DE102013004664A1

DE102013004664A1 - Raketenantriebsstufe mit Unterdruckaufladung

Info

Publication number: DE102013004664A1
Application number: DE102013004664.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: DE102013004664B4

Abstract

Die Unterdruckaufladung ist eine Vorrichtung zur zusätzlichen Druckerzeugung von Fluiden bei hydrostatisch aufgeladenen Raketenantriebsstufen. Bei herkömmlichen Raketenantriebsstufen wird durch zuführen von Kraftstoff und Sauerstoff eine Turbinenpumpe angetrieben oder es werden Druckbehälter verbaut bzw. Inertgase zugeführt um einen Fluiddruck zu erzeugen. Bei der Raketenantriebsstufe mit Unterdruckaufladung werden diese Zusatzkomponenten nicht benötigt. Der Unterdruck wird durch die Abgasströmung an der Schubdüse 15 erzeugt. Über das Ansaugrohr 2 wird Luft angesaugt und durch die Turbolator 6 und 6.1 geleitet. Die Turbolator 6 und 6.1 treiben die angeschlossenen Pumpen 5 und 5.1 an und bauen den Druck für die Fluide auf. Der Vorteil ist eine Gewichtsersparnis, wodurch weniger Kraftstoff verbraucht wird und die Nutzmasse dadurch erhöht werden kann. Die Verwendung der Unterdruckaufladung ist für den Einbau in eine hydrostatische aufgeladene Raketenantriebsstufe im Abbrandverfahren vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Raketenantriebsstufe, welche bei der Expansion der Verbrennungsgase einen Unterdruck erzeugt, der über zwei Turbos und über das obere Ende der Raketenantriebsstufe Luft ansaugt.
Die dadurch angetriebenen Turbos betreiben wiederum zwei Pumpen die den Brennstoff und den Oxidator der Schubdüse zuführen.
Stand der Technik
Aus dem Patent DE 10 2010 011 553 A1 ist bereits bekannt, dass der Oxidator über den feststehenden Kolben I zu Kolben II und durch Kolben III durch die Gesamtmasse der Rakete einen hydrostatischen Druck aufbaut und über ein Teleskoprohr der Schubdüse zugeführt wird.
Der Brennstoff wird über den hydrostatischen Druck von Kolben II durch den Kolben III geleitet und der Schubdüse zugeführt.
Beim Start der Raketenstufe verringert sich die Totmasse der ersten Stufe durch Abbrennen bzw. Verdampfen des Außentanks.
Das Abbrennen des Außentanks kommt durch den Kolbenschub III und II beim Verbrennen der Fluide in der Schubdüse zustande, die beim Vorschub die Außenwand abbrennt.
Dadurch sind die Kolbentanks immer gefüllt und haben keine Lufteinschlüsse und garantieren eine stabile Flugbahn, wodurch auch der Pogo-Effekt weitestgehend unterdrückt wird.
Die Aufgabe
Die Aufgabe der folgenden Erfindung ist es den Wirkungsgrad der Raketenantriebsstufe zu erhöhen und die Gewichtsreduzierung durch die leichte und kostengünstigere Bauweise.
Desweiteren wird der hydrostatische Druck der durch die Gesamtmasse der Rakete auf die Fluide einwirkt, als Vorladung in die Pumpen geleitet, wodurch sich die Kavitation um ein Minimum verringert.
Durch das neuartige Verfahren ist es jetzt möglich den Arbeitsdruck durch Nachladung zu erhöhen. Die Nachladung erfolgt durch den Unterdruck der bei der Expansion in der Schubdüse entsteht. Dieser wird den Turbos zugeführt, die wiederum die Pumpen antreiben.
Eine weitere Aufgabe ist es, bei Überströmung der Schubdüse durch angesaugte Luft diese zusätzlich zu kühlen und ein wegschmelzen und Aufheizen des Außentanks vor dem Abbrand der Tankhülle zu verhindern.
Die Erfindung wird wie folgt beschrieben:
In 1 wird die Unterdruckaufladung graphisch dargestellt.
Am oberen Ende der Raketenantriebsstufe ist der Lufteinlassring 1 zu sehen, der auf das Tankende und den feststehenden Kolben KI aufgeschraubt ist.
In den Lufteinlassring ist die zweite Stufe 11 eingesetzt.
Durch den Überstand wird die Luft während des Fluges reingepresst und zusätzlich durch den Unterdruck der an der Schubdüse entsteht eingesaugt. Inwieweit der Überstand des Lufteinlassring geformt ist um die Aerodynamik der Rakete nicht zu stören muss durch Anströmungsversuchen getestet werden. Um beim Startbeginn die Turbopumpen zum Laufen zu bekommen könnte eine Vorladung mit Pressluft erfolgen, die über einen Druckluftbehälter den Lufteinlassring zugeführt und zur Entspannung kommt.
Bei der Pressluftzuführung müsste die innenliegende Gummischürze durch die Entspannung der Pressluft die Ansauglamellen verschließen.
Die Luft gelangt in den Trichter von KI und wird über das Teleskoprohr 2 abgeleitet. Das Teleskoprohr 2 wird durch KII durchgeleitet und mündet in das Teleskoprohr 3. Das Teleskoprohr hat nun eine Doppelfunktion.
Teleskoprohr 3 führt den Flüssigsauerstoff zum Auslauf und Teleskoprohr 2 die Luft zu dem Verteilerstück 8.
Das Teleskoprohr muss so gefertigt werden, das zwischen dem Segment 2 und 3 Distanzringe mit Bohrung für den Sauerstoffablauf gewährleistet sind.
Der Sauerstoffauslauf 4 befindet sich am Ausgang von KIII und wird über ein festes Rohr der Pumpe 5.1 zugeführt.
Im Verteilerstück 8 wird die Luft aufgesplittet und den Turbos 6 und 6.1 zugeführt.
Der Brennstoff (Wasserstoff, Diesel usw.) wird am Auslauf KIII abgenommen und über ein festes Rohr der Pumpe 5 zugeführt.
Die Fluide werden über Ventile geregelt und der Schubdüse zugeführt (nicht eingezeichnet).
Der Saugtrichterring 7 (hier nur in zwei Hälften dargestellt) ist über der Schubdüse starr positioniert. Der Freiraum zwischen Schubdüse und Saugtrichter muss so gewählt werden, dass sich die Schubdüse für die Vectorsteuerung noch einige Grad bewegen lässt (Vectorsteuerung nicht abgebildet).
Die Schubdüse 15 ist kardanisch 9 aufgehängt und lässt sich in jede Richtung drehen.
Durch die Verbrennungsgase in der Schubdüse 15 wird an der Innenwand des Tanks 10 ein Unterdruck erzeugt und durch den Saugtrichter den Turbos 5.1 zugeführt.
Die Turbinen bewegen die Pumpen und fördern die Fluide zur Schubdüse.
Es muss auch weiterhin, wie bei bewährten Raketenmotoren, der Brennstoff zur Kühlung um die Schubdüse herumgeleitet werden.
In 2 wird der obere Kolben KI gezeigt, der als Abschluss der Raketenantriebsstufe und als Lufteinlass fungiert.
Die angesaugte Luft wird in den Trichter 12 geleitet und geht in das Teleskoprohr 2 über.
In 3 wird der Kolben KII dargestellt, wo das Doppelteleskoprohr 3 endet und in den Auslauf 14 für den flüssigen Sauerstoff mündet.
Das Teleskoprohr 2 geht in das Teleskoprohr 3 über und hat dann die Doppelfunktion den Oxidator und die Luft abzuführen.
In 4 ist der Kolben III mit dem Antriebsaggregat dargestellt, wo die Pumpen, Turbinen, Rohre und Verteilerstücke starr verankert sind. Der Auslauf von den Pumpen 5 und 5.1 wird mit Flexrohr der Schubdüse zugeführt um die kardanische 13 Bewegung der Schubdüse zu gewährleisten.
Desweiteren kann durch das Teleskoprohr 2 bis zum Verteilerstück 8 die Elekroversorgung für die Steuerung verlegt werden.
Eine Federrolle im Trichter 12 könnte die Kabel unter Spannung halten bzw. aufrollen. Die Kabel würden am Verteilerstück 8 über luftdichte Verschraubungen zum Vorschein kommen (nicht abgebildet). Die Schneidräder 16 an Kolben III, die das Verdrehen des Kolbens und der Antriebseinheit verhindern, können durch das Einschneiden in den Tank 10 während des Schubvorgangs die Funksignale zur Steuerung auf die Außenhaut des Tanks übertragen, der als Antenne fungiert.
In 5 wird die entleerte Raketenantriebsstufe dargestellt.
Die Kolben I, II und III sind ineinander geschoben.
Das Doppelteleskoprohr ist hier in seine Endstellung geschoben worden.
Am unteren Tankende ist die Abbrandwelle 17 dargestellt.
Beim Erreichen dieser Stellung wird die erste Stufe von der Zweiten 11 abgetrennt. Die Raketenantriebsstufe hat in diesem Zustand seine Größe verloren und die Totmasse verringert.
Durch die Totmassenverringerung wird die Nutzlast erhöht.
Die Funktion der Raketenantriebsstufe mit Unterdruckaufladung sollte bis in die dünnen Luftschichten die Turbos mit Ladeluft versorgen können.
Ob in der Ozonschicht die Luftmoleküle zur Aufladung noch ausreichen, muss experimental erprobt werden. Weil die Luft nicht als Oxidator verwendet wird, muss ermittelt werden, in welcher Höhe eine Stufentrennung stattfinden soll und die atmosphärischen Begebenheiten dies zulassen.
Sollte die Flughöhe über die dünnen Luftschichten hinausgehen, könnte der Brennstoff, welcher zur Kühlung der Schubdüse eingesetzt wird, nach dem altbekannten Prinzip, der Entspannung des Brennstoffs über die Turbos und danach über Dreiwegeventile, die zur Absperrung der Luftaufladung dienen, der Schubdüse wieder zugeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: aufgesetzter Ansaugring für die Ladeluft
2: Teleskoprohr für die Ladeluftzuführung aus KI
3: Teleskoprohr für die Zufuhr des Oxidators aus LII
4: Sauerstoffauslauf aus Teleskoprohr 3
5: Pumpe mit Brennstoffauslauf
5.1: Pumpe für Oxidatorauslauf
6: Turbo für Brennstoffpumpe
6.1: Turbo für Oxidatorpumpe
7: Ansaugringtrichter für den Turboantrieb 6 und 6.1 Ausgang
8: Verteilerstück für die angesaugte Luft aus Teleskoprohr 2 in den Turboeingang
9: Kardangelenk für Schubdüse
10: Außentankhülle
11: aufgesetzte zweite Stufe
12: Lufteinlass in KI zu Teleskoprohr 2
13: obere Schubdüse mit Brennstoff und Oxidatoreinlass
14: Oxidatorauslauf
15: unteres Schubdüsenende für Außentankabbrand
16: Schneidräder gegen Kolbenverdrehung und Funkübertragung
17: Abbrandwelle (schematisch dargestellt)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010011553 A1 [0003]

Claims

Raketenantriebsstufe die mit Unterdruckaufladung Luft über einen Außenring 1 durch Kolben I, Kolben II, Kolben III durch das Teleskoprohr 2, welches durch Teleskoprohr 3 in Doppelfunktion geleitet wird, den Verteilerstück 8 und den Turbos 6 und 6.1 zugeführt wird, wodurch die Pumpen 5 und 5.1 angetrieben werden und dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckströmung die bei der Entspannung von den Verbrennungsgasen in der Schubdüse entstehen über die Turbos 6 und 6.1 und dem Ansaugtrichter 7 abgeführt wird.
Nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft über Ansaugring 1 in den Kolben 1 geführt wird.
Nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft über ein Teleskoprohr 2 in ein Doppelteleskoprohr mündet und den Verteilerstück 8 zugeführt wird.
Nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft über das Verteilerstück 8 den Turbos 6 und 6.1 zugeführt wird.
Nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Entspannung der Gase in der Schubdüse 15 an der Außenseite der Schubdüse ein Unterdruck entsteht und zur Aufladung der Turbos 6 und 6.1 verwendet wird, die wiederum die Pumpen 5 und 5.1 antreiben.