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Expansionsdüse mit gekiihlter Wand für die Feuergase von Raketenantriebskraftmasehinen.
In Raketen und Raketenmotoren werden gegenwärtig als Feuergasdüsen im wesentlichen einfache zylindrische Rohre verwendet, in denen die Feuergasgeschwindigkeit nicht über die Schallgeschwindigkeit des Feuergases steigt, oder Expansionsdüse mit geringen Öffnungswinkeln, beispielsweise 100, in denen die Ausströmgeschwindigkeit in den grösseren Querschnitten über die Schallgeschwindigkeit hinaus anwächst.
In diesen Expansionsdüsen nähert sich der sekundliche Impulsbetrag des Gasstromes dem durch den Wärmeinhalt der Feuergase gegebenen Grenzwert um so besser, je grösser das Verhältnis der Düsenmündungsfläche f zur engsten Querschnittsfläche f'wird.
Die geringen Öffnungswinkel sind in Turbinen u. dgl. zur sorgfältigen Aufrechterhaltung der dort unbedingt erforderlichen geordneten Strömung des geschlossenen Gasstrahles notwendig.
Sie führen aber bei den grossen Querschnittsflächen der Feuergasdüsen von Raketenmotoren bei gleichzeitig grossenErweiterungsverhältnissen f/f'zu sehr langen Düsen und damit zu schwerwiegenden Nachteilen. Z. B. wird die Unterbringung solcher Düsen im Flugzeug schwierig. Ferner besitzen sie sehr beträchtliche feuerberührte Oberflächen, die jene des eigentlichen Verbrennungsraumes des Raketenmotors übertreffen können, so dass die bei der Kühlung dieser Oberflächen abzuführenden Wärmemengen gross werden und einen wesentlichen Teil der Wärmeaufnahmefähigkeit des nur in beschränkter Menge verfügbaren Kühlmittels beanspruchen, um so mehr, als die Konvektion des mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Feuergases erfahrungsgemäss ausserordentlich hoch ist.
Weiters ist die zerstörende Wirkung der mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Feuergase an den grossen von ihnen berührten Düsenoberflächen schwierig zu beherrschen.
Erfindungsgemäss lassen sich solche Nachteile der Expansionsdüse mit gekühlten Wänden für die Feuergase von Raketenmotoren durch Anwendung grosser Düsenöffnungswinkel weitgehend vermeiden, ohne dass ihre Wirksamkeit dadurch erheblich geringer wird, wie folgende Überlegungen
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der mit Hilfe einer Lavaldüse aus dem Feuergas erzielte sekundliche Impuls in Hundertteilen des durch den Wärmeinhalt begrenzten, höchstmöglichen Impulses aufgetragen.
Der wirksame Schub eines Raketenmotors-als vektorielle Summe der Feuergasdrücke auf alle feuerberührten Wände-besteht indes bekanntlich nicht nur aus dem sekundlichen Impuls im Düsenmündungsquerschnitt, sondern dazu noch aus dem Druck der Feuergase auf die gesamte Düsenmündungsfläche.
Daher ist der wirksame Schub, also die Summe aus Mündungsimpuls und Mündungsdruck, schon bei geringen Öffnungsverhältnissen f/f' einer Expansionsdüse verhältnismässig hoch, da bei ihnen der Mündungsdruck noch beträchtlich ist, und wächst mit zunehmendem Öffnungsverhältnis nur mehr wesentlich langsamer als der Mündungsimpuls allein, da der gesamte Mündungsdruck mit zunehmender Entspannung trotz wachsender Mündungsfläehe abnimmt. Linie 2 in Fig. 1 veranschaulicht diese Verhältnisse für eine Lavaldüse. Die theoretischen Vorteile stark erweiterter Lavaldüsen sind für Raketenmotoren daher grundsätzlich weit geringer als z. B. für Dampf-oder Gasturbinen od. dgl.
Insbesondere hängt die Höhe des erreichten Schubes bei gegebenem Wärmeinhalt nur von den Verhältnissen (Strömungsgeschwindigkeit und Druck) der Feuergase im Düsenmündungsquerschnitt ab, nicht aber von den Verhältnissen ausserhalb der Mündung. Es ist daher die Erzeugung eines parallelgerichteten, geordneten Gasstrahles ausserhalb der Düsenmündung für den erreichten Schub des Raketenmotors ganz
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belanglos und die sorgfältige Vermeidung der Strömungsablösung von der Wand ausserhalb des engsten Ausströmquerschnittes von nur geringer Bedeutung.
Daraus folgt der Erfindungsgedanke der Verwendungsmöglichkeit grösserer durchschnittlicher Öffnungswinkel, als bei Lavaldüsen wegen Vermeidung der Strömungsablösung üblich sind, also über etwa 25 .
Der Öffnungswinkel kann z. B. auch 180 betragen (Fig. 2), wobei sich das Feuergas nach Austritt aus dem engsten Düsenhals f'gegen äussere Drücke, die klein gegenüber dem Behälterdruck sind, erfahrungsgemäss an die Stirnwand anlegt, diese also in den Bereich der feuerberührten Wände einbezieht
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Diese Anordnung ergibt über den an sich schon sehr guten Schub der einfachen, unerweiterten Mündung (Linie 2 bei///''= in Fig. 1) noch beträchtlichen weiteren Schub, der in Fig. 1 durch die Linie 3 angedeutet ist und insgesamt nur unwesentlich hinter dem Schub einer sehr langen Lavaldüse bleibt.
Das in Fig. 1 dargestellte Beispiel zeigt, dass z. B. der Mündungsimpuls der einfachen Mündung etwa 400/0 des nach dem Wärmeinhalt theoretisch höchsterreichbaren Schubes beträgt, dass der Mündungsdruck (= Mündungsfläche x Feuergasdruck pro Flächeneinheit) weitere 33% Schub ergibt, so dass die einfache Mündung schon etwa 73% des theoretisch überhaupt erreichbaren Schubes liefert, und dass durch die Expansionsdüse mit 1800 Öffnungswinkel nach Fig. 2 noch weitere 12% gewonnen werden können, also diese Düsenanordnung insgesamt etwa 85% des theoretisch erreichbaren Schubes tatsächlich liefert.
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Querschnitt, wo die Feuergase sich von der Düsenwand abheben, zur engsten Ausströmquerschnitts- fläche t'angesehen.
Öffnungswinkel beträchtlich über 1800 haben praktisch geringe Bedeutung und sind auch aus theoretischen Gründen ungünstig, da sich der ausgebreitete Feuergasstrahl auch bei hohen Verhältnissen von Behälterdruck zu Aussendruck an sie schliesslich nicht mehr anlegt, so dass sie unwirksam werden.
Aus diesen Gründen sind Öffnungswinkel über 2700 bedeutungslos.
Düsen mit Öffnungswinkeln zwischen 25 und 180 ergeben Schübe, die im Beispiel der Fig. 1 bei Öffnungsverhältnissen über etwa 4 zwischen den Linien 2 und 3 liegen und sich der für übliche Lavaldüsen geltenden Linie 2 um so besser nähern, je kleiner der Öffnungswinkel wird.
Expansionsdüse für das Feuergas von Raketenmotoren mit durchschnittlichen Öffnungswinkeln zwischen 25 und 270 werden kurz, sind daher im Flugzeug leicht unterzubringen, haben geringe feuerberührte Oberflächen, daher bleiben die bei der Kühlung abzuführenden Wärmemengen beherrschbar, insbesondere ist die mit beträchtlichen Überschallgeschwindigkeiten bestrichene Oberfläche und damit die Gesamtkonvektion wesentlich verringert und die dem Angriff des rasch strömenden Feuergases ausgesetzten Oberflächenteile sind sehr verkleinert und leichter zu schützen, schliesslich ist die Wirkungsweise dieser Düsen nur geringfügig ungünstiger als jene üblicher Lavaldüsen von grossem Erweiterungsverhältnis.
Der durchschnittliche Öffnungswinkel a'der wirksamen Expansionssdüse bezieht sich auf die vom Feuergas wirklich berührte Düsenfläche ausserhalb des engsten Querschnittes und bestimmt sich bei gekrümmtem oder gebrochenem Längsschnitt nach Fig. 3 in üblicher Weise als Summe der Produkte aus Längenelement des Düsenmeridians mal zugehörigem Öffnungswinkel a (j''xdl), geteilt durch die Gesamtlänge des feuerberührten Meridians (dol).
Somit wird α' = #adl/#dl, gerechnet über die feuerberührte Meridianlänge ausserhalb des engsten
Querschnittes.
Sind die Meridiane in verschiedenen Längsschnitten verschieden, so gilt der Mittelwert aus den durchschnittlichen Öffnungswinkeln der Einzelmeridiane als durchschnittlicher Öffnungswinkel der Düse.
Innerhalb des gewählten Bereiches der durchschnittlichen Öffnungswinkel ist die Wirkungsweise der Feuergasdüsen praktisch wenig abhängig von der Form des Querschnittes und Längsschnittes derselben.
Mögliche Längsschnitte sind z. B. in Fig. 4, a-f, angedeutet.