DE102007020010A1

DE102007020010A1 - Koaxial-Zündanordnung

Info

Publication number: DE102007020010A1
Application number: DE102007020010A
Authority: DE
Inventors: Steven C. Simi Valley Fisher
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2007-11-08
Also published as: US8122703B2; RU2435063C2; JP2007298031A; US20090320447A1; RU2007116055A

Abstract

Eine Zweikomponententreibstoff-Einspritzeinrichtung beinhaltet ein erstes und ein zweites Einspritzelement (130, 24) und eine Funkenzünderanordnung (152). Das erste Einspritzelement (130) weist eine leitfähige Schicht (146), die mit der Funkenzünderanordnung (152) elektrisch verbunden ist, sowie eine nicht-leitfähige Schicht (148) auf, die auf einem Außenbereich der leitfähigen Schicht angeordnet ist. Das zweite Einspritzelement (24) beinhaltet ein leitfähiges Material und weist eine durchgehende Öffnung (132) in Fluidverbindung mit einer Brennkammer (22) auf. Ein Ende des ersten Einspritzelements (130) ist an oder nahe bei der Öffnung (132) in dem zweiten Einspritzelement (24) positioniert. Die Funkenzünderanordnung (152) ist dazu ausgebildet, einen elektrischen Lichtbogen (158) zwischen der leitfähigen Schicht (146) des ersten Einspritzelements (130) und dem zweiten Einspritzelement (24) zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Raketenantriebs-Einspritzeinrichtungen und Zündsysteme und betrifft im Spezielleren Einspritzeinrichtungen und Zündsysteme für nicht-hypergolen Treibstoff.
Bei einem typischen Flüssigtreibstoff-Raketenantrieb werden Zweikomponententreibstoff-Einspritzelemente verwendet, um das Einspritzen, Verteilen, Mischen sowie die Verbrennung eines Oxidationsmittels und eines Brennstoffs in einer Brennkammer zu erleichtern. Bei einem großen Raketenantrieb können Hunderte von Einspritzelementen bei einer großen Zündsystemanordnung (oder Funkenstartanordnung) vorhanden sein, die sich im Zentrum der Einspritzelementanordnung befindet. Die große Zündanordnung kann die Treibstoffe zünden, indem eine stehende Flamme oder eine Flammenfackel nach Art einer "Pilotflamme" bzw. Zündflamme erzeugt wird, die zum Initiieren des Brennvorgangs innerhalb der Brennkammer verwendet wird. Diese große Zündanordnung verwendet ihr eigenes spezielles Treibstoffgemisch zum Erzeugen und Unterhalten der "Pilotflamme", und diese speziellen Treibstoffmischungen besitzen signifikante Unterschiede zu den Treibstoffmischungen, die zum Schaffen von Triebwerksschub verwendet werden. Die Notwendigkeit für die speziellen "Pilotflammen"-Treibstoffvorräte führt dazu, dass die Triebwerks- bzw. Antriebsausbildung komplizierter wird. Die Verwendung von großen Zündeinrichtungsanordnungen führt auch zu Leistungsverlusten aufgrund der nicht einsatzgerechten Mischung der speziell vorgesehenen Treibstoffe, die zum Erzeugen der "Pilotflamme" verwendet werden (d.h. aufgrund eines anderen Mischungsverhältnisses als einem optimalen Mischungsverhältnis hinsichtlich der Schubleistung). Darüber hinaus sind große "Pilotflammen"-Zündanordnungen sowohl hinsichtlich der Größe als auch hinsichtlich der Masse umfangreich, und dies macht sie weniger wünschenswert zur Verwendung bei kleineren Raketenantrieben.
Es sind auch Funkenzündungssysteme zum Erzeugen von Zündfunken innerhalb einer Reaktionszone in der Brennkammer bekannt. Derartige Systeme beinhalten jedoch Schwierigkeiten bei der Herstellung von Systemkomponenten, und weitere Probleme bestehen im Hinblick auf die Abnutzung von Komponenten während des Gebrauchs. Beispielsweise sind spezielle Einspritzöffnungen und Verzweigungseinrichtungen erforderlich, um Brennstoff und Oxidationsmittel derart zu führen, dass eine leicht zu zündende Mischung von Treibstoffen an den freiliegenden Elektroden erzeugt wird. Direkte Funkenzündungssysteme können aufgrund einer Einspritzeinrichtungs-Frontplatte auch zusätzliches Gewicht hervorrufen, die Ausbildungskomplexität erhöhen und typischerweise bei nicht auf dem Optimum befindlichen Mischungsverhältnissen (üblicherweise bei brennstoffreichen Verhältnissen) arbeiten, um eine durch Wärme verursachte Beschädigung der Elektroden auszuschließen, wobei dies jedoch zu einer insgesamt niedrigeren Verbrennungsleistung führt.
Kleinere Raketenantriebe, wie z.B. Positionier-Schubtriebwerke, verwenden seit Alters her hypergole Treibstoffe (d.h. Treibstoffe, die spontan zünden, wenn sie miteinander in Kontakt gebracht werden). Es ist jedoch wünschenswert, Raketenantriebe zu entwickeln, die mit nicht-hypergolen Treibstoffen arbeiten.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Einspritz- und Zündsystem für nicht-hypergole Treibstoffe, das zur Verwendung bei relativ kleinen Raketenantrieben geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Zweikomponententreibstoff-Einspritzeinrichtung bzw. -Einschießeinrichtung ein erstes und ein zweites Einspritzelement bzw. Einschießelement sowie eine Funkenzünderanordnung. Das erste Einspritzelement besitzt eine leitfähige Schicht, die mit der Funkenzünderanordnung elektrisch verbunden ist, sowie eine nicht-leitfähige Schicht, die auf einem Außenbereich der leitfähigen Schicht angeordnet ist. Das zweite Einspritzelement weist ein leitfähiges Material und eine durchgehende Öffnung in Fluidverbindung mit einer Brennkammer auf. Ein Ende des ersten Einspritzelements ist an oder nahe der Öffnung in dem zweiten Einspritzelement positioniert. Der Funkenzünder kann einen elektrischen Lichtbogen zwischen der leit fähigen Schicht des ersten Einspritzelements und dem zweiten Einspritzelement erzeugen.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert; in den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Raketenantriebs mit einem Zündsystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine grafische Darstellung der Temperatur von H₂/O₂-Gasgemisch gegenüber einem Oxidationsmittel-/Brennstoff-(O/B-)Mischungsverhältnis unter Darstellung einer Entflammbarkeitsgrenze sowie von Bereichen, die Verbrennungsbedingungen anzeigen;
3 eine Schnittdarstellung einer Zündelementanordnung;
4A eine Schnittdarstellung eines Bereichs einer ersten alternativen Ausführungsform der Zündelementanordnung;
4B eine Schnittdarstellung eines Bereichs einer zweiten alternativen Ausführungsform der Zündelementanordnung;
4C eine Schnittdarstellung eines Bereichs einer dritten alternativen Ausführungsform der Zündelementanordnung; und
4D eine Schnittdarstellung eines Bereichs einer vierten alternativen Ausführungsform einer Zündelementanordnung.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Zündelementanordnung für Raketentriebwerke bzw. Raketenantriebe, die nicht-hypergole Treibstoffe verwenden. Im Allgemeinen ermöglicht die Zündelementanordnung die Erzeugung eines Funkens zwischen einem Einspritzeinrichtungs-Rohr und einer Einspritzeinrichtungs-Frontplatte zum Initiieren des Brennvorgangs von Treibstoffgemischen in einer angrenzenden Brennkammer. Eine Funkenzünderanordnung, die mit dem Einspritzeinrichtungs-Rohr verbunden ist, liefert die elektrische Energie zum Erzeugen des Funkens. Ein Raketenantrieb kann eine oder mehrere der Zündelementanordnungen zum Zünden von Treibstoffgemischen verwenden, die in die Brennkammer eintreten. Wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird, schafft die Zündelementanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Systemen zum Initiieren des Brennvorgangs bei einem Raketenantrieb.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Raketentriebwerks 20 mit einem Zündsystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Triebwerk 20 beinhaltet eine Brennkammer 22 (oder Hauptschubkammer) mit konvergierenden/divergierenden Wänden, eine Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 sowie eine Anordnung von Einspritzsäulen 26, 28 und 30. Das dargestellte Triebwerk 20 stellt ein kleines Triebwerk dar, wie z.B. ein Positionier-Schubtriebwerk für ein Besatzungs-Explorationsfahrzeug oder einen Satelliten. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung in weiteren alternativen Ausführungsformen auch bei anderen Arten von Raketentriebwerken verwendet werden kann.
Die Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 weist eine Anzahl von hindurchgehenden Öffnungen 32A bis 32C auf, wobei jede Öffnung 32A bis 32C in Relation zu einer der Einspritzsäulen 26, 28 bzw. 30 positioniert ist. Ein erster Treibstoff-Zuführverteiler 34 ist zwischen der Frontplatte 24 und einer Treibstoff-Zwischenplatte 36 gebildet. Ein zweiter Treibstoff-Zuführverteiler 38 ist zwischen der Treibstoff-Zwischenplatte 36 und einer Kuppel 40 gebildet.
Einer der Treibstoffe wird von dem ersten Treibstoff-Zuführverteiler 38 durch die Einspritzsäulen 26, 28 und 30 zugeführt. Der zweite Treibstoff wird der Brennkammer 22 von dem zweiten Treibstoff-Zuführverteiler 34 durch den Ringbereich zugeführt, der durch die Einspritzsäulen 26, 28 und 30 und die Öffnungen 32A bis 32C in der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 gebildet ist. Eines oder mehrere der Einspritzelemente in der Anordnung sind derart konfiguriert, dass sie auch die Funktion einer Zündanordnung haben. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hat die zentrale Einspritzsäule 30 auch die Funktion eines Zünders. Ein Funken, wie z.B. ein exemplarischer Funken 42, wird zum Initiieren der Verbrennung von an der Einspritzsäule 30 strömenden Treibstoffen verwendet, und diese Verbrennungsströmung zündet wiederum die Treibstoffe in der Brennkammer 22. Nach dem Zünden endet der Funken 42, und die zentrale Einspritzsäule 30 arbeitet exakt in der gleichen Weise wie die anderen Einspritzsäulen 26 und 28 der Anordnung auf dem gleichen Hochleistungs-Mischungsverhältnis.
Die Verbrennung eines nicht-hypergolen Zweikomponententreibstoff-Gemisches wird zur Schaffung von Triebwerksschub verwendet. Das Zweikomponententreibstoff-Gemisch beinhaltet ein Oxidationsmittel, wie z.B. O₂, sowie einen Brennstoff, wie z.B. H₂. Es ist darauf hinzuweisen, dass gemäß der vorliegenden Erfindung viele verschiedene Treibstoffmaterialien verwendet werden können. Die Treibstoffe werden der Brennkammer 22 über eine koaxiale Scherströmung zugeführt, und zwar in einer Weise, die dem Durchschnittsfachmann allgemein bekannt ist, wobei die Schergeschwindigkeitsströmung zum Zerstäuben und Mischen der Treibstoffe vor der Verbrennung in einer Reaktionszone der Brennkammer 22 verwendet wird. Das Triebwerk 20 verbrennt normalerweise Treibstoff-Gemische mit Mischungsverhältnissen, die über den gut gemischten Entflammbarkeitsgrenzen für die Treibstoffkombination liegen.
2 zeigt eine grafische Darstellung der Temperatur von H₂/O₂-Gasgemisch gegenüber dem Oxidationsmittel-/Brennstoff-(O/B-)Mischungsverhältnis für ein Zwei-Komponententreibstoff-Gemisch aus H₂ und O₂, wobei O₂ als Oxidationsmittel verwendet wird und H₂ als Brennstoff verwendet wird. Die grafische Darstellung veranschaulicht eine Entflammbarkeitsgrenze 50, die die grafische Darstellung in einen entflammbaren Bereich 52 und einen nicht-entflammbaren Bereich 54 teilt. Ein geeignetes Mischungsverhältnis O/B von ca. 6,0 (4 H₂/O₂) sorgt für eine natürlich hohe Triebwerksleistung hinsichtlich Schub/Treibstoffströmungsrate. Ein Bereich 56 veranschaulicht normale Schubeinrichtungs- und Hauptbrennkammer-Bedingungen, bei denen die Verbrennungstemperaturen ca. 6000° Rankine (R) betragen und die Leistungsfähigkeit hoch ist. Im Vergleich dazu veranschaulicht ein Bereich 58 Turbinenantriebs- und Gasgenerator-Bedingungen, bei denen die Verbrennungstemperaturen ca. 1500° R betragen. Treibstoffmischungen in dem Bereich 58 sind nicht sehr förderlich für eine Zündung und eine Flammausbreitung. Deshalb waren bei früheren Zündsyste men höhere Mischungsverhältnisse für die Zündung erforderlich, wobei dies wiederum die Turbinenlebensdauer verkürzt hat. Frühere Zündsysteme haben außerdem Zündquellen an jedem Einspritzeinrichtungsrohr zum Zünden von allen Treibstoffen verwendet. Da Treibstoffmischungen in dem Bereich 56 einer Verbrennung zuträglicher sind als Treibstoffmischungen in dem Bereich 58, besteht die Möglichkeit, einen anderen Zündplan zu verwenden. Treibstoffmischungen, die im Allgemeinen in den Bereich 56 fallen, ermöglichen in bereitwilliger Weise die Ausbreitung einer Flamme in der Brennkammer 22, da diese gut innerhalb des entflammbaren Bereichs 52 liegen. Wie in 1 gezeigt ist, kann das einzelne Einspritz-Zündelement 30 zum Zünden eines Treibstoffgemisches verwendet werden, das in den Bereich 52 fällt. Sobald die Verbrennung an dem Einspritz-/Zündelement 30 initiiert worden ist, breitet sich die Verbrennung durch die Brennkammer 22 aus, so dass im Wesentlichen die gesamten in die Brennkammer 22 eingebrachten Treibstoffe gezündet werden. Es versteht sich jedoch, dass bei weiteren Ausführungsformen auch mehr als ein Zündelement der Anordnung Zündfähigkeiten beinhalten kann. Ferner können die Treibstoffzusammensetzungen, die Treibstoff-Mischungsverhältnisse und die Temperaturen der Treibstoffmischungen variieren, wobei die Eigenschaften bei einer speziellen Anwendung bei einer grafischen Darstellung wie der der 2 Einfluss auf die Eigenschaften des Bereichs 56 haben.
3 zeigt eine Schnittdarstellung einer Zündelementanordnung 100. Die Zündelementanordnung 100 ist zur Verwendung bei dem Triebwerk 20 geeignet, das in 1 dargestellt und unter Bezugnahme auf diese beschrieben worden ist. Die Zündelementanordnung 100 beinhaltet eine Zündeinrichtungs-Frontplatte 24, eine Treibstoff-Zwischenplatte 36, eine Oxidationsmittel-Kuppel 40 sowie eine Oxidationsmittelsäule 130.
Bei der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 handelt es sich um eine leitfähige Metallplatte mit einer kegelstumpfförmigen Öffnung 132, die zwischen einer Innenfläche 134 und einer Außenfläche 136 gebildet ist, wobei die Außenfläche 136 angrenzend an eine Brennkammer 22 positioniert ist. Fluide können durch die Öffnung 132 in die Brennkammer 22 strömen. Ein Brennstoff-Zuführweg durch einen Brennstoff-Zuführverteiler 34 ist zwischen der Innenfläche 134 der Frontplatte 24 und der Treibstoff-Zwischenplatte 36 gebildet. Brennstoff wird dem Brennstoff-Zuführverteiler 34 in herkömmlicher Weise von Vorratsbereichen (nicht gezeigt) zugeführt und kann durch eine Turbopumpe oder andere geeignete Mechanismen durch den Brennstoff-Zuführverteiler 34 gepumpt werden. Der Brennstoff strömt durch einen Ringbereich, der zwischen der Öffnung 132 in der Frontplatte 124 und der Oxidationsmittel-Säule 130 gebildet ist, die derart positioniert ist, dass sie sich in die Öffnung 132 hinein erstreckt. Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung bei nahezu jedem beliebigem Typ von Einspritzanordnung zum Schaffen einer koaxialen Zufuhr von nicht-hypergolen Treibstoffen verwendet werden kann und dass das in 3 dargestellte spezielle Ausführungsbeispiel lediglich als ein erläuterndes Beispiel zu verstehen ist.
Bei der Oxidationsmittel-Säule 130 handelt es sich um ein Verbundrohr mit einem ersten Ende 138 und einem gegenüber liegenden zweiten Ende 140. Das erste Ende 138 der Oxidationsmittel-Säule 130 ist durch die Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 hindurch in der Öffnung 132 positioniert. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel fluchtet das erste Ende 138 des Rohrs 130 mit einer Ebene, die durch die Außenfläche 136 der Frontplatte 24 definiert ist. Die Säule bzw. das Rohr 130 besitzt einen inneren Hohlraum 142, der einen Oxidationsmittel-Zuführweg zu der Brennkammer 22 bildet. Eine oder mehrere seitliche Öffnungen 144 sind in der Säule 130 gebildet, um eine Fluidverbindung zwischen dem inneren Hohlraum 142 und einem Oxidationsmittel-Zuführverteiler 38 zu ermöglichen, der einen Oxidationsmittel-Zuführweg zwischen der Oxidationsmittel-Kuppel 40 und der Treibstoff-Zwischenplatte 36 bildet. Oxidationsmittel wird dem Oxidationsmittel-Zuführverteiler 38 in herkömmlicher Weise von Vorratsbereichen (nicht gezeigt) zugeführt und kann durch eine Oxidationsmittel-Turbopumpe oder andere geeignete Mechanismen durch den Oxidationsmittel-Zuführverteiler gepumpt werden.
Die Oxidationsmittel-Säule 130 beinhaltet im Wesentlichen einen inneren leitfähigen Bereich 146 und einen äußeren nichtleitfähigen Bereich 148. Die beiden Bereiche 146 und 148 können zum Bilden der zusammengesetzten Oxidationsmittel-Säule 130 durch Hartlöten miteinander verbunden sein. Der leitfähige Bereich 146 kann aus einem Metallmaterial gebildet sein, beispielsweise aus Kupferlegierungen, rostfreien Stahlmaterialien sowie Nickellegierungen mit hoher Festigkeit. Der nichtleitfähige Bereich 148 kann aus Keramikmaterial, beispielsweise Maycor^TM-Keramikmaterial (erhältlich von Ceramic Products, Inc., Palisades Park, NJ), Siliciumcarbid oder anderen isolierenden Materialien (z.B. einem nichtleitfähigen Polymermaterial) gebildet sein. Der leitfähige Bereich 146 erstreckt sich zwischen dem ersten Ende 138 und dem zweiten Ende 140 der Säule 130. Der nichtleitfähige Bereich 148 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 138, 140 der Säule 130 angeordnet, so dass Bereiche des leitfähigen Bereichs 146 an jedem der Enden 138, 140 freiliegend bleiben. Der nichtleitfähige Bereich 146 der Oxidationsmittel-Säule 130 ermöglicht eine elektrische Trennung des leitfähigen Bereichs 148 der Oxidationsmittel-Säule 130 von anderen Komponenten, wie z.B. der Treibstoff-Zwischenplatte 36, der Oxidationsmittel-Kuppel 40 usw. Eine Befestigungskonstruktion 150, bei der es sich um einen Gewindebereich handeln kann, ist an dem zweiten Ende 140 der Säule 130 ausgebildet, um eine elektrische Verbindung zwischen einem Funkenzünder 152 und dem leitfähigen Bereich 146 der Säule 130 zu vereinfachen.
Der Funkenzünder 152 ist in 3 schematisch dargestellt. Der Zünder 152 ist mit dem leitfähigen Bereich 146 der Säule 130 elektrisch verbunden, und bei dem Zünder 152 kann es sich um eine herkömmliche elektronische Funkenerzeugungsanordnung handeln, die eine geeignete Spannung und einen geeigneten Strom zum Schaffen eines Funkens über einen Luftspalt zwischen der Oxidationsmittel-Säule 130 und der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 hinweg erzeugt.
Die Treibstoff-Zwischenplatte 36 ist zwischen der Oxidationsmittel-Kuppel 40 und der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 angeordnet und trennt den Brennstoff-Zuführweg und den Oxidationsmittel-Zuführweg voneinander. Die Oxidationsmittel-Säule 130 geht durch die Treibstoff-Zwischenplatte 36 hindurch, und die Treibstoff-Zwischenplatte 36 ist durch Hartlöten mit dem nicht-leitfähigen Bereich 148 der Säule verbunden, um dazwischen eine Dichtung 154 zu bilden. Bei dem Hartlötmaterial der Dichtung 154 kann es sich um eine Legierung handeln, die z.B. Kombinationen aus Gold, Silber, Nickel und Kupfer enthält.
Die Oxidationsmittel-Kuppel 40 ist herkömmlichen Typs, wie dieser bei Raketentriebwerks-Einspritzeinrichtungen verwendet wird. Die Oxidationsmittel- Säule 130 geht durch die Oxidationsmittel-Kuppel 40 hindurch, und der nichtleitfähige Bereich 148 der Oxidationsmittel-Säule ist durch Hartlöten mit der Oxidationsmittel-Kuppel verbunden, um eine Dichtung 156 zwischen diesen zu bilden. Bei dem Hartlötmaterial der Dichtung 156 kann es sich um ein ähnliches Material wie bei der Dichtung 154 handeln.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, bei dem beispielsweise der nichtleitfähige Bereich aus einem nichtleitfähigen Polymermaterial gebildet ist, können die Dichtungen 154 und 156 durch Kompressionsbelastung anstatt durch Hartlöten gebildet werden. Die Dichtung 154 kann durch Kompressionsbelastung des nichtleitfähigen Bereichs 148 zwischen dem leitfähigen Bereich 146 und der Treibstoff-Zwischenplatte 36 gebildet werden, und die Dichtung 156 kann gleichermaßen durch Kompressionsbelastung des nichtleitfähigen Bereichs 148 zwischen dem leitfähigen Bereich 146 und der Oxidationsmittel-Kuppel 40 gebildet werden.
Im Betrieb wird ein Funken zwischen dem leitfähigen Bereich 146 der Oxidationsmittel-Säule 130 (an dem ersten Ende 138 von dieser) und der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 durch Erzeugen eines Spannungspotenzials zwischen diesen mittels des Zünders 152 erzeugt. In 3 ist ein exemplarischer Funken 158 als elektrischer Lichtbogen dargestellt, der zwischen der Oxidationsmittel-Säule 130 und der Frontplatte 24 verläuft. Sobald ein Zündfunken erzeugt worden ist, wird dann die Zufuhr des Oxidationsmittels und des Brennstoffs entlang des Oxidationsmittel-Zuführwegs bzw. des Brennstoff-Zuführwegs initiiert, um eine koaxiale Treibstoffströmung zu der Brennkammer 22 zu erzeugen. Die koaxiale Treibstoffströmung erzeugt ein Zweikomponenten-Treibstoffgemisch, das durch den Funken 158 gezündet wird. Die Verbrennung kann sich dann in der Brennkammer 22 fortpflanzen bzw. ausbreiten, um die von anderen Einspritzelementen zugeführten Treibstoffe zu zünden (siehe 1).
Die in 3 dargestellte Zündelementanordnung ist lediglich ein Beispiel für mögliche Ausführungsformen von Zündelementanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Folgenden werden Beispiele von alternativen Ausführungsformen erläutert. 4A zeigt eine Schnittdarstellung eines Bereichs einer ersten alternativen Zündelementanordnung 200. Die Zündelementanord nung 200 ist im Wesentlichen der Zündelementanordnung 100 ähnlich, die in 3 dargestellt und unter Bezugnahme auf diese beschrieben worden ist. Bei der Zündelementanordnung 200 ist jedoch das erste Ende der Oxidationsmittel-Säule 130 über eine Distanz D von der Außenfläche 136 der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 zurückgesetzt. Die Distanz D ist im Wesentlichen geringer als eine Dicke T der Frontplatte 24. Die zurückgesetzte Position des ersten Endes 138 der Oxidationsmittel-Säule 130 ist zum Steuern der Position für den Funken 158 von Hilfe und kann zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit im Hinblick auf das koaxiale Einspritzen der Treibstoffe in die Brennkammer 22 von Hilfe sein.
4B zeigt eine Schnittdarstellung eines Bereichs einer zweiten alternativen Ausführungsform einer Zündelementanordnung 300. Die Zündelementanordnung 300 ist der in 3 dargestellten und unter Bezugnahme auf diese erläuterte Zündelementanordnung 100 im Wesentlichen ähnlich. Bei der Zündelementanordnung 300 hat jedoch die Öffnung 332 in der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 mehrere Durchmesser, so dass eine stufige Formgebung gebildet ist. Die Öffnung 332 besitzt einen ersten Bereich 332A mit einem ersten Durchmesser D1 angrenzend an die Innenfläche 134 der Frontplatte 24 sowie einen zweiten Bereich 332B mit einem kleineren zweiten Durchmesser D2 angrenzend an die Außenfläche 136 der Frontplatte 24. Die stufige Formgebung der Öffnung 332 erleichtert eine erwünschte Scherströmung des Brennstoffs in die Brennkammer 22.
4C zeigt eine Schnittdarstellung eines Bereichs einer dritten alternativen Ausführungsform einer Zündelementanordnung 400. Die Zündelementanordnung 400 ist der in 3 dargestellten und unter Bezugnahme auf diese beschriebene Zündelementanordnung 100 im Wesentlichen ähnlich. Bei der Zündelementanordnung 400 ist jedoch ein nichtleitfähiger Einsatz 402 entlang einem Umfangbereich der Öffnung 132 in der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 angeordnet. Bei dem nichtleitfähigen Einsatz 402 kann es sich um ein Keramikmaterial handeln, das durch Hartlöten mit der Frontplatte verbunden ist, wobei das Keramikmaterial und das Hartlötmaterial den vorstehend beschriebenen Materialien ähnlich sein können. Der nichtleitfähige Einsatz 402 ist angrenzend an die Innenfläche 134 der Frontplatte positioniert, um einen leitfähi gen Bereich 404 an dem Umfang der Öffnung 132 der Frontplatte 24 angrenzend an die Außenfläche 136 der Frontplatte 24 zu schaffen. Der nichtleitfähige Einsatz 402 ist zur Steuerung der Position des Funkens 158 sowie zum Fokussieren der Energie des Funkens 158 von Hilfe.
4D zeigt eine Schnittdarstellung eines Bereichs einer vierten alternativen Ausführungsform einer Zündelementanordnung 500. Die Zündelementanordnung 500 ist der in 3 dargestellten und unter Bezugnahme auf diese beschriebenen Zündelementanordnung im Wesentlichen ähnlich. Die Zündelementanordnung 500 beinhaltet ferner eine Brennstoffhülse 502, die zwischen der Einspritzeinrichtungs Frontplatte 24 und dem nichtleitfähigen Bereich 148 der Oxidationsmittel-Säule 130 positioniert ist. Die Brennstoffhülse 502 kann durch Hartlöten festgelegt sein. In der Brennstoffhülse 502 sind eine oder mehrere seitliche Öffnungen 504 gebildet, um eine Fluidverbindung zwischen einem Brennstoff-Zuführweg und der Brennkammer 22 zu ermöglichen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Zündfunken 158 zwischen dem leitfähigen Bereich 146 der Oxidationsmittel-Säule 130 und der Brennstoffhülse 502 vorhanden. Ein Vorteil von Ausbildungen mit einer Brennstoffhülse 502 besteht in der zusätzlichen strukturellen Abstützung, die diese der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte 24 verleiht.
Die vorliegende Erfindung schafft zahlreiche Vorteile und günstige Merkmale. Zum Beispiel ist eine Zündelementanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung relativ klein und von geringer Masse im Vergleich zu großen Zündelementanordnungen, die spezielle Treibstoffvorräte verwenden, um eine Flammenfackel oder eine "Pilotflamme" zu unterhalten. Diese Vorteile hinsichtlich der Größe und der Masse erleichtern die Verwendung der erfindungsgemäßen Zündelementanordnung bei kleinen Raketenantrieben. Ferner muss bei einem Raketentriebwerk mit einer Anordnung von Einspritzelementen nur an einem der Einspritzelemente eine Zündelementanordnung integriert sein, um die Verbrennung innerhalb der Brennkammer zu initiieren.
Da eine Zündelementanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Zünden wie ein typisches Einspritzelement arbeiten kann, lässt sich eine hohe Verbrennungsleistung aufrecht erhalten. Dies sorgt für Leistungsvorteile ge genüber bestehenden Systemen, die spezielle Zündtreibstoffe bei nicht-spitzenmäßigen Bedingungen verwenden, durch die die Triebwerkschubleistung insgesamt verringert werden kann.
Darüber hinaus ist die Zündelementanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung relativ leicht und einfach herstellbar. Da ein Zünder der Anordnung von dem Brennvorgang abgelegen sowie von den Treibstoffwegen abgelegen positioniert werden kann, ist es relativ einfach, Drähte oder andere elektrische Verbindungseinrichtungen zu dem Zünder hin zu verlegen. Die Konstruktion der Zündanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist ferner dadurch vereinfacht, dass die Zündanordnung keine speziellen Zündtreibstoff-Verzweigungseinrichtungen oder Zündströmungsöffnungen benötigt.
Die Erzeugung eines Zündfunkens zwischen elektrisch isolierten bzw. getrennten Komponenten einer Einspritzelementanordnung vermeidet ferner im Großen und Ganzen weitere mögliche Probleme. Zum Beispiel sind bei Funkenzündungsanordnungen mit einer derartigen Positionierung, dass sie sich von einer Brennkammerwand weg erstrecken, Schwierigkeiten hinsichtlich der Schaffung einer Öffnung durch die Brennkammerwand vorhanden, die typischerweise Kühlkanäle beinhaltet. Eine veränderte Wegführung für die Kühlkanäle führt zu einer unerwünschten Komplizierung der Triebwerksausbildung. Ferner ist es schwierig, eine geeignete Hochdruckdichtung für heißes Gas um eine Funkenzündungsanordnung herum zu schaffen und aufrecht zu erhalten, die sich durch eine Brennkammerwand hindurch erstreckt. Als weiteres Beispiel bestehen auch bei Zündsystemen, die innerhalb einer Treibstoff-Verbrennungszone positioniert werden müssen, beträchtliche Probleme hinsichtlich einer Beeinträchtigung und einem Defekt von Komponenten, wie z.B. Schmelzen oder Erosion der Funkenelektrode, aufgrund der an diesen Stellen vorherrschenden extremen Bedingungen. Die Verwendung von nicht auf dem Optimum befindlichen Mischungsverhältnissen zum Vermeiden von solchen Schäden führt zu einer verminderten Leistungsfähigkeit.
Die vorliegende Erfindung ist vorstehend zwar unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden, jedoch versteht es sich für den Fachmann, dass im Umfang der Erfindung Änderungen vorgenommen werden können. Zum Beispiel können die speziellen Größen und Formgebungen von Komponenten der Zündelementanordnung der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung variieren. Darüber hinaus kann eine Vielzahl verschiedener nicht-hypergoler Treibstoffe verwendet werden.

Claims

Zweikomponententreibstoff-Einspritzeinrichtung, aufweisend: ein erstes Einspritzelement (130), das zum Einspritzen eines ersten Treibstoffs in eine Brennkammer (22) in der Lage ist, wobei das erste Einspritzelement eine leitfähige Schicht (146) aufweist und wobei das erste Einspritzelement ein erstes Ende (138) und ein zweites Ende (140) bildet; ein zweites Einspritzelement (24), das ein leitfähiges Material aufweist und eine durch dieses hindurch gebildete Öffnung (132; 332) in Fluidverbindung mit der Brennkammer (22) aufweist, wobei das erste Ende (138) des ersten Einspritzelements (130) an oder nahe bei der Öffnung in dem zweiten Einspritzelement positioniert ist; und eine Funkenzünderanordnung (152), die mit der leitfähigen Schicht (146) des ersten Einspritzelements (130) elektrisch verbunden ist, wobei die Funkenzünderanordnung (152) in der Lage ist, einen elektrischen Lichtbogen (158) zwischen der leitfähigen Schicht (146) des ersten Einspritzelements (130) und dem zweiten Einspritzelement (24) zu erzeugen.
Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine nichtleitfähige Schicht (148) auf einem Außenbereich der leitfähigen Schicht (146) des ersten Einspritzelements (130) angeordnet ist.
Einspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtleitfähige Schicht (148) des ersten Einspritzelements (130) ein Keramikmaterial aufweist.
Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Einspritzelement um eine Brennstoffhülse (502) handelt.
Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Einspritzelement um eine Einspritzeinrichtungs-Frontplatte (24) handelt.
Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem zweiten Einspritzelement gebildete Öffnung (132) eine kegelstumpfförmige Formgebung aufweist.
Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einspritzelement (130) und das zweite Einspritzelement (24) zum koaxialen Einspritzen von Treibstoffen positioniert sind.
Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Einspritzelement (130) um ein zylindrisch ausgebildetes Rohr handelt.
Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (138) des ersten Einspritzelements (130) von einer der Brennkammer (22) zugewandten Oberfläche des zweiten Einspritzelements (24) zurückversetzt ist.
Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zünder (152) mit dem zweiten Ende (140) des ersten Treibstoff-Einspritzelements (130) verbunden ist.
Raketenschuberzeugungsanordnung, aufweisend: eine Brennkammer (22); eine Einspritzeinrichtungs-Frontplatte (24), durch die hindurch eine Mehrzahl von Öffnungen (32A bis 32C) ausgebildet ist; eine Mehrzahl von Treibstoff-Einspritzrohren (26, 28, 30), wobei jedes Treibstoff-Einspritzrohr an einer entsprechenden Öffnung in der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte angeordnet ist; und einen Funkenzünder, der mit einem ersten (30) der mehreren Treibstoff-Einspritzrohre verbunden ist, um einen Zündfunken zwischen dem ersten Treibstoff-Einspritzrohr und der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte (24) zu erzeugen, um der Brennkammer (22) zugeführte Treibstoffe zu zünden.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Treibstoff-Einspritzrohr (30) eine zylindrische Formgebung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Treibstoff-Einspritzrohr (130) eine leitfähige Schicht (146) sowie eine auf der leitfähigen Schicht angeordnete nichtleitfähige Schicht (148) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der nichtleitfähigen Schicht um ein Keramikmaterial handelt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (32A bis 32C) in der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte (24) und die entsprechenden Einspritzrohre (26, 28, 30) ringförmig ausgebildete Treibstofföffnungen bilden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in der Einspritzeinrichtungs-Frontplatte (24) eine kegelstumpfförmige Formgebung aufweisen.
Einspritzanordnung, aufweisend: eine Frontplatte (24), die einer Raketenbrennkammer (22) benachbart angeordnet ist, wobei die Frontplatte (24) eine durchgehende Öffnung (132) zum Einspritzen von Treibstoffen in die Brennkammer aufweist; ein Einspritzrohr (130), das ein erstes Ende (138) und ein zweites Ende (140) bildet, wobei das Einspritzrohr zumindest eine Treibstoff-Einlassöffnung aufweist und einen an seinem ersten Ende befindlichen Treibstoff-Auslass besitzt, wobei das erste Ende (138) des Einspritzrohrs (130) an oder nahe der Öffnung (132) in der Frontplatte (124) angeordnet ist, wobei das Einspritzrohr ein leitfähiges Material aufweist sowie eine innere Passage zum Bilden eines ersten Treibstoff-Zuführweges zwischen der mindestens einen Treibstoff-Einlassöffnung und dem Treibstoff-Auslass aufweist; eine Treibstoff-Trenneinrichtung (36), die einen ersten Treibstoff-Zuführweg in Fluidverbindung mit der mindestens einen Treibstoff-Einlassöffnung des Einspritzrohrs sowie einen zweiten Treibstoff-Zuführweg zwischen der Treibstoff-Trenneinrichtung und der Frontplatte definiert; eine nichtleitfähige Beschichtung (148), die zum elektrischen Trennen des Einspritzrohrs von der Frontplatte auf dem Einspritzrohr angeordnet ist; und einen Zünder (152), der mit dem Einspritzrohr (130) elektrisch verbunden ist, um elektrische Funken zwischen dem Einspritzrohr und der Frontplatte zu erzeugen.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Frontplatte gebildete Öffnung ringförmig ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Frontplatte gebildete Öffnung kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (138) des als Einspritzrohr (130) ausgebildeten ersten Einspritzelements von einer der Brennkammer (22) zugewandten Oberfläche des als Frontplatte (24) ausgebildeten zweiten Einspritzelements zurückversetzt ist.