用于空间飞行器中的动力燃料罐的气泡捕捉器
技术领域
本发明涉及一种用于动力燃料罐(该动力燃料罐用于贮存用于驱动空间飞行器的发动机的液体)的气泡捕捉器，具有用作输送介质的驱动气体以及具有用于将该驱动气体从液态的动力燃料中分离出的装置，其中，借助于筛并且在利用表面张力的情况下实现驱动气体与液体的分离。
背景技术
在空间飞行器如卫星或转移飞行器中不仅对于用于调节在太空中的位置的发动机而且对于用于执行远地动作的发动机很大程度上使用液态的动力燃料，所述动力燃料被携带在合适于此的容器中并且通常在使用驱动气体的情况下被从所述容器输送到相应发动机的燃烧室或反应室中。通常使用惰性气体、如氦(He)或氮(N2)作为驱动气体，所述惰性气体在压力下被压到动力燃料容器中并且所述惰性气体由此将动力燃料输送到通往各自的发动机的管道系统中。在此重要的是用作输送介质的驱动气体与到达发动机中的液态动力燃料之间的完全且可靠的分开，因为所述液态动力燃料在点燃时必须绝对不被掺入外界气体。
符合标准的是，驱动气体与动力燃料的分开要么在动力燃料罐本身中要么在一个单独的、连接在该动力燃料罐下游的气泡捕捉器中进行，从而在罐出口处提供无气体的动力燃料。动力燃料罐在空间飞行器中的定位在此对于该罐的设计具有重大影响。因此通常考虑，罐出口向着起作用的主加速度的方向定位在该罐的最低点，从而可以在地面上进行罐的无气泡的灌装并且在轨道中进行罐的完全排空。然而在很多情况下期望的是，将该罐以所述出口逆着主加速度的方向安装，例如在应在月球上着陆的着陆单元的情况下或者在相对于待输送的动力燃料罐的启动位置呈水平位置的情况下。在这种情况下，无气泡的动力燃料供给可能就不再能得到保证，因为气体可在动力燃料管路中聚集。于是通常需要该动力燃料罐的相应适配或者需要使用连接在该动力燃料罐下游的、专门构成的气泡捕捉器。
在空间飞行器执行任务期间可处于管路系统中的驱动气体的量一般是已知的。此外，该动力燃料罐除了已经处于管路系统中的气体份额以外在气体穿过之后仍能够提供无气泡的动力燃料。在此，在管路系统中待分离的气体量与管路容积密切相关并且通常比动力燃料罐的容积小。
气泡捕捉器已经被以不同的实施方式公开，不仅用于在地面上使用而且在太空条件下使用。一系列的印刷物如US 2001/0042441 A1、US2007/0239098 A1、US 4,102,655、US 6,478,962B1和US 2008/0171962描述了例如一些装置，这些装置用于将气泡从循环的血液中过滤出。然而，因为在这种情况下不必长时间贮存气泡，所以在这些印刷物中描述的方案原则上不同于它们在太空技术中的要求。因此，由这些印刷物公开的装置涉及那些不是对于空间飞行领域设计或使用的装置。
此外，由US 5,334,239和US 6,432,178B2公开了一些气体分开装置，它们也适于使用在太空技术中。例如在US 5,334,239中描述了一种气泡捕捉器，其中，借助于旋转的液体实现气相与液相的分开。在此，其缺点可在于：通过惯性产生的分开要求相对大的体积流。因此部分地特别是在位置调整时对于运行在非常短的时间上要求非常小的体积流，所以如在US5,334,239中描述那样的用于分离相的装置在此类情况中不适用。
在由US 6,432,178B2公开的气体分开装置中设置一个筛，该筛相对于气体/液体混合物的流动方向正交地设置并且气泡应在该筛上聚集。在该公知的装置中的缺点是：筛面的已经被气体占据的部分减少可供用于穿流的面，从而可局部地增大压力损失。当被气泡覆盖的筛面在计算压力损失时必须被考虑进来的情况下，这特别是有问题的，这可导致所要求的筛面非常大。此外，如果气体量太大，则在一定的情况下流动速度还可能如此之高，以致气体也被压迫穿过所述筛。
发明内容
本发明的目的在于，这样构造开头所述类型的用于动力燃料罐的气泡捕捉器，使得即使在待输送的动力燃料量少时也可在任何时候都可靠地、无气泡地进行输送。
本发明通过以下方式实现所述目的：即在这种装置中在一旋转对称的收集容器中设置一系列基本上径向地布置在该收集容器的外壁区域中的引导板以及在该收集容器的出口区域附近设置一向着出口管的方向锥形变细的、设有通孔的气体分离器和一些筛。
在本发明的气泡捕捉器中，聚集的气泡借助于表面张力抵抗出现的干扰加速度被可靠地保持在一个贮存器中。装备有此类按照本发明的气泡捕捉器的动力燃料罐由此特别是也适合于使用在μg范围内的非常小的加速度的情况中并且从而专门用于使用在空间飞行器中。
按照本发明构造为收集容器的气泡捕捉器保证了当驱动气体进入到管路系统中时动力燃料与其驱动气体分开并且借助于毛细的上升辅助(Steighilfe)稳定地拦住气体。在此，本发明不仅在体积流小而且在体积流大的情况下允许可靠的分开。此外，贮存在气泡捕捉器中的气泡可以在任意长的时间间隔上稳定地被贮存，其中，在空间飞行器中在不同的动作期间出现的典型干扰也能被容忍。在此，气泡捕捉器的按照本发明的特殊构型保证：没有气体直接积聚在筛上并且通过这种方式即使在较长的时间间隔上也能被稳定地保持，而且其不会不利地影响流动状况并且特别是不会不利地影响压力损失。
本发明的气泡捕捉器由于其对于最佳的出色功能所需的体积小而制造成本相对低。在管路系统中使用这种气泡捕捉器导致：可显著地降低在将动力燃料从支承在上游的、作为用于液态动力燃料的储备容器的罐中的无气泡的取出方面的要求，因为在不得已时也可容忍从罐输出的液体中的确定量的气体。其结果是：也进一步降低用于这种动力燃料罐的制造成本。此外，此类动力燃料罐在其结构方面得到大大简化，由此特别是也得到显著的质量节省，本发明气泡捕捉器的仅仅小的附加重量与该质量节省相对。
本发明的气泡捕捉器在此这样设计，使得它像通常对于表面张力罐所使用的那样集成标准元件，这导致制造成本的进一步降低。因此例如可使用标准-筛适配器，就像其在传统表面张力罐中所使用的那样并且其已被证明适合于太空航行。
附图说明
下面借助于附图中所示的实施例来详细描述本发明。附图表示：
图1是气泡捕捉器的透视图，
图2以解体图示出图1中的装置，
图3是图1中的装置的下部区域的示图，
图4是气泡捕捉器的剖视图，
图5是当气泡捕捉器完全被液体填充时的流动变化曲线，
图6是当没有气泡进入到气泡捕捉器时的流动变化曲线，
图7是当大量气体进入到气泡捕捉器时的流动变化曲线，
图8是当气泡捕捉器达到其最大气体容纳容量时的流动变化曲线。
具体实施方式
图1中所示的装置是气泡捕捉器，该气泡捕捉器连接在一个在图中未示出的动力燃料罐下游，该动力燃料罐用于容纳液态的并且通常腐蚀性的动力燃料如MMH、N2O4或肼，所述动力燃料用于驱动空间飞行器的发动机。所述气泡捕捉器设有各一个入口管1和出口管2并且在入口管1的区域中通过半壳3限定。一个圆柱形的壳段4和一个锥形的段5与该半壳3连接。此外，在所述锥形的段5上设有一系列筛适配器6，这些筛适配器通过管7与一个收集器8连接。该收集器8本身直接与所述出口管2连接。
在图2所示的解体图中，上部的半壳3和下部的锥形段5包围一个上部的罐端盖9、一个挡板10、一系列引导板11、即所谓的叶片、以及一个下部的筛锥体12，该下部的筛锥体用作气体分离器。
所述下部的筛锥体或气体分离器12在图3中被放大地示出并且类似于筛钵地具有平坦的底部13和锥形的边缘区域14。除该锥形的边缘区域14的上部分15以外，该筛锥体12大致均匀地设有通孔。此外，在该锥形的边缘区域14的上部分15中设有均匀地在圆周上分布的缝槽16。
图4示出气泡捕捉器的剖视图。在外部的锥形壳5上，在一个锥形区域中并且邻接所述平坦的底部13地设有一系列筛17和18。引导板11相对于所述壳元件3的表面径向地、即正交地设置并且向着该气泡捕捉器的内部分别通过一个在此所示实施例的情况下为圆形的截面(Ausschnitt)19限定，但是其他的形状也是可以的。
被引导板11这样限定的内空间与所述下部的筛锥体12共同形成气泡捕捉器，该气泡捕捉器被这样构成，使得其可无气体夹杂物地完全被液体填充。下面详细阐述该过程。
在图5中首先示出了通过入口管1完全用液态动力燃料填充的气泡捕捉器，其中，阴影线20应表示液体。如果没有气体进入到该气泡捕捉器中，则液体通过入口管1分配并且由挡板10相应地转向。然后，液体主要沿着引导板11运动并且在锥形的边缘区域14中向着筛17和18的方向流动，通过箭头21表示，该箭头应表明液体的流动方向。该气泡捕捉器在此被这样构成，使得出现的压力损失由于所述锥形的边缘区域14的圆周大并且从而存在的通过面大而很小。液体进一步流经筛17和18(通过箭头23和24表示)并且最后到达出口管2。
图6示出的情况是，小气泡25通过入口管1到达气泡捕捉器中。如果这些气泡非常小，则它们不能通过引导板11分离，因为它们不会与这些引导板或叶片11形成弯月面。因此，这些小气泡25沿着引导板11向着筛锥体12的方向流动，该筛锥体用作气体分离器。在这里所述的实施例的情况下，筛锥体12的孔和缝槽具有约1毫米的最大直径，从而几乎所有的较小气泡26通过该筛锥体12偏转(通过另一箭头27表示)。然而，要是非常小的气泡穿过该筛锥体12，则它们通过所述筛锥体12下方的筛17和18挡住。
如图7中的阴影线所示，如果较大量的气体通过入口管2进入到气泡捕捉器中，则这些气泡也通过挡板10向着引导板11的方向偏转。所述引导板或叶片的毛细压力在此导致这些气泡向着气泡捕捉器中部的方向、即背离所述段3和4的壁偏转(通过箭头29表示)。通过这种方式，在气泡捕捉器的中心收集有一系列气泡，其中，这些单个的气泡随着时间的推移在运行轨道中的失重影响下生长为一个唯一的大气泡30。
在较长的时间间隔上，通过这种方式在气泡捕捉器中收集越来越多的气体，直到该气体泡最终占据图8中所示的最大膨胀21为止。在此，引导板11将气泡稳定地保持在气泡捕捉器的中心。引导板或叶片的数量可以根据期望出现的加速度被这样地确定，使得其毛细力将气泡可靠地保持在气泡捕捉器的中部。如图8所示，如果该内部区域被完全充满，则气泡捕捉器达到其最大的容纳容量。如果仍有液体被供入，则所述液体如箭头32和和33所示通过存在于引导板11之间的边缘区域直接流向收集器8。
通过这种方式，连接在动力燃料罐下游的气泡捕捉器允许从液体中分离出确定的气体量，其中，也可以容忍可符合标准地在空间飞行器中出现的干扰。在此，气泡捕捉器可被这样地确定尺寸，使得处于其中的液体剩余量相对于总体积非常少。最佳的是，引导板11之间的区域被气体完全填充，由此实现的是，剩留在气泡捕捉器中的液体剩余量最小。