, mit mindestens einem flüssigen Treibstoff, wobei das System zum Speichern des flüssigen Treibstoffes unter einem bestimmten, den Versorgungsdruck der Motoren übersteigenden Druck steht und einen Haupttank ohne eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung oder eine eine flüssige von einer gasförmigen Phase trennende Vorrichtung umfaßt, sowie einen Hilfstank, der kleinere Ausmaße als der Haupttank aufweist und der mit einer Vorrichtung zur Trennung der flüssigen von der gasförmigen Phase ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Schaltvorrichtung (13; 130) zur Versorgung zumindest einiger Motoren aufweist, wobei die Schaltvorrichtung (13; 130) ein seiektives Wiederauffüllen des Hilfstanks (10; 100) mit Treibstoff aus dem Haupttank (3; 30) ermöglicht, und daß die Versorgung zumindest einiger Motoren des Raumfahrzeugs mit flüssigem Treibstoff in Abhängigkeit von den Flugbedingungen des Raumfahrzeuges aus dem Haupttank (3; 30) oder dem Hilfstank (10; 100) erfolgt, wobei der Treibstoff frei von Gasblasen von einem zu einer Unterdrucksetzung verwendetem Gas ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (13; 130) in einer Verbindungsleitung (12; 120) angeordnet ist, die einen Ausgang (10a; 100a) des Hilfstankes (10; 100) mit einem Ausgang (3a; 30a) des Haupttankes (3; 30) verbindet, wobei der Haupttank (3; 30) direkt eine erste Gruppe von Antriebsgliedern (1a bis 1n) und der Hilfstank (10; 100) direkt eine zweite Gruppe von Antriebsgliedern (2a bis 2n) versorgt.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (13; 130) durch ein drei Ausgänge aufweisendes Ventil ausgebildet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (13; 130) am Ausgang (3a; 30a) des Haupttankes (3; 30) angeordnet ist und daß der Satz von Antriebsgliedern (1a bis 1n, 2a bis 2n; 100a, 100b, 200a bis 200n) direkt entweder vom Hilfstank (10; 100) oder vom Haupttank (3; 30) versorgt wird, sofern die Antriebsglieder aktiviert sind und somit ermöglicht ist, daß die darin enthaltenen Treibstoffflüssigkeiten herausgezogen werden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupttank (3; 30) und/oder der Hilfstank (10; 100) selbständig unter Druck gesetzt werden.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank, der selbständig unter Druck gesetzt wird, einen Behälter zum Wiederauffüllen des Tanks umfaßt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tanks (3, 10; 30, 100) extern von einem Gasbehälter (6; 60) unter Druck gesetzt werden, der Gas unter einem hohen Druck enthält und sowohl den Haupttank (3; 30) als auch den Hilfstank (10; 100) versorgt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstank (10; 100) direkt durch den Haupttank (3; 30) unter Druck gesetzt wird, der selbst ohne externe Quelle unter Druck gesetzt wird.
Verfahren zur Versorgung von Haupt- und Hilfsmotoren eines Raumfahrzeuges unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit oder der Mikrogravitation aus einem die Hauptmotoren versorgenden Haupttank ohne Vorrichtung zur Trennung einer flüssigen Phase von einer Gasphase und aus einem die Hilfsmotoren versorgenden, beträchtlich kleiner als der Haupttank ausgebildeten Hilfstank mit einer Vorrichtung zur Trennung der flüssigen Phase von der Gasphase, mit einer zwischen einem Ausgang des Haupttankes und einem Ausgang des Hilfstankes angeordneten Schaltvorrichtung, die selektiv eine Verbindung zwischen dem Haupttank und dem Hilfstank herstellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: a) die Hilfsmotoren werden aus dem Hilfstank versorgt; b) nach einer bestimmten Zeitspanne, die lange genug ist, um eine gasblasenfreie Versorgung aus dem Haupttank sicherzustellen, werden die Hauptmotoren aus dem Haupttank versorgt und die Hilfsmotoren ausgelöscht; c) die Schaltvorrichtung wird geöffnet, um das Auffüllen des Hilfstankes zu ermöglichen; d) nach einer bestimmten Zeitspanne, die lange genug ist, um das Wiederauffüllen des Hilfstankes zu ermöglichen, wird die Schaltvorrichtung geschlossen; e) die Hauptmotoren werden ausgelöscht; und f) gegebenenfalls werden die Schritte a) bis e) solange wiederholt, bis das Fassungsvermögen des Haupttankes aufgebraucht wurde.
Verfahren zur Versorgung von Haupt- und Hilfsmotoren eines Raumfahrzeuges unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit oder Mikrogravitation aus einem Haupttank ohne Vorrichtung zur Trennung einer flüssigen Phase von einer Gasphase und aus einem in seinen Ausmaßen beträchtlich kleiner als der Haupttank ausgebildeten Hilfstank mit einer Vorrichtung zur Trennung der flüssigen Phase von der Gasphase, wobei die Tanks zusammen die Hauptmotoren und die Hilfsmotoren versorgen, mit einer an einem Ausgang des Haupttankes angeordneten Schaltvorrichtung, die selektiv eine Verbindung zwischen dem Haupttank und den Motoren herstellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: a) die Hauptmotoren werden aus dem Hilfstank versorgt; b) nach einer bestimmten Zeitspanne, die lange genug ist, um eine gasblasenfreie Versorgung aus dem Haupttank sicherzustellen, wird die Schaltvorrichtung geöffnet, um zu ermöglichen, daß sowohl die Hauptmotoren aus dem Haupttank versorgt werden als auch der Hilfstank aus dem Haupttank wieder aufgefüllt wird; c) die Hauptmotoren werden ausgelöscht und die Schaltvorrichtung geschlossen; und d) gegebenenfalls werden die Schritte a) bis c) solange wiederholt, bis das Fassungsvermögen des Haupttankes aufgebraucht wurde.