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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf einen Motorantrieb, insbesondere einen Raketenmotorantrieb gemäß dem Hauptanspruch.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
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Die Erfindung geht dabei von Antriebstechnologien aus, die Röhren-Innenbrenner sowie Stirnbrenner aufweisen. Die Röhren-Innenbrenner werden dabei auch im deutschen Sprachraum allgemein als Booster bezeichnet; der allgemein gebräuchliche Sprachbegriff für die Stirnbrenner ist auch im deutschen Sprachraum Sustainer.
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Die vorliegende Erfindung geht von derartigen Boost/Sustain-Motoren aus, die in ihrem prinzipiellen Aufbau bekannt sind. Diese Antriebsart kombiniert zwei Arten von Antrieben, insbesondere für Raketenmotoren, wobei der Boost-Antriebsstrang für eine hohe Vortriebsbeschleunigung sorgt, während der Sustain-Antriebsstrang für einen weiteren kontinuierlichen Vortrieb bei reduzierter Schubkraft zuständig ist.
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Ein solcher Boost/Sustain-Antrieb ist beispielsweise in dem amerikanischen Patent
US 4,015,427 offenbart, aus dem sich die wesentlichen Teile des Antriebs sowie unter anderem auch die Art des Brennstoffs ergeben.
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Bei den Boost/Sustain-Motoren, die aufgrund ihrer Bau- und Wirkungsweise durch die Nutzung einer gemeinsamen Düse für die Boost- und die Sustainphase gekennzeichnet sind, lassen sich maximale Boost-Sustain-Schubverhältnisse von 6 bis 8 erreichen.
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Eine weitere Ausgestaltung eines solchen Antriebssystems ist in der europäischen Patentschrift
EP 0 184 014 B1 beschrieben, die sich auf eine Treibsatzanordnung für einen Feststoff-Raketenmotor bezieht, bei dem ein zylinderförmiges Gehäuse mit einer zylinderförmigen Haupttreibladung und eine weitere Zündvorrichtung mit einer weiteren Zündtreibladung sowie deren räumliche Anordnungen in dem Gehäuse offenbart sind.
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Die deutsche Patentschrift
DE 44 22 195 offenbart ein Einspritzsystem für Hybridraketentriebwerke, bei denen ein Innenbrenner mit Feststofftreibstoff und eine flüssige Komponente, nämlich ein Oxidator, kombiniert werden.
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Weiterhin geht die vorliegende Anmeldung von Raketenmotoren mit einer Doppelpulstechnologie aus, die etwa in Flugabwehr-Lenkflugkörpern der Anmelderin eingesetzt werden.
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Das Kernelement eines Doppelpulsmotors ist dabei die Möglichkeit, zwei Pulse in Abhängigkeit der jeweiligen Missionsanforderungen getrennt voneinander zu zünden. Technisch wird dies durch eine Pulstrennvorrichtung erreicht, die zwei separate Treibsätze in einer Brennkammer voneinander abschirmt. Hierdurch wird eine variable Zündzeitverzögerung in Abhängigkeit der Missionsanforderungen ermöglicht. Bei dieser Technologie sind zwei getrennte Treibsätze in einer Brennkammer. Die Trennung der Treibsätze erfolgt durch die Pulstrennvorrichtung. Es sind zwei unabhängige Zündsysteme vorhanden. Die Einzel-Pulsmotoren weisen damit unterschiedliche Abbrandcharakteristiken auf und sind nacheinander, das heißt in Linie, angeordnet. Es wird bei dieser Technologie eine gemeinsame Düse verwendet.
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Dieser Stand der Technik beider Antriebsarten Boost/Sustain- und Doppelpulsvorrichtung weist als gemeinsames Merkmal die Verwendung einer gemeinsamen Düse auf. Die erzielbaren Boost/Sustain-Schubverhältnisse sind dabei durch die Boost/Sustain-Druckverhältnisse begrenzt. Notwendig wären – möchte man große Schubverhältnisse erzielen – sehr große unterschiedliche Massenflüsse. Diese kann man aber mit einem Triebwerk und mit einer Düse nicht bewältigen.
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Hierbei gelten für die Boostphase obere Druckgrenzen, die aufgrund der Brennkammerbelastung und Brennkammerbauweise verursacht sind und zum Beispiel einem operativen Druck von 200 bar entsprechen. Dies hat zur Folge, dass der Sustain-Treibsatz in erster Näherung bei einem Druck abbrennt, der dem geforderten Boost/Sustain-Schubverhältnis entspricht. So würde sich z.B. bei einem Verhältnis von 10 bei dem genannten Beispiel eines operativen Drucks von 200 bar ein Sustain-Druck von 20 bar ergeben. Bei solch relativ geringen Drücken sind die erzielbaren Leistungen, d.h. der spezifische Impuls, gering. Andererseits besteht die Gefahr, dass der Treibsatz schlecht anzündet oder sogar die Verbrennung stoppt.
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Der Wirkungsgrad von Doppelpulsmotoren ist selbst bei der Verwendung von komplexen Pulstrenn-Vorrichtungen, wie z.B. Berstmembranen, die beide „in line“-Einzelpulse physikalisch voneinander trennen, begrenzt; es können keine großen Boost/Sustain-Schubverhältnisse erzielt werden. Die Verwendung von Berstmembranen zur Pulstrennung führt zu teuren Lösungen. Zudem steigern sie die Komplexität des Motors und erhöhen die Motormasse. Weiterhin muss die geöffnete Berstmembran mit dem Raketenmotor verbunden bleiben, ohne dass mechanische Teile durch die Düse fliegen und diese, sowie die thermische Isolation der leergebrannten Erstpuls-Brennkammer beschädigen.
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Ausgehend von diesen Eigenschaften, von Boost/Sustain-Motoren und Doppelpulsmotoren liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, Boost/Sustain-Schubverhältnisse deutlich zu erhöhen, wobei Bereiche von 10 bis hin zu 25 oder noch größer erreicht werden sollen.
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Des Weiteren soll auf die Verwendung von aufwendigen Pulstrennvorrichtungen verzichtet werden können.
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Ferner soll gewährleistet sein, dass der Treibsatz, der ein Feststofftreibsatz ist, gut anzündbar ist und die Verbrennung nicht zu stoppen droht.
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Zudem soll die Motormasse im Vergleich zu diesem Stand der Technik geringer ausfallen. Ein weiteres Ziel ist, die Komplexität zu reduzieren.
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Ein weiterer wünschenswerter Aspekt ist, die thermische Situation insbesondere während der lange andauernden Sustain-Phase zu verbessern, indem eine verbesserte thermische Isolation gegenüber typischerweise außen am Flugkörper angebrachten Bauteilen, wie z.B.: mechanisch befestigen Planken oder Leitsystemen, sog. strakes oder fins, elektrischen, elektronischen Fin-Aktuatorsystemen, Batterien und Kabeln oder sonstige Bauteilen erreicht wird.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Boost- und den Sustain-Motor jeweils einzeln über zwei getrennte Anzünder und zwei voneinander unabhängige Anzündsignale zu zünden, oder auch beide Motore zusammen über zwei getrennte Anzünder und ein gemeinsames Anzündsignal zu zünden.
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Insbesondere soll eine kostenoptimierte Lösung zur Verfügung gestellt werden.
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Gelöst werden diese verschiedenen Aufgaben mittels einer Vorrichtung nach dem Hauptanspruch. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, den Boost-Antrieb und den Sustain-Antrieb funktional und wirkungsmäßig zu entkoppeln, dabei aber die räumliche Konfiguration beispielsweise eines Gehäuses für diese Antriebe zu nutzen und das Sustain-Triebwerk in das Boost-Triebwerk einzufügen, beide Triebwerke also gewissermaßen zu verschachteln. Das Sustain-Triebwerk mit dem niedrigeren Schub wird in das Boost-Triebwerk mit dem höheren Schub eingefügt, wobei die Einfügung ein Einsetzen, Einschieben oder dergleichen sein kann.
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Weiterhin ist wesentlich, dass das Sustain-Triebwerk mit dem niedrigeren Schub mit einer eigenen, kleineren Düse versehen wird, während das Boost-Triebwerk ebenfalls über eine eigene Düse verfügt. So sind die beiden Triebwerke voneinander in Bezug auf die operativen Drücke während der Boost- und Sustainphase direkt entkoppelt.
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Dies ermöglicht, die Brennkammer im Inneren dieser räumlichen Konfiguration schwächer auszulegen oder so auszulegen, dass der gewünschte Schub gewährleistet wird. Bei einem gewünschten Druck brennt dann das Triebwerk sehr effizient ab. Das äußere Boost-Triebwerk kann ebenfalls so gestaltet sein, dass es in einem vorteilhaften, vorzugsweise optimalen Bereich läuft.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist es deshalb, diese beiden Triebwerke jeweils mit einer eigenen Düse zu koppeln bzw. zu versehen. Beide Antriebe können also aneinander vorbei in separate Düsen abbrennen.
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Nach der Erfindung wird mithin ein hochfähiger integrierter Festtreibstoff-Motor, insbesondere Raketenmotor, zur Verfügung gestellt. Innerhalb des für die Antriebe vorgesehenen Gehäuses ist der Boost-Motor in Außenrichtung angeordnet. Der Boost-Motor verfügt über einen frei stehenden oder auch an der äußeren Booster-Brennkammerwand angebundenen Treibsatz, der als Röhreninnenbrenner mit relativ kleinem Web ausgebildet ist.
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Im Inneren des Boosters ist der Sustain-Motor mit eigener Brennkammer angeordnet. Der Sustain-Antrieb verfügt über einen vorzugsweise im wesentlichen frei stehenden Stirnbrenner für den Sustain-Betrieb.
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Beide Antriebe, das heißt Motoren, verfügen über ein eigenes Gasleitrohr und eine eigene Düse. Die Düse des Sustain-Antriebs kann dabei vorzugsweise baulich von der Düse des Boost-Antriebs umgeben sein. Insbesondere in diesem Fall werden zwei von einander getrennte Düsenöffnungen zur Verfügung gestellt.
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Das Gasleitrohr und/oder die Düse sind dabei bevorzugt konzentrisch zueinander angeordnet.
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Durch diese Konfiguration sind die Brennkammerdrücke komplett von den Boost/Sustain-Schubverhältnissen entkoppelt.
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Die Anzündung der beiden Treibsätze erfolgt dabei vorzugsweise mittels eines Anzünders, so dass der Sustainer in der relativ kurzen Boostphase mitbrennt.
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Auf Basis der jeweiligen Leistungsanforderungen an die beiden Flugphasen kann eine Motorgeometrie dergestalt bewirkt werden, dass beispielsweise die Boost-Treibsatzlänge der Sustain-Treibsatzlänge entspricht.
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Bei einer Ausgestaltung gemäß dieser vorerwähnten Konfiguration ist es auch möglich, eine einzige Teibstoffart für die Boost- und Sustainphase zu verwenden. Dies ermöglicht ein massen- und kostenoptimiertes Design.
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Bei der Wahl von unterschiedlichen Treibstoffen für die Boost- und Sustain-Phase kann freilich eine noch höhere Flexibilität in der Boost/Sustain-Auslegung ermöglicht werden.
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Durch diese Entkopplung der operativen Brennkammerdrücke von den Boost/Sustain-Schubverhältnissen während der Boost- und Sustain-Phase können hohe Boost-Sustain-Schubverhältnisse im Bereich von 10 bis hin zu 25 oder noch größer eingestellt werden.
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Auf den Einsatz aufwändiger, bei Doppelpuls-Motoren eingesetzter Pulstrenn-Vorrichtungen kann verzichtet werden.
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Weitere Vorteile liegen in thermischer Hinsicht durch die Anordnung des Sustainers im Booster vor: die Luft in der leergebrannten und außenliegenden Booster-Brennkammer und in dem Booster-Gasleitrohr dient während der länger andauernden Sustain-Phase als thermische Isolation. Dies hat erhebliche Vorteile für typischerweise außen am Flugkörper angebrachte Bauteile, wie z.B. mechanische befestigte Strakes oder Fins, elektrische oder elektronische Fin-Aktuator-Systeme, Batterien, Kabel oder andere Bauteile.
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Der Boost- und Sustain-Motor können mit einem externen Signal gleichzeitig angezündet werden, so dass auf komplexe Signalsteuerungen und Ansteuerungen, wie sie bislang erforderlich waren, verzichtet werden kann, so dass der Sustainer in der relativ kurzen Boost-Phase mitbrennt.
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Die Anzahl der Bauteile wird verringert, so dass auch das Gewicht der entsprechenden Gesamtvorrichtung reduziert wird. Dies bedeutet gleichermaßen auch raumoptimierte Vorteile.
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Die Erfindung wird dabei anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels erläutert.
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1 zeigt eine Prinzipskizze der Anordnung der beiden Antriebe in einer axialen Längsrichtung.
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Der Feststoff-Raketenmotor weist dabei einen Sustain-Motor 1 auf Dieser ist in dem Boost-Motor 2 angeordnet.
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Der Boost-Motor 2 mit der außen angeordneten Booster-Brennkammer 30 verfügt über einen freistehenden oder auch an der Booster-Brennkammerwand angebundenen Treibsatz 3.
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Der im Inneren des Boost-Motors 2 angeordnete Sustain-Motor 1 verfügt über eine eigene Brennkammer 10. Der Sustain-Motor 1 umfasst einen freistehenden Stirnbrenner 4 für den Sustain-Betrieb.
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An den Boost-Motor 2 schließt sich ein Gasleitrohr 5 an. An den Sustain-Motor 1 schließt sich ein Gasleitrohr 6 an.
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An das Gasleitrohr 5 des Boost-Motors schließt sich die eigene Boost-Düse 7 für den Boost-Motor an. An das eigene Gasleitrohr 6 des Sustain-Motors schließt sich die eigene Sustain-Düse 8 an.
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Das Gasleitrohr 5 umfasst das Gasleitrohr 6 konzentrisch. Das jeweilige Gasleitrohr führt das Heisgas zur jeweiligen Düse hin.
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Die Düse 8 des Stirnbrenners 4 verläuft dabei im Inneren der Düse 7. Die Düsen sind konzentrisch ausgestaltet, das heißt die Düse 8 verläuft innen während die Düse 7 um die Düse 8 herum angeordnet verläuft.
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Die äußere Düse 7 ist entweder als Ringdüse oder über mehrere einzelne Düsenöffnungen, die am Umfang entlang um die zentral gelegene Düse des Sustain-Motors (Düse 6) verlaufen, ausgeführt.
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Durch das Zurverfügungstellen von zwei von einander getrennten Düsenöffnungen kann man jegliches Leistungsverhältnis der beiden Antriebe zueinander einstellen.
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Die beiden vorerwähnten Gasleitrohre 5, 6 verbinden also die beiden Brennkammern 30, 10 sowie die beiden Antriebe 2, 1 mit den beiden Düsen 7, 8. Durch diese Ausgestaltung kann zur Verfügung stehender Platz für andere Bauteile genutzt werden, z.B. für eine oder mehrere Steuereinheiten für Kontrollflächen.
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Die Anzündung der beiden Treibsätze erfolgt mittels Anzünder 9a, 9b, so dass der Sustainer in der relativ kurzen Boost-Phase mitbrennt.
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Der Anzünder 9a ist dem Boost-Motor zugeordnet, während der Anzünder 9b für den Sustain-Motor vorgesehen ist.
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In dem einen Betriebsmodus können beide Anzünder von einem gemeinsamen Zündsignal initiiert werden. In einem anderen Betriebsmodus können beide Anzünder getrennt von einander mit einem gewissen Zeitverzug initiiert werden.
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Im übrigen sind die Funktionsweisen, der Aufbau der vorerwähnten Bauteile des Boost-Motors, des Sustain-Motors, des Festtreibstoffs, der Brennkammerwände, der Gasleitrohre und der Düsen hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb in der vorliegenden Anmeldung nicht näher beschrieben. Ihre Ausgestaltung und Auswahl steht dabei im Belieben des Fachmanns, wobei dieser unter anderem die jeweiligen Missionsanforderungen berücksichtigen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sustain-Motor
- 2
- Boost-Motor
- 3
- Treibsatz für Boost-Motor
- 4
- Stirnbrenner
- 5
- Gasleitrohr Boost-Motor
- 6
- Gasleitrohr Sustain-Motor
- 7
- Düse Boost-Motor
- 8
- Düse Sustain-Motor
- 9
- Anzünder
- 10
- Brennkammer für Sustain-Motor
- 30
- Brennkammer für Boost-Motor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4015427 [0005]
- EP 0184014 B1 [0007]
- DE 4422195 [0008]
