DE2458368C3 - Vorratsbehälter für zwei Fluida - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vorratsbehälter nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

Beim Raumflug eines künstlichen Erdsatelliten muß darauf geachtet werden, daß er seine Raumlage relativ zu einem gegebenen Bezugspunkt im Raum beibehält. Um diese Raumlage zu verändern oder beizubehalten, sieht man Hiifsantriebssysteme vor, die Schubkräfte in der Größenordnung von 2 kg oder weniger zu entwickeln. Bei derartigen Hilfsantriebssystemen muß zuverlässig dafür gesorgt werden, daß das Treibmittel gleichmäßig und genau gesteuert aus einem Vorratstank ausgestoßen und zu den Schubtriebwerken gefördert wird. Wird ein flüssiges Treibmittel wie Hydrazin verwendet, so muß man Maßnahmen treffen, um die Einmischung von Druckgas wie Stickstoff in das ausgestoßene flüssige Treibmittel zu verhindern. Wird Gas in das flüssige Treibmittel eingemischt und zusammen mit diesem ausgestoßen, so hat dies zur Folge, daß die Triebwerke unregelmäßige und unangemessene Schubwirkungen erzeugen. Damit die schädlichen Auswirkungen der Vermischung des Stickstoff-Inertgasdruckmittels mit dem Hydrazin-Treibmittel vermieden werden, muß über dem Auslaß des Treibmitteltankes ständig ein Vorrat an gasfreiem Flüssigtreibmittel für die Förderung an die Triebwerke bereitstehen. Das Problem der Bereitstellung von gasfreiem Flüssigkeitsm'ttel wird besonders akut in der Endphase der Entleerung, wenn nur noch eine verhältnismäßig kleine Menge an Treibflüssigkeit im Tank verbleibt, während der lnnenr:;um des Tanks zum größten Teil vom inerten Druckgas eingenommen wird.

Die derzeit verfügbaren Treibstoffvorratssysteme lassen sich allgemein in solche passiver und solcher aktiver Art einteilen. Die aktiven Systeme, z. B. solche mit elastometrischen Blasen, metallischen Membranen, Druckdosen und Kolben, sind häufig kompliziert im Aufbau, von kurzer Lebensdauer und relativ schwer und bereiten Schwierigkeiten hinsichtlich der Ausgabe des Treibstoffes in der Endphase der Entleerung. Passive Systeme beruhen darauf, daß der flüssige Treibstoff mit Hilfe von Druckgas aus dem Vorratsbehälter oder Tank ausgeblasen wird. Zur Bereitstellung eines gasfreien Flüssigtreibstoffes ist häufig die Verwendung von an sich unerwünschten Trennmembranen erforderlich.

Ein Vorratsbehälter der eingangs genannten Art mit einem im oben erläuterten Sinne passiven System wurde bereits in der DE-OS 23 20 245 vorgeschlagen. Bei dem vorgeschlagenen Behälter wird die den Tank unterteilende Trennwand durch einen Kapillarzylinder aus siebartig gelochtem Material gebildet Er soll verhindern, daß mit der Flüssigkeit vermischtes Gas durch die Auslaßöffnung des Tanks herausgelangt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere für Treibmittel von Satelliten-Triebwerken geeigneten Vorratsbehälter mit einem passiven System anzugeben, der eine praktisch vollständige Entnahme des Nutzvorrates ohne die Gefahr einer Vermischung der beiden Fluida ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise im Schnitt wiedergegebene Darstellung eines kugelförmigen Vorratstanks in erfindungsgemäßer Ausbildung;

F i g. 2 eine Scitenschnittdarstellung des Vorratstanks nach Fi g. 1;

F i g. 3 eine von oben gesehene Schnitidarstellung des

Vorratstanks nach Fig.2, gesehen in der Schnittebene 3-3 in Fig.2, mit Veranschaulichting der Form der Flüssigkeitsbänder;

Fig.4 eine im Schnitt wiedergegebene Stirnansicht eines Stückes eines der Förderrohre;

Fig.5 und 6 fragmentarische Darstellungen der Förderrohranordnung in verschiedene π Betriebsarten;

F i g. 7 eine schematische Darstellung der Anordnung in Betriebslage;

Fig.8 eine schematische Darstellung, die ien m FlüssigkeitsHuß veranschaulicht; und

F i g. 9 einen Schnitt in der Schnittebene 9-9 in F i g. 7.

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

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

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

Die Erfindung ist jedoch in ihrer Anwendung nicht auf t>o eine solche Umgebung mit schwachem oder fehlendem Gravitationsfeld beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung unter beliebigen Beschleunigungsbedingungen anwendbar, vorausgesetzt, daß die verwendeten Fluida entsprechende relative Dichten haben. Bei der bevor- μ zugten Ausführungsform, beispielsweise im Falle eines in einem Orbit umlaufenden Raumfahrzeuges, wird durch dessen System mit niedrigem oder Nullwert von g die Auswirkung des unterschiedlichen Gewichtes (der unterschiedlichen Dichte; des Gases und der Flüssigkeit beseitigt Bei fehlendem Effekt des Faktors des unterschiedlichen Gewichts der beiden Fluida un'er Verhältnissen niedriger Gravität oder bei Kompensation des Gravitätseffektes durch Wahl entsprechender relativer Dichten der Fiuida wird die Oberflächenspannung an der Grenzfläche der Fluida die vorherrschende Kraft, welche die beiden Fluida orientiert und ihre Vermischung verhindert. Wenn die Fluida im Vorratstank richtig orientiert sind, bewirkt der Druck des Gases, daß die Flüssigkeit (das Treibmittel) aus dem Tank (10) zwecks Weiterleitung an eine Verbrauchervorrichtung, beispielsweise die Schubtriebwerke des Hilfsantriebssystems eines Raumfahrzeuges, ausgeblasen oder ausgestoßen wird.

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

Die Inneneinrichtung ist allgemein so getroffen, daü das Innere des Tanks 10 in drei getrennte Abteile unterteilt wird: ein Einlaßabteil 24, ein Innenabteil 26 und ein Auslaßabteil 28. Das Einlaßabteil 24 ist von sowohl dem Innenabteil 26 als auch dem Auslaßabteil 28 durch eine vorzugsweise massive Trennplatte 25. zweckmäßigerweise eine runde Platte oder Scheibe. getrennt, die wie die anderen Bauteile aus einem Werkstoff, beispielsweise korrosionsbeständigem Stahl, besteht, der eine hohe Benetzbarkeit aufweist und von den im Hohlkugelkörper enthaltenen Fluida nicht durchdrungen we.'den kann. Die Trennplatte 25 kann aber auch porös ausgebildet sein. Die Trennplatte 25 ist an der Innenfläche 11 des Vorratstanks 10 befestigt, so daß Flüssigkeil zwischen dem Einlaßabteil 24 und entweder dem Auslaßabteil 28 oder dem Innenabteil 26 gehalten wird, wobei das Nachfüllen oder die Ergänzung von Flüssigkeit durch öffnungen in Förderrohren 14 und 16 erfolgt. Die Trennplatte 25 ist so dick, daß sie sich starr an der Wandung des Vorratstanks ?0 abstützt, jedoch nicht so dick, daß sie das Gesamtgewicht des Tanks 10 übermäßig vergrößert. Bei der oben beschriebenen Anordnung steht die Einlaßöffnung 15 in Verbindung mit dem Einlaßabteil 24. Ebenso steht die Auslaßöffnung 30 in direkter Verbindung mit dem Auslaßabteil 28 sowie über eine poröse Siebschale 27 in Vemindung mit dem Innenabteil 26.

Die beiden Förderrohre 14 und 16 sind gebogene Rohre von irgendeiner vorzugsweise jedoch rechteckigen Querschnittsform, die dicht bei der Innenfläche Il

des Tanks 10 angeordnet sind und von der Einlaßöffnung 15 entlang der Innenflache 11 des Tanks 10 bis zur Trennplatte 25 verlaufen, und zwar in einem gleichmäßigen Spaltabstand L (dargestclll in I" i g. 6) von der Innenflächen.

Die Trennplatte 25 weist zwei Öffnungen auf, durch die hindurch jedes der beiden Förderrohre 14 und 16 eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Einlaßabteil

24 und dem Innenabteil 26 herstellt. Das Innenabteil 26 und das Außenabteil 28 sind durch die Sicbschale 27 aus porösem Material begrenzt und voneinander getrennt. Die Siebschale 27 hat die Form einer Kugelkappe, die zur Abstützung zweckmäßigerweise an der Trennplatte

25 befestigt ist. Das poröse Material kann ein Siebgeflecht von verhältnismäßig hoher Feinheil sein, ι "> beispielsweise mit einem Porendurchmesser von 30 μιτι und aus einem Material, das eine gute Dochtwirkung aufweist. Die Siebschale 27 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß der Zwischenraum zwischen ihr und der Innenfläche 11 im wesentlichem gleichförmig ist.

Die Größenabmessungen der drei Abteile (24, 26, 28) richten sich nach den Erfordernissen der jeweiligen Raumflugmission. Die Förderrohre (14 und 16), die vom Tankeinlaß 15 zur Trennplatte 25 führen, stellen eine Treibstoffverbindung vom Hauptbehälterraum des 2^ri Tankes zum Zweitabteil 26 unter der Trennplatte her. Das Zweitabteil 26 verhindert als. Gasabfangraum, daß sich ansammelndes Gas in das Auslaßabteil 28 eintreten kann, und es stellt außerdem eine redundante Betriebsweise sicher, wie noch beschrieben wird. Das dritte Abteil 28 ist mit Flüssigkeit (Treibstoff) gefüllt und wird als letztes entleert. Wenn alle Flüssigkeit mit Ausnahme der im Auslaßabteil ausgeblasen oder ausgetrieben ist, tritt aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung Gas durch die Perforationen, und die Ausblasung ist r, vollständig.

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

Die dicht bei der Innenwand 11 befindlichen Siebflächen 18 und 19 der Förderrohre 14 und 16 sorgen »45 für eine gute Flüssigkeitsverbindung während der Endphase der Flüssigkeitsentleerung. Das obere Ende jedes der Förderrohre 14 und 16 endet in je einem Sieb oder Lochplattenpaar 20 bzw. 21, und die beiden Enden sind durch ein Bauteil 31 an der Einlaßöffnung 15 zusammengefügt.

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

Die unteren Enden der Rohre 14 und 16 sind offen und an der Trennplatte 25 befestigt, wie bereits beschrieben.

Die Trennplatte 25, welche die Kammer 24 von den Kammern 26 und 28 trennt ist, wie bereits erwähnt, vorzugsweise massiv ausgebildet Die Trennplatte 25 kann auch aus einem porösem Material bestehen. Die Porenweile einer solchen porösen Wandung ist kleiner als die Porenweite der linden der Rohre 14 und 16 sowie der Sciienwandtcilc 19. Die jeweils zu wählende Porenweile oder l.ochgrößc hängt vom Kapillarprinzip ab, wie noch beschrieben wird. Die Anbringung einer Sieb- oder porösen Wand (18, 19) auf mindestens einer Seile der Förderrohre 14 und 16 hat den Zweck, ein vorzeitiges Kindringen von Gas in die die Flüssigkeitsverbindung zwischen den Abteilen oder Kammern 24 und 26 herstellenden Förderrohre 14 und 16 zu verhindern, dagegen das Einströmen von Flüssigkeit in die perforierte Seitenwand des Kanalrohres zu ermöglichen. F i g. 4 zeigt eine Stirnansicht des Fördcrrohres 16 mit Lochplatten 21.1 und 216 und der porösen oder -Siebwand 19. Wie bereits erwähnt, erzeugen die benetzten Siebe 18 und 19 sowie die Lochplattcnpaare 20a, 20bund 21a, 21 beine meniskusförmige Grenzfläche zwischen der benetzenden Flüssigkeil und dem Druckgas, die infolge der Oberflächenspannung und der Adhäsionskraft ausreichend fest ist, um einem gewissen Gasdruck standzuhalten, ohne daß Gas durch die Löcher der Lochplattenpaare 20 und 21 oder durch die porösen Wandungen 18 und 19 hindurchströmen kann. Diese Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche bleibt solange erhalten, bis im wesentlichen die gesamte die Außenseite der Förderrohre 14 und 16 berührende Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 ausgeblasen ist.

Sobald im wesentlichen die gesamte mit den Förderrohren 14 und 16 in Berührung stehende Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 entleert ist, sollten die stirnseitigen Lochplattenpaare 20 und 21 als erstes das Gas einlassen, bevor Gas durch die porösen Wandflächen 18 und 19 einströmen kann, so daß im wesentlichen die gesamte in den Förderrohren 14 und 16 enthaltene Flüssigkeit entleert wird. Dadurch, daß das Gas zuerst bei den Stirnplattenpaaren 20 und 21 Einlaß findet, wird verhindert, daß infolge Einströmung durch die porösen Wände 18 und 19 Gasblasen in der Flüssigkeit innerhalb eines oder beider Förderrohre 14 und 16 entstehen und dadurch ein Teil des Flüssigkeitsverbindungsweges zur Innenkammer 26 abgetrennt oder unterbrochen wird. Wenn eine solche Trennung der Flüssigkeit innerhalb des Förderrohres 14 oder 16 erfolgt, so kann es geschehen, daß der abgetrennte Flüssigkeitsteil nicht aus dem Vorratstank 10 abgelassen wird.

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

F i g. 5 zeigt die Orientierung des verbliebenen Rests des Flüssigtreibstoffes bei Nullbeschleunigung, wobei der Treibs'off nach wie vor mit konstanter Förderrate angeliefert wird. Dagegen wird während Schubintervallen das restliche Flüssigkeitsvolumen umorientiert und es bildet sich, entfernt von der Hauptmenge der Flüssigkeit ein Flüssigkeitsband von der in Fig.6 gezeigten Hohlkehlenform aus. Aufgrund dieses Flüssigkeitsbandes kann nach wie vor Flüssigtreibstofl durch die Siebwand 19 des Förderrohres 16 hindurch in die Kammer 26 und anschließend in die Kammer 28 fließen. Bei der Bestimmung der öffnungs- oder Maschenweite der Siebwände 18 und 19 relativ zui Öffnungsweite der Lochplattenpaare 20 und 21 muß das kapillare Festhaltevermögen für verschiedene poröse Materialien berücksichtigt werden. Richtlinien über das

suitische und cliis dynamische Festhaltevermögcn verschiedener Siebe und Loehplatten findet man in den Veröffentlichungen »Design Guide for Surface Tension Positive Expulsion Tankage« von C. A. Λ r in ο η traun ι. Bell Acrosysiems, 19b8, und »Research Task 631« von Martin Marietta Corporation, 1%9.

Weiter müssen, um eine vollständige Entleerung der Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 sicherzustellen. Überlegungen hinsichtlich der Abmessung L. d. h. des Abstandes der Fördcrrohre 14 und 16 von der Innenwand 11 des Vorratstanks 10 getroffen werden. Die Abmessung L ist ein Systemparameter, dessen Wert von den maximal zu erwartenden Bcschleunigungskräften. denen das System ausgesetzt ist, abhängt, wie nachstehend erläutert wird.

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

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

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

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

Für den ungünstigsten Fall einer Beschleunigung von 0,02 g kann eine Spaltbreite L zwischen Rohr und Wand von 3,2 mm verwendet werden. Bei Einhaltung eines Sicherheitsspielraums von ungefähr 25% kann der Abstand zwischen Rohr und Wand ungefähr 2,54 mm betragen.

Im Betrieb werden in den Tank durch die Einlaßöffnung 15 zwei Fluida eingefüllt, und zwar zweckmäßigerweise gasförmiger Stickstoff als Druckmittel, vorzugsweise mit einem Druck von 28 kg/cm², und eine Flüssigkeit wie Hydrazin als Treibstoff für das Hilfsantriebssystem.

Als Flüssigtreibstoff sollte ein solcher verwendet werden, der bei Berührung mit der Innenwand II des Vorratstanks 10, den Förderrohren 14 und 16. der Trennplatte 25 und der Siebschalc 27 eine hohe Benetzbarkeit aufweist. Bekanntlich hängt der Grad der Benetzbarkeit einer gegebenen Flüssigkeit auf einer gegebenen Feststoffteile vom Flüssig-Fcst-Berühriingswinkcl O, dem Winkel, den die Oberfläche der Flüssigkeit mit der Oberfläche des Feststoffes bildet oder einschließt, ab. Die meisten üblichen Treibstoffe benetzen die Oberfläche von Metalltanks mit einem Berührungswinkel von nahe 0" (d. h.ö < < < 90).

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

Wenn der Vorratstank, beispielsweise beim Starten und Einschießen in eine Umlaufbahn, aus einer Gravitationsumgebung in. eine Umgebung mit schwacher oder Nullbeschleunigung gebracht wird, so orientiert sich die Flüssigkeit in der Einlaßkammer 24 in eine Lage um, in der sie eine Form annimmt, die als »Form mit minimaler freier Oberflächenenergie« bezeichnet werden kann. Bei Nullgravilation oder Nullbeschleunigung ist es die Oberflächenspannungskraft der Flüssigkeit, die so auf das Flüssigkeitsvolumen einwirkt, daß dieses die erwähnte Form annimmt. Die Flüssigkeit orientiert sich im Tank so. daß sie innerhalb eines gegebenen Teils der Kammer diejenige Lage und Form annimmt, welche die kleinstmögliche Größe oder Ausdehnung der Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit hervorruft. Wenn beispielsweise die Einlaßkammer 24 kugelförmig wäre und keine Inneneinrichtung wie die Förderrohre 14 und 16 aufwiese, so würde die Flüssigkeit sich so anordnen, daß eine kugelförmige Gasblase entsteht, indem die Kugelform der Gasblase diejenige Form darstellt, bei der die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas, bei gegebenem Volumen, ihre minimale Größe hat. Beim Ümgebungswechsei von Gravitations- oder hoher Beschleunigungskraft auf Null- oder niedrige Beschleunigungskraft steigt die Flüssigkeit in den Förderrohren 14 und 16 schneller auf als die Hauptmasse des Flüssigtreibstoffs in der Einlaßkammer 24 entlang den Seiten der Innenwand 11. Dadurch wird das Gas in den Förderrohren 14 und 16 durch die stirnseitigen Plattenpaare 20 und 21 ausgetrieben, so daß die Förderrohre 14 und 16 vollständig mit Flüssigkeit gefüllt werden. Die Gründe dafür ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung. Wie bereits erwähnt, muß bei Verwendung des Tanks im Antriebssystem eines Raumfahrzeuges der Treibstoff auf Verlangen an der Auslaßöffnung 30 unabhängig von der räumlichen Orientierung und unabhängig vom Volumen der im Tank verbliebenen Flüssigkeit verfügbar sein. Eine Beschreibung der verschiedenen Stadien

der Austreibung oder Ausblasung der Flüssigkeit aus dem Vorratstank 10 unter Berücksichtigung der Auswirkungen der sich ändernden Mengenverhältnisse /wischen Gas und Flüssigkeit macht die Vorteile der Erfindung deutlich. Der in Abteile oder Kammern unterteilte Aufbau ist so eingerichtet, daß eine Flüssigkcitsverbindung zwischen den Kammern besteht und durch die Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit und den Oberflächen im Vorratstank eine hochwirksame Austreibung der Flüssigkeit erfolgt.

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

In dem Maße wie auf Anforderung Flüssigkeit durch die Auslaßöffnung 30 entnommen wird, fließt Flüssigkeit zum Ersatz für diese entnommene Flüssigkeit aus der Einlaßkammer 24 über die Förderrohre 14 und 16 in die Innenkammer 26 und von dort durch die Siebschale 27 in die Auslaßkammer 28.

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

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

Die Flüssigkeil in ihrem Bestreben, sich so zu orientieren, daß sie die Form oder Konfiguration der minimalen Oberflächenenergie annimmt, füllt den Spaltraum zwischen den Förderrohren und der Innenwand des Tanks unter Bildung von Flüssigkeitsbändern mit Kehlen oder Einbuchtungen (32, 34, 36,38) zwischen den Seitenwänden der Förderrohre 14 und 16 und der Innenwand 11 aus, wie in Fig. 3 in der Schnittebene 3-3 des Tanks 10 gezeigt. Wie bereits erwähnt, nehmen die Flüssigkeitsbänder diejenige Form an, weiche die minimale Grenzflächenausdehnung zwischen Gas und Flüssigkeit hervorruft. Aufgrund ihrer Oberflächenspannung ist die Flüssigkeit bestrebt, sich auf diejenigen Bereiche des Tanks zu orientieren, die das größte Volumen an Flüssigkeit für die kleinste Flächenausdehnung der Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit enthält. Dies bedeutet, daß bei Entnahme von mehr Flüssigkeit aus der Einlaßkammer die in der Einlaßkammer 24 zurückbleibende Flüssigkeit den Spalt zwischen den Förderrohren 14 und 16 und der Innenwand 11 ausfüllt, bis auch diese Restflüssigkeit (d.h. die kleine Flüssigkeitsmenge zwischen den Förderrohren und der Tankwand) in die Förderrohre eingepreßt wird. Somit ändert sich in dem Maße, wie die Flüssigkeit entleert wird, die Form der Flüssigkeitsbänder bei den Förderrohren 14 und 16 von der Form nach F i g. 5 in die nach F i g. b.

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

Beim Eintritt des Gases durch die Lochplattenpaare 20 und 21 bildet sich eine stabile kapillare Grenzfläche aus, die bei der Entnahme der Flüssigkeit die Fördcrrohre 14 und 16 hinabwandert. Der Gaseintritt erfolgt kontinuierlich, solange die Flüssigkeit aus der Auslaßkammer ausgetrieben wird. Wenn die Austreibung zu irgendeinem Zeitpunkt unterbrochen wird, tritt kein Gas mehr ein und fließt keine Flüssigkeit zurück zur Einlaßkammer, da die Siebwände benetzt bleiben und die kapillare Grenzfläche erhalten bleibt.

Sobald die Förderrohre 14 und 16 von sämtlicher Flüssigkeit entleert sind, verbleibt lediglich in der Innenkammer 26 und in der Auslaßkammer 28 noch Flüssigkeit. Diese beiden Kammern sind durch die poröse Siebschale 27 voneinander getrennt, die abschließend noch verhindert, daß Gas in die ausgetriebene Flüssigkeit eingemischt wird. Die somit als Gassperre dienende Siebschale 27 hat konzentrische Form und eine Porengröße, die dem statischen Druckgefälle h, d. h. der maximalen Höhe über den Schalendurchmesser, angemessen ist.

Beim Austreiben der Flüssigkeit durch die Auslaßöffnung 30 bildet sich in der Innenkammer 26 eine die verdrängte Flüssigkeit ersetzende Gasblase. Die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche, indem sie ihre »Form der minimalen freien Oberflächenenergie« annimmt, dehnt sich weiter in weitgehend der gleichen Weise aus, wie es für die Phase der Flüssigkeitsentnahme aus der Einlaßkammer 24 beschrieben wurde. Die kapillare Sperre, die durch das benetzte Sieb erzeugt wird, verhindert den Eintritt von Gas durch die Siebschale 27 in die Auslaßkammer 28, bis im wesentlichen sämtliche Flüssigkeit aus der !nncnkarnrner 25 entleert ist.

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

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung, die das Tanksystem in einer Betriebslage zeigt, die sich einstellt, wenn ein mit dem Vorratsbehälter ausgerüstetes Raumfahrzeug gestartet wird, wobei hohe ^-Belastun-

gen bewirken, daß der Flüssigireibsloff im Behälter die gezeigte Orientierung annimmt. Der Flüssigtreibsioff befindei sich dabei im Behälter in dem unterhalb der Grcnzflächenlinic 50 befindliehen Teil, während das Druckgas sich im Raum über dieser Grenzfläche befindet, wie gezeigt. Der Stand oder Pegel des Treibstoffes ist Λ, wie in der Zeichnung dargestellt. Das Volumen der Kapillarrohre oberhalb der Grenzfläche 50 ist mit dem Druckgas gefüllt. Nach dem Start oder Abschuß ergeben sich Beschleunigungen mit niedrigem g-Wert oder ^-Wert 0, und die äußeren Siebwände 19 der Kapillarrohre 16 und 14 werden infolge von Dochtwirkung vollständig benetzt. Die Rohre füllen sich ebenfalls infolge von Kapillarwirkung unter Austreibung sämtlichen eingefangenen Gases durch die stirnseitigen Siebe oder Wände 21 und 22.

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

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

Die Erfindung ist, wie bereits erwähnt, nicht auf die Anwendung in einem schwachen oder Null-Gravitationsfeld beschränkt. Indem man die Dichten zweier unmischbarer Flüssigkeiten einander anpaßt, erreicht man, daß an der Flüssigkeitsgrenzfläche die Oberflächenspannungskräfte vorherrschen, wie es unter den Bedingungen der fehlenden Schwere (Gravitation) oder des Weltraums der Fall ist. Bekanntlich nähert sich bei Dichteausgleich der beiden Flüssigkeiten die Bond-Zahl dem Wert Null (ß„ + 0).

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

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

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorratsbehälter für zwei Fluida, von denen das eine Fluid eine Flüssigkeit ist, deren Netzkraft größer als die des anderen Fluids ist, mit einem Tank, dessen Inneres durch eine Trennwand in ein erstes und ein zweites Abteil unterteilt ist, wobei eines der beiden Fluida aus dem zweiten Abteil über eine Auslaßöffnung ablaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (25) für beide Fluida undurchdringlich ist, und daß zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen den beidtn Abteilen (24, 26) eine aus dem ersten Abteil (24) durch die Trennwand (25) in das zweite Abteil (26) verlaufende Rohranordnung (14, 16) vorgesehen ist, die eine den kapillaren Durchtritt von Flüssigkeit ermöglichende poröse Seiienwandfläche (18,19) aufweist, die gegen die Innenwand (11) des Tanks (10) gewandt und in einem solchen Abstand (L) von dieser angeordnet ist. daß sich ein kapillares Flüssigkeitsband ausbilden kann.

2. Vorratsbehälter nach Anspruch 1 mit einer mit dem ersten Abteil in Verbindung stehenden Einlaßöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranordnung aus zwei Rohrteileri (16, 18) mit rechteckigem Querschnitt besteht, deren jedes von einem bei der Einlaßöffnung (15) befindlichen Teil des Behälters durch die Trennwand (25) hindurch verläuft, derart, daß ein Fluidweg vom ersten zum zweiten Abteil gebildet wird.

3. Vorratsbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrteile jeweils beabstandete poröse Endwände (20, 21) aufweisen, wobei durch den Zwischenraum zwischen den Endwänden ein kapillarer Spalt gebildet wird, der bei Benetzung mit der Flüssigkeit das Einströmen eines gasförmigen Fluids in die beiden Rohrteile verhindert, und wobei die Öffnungen der porösen Endwände relativ größer sind als die öffnungen der porösen Seitenwandflächen(18,19) der Rohrteile.

4. Vorratsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand eine das Innere des Behälters überspannende Platte aus massivem Material ist.

5. Vorratsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand eine Platte aus porösem Material ist.

6. Vorratsbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Tank eine zweite Trennvorrichtung (27) angeordnet ist, die das zweite Abteil in ein inneres (26) und ein äußeres Abteil unterteilt und die aus porösem Material besteht, dessen Poren für eine kapillare Dochtsaugung der Flüssigkeit zwischen dem inneren und dem äußeren Abteil bemessen sind.

7. Vorratsbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank ein Hohlkugelkörper ist und daß die zweite Trennvorrichtung ein Teil einer Kugelfläche aus porösem Material ist, das im Tank in einem solchen Abstand von dessen Innenwand angeordnet ist, daß eine kapillare Strömung der Flüssigkeit ermöglicht wird.

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