DE102010034580B4

DE102010034580B4 - engine

Info

Publication number: DE102010034580B4
Application number: DE102010034580.6A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. chem. Schwarting Walter
Original assignee: ArianeGroup GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2030-08-14
Also published as: DE102010034580A1

Abstract

Triebwerk, das mit gasförmigen, kryogenen Treibstoffen betrieben wird, wobei die gasförmigen Treibstoffe aus miteinander reagierenden trockenen Dämpfen tiefkalt gelagerter Flüssiggase bestehen und wobei eine Regelungsvorrichtung für eine auf exakte Sollwerte korrigierte Regelung des Massenstromes zu einer Brennkammer (3) des Triebwerkes vorgesehen ist,wobei die Regelungsvorrichtung aus einem ersten Regelkanal (1) für ein Brenn-Gas und einem zweiten Regelkanal (2) für ein Oxidator-Gas besteht, die beiden Regelkanäle mit einer Regelungseinheit (16) verbunden sind und die Regelungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, dass über einen Eingang (18) der Regelungseinheit (16) aktuelle Werte der Temperaturen und Drücke der beiden Gase zugeführt werden und über einen Ausgang (22) der Regelungseinheit (16) sowohl der Gesamt-Massenstrom als auch das Verhältnis der Massenströme der beiden Regelkanäle (1, 2) geregelt werden,wobei die Regelungseinheit (16) einen schnellen Prozessrechner (17) umfasst und mit elektronischen Tabellen (19 - 21) und schnellen Rechenalgorithmen ausgestattet ist.Engine that is operated with gaseous, cryogenic fuels, the gaseous fuels consisting of reacting dry vapors of liquid gases stored at low temperatures and a control device for regulating the mass flow to a combustion chamber (3) of the engine, corrected to exact setpoints, being provided, the Control device consists of a first control channel (1) for a fuel gas and a second control channel (2) for an oxidizer gas, the two control channels are connected to a control unit (16) and the control device is set up so that via an input ( 18) current values of the temperatures and pressures of the two gases are supplied to the control unit (16) and both the total mass flow and the ratio of the mass flows of the two control channels (1, 2) are regulated via an output (22) of the control unit (16). are, the control unit (16) comprising a fast process computer (17) and being equipped with electronic tables (19 - 21) and fast computing algorithms.

Description

Die Erfindung betrifft ein Triebwerks-Regelung, insbesondere für ein Lageregelungs-Triebwerk für Raumfahrzeuge, das mit gasförmigen, kryogenen Treibstoffen betrieben wird.The invention relates to an engine control system, in particular for an attitude control engine for spacecraft, which is operated with gaseous, cryogenic fuels.

Zur Lageregelung von Raketenstufen, Raumfahrzeugen oder Satelliten unter Schwerelosigkeit werden derzeit Kleintriebwerke eingesetzt, die entweder mit Kaltgas oder mit flüssigen Treibstoffen betrieben werden. Diese bekannten Treibwerke werden auch als Ein-Stoff-Triebwerk (Mono-Propellant) bzw. Zweistoff-Triebwerk (Bi-Propellant) bezeichnet.Small engines that run on either cold gas or liquid fuel are currently used to control the attitude of rocket stages, spacecraft or satellites in zero gravity. These well-known engines are also referred to as single-fuel engines (mono-propellant) or dual-fuel engines (bi-propellant).

Aus der US 5 054 287 A ist eine Einspritzdüse für Flüssigtreibstoffraketen bekannt, die eine Mehrzahl an Verteilern zur Treibstoffzufuhr sowie Druck- und Temperatursensoren und eine Steuerungsvorrichtung umfasst.From the US 5,054,287 A an injector for liquid fuel rockets is known, which includes a plurality of distributors for supplying fuel as well as pressure and temperature sensors and a control device.

Die US 6 619 031 B1 offenbart ein Raketentriebwerk für Flüssigtreibstoff. VentileThe US 6,619,031 B1 discloses a liquid fuel rocket engine. Valves

Aus der US 2003 / 0 019 977 A1 ist ein Treibstoffnutzungssystem für ein Raumfahrzeug mit mindestens zwei Treibstoffkomponenten bekannt.From the US 2003 / 0 019 977 A1 a fuel utilization system for a spacecraft with at least two fuel components is known.

Die US 5 063 734 A offenbart ein Verfahren zur Echtzeitsteuerung eines Raketentriebwerks für gasförmigen Treibstoff.The US 5,063,734 A discloses a method for real-time control of a gaseous propellant rocket engine.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelung für ein Zweistoff-Lageregelungs-Triebwerk bereitzustellen, das mit einem alternativen Versorgungs-Konzept arbeitet.The object of the invention is to provide a control system for a dual-fuel position control engine that works with an alternative supply concept.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Triebwerk mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäß vorgesehene Regelungsvorrichtung ist mit elektronischen Tabellen und schnellen Rechenalgorithmen ausgestattet und steuert mit hoher Geschwindigkeit sowohl den absoluten Massenstrom wie auch die relativ zueinander stehenden Massenströme von tiefkalten gasförmig trockenen Treibstoffen, vorzugsweise Wasserstoff und Sauerstoff, unter Korrektur der Gasdichten beider Gase bei individuell variierenden Gas-Temperaturen und Gas-Drücken.The invention solves this problem with an engine with the characterizing features of patent claim 1. The control device provided according to the invention is equipped with electronic tables and fast calculation algorithms and controls at high speed both the absolute mass flow and the relative mass flows of cryogenic gaseous dry fuels, preferably hydrogen and oxygen, with correction of the gas densities of both gases at individually varying gas temperatures and gas pressures.

Ein derartiges Gas-Triebwerk, das mit Dämpfen von tiefkalt gelagertem Flüssiggas, wie z.B. Flüssig-Wasserstoff (LH2) und Flüssig-Sauerstoff (LOX), betrieben werden soll, stellt besondere Anforderungen an die thermodynamischen Zustände der verwendeten Brenngase. So müssen die beiden miteinander reagierenden Gaskomponenten in jeweils absoluter sowie relativ zueinander kontrollierter Menge, d.h. mit gefordertem Gesamt-Massenstrom bei bekannter Gasdichte angeboten werden. Um eine optimale Verbrennung und somit einen maximalen Schub zu erreichen, ist die Einstellung eines nahezu stöchiometrischen Brenngas-Oxidautorgas-Verhältnisses entscheidend. Zum Schutz der Brennkammer-Materialien gegen Korrosion (Oxidation bzw. Verzunderung) ist außerdem ein als leicht ‚reduzierend‘ einzustellendes Mischungsverhältnis wichtig. Dafür ist es beispielsweise notwendig, den geregelten Massenstrom des Brenngases Wasserstoff mit einem exakt definierten, leicht unterstöchimetrisch geregelten Massenstrom des Oxidators Sauerstoff zu vermischen.Such a gas engine, which is to be operated with vapors from cryogenic liquid gas, such as liquid hydrogen (LH2) and liquid oxygen (LOX), places special demands on the thermodynamic conditions of the fuel gases used. The two gas components that react with one another must be offered in an absolute and controlled quantity relative to one another, i.e. with the required total mass flow and a known gas density. In order to achieve optimal combustion and thus maximum thrust, the setting of an almost stoichiometric fuel gas to oxide autogas ratio is crucial. To protect the combustion chamber materials against corrosion (oxidation or scaling), it is also important to set the mixing ratio as slightly 'reducing'. For this it is necessary, for example, to mix the regulated mass flow of the fuel gas hydrogen with a precisely defined, slightly substoichiometrically controlled mass flow of the oxidizer oxygen.

Bei gasversorgten Antrieben ist eine auf den Massenfluß bezogene, konstante Versorgung insofern problematisch, als der jeweilige Gasdruck wie auch die aktuellen Temperaturen ständig schwanken und sich damit die aktuelle Gasdichte verändert, wodurch sich die Brenngas-Zusammensetzung ständig verändert. Dadurch würden derartige Triebwerke entweder gar nicht oder nur unzuverlässig zünden bzw. der Brennprozess würde vollends zum Erliegen kommen. Bei einer nicht spontan erfolgten, d.h. verzögerten Zündung aber könnte aufgrund des übermäßigen Vorlaufs eines reaktiven Gasgemisches zu einer Explosion einer entsprechend großen Gasmenge mit katastrophalen Folgen führen.In the case of gas-supplied drives, a constant supply based on the mass flow is problematic in that the respective gas pressure as well as the current temperatures fluctuate constantly and the current gas density therefore changes, which means that the fuel gas composition constantly changes. As a result, such engines would either not fire at all or only fire unreliably, or the combustion process would come to a complete standstill. However, if ignition does not occur spontaneously, i.e. delayed, the excessive advance of a reactive gas mixture could lead to an explosion of a correspondingly large amount of gas with catastrophic consequences.

Aus diesem Grund ist in vorteilhafter Weiterbildung der Triebwerks-Gemischregelung nach der Erfindung eine Vorrichtung vorgesehen, die eine exakte Kontrolle der Gasgemisch-Zusammensetzung durch eine sehr schnell ablaufende und auf exakte Sollwerte korrigierte Massenfluss-Regelung ermöglicht. Damit wird sichergestellt, dass das gasversorgte Triebwerk mit einem vorgegebenen absoluten Massenstrom beider Komponentengase im richtigen Verhältnis zueinander versorgt wird, um sowohl zündfähig zu sein als auch um den geforderten Schub zu erzeugen.For this reason, in an advantageous development of the engine mixture control according to the invention, a device is provided which enables precise control of the gas mixture composition through a mass flow control that runs very quickly and is corrected to exact setpoints. This ensures that the gas-supplied engine is supplied with a predetermined absolute mass flow of both component gases in the correct ratio to each other in order to be both ignitable and to generate the required thrust.

Wegen der Variation der wahren Gasdichten über große Bereiche bewirkt die in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehene Regelung eine aktive individuelle Blendenregelung der beiden Kanäle für den Wasserstoff und den Sauerstoff. Dazu wird erfindungsgemäß nach Messung der individuellen Parameter „Gasdruck“ und „Gastemperatur“ für jeden der beiden Kanäle, von denen einer als Master-Kanal und der andere als Slave-Kanal definiert ist, eine Korrektur des Parameters „Gasdichte“ vorgenommen und in Verbindung mit einem Sollwert für den geforderten Schub, d.h. den Gesamt-Massenstrom, an die jeweils regelnde Blende geleitet. In Abhängigkeit vom ebenfalls geforderten Mischungsverhältnis (stöchiometrisches Verhältnis oder hiervon abweichend) der beiden Gase zueinander wird dabei der für den Slave-Kanal ermittelte Wert definiert, um die Abweichung der Gasdichte entsprechend korrigiert und an die Regelblende des Slave-Kanals geleitet.Because of the variation of the true gas densities over large ranges, the control provided in an advantageous development of the invention causes an active individual aperture control of the two channels for the hydrogen and the oxygen. For this purpose, according to the invention, after measuring the individual parameters “gas pressure” and “gas temperature” for each of the two channels, one of which is defined as the master channel and the other as the slave channel, a correction of the “gas density” parameter is carried out and in conjunction with a setpoint for the required thrust, ie the total mass flow, is sent to the respective regulating orifice. Depending on the required mixing ratio (stoichiometric ratio or deviating from this) of the two gases to one another, the value determined for the slave channel is defined in order to determine the deviation of the gas density corrected accordingly and sent to the control orifice of the slave channel.

Die Zuordnung von Steuerwerten zum Gasdurchsatz an den Blenden erfolgt für beide Kanäle dabei in Form einer Kalibrierung. Regelungstechnische Zeitkonstanten für die Korrekturen der Steuergrößen aufgrund der Kalibrierung, der Korrektur der wahren Gasdichte und der Berücksichtigung des relativen „Brenngas-Verhältnisses“ sind in ihrer Anforderung von kurzer Dauer. Eine entsprechend hohe Regelungsgeschwindigkeit wird in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erreicht, indem mit schnellen Prozessoren die erforderlichen Korrekturwerte aus Tabellen, sogenannten „Look-up“-Memories, entnommen und verarbeitet werden. Alternativ kann aber auch der geforderte, korrekte Massenstrom mit Hilfe schnellster Rechen-Algorithmen berechnet und gesteuert werden, nachdem der thermodynamische Zustand der Gase mittels Zustandsgleichungen nach Helmholtz exakt ermittelt wurde.The assignment of control values to the gas throughput at the orifices takes place for both channels in the form of a calibration. Control engineering time constants for the corrections of the control variables due to calibration, the correction of the true gas density and the consideration of the relative “fuel gas ratio” are short-lived in their requirements. A correspondingly high control speed is achieved in the preferred embodiment of the invention by using fast processors to take the required correction values from tables, so-called “look-up” memories, and process them. Alternatively, the required, correct mass flow can also be calculated and controlled using the fastest calculation algorithms after the thermodynamic state of the gases has been precisely determined using Helmholtz equations of state.

Nachfolgend soll das Triebwerk gemäß der Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer Vorrichtung für die Massenfluss-Regelung eines mit reagierenden Gasen betriebenen Lageregelungs-Triebwerks.The engine according to the invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the drawing. The figure shows a schematic representation of the structure of a device for the mass flow control of an attitude control engine operated with reacting gases.

Die Regelungsvorrichtung besteht aus einem ersten Regelkanal 1, dem sogenannten Master-Kanal für das Brenn-Gas, sowie einem zweiten Regelkanal 2, dem sogenannten Slave-Kanal für das Oxidator-Gas, die jeweils getrennt der Brennkammer eines Lageregelungs-Triebwerks 3 zugeführt werden. Jeder der beiden Regelkanäle 1, 2 beaufschlagt einen Tank 4, 5 für das Brenn-Gas bzw. für das Oxidator-Gas, von denen aus jeweils eine regelbare Leitung mit je einem elektrisch ansteuerbaren Ventil 6, 8, dem sogenannten Flight-Control-Valve (FCV) mit Regel-Charakteristik, sowie einem seriell im Falle der hier dargestellten Anordnung nachgeschalteten Ventil 7, 9 mit schneller Auf-/Zu-Funktion, einem sogenannten Latch-Valve, die Brennkammer des Lageregelungs-Triebwerks 3 versorgt. In einer Sensor-Einheit 10, 11 können ferner Informationen über Druck 12, 13 bzw. Temperatur 14, 15 entnommen werden.The control device consists of a first control channel 1, the so-called master channel for the fuel gas, and a second control channel 2, the so-called slave channel for the oxidizer gas, each of which is supplied separately to the combustion chamber of an attitude control engine 3. Each of the two control channels 1, 2 acts on a tank 4, 5 for the fuel gas or for the oxidizer gas, from which there is a controllable line each with an electrically controllable valve 6, 8, the so-called flight control valve (FCV) with control characteristics, as well as a valve 7, 9 connected in series in the case of the arrangement shown here with a quick open/close function, a so-called latch valve, which supplies the combustion chamber of the position control engine 3. Information about pressure 12, 13 and temperature 14, 15 can also be obtained in a sensor unit 10, 11.

Die FCV 6, 8 beider Regelkanäle 1, 2 sind an den relativen Massenstrom-Bedarf angepasst; dabei ist ihr Auslegungs-Querschnitt so bemessen, dass das in etwa benötigte, nahezu stöchiometrische Verhältnis der Massenströme Wasserstoff:Sauerstoff = 2:1 im wirksamen Querschnitt bereits berücksichtigt ist. Ein in einer Regelungseinheit 16 angeordneter schneller Prozessrechner 17 mit fehler-tolerantem, daher ausfallsicherem Design führt permanent die Berechnung der Gas-Dichte-Werte zu den aktuell im strömenden Gas gemessenen Werten der Temperatur T und des Druckes p durch. Die aktuellen Werte dieser beiden Regelgrößen werden dem Prozessrechner 17 über einen Eingang 18 zugeführt, der für beide Massenregler 6 bzw. 7 aus entsprechenden Tabellen 19 bis 21, sogenannten „Look-up“-Memories, und aus dem Anforderungswert als Sollwert sowohl für den Gesamt-Massenstrom als auch für das relative Brenngas-Verhältnis Steuer-Werte errechnet. In einem weiteren Rechenschritt wird dann über einen entsprechenden Ausgang 22 sowohl der Gesamt-Massenstrom geregelt als auch parallel dazu eine eventuell erforderlich gewordene Korrektur des Slave-Kanals auf den Sollwert der relativen Gaszusammensetzung durchgeführt. Als Sollwerte werden dabei lediglich der gewünschte Volumenstrom, d.h. der erforderliche Schub, und das im Brenn- bzw. im Zünd-Prozess verlangte variable Brennstoff:Oxidator-Verhältnis vorgegeben.The FCV 6, 8 of both control channels 1, 2 are adapted to the relative mass flow requirements; Their design cross section is dimensioned such that the approximately required, almost stoichiometric ratio of the mass flows hydrogen: oxygen = 2:1 is already taken into account in the effective cross section. A fast process computer 17 arranged in a control unit 16 with a fault-tolerant, therefore fail-safe design permanently carries out the calculation of the gas density values based on the values of the temperature T and the pressure p currently measured in the flowing gas. The current values of these two controlled variables are fed to the process computer 17 via an input 18, which for both mass controllers 6 and 7 from corresponding tables 19 to 21, so-called "look-up" memories, and from the request value as a setpoint for both the total -Mass flow as well as the relative fuel gas ratio control values are calculated. In a further calculation step, the total mass flow is then regulated via a corresponding output 22 and, in parallel, any necessary correction of the slave channel to the setpoint of the relative gas composition is carried out. The only set values specified are the desired volume flow, i.e. the required thrust, and the variable fuel:oxidizer ratio required in the combustion or ignition process.

Claims

Engine that is operated with gaseous, cryogenic fuels, the gaseous fuels consisting of reacting dry vapors of liquid gases stored at low temperatures and a control device being provided for regulating the mass flow to a combustion chamber (3) of the engine, corrected to exact target values, wherein the control device consists of a first control channel (1) for a fuel gas and a second control channel (2) for an oxidizer gas, the two control channels are connected to a control unit (16) and the control device is set up to have a Input (18) of the control unit (16) current values of the temperatures and pressures of the two gases are supplied and via an output (22) of the control unit (16) both the total mass flow and the ratio of the mass flows of the two control channels (1, 2 ) be managed, wherein the control unit (16) comprises a fast process computer (17) and is equipped with electronic tables (19 - 21) and fast calculation algorithms.

Engine after Claim 1 , characterized in that the liquid gases are liquid hydrogen (LH2) as the fuel gas and liquid oxygen (LOX) as the oxidizer gas.