CN1121550C - 带外套、充排系统、冷却装置和挂架的模块式固体燃料火箭推进剂装药 - Google Patents

带外套、充排系统、冷却装置和挂架的模块式固体燃料火箭推进剂装药 Download PDF

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Abstract

本发明涉及模块的固体燃料火箭推进剂装药，包括不同的推进剂组分和其他组分，例如燃料、氧化剂、提升能量的添加剂、胶合剂、添加剂、保护层、抑制剂等，它们全部或部分可以成碎块，亦即不是以传统的准均匀混合物的形式而是以一个或多个具有任意恰当形状的宏观燃料元件的形式存在，其中，全部或个别组分也可以由那些必须冷却后才处于充分的固体状态的物质构成。本发明的目的在于，按这样的方式制备前言所述类型的模块式固体燃料火箭推进剂装药，即，将由于冷却系统故障造成的危险状况在增加运载火箭功率的同时十分有效地降低到最小程度。为达到此目的，模块作为一个整体或它们的各个燃料元件设有特殊的外套(1)，它允许这种推进剂装药进行储存和/或按规定工作，不会发生机械性能和物态受温度影响的问题。

Description

带外套、充排系统、冷却装置 和挂架的模块式固体燃料火箭推进剂装药
本发明涉及模块的固体燃料火箭推进剂装药，包括不同的推进剂组分和其他组分，例如燃料、氧化剂、提升能量的添加剂、胶合剂、添加剂、保护层、抑制剂等，它们全部或部分可以成碎块，亦即不是以传统的准均匀混合物的形式而是以一个或多个具有任意恰当形状的宏观燃料元件的形式存在，其中，全部或个别组分也可以由那些必须冷却后才处于充分的固体状态的物质构成，推进剂装药作为一个整体或它们的各个燃料元件设有一个外套。
因此本发明涉及火箭发动机及其固体燃料推进剂装药的生产、结构和可靠储存等方面的技术领域。在本文中固体燃料推进剂装药指的是以确定的几何形状存在的简单或组合的推进剂块，包括可能的内部配件或固定装置，它们根据不同的原因安装并大多通过烧损消耗。
低温、模块化、起内孔燃烧药柱和端面燃烧药柱的推进剂装药由US-A-3 137 127已知。这种推进剂装药部分成碎块，也就是说，至少一种组分没有与其他组分形成传统的均匀混合物，而是具有任意适合的几何形状以一个或多个宏观的燃料元件的形式存在。这些燃料元件通过恰当的界面保护层互相化学隔离并与此同时在必要时可以互相机械连接。此外，通过特别选择其成分，燃料元件可适用于作为具有不同功能的模块，例如点火、推进燃烧、发生气体等。燃料元件尤其可有盘的形状，盘的外表面与火箭发动机燃烧室的轮廓形状相配，而内部可有一个或多个具有恰当形状的横截面积的孔，它们通过排列成行构成一个或多个具有恒定或可变的横截面积的燃烧通道；或，燃料元件可具有不同的可自由选择的横截面形状地安置在总是另一种推进剂组分构成的母体内，例如全部或部分埋入由燃料构成的母体内的富氧化剂元件。
传统的亦即可储存的固体推进剂按先有技术是由推进剂组分构成所谓“三明治推进剂”的层状结构，但这种结构没有带来任何特别的优点并因而没有得到广泛采用。
USAF Phillips Lab(Edwards)自1994年以来在一项“High-energydensity”计划中研究用低温的固体作推进剂。1997年发表了与冷冻的作为固体组分的碳氢化合物混合(亦即用液体和固体推进剂组分的发动机)方面的工作(见C.Larson，USAF-Phil1ips Lab，33rdAIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit，Washington State Convention and Trade Center，Seattle，WA，July6-9，1997，AIAA-96-3076)。
这种已知的先有技术存在的问题是，模块的冷冻的固体燃料推进剂装药需要不断地冷却，以便在正常恒温处理的环境内保持其物态。在冷却系统发生故障时，这些推进剂装药会熔融和蒸发，从而以不同方式成为会产生非常危险的情况的诱因。
本发明的目的是，按这样的方式改进前言所述类型的模块式固体燃料火箭推进剂装药，即，将由于冷却系统故障造成的危险状况在增加运载火箭功率的同时十分有效地降低到最小程度，并保证推进剂与燃烧室壁之间的不可改变的结合。
为实现上述目的，按本发明提供了这样一种模块的固体燃料火箭推进剂装药，具有不同的推进剂组分和其他组分，包括燃料、氧化剂、提升能量的添加剂、胶合剂、添加剂、保护层、抑制剂，它们全部或部分可以成碎块，亦即不是以传统的准均匀混合物的形式而是以一个或多个具有任意恰当形状的宏观燃料元件的形式存在，其中，全部或个别组分也可以由那些必须冷却后才处于充分的固体状态的物质构成，推进剂装药作为一个整体或它们的各个燃料元件设有一个的外套，其特征为：上述外套具有一个突出的支承，靠放在燃烧室壁的向内突出的支座上，用以挂起推进剂装药或燃料元件。
按照一种有利的实施形式：燃料元件的外套配备或连接有抗拉的构件并因而同时用作该燃料元件在燃烧室内部的机械支撑。
按照一个进一步有利的实施形式：外套配备和/或连接有管系，管系可流过适合的介质，并允许燃料元件直至发动机点火前不久一直保持在期望的温度范围内。
按照本发明的进一步发展：外套内部配备和/或连接有管系，必要时管系直至发动机点火前不久，尤其还在冷却系统没有足够的隔热或发生故障时，允许液态或气态的介质流入或排出。
按本发明，可以显著改善在发生所指出的所有或若干问题时的状况。按本发明的模块式固体燃料火箭推进剂装药允许燃料和氧化剂可从另一个托盘选出，并可单独成形为燃料元件，它们组合成要求的推进剂几何形状。为此所需的物态必要时通过适当冷却形成并保持。术语“碎块状推进剂装药”(在这里的同义词为“模块的”、“分离的”或“分开的”推进剂装药)尤其指主要组分(燃料和氧化剂)分开。“模块的固体燃料火箭推进剂装药”恰当的同义词是“多路内部混合推进(Multipler Interner Hybridantrieb)”。
采用本发明可获得下列有利的效果：
-按本发明的推进剂装药显著简化了固体燃料推进剂装药的生产。许多危险的工序得以避免，可以大批生产。可望显著地降低成本。这些优点的确认与由于冷冻的固体燃料引起的可能的麻烦无关。
-按本发明的推进剂装药避免了传统的推进剂装药大的相界面。因此对于可热储存的推进剂可望提高长期储存能力，再者，燃料元件必要时可借助隔离膜彼此隔开。
-虽然冷冻的推进剂不能储存，但由于低的温度使反应小于热储存。在一定的情况下这就可以允许使用特殊的高能物质，这些物质可作为液体或气体进行反应。
-按本发明的推进剂装药允许实现任何一种推进剂组合作为单一组分火箭燃料的固体燃料驱动。从可储存或冷冻的液体单一组分火箭燃料和双组分火箭燃料驱动经由混合和准混合式驱动、悬浮液(slurry)驱动和三元混合推进剂直至所有的三组分火箭燃料。因此不仅与传统的固体推进剂相比，而且甚至与先有技术的液体驱动相比可望显著提高Isp(对此可参见R.E.Lo，DFVLR-Stuttgart：“ChemischeWasserstoffaufheizung durch tribride Verbrennung”，Chemie-Ingenieur-Technik(1967)39m Heft 15，5.923-927/R.E.Lo：TechnicalFeasibility of Chemical Propulsion Systems with very high Performance，Proceedings of the XVIIIth Astronautical Congress，Belgrad，25.-29.9，1967，PP.121-132/R.E.Lo，DFVLR-Lampoldshausen：“TheoretischeLeistungen des Raketentreibstoffsystems F2，O2/LiH，Al/H2 undeinfacher Teilsysteme”，DLR-Mitt.69-21(Dez.1969)/R.E.Lo，DFVLR-Lampoldshausen：“Chemische Wasserstoffaufheizung durchVerbrennung von Aluminium mit Sauerstoff oder FLOX”，DLR-Mitt.70-03(Feb.1970)/R.E.Lo，DFVLR-lanpoldshausen：“QqccasihybrideRaketenantriebe”，Raumfahrtforschung，Heft 4，April 1970)。
-按本发明的推进剂装药允许通过适当选择推进剂实现尽可能好地保护环境的固体推进剂装药，例如固态氢/固态氧。
下面可借助附图表示的多种实施例进一步说明本发明。
其中：
图1通过按本发明的空心圆柱形推进剂装药的燃料元件的剖面；
图2借助于抗拉构件固定固体推进剂；
图3按本发明的推进剂装药增强装置的标准方案；
图4外套支承的另一种方案；
图5借助于插塞式固定装置固定抗拉构件的方案；
图6表示空心圆柱环的双层壁外套和通过隔板构成的冷却用的管系；
图7表示空心扇形段的双层壁外套和通过隔板构成的冷却用的管系；
图8和9单层壁外套和所安装的冷却盘管；以及
图10外套的排流系统(充排系统)。
按本发明的推进剂装药所有的和/或个别模块用一个在化学上与推进剂相容的有足够强度和化学相容性的外套围绕。
图1表示通过空心圆柱形推进剂装药的燃料元件的剖面。外套1围绕着推进剂3。在此实施例中它们由圆柱和圆环形表面组成，这些表面在制造时例如互相粘结(在这里不再进一步说明制造方法)。外套1悬伸的边缘构成燃料元件的支承2，它靠放在燃烧室壁6的支座12上并用螺钉固定在支座上(见图4)。
按另一种与图1所示不同当然同样好的实施例，此支承2处于模块的下端处。通过置入安装环11(见图3)，在圆柱形模块的两端获得支承。
在有外套的推进剂装药点火时，点火火焰(例如由放在燃烧室顶端由自燃的固体推进剂混合物构成的模块引发的)首先烧掉构成燃烧通道8表面的外套1部分。此过程连续过渡到蒸发和点燃由氧化剂和燃料组成的交错的模块。显然，外套1一方面应尽可能薄，另一方面应有必要的厚度。此外，外套1中涉及在燃烧通道8内边界层火焰的端面应尽可能有与推进剂3相同的燃烧速度，通过选择材料可对燃烧速度有一些影响。推进剂的几何造型还需要一个内部的热防护层5，在这里燃烧室壁6的内侧不同长度地遇火焰(例如Konozylbrenner或Stirn brenner)。
装配时应区别分段和不分段的燃烧室。前者需要一个确定的排列次序。每一个模块可在一定的前提条件下同时也构成一个燃烧室分段。推进剂、外套、挂架、隔热层和燃烧室分段可一起准备好。但通常颗粒(Korn)必须从下向上安装。所说明的问题完全针对具体的例子。特殊的和其他任意的几何造型在有高的充填度的同时由发动机所要求的推力-时间曲线决定。当然所有的造型必须能与外套、隔热层、挂架等相配在一起。
冰块的脆性特别在受动负荷时会带来问题。作为解决办法可考虑采用加压变质的冰晶，它们的组合有很小的脆性(区别雪球与冰柱)。由冰构成的雪块确实可以承载(爱斯基摩人的圆顶冰屋原理)，而对于冷冻的推进剂情况会有所不同。由于固定在燃烧室壁6上所以可以显著降低对强度的要求。于是，在飞行加速度的条件下推进剂块不再需要支承在它上面的所有构件，而只须自身稳固。对于这种固体推进剂，图2表示了一种借助于拉紧丝4的固定方案，它的优点是在外套材料上只添加少量的不同于推进剂会改变推进剂颗粒总组成的其他材料。图3则不同，它表示了箱式增强装置9的标准方案，虽然这种方案装配比较简单，但提供了其他一些外套材料的表面。
在选择拉紧丝4的数量和排列结构时应当考虑到，一旦烧损表面到达它们那里时将被烧损。装配按这样的方式进行，即，首先将按恰当的方式(图中未表示)固定在底板上的丝4与一插塞固定装置13连接(见图5)，后者紧密地安装在外套1的外表面内并借助于适当的造型防止其转动。这些丝与此固定装置一起在装填和封闭推进剂元件时埋入推进剂3中。在燃料元件置入燃烧室内(或其燃烧室壁段内)后，通过从外部紧密地置入的插塞螺钉14将整个燃料元件固定住。在这里不详细说明密封及其他细节。可能需要的热防护层(见图2中TSP 7)在这种情况下可事后再安装。
可冷却的外套可按图3所示的另一种实施例制成双层壁。在这种情况下各外表面被冷却通道10穿过，每个推进剂元件至少各有一个进口和出口。空心圆柱环(见图6)或空心圆柱扇形段(见图7)的壁可设一个或多个平行于外圆周布设的隔板，它们作为双层壁之间的定距器并构成通道10的内边界。冷却剂的流动按字母顺序进行，在图6中从a到g，在图7中从a到p。
同样可在简单的外套壁上装冷却盘管(见图8和9)。在这两种情况下，内部通道系统或管系(通流按图8和9中的字母顺序)与在外套外部的供入管连接，它们可通过燃烧通道和喷嘴或通过燃烧室壁引入。在这两种情况下需要类似于用在液体火箭中的快速接头。在通过壁进入时，壁也必须相应地耐压。类似地这也适用于充排系统15的输入管(见图10)。但此系统的输入和排出管只与外套容积中最高和/或最低的部分连接。图10表示了一个排流系统，原始的充气(例如氦)可通过它逸出，而液态的推进剂通过同类进口(图中未表示)流入。
所表示的管子尺寸与所有图中的其他各种细节一样并没有重要意义。通过冷却系统散热，在冷冻推进剂时是取决于速度的步骤，通过燃烧通道的供热管和它的外隔热层缓慢熔化。因此，充排系统可使用小截面的管。这是有利的，因为在发动机工作时反正此整个系统和冷却系统会一起烧损。在最简单的情况下每个燃料元件需要一个自己的与充填系统的接头，因为通常并非没有困难地可以串联(当然燃料和氧化剂始终是分开的)。但在有的情况下可设想采取非常简单的措施连续充填。例如，在这里所介绍的实施例中位置倾斜的那些空心圆柱环的各最高和最低点互相连接。因此充填系统终止在最上方的元件处，它在最高点的边缘位置有一出口。
反之，在图10中所表示的排流系统与唯一的一个出口连接和与所有燃料元件及与之分开的所有氧化剂元件的各一个接头连接。在发动机处于垂直位置时系统正常工作，只是在烧损时用于排流以及在充填是必须与串联的进口保持连接。
在这里所描述的方法不应排除这种可能性，即燃料元件模块式地在特殊设备中逐个制成，然后在燃烧室内组合成一个颗粒，或在分段的结构方式中组合成燃烧室。若只允许采用这种组合方法，则所描述的管系当然必须按恰当的方式通过连接互相组合起来。
所有的例子的共同点是，它们只是作为方案的举例用于说明基本原理。
                符号表1   外套2   支承3   推进剂4   挂架/拉紧丝/抗拉构件5   壁内衬/热防护层6   燃烧室壁7   TPS/热防护系统8   燃烧通道9   增强装置10  冷却通道/管系11  装配环12  支座13  插塞固定装置14  插塞螺钉15  充排系统a-p 通流

Claims (4)

1.模块的固体燃料火箭推进剂装药，具有不同的推进剂组分和其他组分，包括燃料、氧化剂、提升能量的添加剂、胶合剂、添加剂、保护层、抑制剂，它们全部或部分可以成碎块，亦即不是以传统的准均匀混合物的形式而是以一个或多个具有任意恰当形状的宏观燃料元件的形式存在，其中，全部或个别组分也可以由那些必须冷却后才处于充分的固体状态的物质构成，推进剂装药作为一个整体或它们的各个燃料元件设有一个的外套，其特征为：上述外套具有一个突出的支承(2)，靠放在燃烧室壁(6)的向内突出的支座上，用以挂起推进剂装药或燃料元件。
2.按照权利要求1所述的固体燃料火箭推进剂装药，其特征为：燃料元件的外套(1)配备或连接有抗拉的构件(4；9)并因而同时用作该燃料元件在燃烧室内部的机械支撑。
3.按照权利要求1所述的固体燃料火箭推进剂装药，其特征为：外套(1)配备和/或连接有管系(10)，管系可流过适合的介质，并允许燃料元件直至发动机点火前不久一直保持在期望的温度范围内。
4.按照权利要求1所述的固体燃料火箭推进剂装药，其特征为：外套(1)内部配备和/或连接有管系(10)，必要时管系直至发动机点火前不久，尤其还在冷却系统没有足够的隔热或发生故障时，允许液态或气态的介质流入或排出。
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