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Kühleinrichtung für Raketenmotoren Die Kühlung von Raketenmotoren
geschieht heute nach zwei Verfahren. Nach dem einen Verfahren wird das Kühlmittel
durch einen Kühlmantel, der Verbrennungsraum und Entspannungsdüse umgibt, hindurchgeleitet,
wobei aber der Nachteil vorhanden ist, daß die örtlichen Kühlmittelgeschwindigkeiten
nicht erzwungen werden können, sondern daß sich je nach den örtlichen Widerständen
(z. B. Dampfblasenbildung) verschiedene Kühlmittelgeschwindigkeiten ausbilden, so
daß die zu kühlende Oberfläche an einer Stelle überkühlt, an der anderen aber zu
heiß wird, da ja nur diemittlere Geschwindigkeit über die Gesamtoberfläche erzwungen
werden kann. Das andere Verfahren sucht diesen \Tachteil dadurch zu beheben, daß
das Kühlmittel in einem engen Kanal mit der gewünschten Geschwindigkeit an der zu
kühlenden Oberfläche entlang geführt wird, wobei dieser Kanal, um mit der ganzen
Oberfläche in Berührung zu kommen, z. B. schraubenförmig um dieselbe herumgeführt
wird, wodurch zwangläufig an jeder Stelle der Oberfläche bei geeigneter Wahl des
Kanalquerschnittes die gewünschte Kühlmittelgeschwindigkeit erreicht wird. Statt
eines Kanals können auch mehrere parallel geschaltete verwendet werden.
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Gegenüber dem ersten Verfahren, dessen Kühlleistung und dessen Betriebssicherheit
bei hochwertigen Raketenmotoren gänzlich ungenügend ist, bringt das zweite Kühlverfahren
erhebliche Fertigungs- und Prüfschwierigkeiten, insbesondere bei sehr hochbelasteten
Motoren, wo die Kanalquerschnitte infolge der hohen erforderlichen Kühlmittelgeschwindigkeiten
sehr eng werden (Größenordnung 0,4 bis 2 mm) und daher geringe Ungenauigkeiten in
der Herstellung schon starke Abweichungen von den gewünschten Werten hervorrufen.
Da dieses zweite Verfahren aber allein den einwandfreien Betrieb hochbelasteter
Motoren verbürgte, müssen heute diese Schwierigkeiten in Kauf genommen werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung eines Raketenmotors,
die diese Nachteile vermeidet. Sie erreicht dies dadurch, daß die Kühlkanäle durch
Formkörper gebildet werden.
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Bei einer Sonderform der Erfindung bestehen Reaktionsraum und Düse
aus einem tragenden Außenkörper, der die Außenbegrenzung der Kühlkanäle darstellt,
und dem oder den Formkörpern, deren Innenwände dem Feuergas ausgesetzt sind, während
ihre Außenwände vom Kühlmittel bespült werden. Diese Formkörper tragen -insbesondere
parallel zur Längsachse - Rippen, die die seitlichen Kühlkanalbegrenzungen darstellen
und mit ihrer freien Kante an dem Außenkörper anliegen und damit die Abstützung
des Formkörpers übernehmen. Die Anzahl der Rippen ist durch die Zahl der gewünschten
Kanäle bestimmt. Diese Formkörper lassen sich leicht durch Drehen oder Fräsen herstellen
und können mit dem Außenkörper kraftschlüssig durch Gewinderinge, Bolzen oder aber
auch durch Einschrumpfen verbunden werden.
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Um die einzelnen Kanäle gegeneinander abzudichten, werden die Trennwände
der Kanäle zweckmäßig mit einer oder mehreren keilartigen Dichtkanten bzw. Schneiden
versehen, die im Gegenmaterial eindringen und so die Dichtung herstellen. Wenn beispielsweise
der die Dichtungskanten tragende Kühleinsatz nicht aus härterem, sondern aus dem
gleichen Material besteht wie der Außenkörper des Motors, z. B. aus Leichtmetall,
so können in dem Gegenkörper in Nuten entsprechend weichere Metalle, beispielsweise
durch Gießen, Spritzen oder Löten, eingebracht werden oder aber z. B. Weichkupfer
oder Aluminium eingelegt werden, das aber, um eine Kriechströmung zwischen den Kanälen
zu verhindern, verlötet sein müßte oder selbst wieder durch beispielsweise Liniendichtungen
wirklich dicht in den Körper eingepreßt sein müßte.
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Als weitere Vorteile dieser grundsätzlichen Gestaltung von Kühleinsätzen
ergeben sich noch der leichte Austauschbau beispielsweise für die Untersuchung gelaufener
Motoren, ferner die während des Betriebes praktisch vollkommene Arbeitsmöglichkeit
der Formkörper infolge der verschieden starken Wärrnelängungen, während bei der
Anfahrzeit des Motors -also bevor er betriebswarm ist - die Dichtkanten mit dem
Gegenmaterial eine Art Labyrinthdichtung bilden, die für die Sicherheit des Betriebes
voll ausreicht, zumal die Luft bei sich erwärmendem Formkörper sofort verschwindet.
Aus
den Zeichnungen ist die leichte Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Formkörper bei
zylindrischen, konischen und einseitig gekrümmten Bauformen zu ersehen. Um die erfindungsgemäßen
Formkörper auch für doppelt gekrümmte Bauformen, beispielsweise für Entspannungsdüsen,
verwenden zu können, sind mehrfach - z. B. vierfach - unterteilte Füllstücke vorgesehen,
die durch Schrauben oder Schrumpfringe oder andere an sich bekannte Mittel mit dein
Formkörper zu einer Montageeinheit verspannt werden können und so einen Bauteil
des Motors bilden. Da die Formkörper sich von selbst immer genau zentrieren, brauchen
keine diesbezüglichen Einrichtungen vorgesehen zu werden.
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In Fig. 1 ist in einem Teilschnitt finit 1 die äußere. tragende Wand
eines Raketenmotors bezeichnet, in der ein mit Ansätzen 3 versehener Formkörper
2 über zwei nebeneinanderliegende Dichtkanten 4 so befestigt ist, daß Kühlstoffkanäle
12 gebildet werden. Die Befestigung des Rotationskörpers 2 erfolgt zweckmäßig durch
Einschrumpfen.
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In Fig. 4 ist ein zylinderförmiger Brennkammerteil 1 gezeichnet, in
dem ebenfalls ein zylinderförmiger Formkörper befestigt ist. Fig.5 zeigt den dazugehörigen
Schnitt mit zwei nebeneinanderliegenden keilförmigen Dichtkanten 4 entsprechend
der Vergrößerung in Fig. 1. Bestehen die Dichtkanten und die Wandung 1 aus dem gleichen
Material, so kann, wie dies die Fig. 2 zeigt, in Ausnehmungen 5 der tragenden Wandung
1 beispielsweise durch Gießen oder Spritzen bzw. durch Schleuderguß leicht verformbares
Material eingebracht werden, in das sich die Dichtkanten 4 der Ansätze 3, wie dies
die Zeichnung zeigt, eindrücken. Anstatt die Nuten 5 durch Gießen oder Spritzen
bzw. Schleuderguß auszufüllen, können diese auch durch eingelegte weichere Metallstreifen,
beispielsweise Weichkupfer oder Aluminium, ausgefüllt werden, wobei auf eine genaueLiniendichtung
geachtet werden muß. Zweckmäßig können auch zur Verhinderung eines Kriechstromes
zwischen den Kanälen die eingelegten Metallstreifen 6, wie dies die Fig. 3 zeigt,
in den Nuten 5 verlötet werden.
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Fig.6 zeigt eine konische Ausbildung des Formkörpers und Fig. 7 den
dazugehörigen Querschnitt. Es ist jedoch auch möglich, den Formkörper über entsprechende
Gewinderinge od. dgl. in den tragenden Mantel 1 einzulassen, wobei zweckmäßig mit
Differenzgewinde verseheneBefestigungsringe Verwendung finden können mit dem Vorteil,
daß sich beim Lösen der Befestigungsringe gleichzeitig ein Abheben der Formkörper
ergibt.
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In Fig. 8 ist ein einseitig gekrümmter Formkörper im Längsschnitt
dargestellt, insbesondere für die Austrittsdüse von Raketenmotoren, und zwar mit
einer zylindrischen Außenbegrenzung des verwendeten Füllkörpers.
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Um die Formkörper 2 auch für doppelt gekrümn@ce Bauformen, beispielsweise
für Entspannungsdüsen gemäß Fig.9, verwenden zu können, werden die Brennkammer-
und gegebenenfalls die Düsenwände mehrfach, vorzugsweise drei- bis vierfach, so
unterteilt, daß durch Verschrauben oder durch Verschweißen die unterteilten Wandteile
mit dein oder den Formkörpern eine einzige Einheit bilden. Fig. 9 zeigt im Schnitt
einen Formkörper 2 mit dreifach unterteilten Füllkörpern 10, die eine. kegelige
Außenbegrenzung besitzen.
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Fig. 10 ist ein Schnitt durch Fig. 9 an der Stelle, an der die einzelnen
Füllkörper 10, vor allein bei der Fertigung, über besondere Paßstücke
7 od. dgl. verbunden sind, und Fig. 11 ist ein Schnitt durch Fig. 9 in der
Ebene, in der die einzelnen Füllkörper 10 über besondere Schrauben 8 fest miteinander
verspannt sind. An Stelle von Schraubverbindungen ist es auch möglich, die einzelnen
Körper 10 über Schrumpfringe od. dgl. zu verspannen.
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Fig. 12 zeigt noch eine Aufsicht für eine abgedichtete Ausführung
einer Bohrung durch den Formkörper 2 und Fig. 13 den dazugehörigen Schnitt.lit der
gleichen Art der in Fig. 12 dargestellten Abdichtung einer Bohrung kann auch eine
saubere Einführungsdichtung der einzelnen Kühlkanäle erzielt werden. Die Dichtringe
11, die hier die Bohrung 9 umschließen, hätten dann einen unendlichen Radius, und
das Kühlmittel würde senkrecht oder annähernd senkrecht zur Kühlmittelführung eintreten.
Eine der Abdichtungsmöglichkeiten ist in Fig. 14 grundsätzlich gezeigt, und zwar
für den Fall, daß das Kühlmittel parallel oder annähernd parallel zu den Kühlmittelführungen
eintritt.
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Durch die Ausbildung der Kühlkanäle über die Ansätze 3 oder entsprechende
Ausnehmungen lassen sich mit wirtschaftlich einfachen Mitteln Kühlkanalquerschnitte
in beliebiger Anzahl und in jeder beliebigen Abmessung sauber herstellen. Dies ist
insbesondere für Austrittsdüsen wichtig, da die Kühlkanalhöhe wegen der für die
Kühlung erforderlichen hohen Kühlstoffgeschwindigkeit nur Teile von min betragen
kann, so daß eine genaue Herstellung und eine leichte Kontrolle sehr ins Gewicht
fällt. Für einen solchen Fall werden die Dichtkanten 4 zweckmäßig so aus dem Ansatz
3 herausgearbeitet, wie dies die Fig. 11 im Schnitt zeigt.
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Die Kühlkanäle können dabei so ausgebildet werden, daß am Eintritt
des Kühlmittels eine saubere Trennung der einzelnen Kühlmittelleitungen untereinander
durchgeführt wird. Am Ende der Kühlkanäle kann auf eine solche Trennung verzichtet
werden, wobei z. B. bei Kühlung mittels der an Bord mitgeführten Kraftstoffe mehrere
der Kühlstofführungskanäle zusammengefaßt und einer gemeinsamen Einspritzdüse der
Kraftstoffe zugeführt werden.