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Ausströmdüse für Flugzeuge mit Gasstrahlantrieb
Bekanntlich hat die Ausströmdüse von Raketen,
Flugzeugen mit Gasstrahlantrieb od. dgl. die
Aufgabe, die durch Verbrennung des Treibstoffes im Verbrennungsraum, dem sogenannten Ofen, entstehende Druckenergie der Verbrennungs- gase restlos in Bewegungsenergie derselben um- zuwandeln und dieselbe für die Bewegung des
Flugzeuges bzw. der Rakete nutzbar zu machen.
Damit das gesamte Druckgefälle von dem im
Ofen herrschenden Verbrennungsdruck bis zu dem an der Mündung wirkenden äusseren Luft- druck bei der adiabatischen Expansion des
Verbrennungsgases ausgenützt wird, muss die
Düse in der Form der sogenannten"Lavaldüse" ausgeführt werden. Die Erweiterung derselben ist für einen bestimmten Ofendruck durch den äusseren Luftdruck bestimmt. Da nun einerseits der Luftdruck vom Meeresspiegel bis an die Grenze des leeren Weltraumes abnimmt, anderseits zur restlosen Umwandlung der Druckenergie des
Verbrennungsgases der Mündungsdruck gleich sein soll dem äusseren Luftdruck, so ergibt sich für jeden barometrischen Höhendruck eine be- stimmte Erweiterung der Ausströmdüse.
Trotz dieser allgemein bekannten theoretischen Erkenntnis, derzufolge die Düsenform eines aufsteigenden Flugzeuges mit Gasstrahlantrieb fortgesetzt verändert und den Druckverhältnissen angepasst werden sollte, musste man sich bisher praktisch mit einer auf mittlere i Verhältnisse berechneten Düse begnügen, wobei man allerdings die nur ungenügende Ausnützung und Umwandlung der Druckenergie in Kauf nehmen musste.
Den Gegenstand der Erfindung bildet nun eine Ausströmdüse für Flugzeuge mit Gasstrahlantrieb od. dgl., welche den voraufgestellten theoretischen Bedingungen dadurch vollkommen gerecht wird, dass der Düsenöffnungswinkel zur Anpassung an den jeweils während des Fluges sich ändernden barometrischen Höhendruck änderbar ist.
Auf der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes zur Darstellung gebracht, u. zw. zeigt Fig. 1 die Rückansicht einer erfindungsgemäss ausgestatteten Ausströmdüse eines Gasstrahlantriebes samt ihrer selbsttätig wirkenden Stelleinrichtung und Fig. 2 die Ausströmdüse allein in Seitenansicht.
Die in üblicher Weise an den Verbrennungs- raum 1 des Gasstrahlantriebes bzw. dem so- genannten Ofen der Rakete anschliessende Aus- strömdüse setzt sich aus einer Anzahl lang- gestreckter Segmente 2 in Form von Trapezen grosser Höhe zusammen, die je mit ihrer kürzeren, parallelseitigen Randkante rings um die Austritts- öffnung des Verbrennungsraumes 1 derart ver- schwenkbar angeordnet sind, dass die sich etwas übergreifenden Segmente 2 einen in sich ge- schlossenen Düsenmantel bilden.
Der geschlos- sene, aus den Segmenten 2 gebildete Düsenmantel ist auch bei im Betrieb auftretenden Temperaturen der ausströmenden Gase gewährleistet, da die
Segmente 2 durch die auf niedriger Temperatur befindliche aussen vorbeiströmende Luft gekühlt werden. Um diesen Mantel ist nun unter Be- lassung eines geeigneten Abstandes ein Ring- kanal 3 konzentrisch herumgelegt, von dessen
Innenwand kleine, radial nach innen gerichtete
Zylinder 4 (in Fig. 1 nur einer gezeichnet), u. zw. einer für jedes der Segmente 2, abstehen, wobei an letzteren angelenkte Kolben 5 in den Zylindern 4 wirksam sind.
Eine von einem Elektromotor 6 angetriebene Pumpe 7, zweckmässig eine Rotationspumpe, fördert je nach ihrer jeweiligen Drehrichtung ein geeignetes Kolbentreibmittel, z. B. Öl, entweder aus einem Behälter (nicht dargestellt) über die Rohrleitungen 8, 9 in den Ringkanal 3 und die Zylinder 4 hinein oder in umgekehrter Richtung.
Die Speisung des beim Ausführungsbeispiel als Nebenschlussmaschine gebauten Elektromotors 6 erfolgt durch eine von einer geeigneten Stromquelle abgehende Speiseleitung 10, 11, deren ein Strang 11 unmittelbar mit dem einen Hebel 12 eines Drehrichtungsumkehrschalters A in Verbindung gebracht ist, wogegen der andere Strang 10 über eine vom Anker eines Unterbrecherrelais B getragene Unterbrecherschiene 13 am Schalthebel 14 eines mehrkontaktigen Stromschalters C angeschlossen ist und von dessen Kontakten 15 zum anderen Hebel 16 des Umkehrschalters A führt. Die Unterbrecherschiene 13 hält eine Feder 17 in ihrer Schliesslage.
Zur Vervollständigung des Ankerstromkreises sind die äusseren bzw. inneren Kontaktpaare des Umkehrschalters A je mittels einer Leiterbrücke 18, 19 zusammengefasst und zufolge von Leitungsstücken 20, 21 mit den
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verschiedenen Bürsten 22, 23 des Elektromotors 6 verbunden. Demgegenüber zweigt der Neben- schlussstromkreis 24 noch vor dem Umkehr- schalter A von den Speiseleitungssträngen 10, 11 ab, um eine Stromwendung im Motorfeld mit seinen nachteiligen Folgen zu vermeiden.
Das selbsttätige Umlegen des Umkehr- schalters A zwecks Änderung der Stromrichtung im Ankerstromkreis des Nebenschlussmotors 6 und somit auch Umkehr seiner Drehrichtung wird von einer Barometerdose 25 aus gesteuert, indem diese Dose bei ihrer Formänderung unter dem Einfluss des äusseren Luftdruckes eine
Zahnstange 26 in dem einen oder anderen Sinne verschiebt, welche Zahnstange 26 wieder mit einem Zahnrade 27 ständig kämmt. Dieses
Zahnrad 27 ist nun unter Zwischenschaltung einer Reibungskupplung 28 um den Schwenk- zapfen des Umkehrschalterhebels 12 drehbar ange- ordnet.
Dies hat zur Folge, dass bei einer Aus- bauchung der Barometerdose 25 das Zahnrad 27 wegen der von links nach rechts verschobenen
Zahnstange 26 zwar im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, hiebei aber die gegen ihren linken Endanschlag 29 gehaltenen Umschalterhebel12, 16 unbeeinflusst bleiben. Sobald jedoch das Zahnrad 27 von der beim Anwachsen des Luftdruckes sich wieder ausebnenden Dose 25 im Uhrzeigersinn in Drehung versetzt wird, klappen die Umkehrschalterhebel12, 16 mit Rücksicht auf eine am Hebel 12 angreifende und die Wirkung der Reibungskupplung 28 unterstützende Kippfeder 30 bis zur Anlage an den rechten Endanschlag 31 rasch in ihre andere Schaltstellung um.
In gleicher Weise wird auch die Bewegung des Schalthebels 14 von einer Barometerdose 32 dadurch abgeleitet, dass ein Hebelansatz 33 des Schalthebels 14 mittels eines Lenkers 34 an der Barometerdose 32 angreift und so deren Spiel auf den Schalthebel 14 überträgt.
Vom Strang der Speiseleitung 10 zweigt ein Parallelstromkreis 35 ab, der über die Wicklung des Unterbrecherrelais B, eine Unterbrecherschiene 36 eines zweiten Unterbrecherrelais D zu den auf einem Schneckenrad 37 vorgesehenen und an dessen Drehung teilnehmenden Kontaktknöpfen 38 führt. Mit den Kontaktknöpfen 38 wirkt ein ortsfest angeordneter Kontaktarm 39 zusammen, von dem eine den Parallelstromkreis 35 ergänzende Leitung 40 zum anderen Speiseleitungsstrang 11 gezogen ist. Um das Schneckenrad 37 hinsichtlich seiner Umlaufdauer und Drehrichtung in vollkommene Abhängigkeit vom Elektromotor 6 zu bringen, sitzt auf der Motorwelle 41 eine mit dem Schneckenrad 37 in Eingriff stehende Schnecke 42, wobei das Übersetzungsverhältnis des Schneckengetriebes 37, 42 derart gross gewählt ist, dass für eine grössere Anzahl von Motor-bzw.
Pumpenumdrehungen sich das Schneckenrad 37 nur um einen Bruchteil einer Umdrehung bewegt. Vom Speiseleitungsstrang 10 geht noch ein zweiter Parallelstromkreis 43 ab, der über gegenüber den Kontakten 15 des Schalters C um eine halbe
Teilung versetzte Zwischenkontakte 44, den entsprechend isolierten Schalthebel 14 und die
Wicklung des Unterbrecherrelais D verläuft und unterhalb des Schneckenradschalters 38,
39 in die Leitung 40 des anderen Parallelstrom- kreises 35 mündet, wodurch er von der jeweiligen
Stellung des Schneckenradschalters 38, 39 unabhängig ist. Die am Anker des Unterbrecherrelais D befestigte Unterbrecherschiene 36 wird gleichfalls durch eine Feder 45 in ihrer Wirklage gehalten.
Die Wirkung der Einrichtung ist folgende :
Beim Abfliegen des Flugzeuges bzw. der Rakete nehmen alle Teile die aus Fig. 1 ersichtliche Lage ein, bei der sowohl der Schalter C als auch der Schneckenradschalter 38, 39 unterbrochen ist, wogegen der Umkehrschalter A sich in seiner linken Endstellung befindet. Die Düsensegmente 2 werden unter dem Einfluss des entsprechend im Ringkanal 3 und den Zylindern 4 eingestellten Treibmittels in einer gegenseitigen Lage gehalten, die für die adiabatisch sich auf den äusseren atmosphärischen Luftdruck ausdehnenden Verbrennungsgase den als am günstigsten ermittelten Öffnungswinkel ergeben.
Sobald die Rakete eine bestimmte Höhe erreicht und der abnehmende äussere Luftdruck eine genügende Ausbauchung der Barometerdose 32 hervorgerufen hat, wird vorerst der von ihr abhängige Schalthebel 14 zum ersten Kontakt 15 des Schalters C hin verschwenkt, was die Schliessung der Motorstromkreise, u. zw. des
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anker, Bürste 23, Leitung 21, Leiterbrücke 19, Umkehrschalterhebel und Strang 11 - sowie weiters auch gleichzeitig des Nebenschlussstromkreises 24 zur Folge hat. Die mit dem Elektromotor 6 im Uhrzeigersinn (vom Kollektor aus betrachtet) in Umlauf gesetzte Pumpe 7 beginnt das Treibmittel aus den Zylindern 4 und dem Ringkanal 3 abzusaugen, anderseits bewegt das von der Schnecke 42 angetriebene Schneckenrad 37 bei seiner Drehung im Uhrzeigersinn die Kontaktknöpfe 38 gegen den Schaltarm 39 hin.
Erreicht der erste Kontaktknopf 38 diesen Schaltarm 39, dann schliesst sich der Parallelstromkreis 35 über die Wicklung des Unterbrecherrelais B, Unterbrecherschiene 36, Schneckenradschalter 38, 39 und Leitung 40, wodurch der Anker des erregten Unterbrecherrelais B seine Unterbrecherschiene 13 entgegen der Kraft der Feder 17 vom Leitungsstrang 10 abhebt und somit die Motorstromkreise unbeschadet der Stellung des Schalthebels 14 unterbricht. Der damit sofort verbundene Stillstand des Elektromotors 6, der Pumpe 7 und des Schneckenrades 37 tritt in einem Zeitpunkte ein, in welchem die Pumpe 7 ein bestimmtes Quantum Treibmittel aus den Zylindern 4 und dem Ringkanal 3 gefördert hat.
Dieses Quantum ist gerade so gross vorausberechnet, dass die dem zurück- weichenden Treibmittel in den Zylindern 4
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liegenden Umkehrschalterhebel12, 16, die selbst- verständlich gekuppelt sind, nicht auswirken.
Wenn jedoch das Flugzeug bzw. die Rakete sich wieder der Erde nähert, beginnen sich beide
Barometerdosen 25, 32 abzuflachen. Schon nach geringem Anstieg des äusseren Luftdruckes wird das nunmehr im Uhrzeigersinn gedrehte Zahn- rad 27 den zufolge der Reibungskupplung 28 mitgenommenen Hebel 12 bzw. seine Kipp- feder 30 soweit aus ihrer Gleichgewichtslage entfernt haben, dass letztere die Umkehrschalter- hebel 12, 16 rasch in ihre rechte Schaltstellung hinüberzieht, wodurch die Stromrichtung im Ankerstromkreis und somit die Drehrichtung des
Elektromotors 6 sich umkehrt.
Das selbsttätige Ein-und Ausschalten des Elektromotors 6 immer beim Erreichen einer nächst niederen Höhenstufe spielt sich in sinngemässer Weise ab, nur dass der Schalthebel 14 und das Schneckenrad 37 im umgekehrten Sinne bis zur Erreichung ihrer Anfangslage zurückbewegt werden, mit dem Ergebnis einer Förderung des Treibmittels in die Zylinder 4 und damit stufenweisen Verkleinerung des Düsenöffnungswinkels.
Bei bemannten Flugzeugen kann die Änderung des Düsenöffnungswinkels auch von Hand aus vorgenommen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ausströmdüse für Flugzeuge mit Gasstrahlantrieb, welche zur Anpassung an den jeweils während des Fluges sich ändernden barometrischen Höhendruck einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Düse durch Änderung des Düsenöffnungswinkels erfolgt, zweckmässig dadurch, dass eine Anzahl den Düsenmantel längsteilender und einander überlappender Segmente,. zweckmässig in Form schmaler, gewölbter Trapeze, rings um die Austrittsöffnung des Verbrennungsraumes verschwenkbar angeordnet sind.
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