DE102018111068B4 - Method of operating a thruster and thruster of a space propulsion system - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks eines Raumfahrtantriebs, bei dem einer Schubkammer (5) über eine Treibstoffzufuhreinrichtung Treibstoff zur Verbrennung zugeführt und in einer Kammerwandung (50) der Schubkammer entstehende Wärme mittels eines Kühlfluids abgeführt wird,dadurch gekennzeichnet,dass das mit der abgeführten Wärme beladene Kühlfluid mit einer warmen Seite einer thermoelektrischen Generatoreinrichtung (8) in Wärmeübertragungsverbindung gebracht wird,dass die kalte Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung (8) einer gegenüber der warmen Seite niedrigeren Temperatur ausgesetzt wird unddass die durch die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite erzeugte elektrische Spannung zum Betreiben mindestens eines elektrischen Aggregats genutzt wird.Method for operating an engine of a space propulsion system, in which fuel for combustion is supplied to a thrust chamber (5) via a fuel supply device and heat generated in a chamber wall (50) of the thrust chamber is dissipated by means of a cooling fluid, characterized in that the cooling fluid charged with the dissipated heat is brought into heat-transfer connection with a warm side of a thermoelectric generator device (8), that the cold side of the thermoelectric generator device (8) is exposed to a lower temperature than the warm side, and that the electrical voltage generated by the temperature difference between the warm and the cold side for Operating at least one electrical unit is used.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks eines Raumfahrtantriebs, bei dem einer Schubkammer über eine Treibstoffzufuhreinrichtung Treibstoff zur Verbrennung zugeführt und in einer Kammerwandung der Schubkammer entstehende Wärme mittels eines Kühlfluids abgeführt wird, sowie ein Triebwerk eines Raumfahrtantriebs mit einer Schubkammer, die eingangsseitig mit einem Einspritzkopf und im Anschluss daran eine von Kühlkanälen durchzogene schalenförmige Kammerwandung aufweist, mit einer Treibstoffzufuhreinrichtung, über die der Schubkammer zu ihrem Betrieb Treibstoff zugeführt wird, und mit einer Kühlvorrichtung, über die zum Kühlen der Schubkammer ein Kühlfluid durch die Kühlkanäle geführt wird.The invention relates to a method for operating an engine of a space propulsion system, in which fuel is fed to a thrust chamber via a fuel supply device for combustion and heat generated in a chamber wall of the thrust chamber is dissipated by means of a cooling fluid, as well as an engine of a space propulsion system with a thrust chamber on the input side with an injection head and, connected thereto, a shell-shaped chamber wall traversed by cooling ducts, with a fuel supply device, via which fuel is supplied to the thrust chamber for its operation, and with a cooling device, via which a cooling fluid is guided through the cooling ducts to cool the thrust chamber.

Ein Triebwerk dieser Art und ein Verfahren zum Betreiben desselben sind in der DE 10 2008 061 917 B4 angegeben. Dabei arbeitet das Triebwerk nach dem Expanderverfahren, bei dem in einem Expanderzyklus von einer Treibstoffpumpe über eine Treibstoffzufuhreinrichtung zugeführter Treibstoff zur Kühlung der Schubkammer bzw. Brennkammer genutzt wird. Die von dem Treibstoff bei der Kühlung aufgenommene thermische Energie wird zum Antrieb einer Turbine genutzt, die die Treibstoffpumpe antreibt. Danach wird der Treibstoff zur Verbrennung über einen Einspritzkopf in die Brennkammer eingespritzt, wobei über eine weitere Treibstoffpumpe Oxidator zugeführt und ebenfalls in die Brennkammer eingespritzt wird. Einen ähnlichen Aufbau mit regenerativer Kühlung der Schubkammer und Betrieb der Treibstoffpumpe zeigt auch die DE 100 54 333 B4 .An engine of this type and a method of operating the same are in DE 10 2008 061 917 B4 specified. The engine operates according to the expander method, in which fuel supplied by a fuel pump via a fuel supply device is used in an expander cycle to cool the thrust chamber or combustion chamber. The thermal energy absorbed by the fuel during cooling is used to drive a turbine that drives the fuel pump. The fuel for combustion is then injected into the combustion chamber via an injection head, oxidizer being fed in via a further fuel pump and also being injected into the combustion chamber. A similar structure with regenerative cooling of the thrust chamber and operation of the fuel pump is also shown in the DE 100 54 333 B4 .

Ein Triebwerks eines Raumfahrtantriebs und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Triebwerks sind auch in der US 2016 / 0 237 951 A1 offenbart. Dabei wird einer Schubkammer aus einem ersten Tank über einen ersten Kreislauf Wasserstoff und aus einem zweiten Tank über einen zweiten Kreislauf Sauerstoff zugeführt, wobei in dem ersten Tank zum Zuführen des darin enthaltenen flüssigen Wasserstoffs eine erste elektrische Pumpe und in dem zweiten Tank zum Zuführen des darin enthaltenen flüssigen Sauerstoffs eine zweite elektrische Pumpe angeordnet sind. Zum Betrieb der elektrischen Pumpen ist ein von einer Turbopumpe angetriebener elektrischer Generator oder alternativ eine Brennstoffzelle vorgesehen.A space propulsion engine and a method of operating such an engine are also disclosed in US Pat U.S. 2016/0 237 951 A1 disclosed. Hydrogen is supplied to a thrust chamber from a first tank via a first circuit and oxygen is supplied from a second tank via a second circuit, with a first electric pump being installed in the first tank for supplying the liquid hydrogen contained therein and in the second tank for supplying the liquid hydrogen contained therein contained liquid oxygen, a second electric pump are arranged. To operate the electric pumps, an electric generator driven by a turbopump or alternatively a fuel cell is provided.

In der US 2015 / 0 364 667 A1 ist eine thermoelektrische Generatoreinrichtung mit Thermoelementen gezeigt, die auf einem kermaischen Träger um einen zentralen Heißgaspfad angeordnet ist. Bei dem Heißgaspfad handelt es sich z. B. um ein Raketentriebwerk. Die Thermoelemente sind dabei auf einer wärmeleitenden Schicht aufgebaut, die auf dem keramischen Träger aufgebracht ist, und außen mit ein Kühlfluid führenden Kühlkanälen versehen.In the U.S. 2015/0 364 667 A1 shows a thermoelectric generator device with thermocouples, which is arranged on a ceramic support around a central hot gas path. The hot gas path is z. B. a rocket engine. The thermocouples are built on a heat-conducting layer that is applied to the ceramic carrier and are provided on the outside with cooling channels that carry a cooling fluid.

Auch in der DE 100 52 422 B4 ist ein Triebwerk eines Raumfahrtantriebs, nämlich ein Raketentriebwerk mit regenerativ gekühlter Schubdüse gezeigt. Dabei ist das Raketentriebwerk als kryogenes Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk aufgebaut, um ein vergrößertes Leistungsspektrum abdecken zu können, wobei Treibstoffpumpen für variable Leistungen ausgelegt sind.Also in the DE 100 52 422 B4 an engine of a space propulsion system, namely a rocket engine with a regeneratively cooled thrust nozzle, is shown. The rocket engine is constructed as a cryogenic liquid fuel rocket engine in order to be able to cover an increased power spectrum, with fuel pumps being designed for variable power.

In der DE 10 2014 100 345 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schubkammervorrichtung für ein Raketentriebwerk aus einem Basiskörper in Form von Vollmaterial gezeigt.In the DE 10 2014 100 345 B4 a method for producing a thrust chamber device for a rocket engine from a base body in the form of solid material is shown.

Die EP 3 054 167 A1 zeigt eine Turbopumpe für ein Raketentriebwerk, die zwei Abströmbereiche für einen ersten und zweiten Teil einer Treibstoffkomponente umfasst.the EP 3 054 167 A1 shows a turbopump for a rocket engine, which comprises two outflow areas for a first and second part of a propellant component.

In der US 6 457 306 B1 ist eine mit einer Elektromotorvorrichtung betriebene Treibstoffpumpe für ein Raketentriebwerk gezeigt, wobei mehrere Motoren zum Antreiben der Pumpe zusammenwirken, die ihre elektrische Leistung aus Batterien beziehen.In the U.S. 6,457,306 B1 shows a fuel pump for a rocket engine operated by an electric motor device, wherein a plurality of motors which derive their electrical power from batteries cooperate to drive the pump.

Für den Betrieb des Triebwerks eines Raumfahrtantriebs stellt eine effiziente Treibstoffförderung eine zentrale Herausforderung dar. Ein zweites Konzept für die Treibstoffförderung ist eine Druckförderung, bei der die Treibstofftanks unter Druck gesetzt werden. Bei diesem Förderkonzept ist trotz hoher Zuverlässigkeit der Brennkammerdruck und die Triebwerkseffizienz begrenzt. Höhere Brennkammerdrücke würden eine signifikante Erhöhung der Wanddicke der Tanks erfordern und hätten eine entsprechende Gewichtszunahme des Gesamtsystems zur Folge.Efficient fuel delivery is a central challenge for the operation of the engine of a space propulsion system. A second concept for fuel delivery is pressure delivery, in which the fuel tanks are pressurized. Despite the high reliability of this funding concept, the combustion chamber pressure and engine efficiency are limited. Higher combustor pressures would require a significant increase in tank wall thickness and would result in a corresponding increase in overall system weight.

Weit verbreitetet ist der Einsatz von Turbopumpen zur Treibstoffförderung. Er erlaubt durch die Realisierung von hohen Brennkammerdrücken eine entsprechend hohe Triebwerkseffizienz. Jedoch verhindert bei schubschwachen Triebwerken der rasant absinkende Wirkungsgrad von Pumpe und Turbine den sinnvollen Einsatz dieses Förderverfahrens. Des Weiteren erfordern Turbopumpen eine genaue Abstimmung der Betriebspunkte auf Pumpen- und Turbinenseite und erschweren dadurch den effizienten Betrieb bei Teillast sowie eine präzise Regelung des Gesamtsystems. Die Anfahrtransiente wird dadurch auch stark verkompliziert. Bei offenen Zyklen verliert man an Effizienz, da ein Teilmassenstrom der Treibstoffe nicht der Brennkammer zugeführt wird und damit nicht zur Schuberzeugung beiträgt.The use of turbopumps for fuel delivery is widespread. By realizing high combustion chamber pressures, it allows correspondingly high engine efficiency. However, with low-thrust engines, the rapidly decreasing efficiency of the pump and turbine prevents the meaningful use of this delivery method. In addition, turbopumps require precise coordination of the operating points on the pump and turbine side, making efficient operation at part load and precise control of the entire system more difficult. This also greatly complicates the start-up transient. With open cycles, efficiency is lost because part of the fuel mass flow is not fed to the combustion chamber is carried out and thus does not contribute to the generation of thrust.

Für den Betrieb einer mit einer Elektromotor-Vorrichtung angetriebenen Treibstoffpumpe ist es schwierig, auf längere Dauer genügend elektrische Energie bereitzustellen.For the operation of a fuel pump driven by an electric motor device, it is difficult to provide sufficient electrical energy over a longer period of time.

Darüber hinaus spielt die effiziente Nutzung zur Verfügung stehender Energie für den Betrieb der Triebwerke von Raumfahrtantrieben eine wichtige Rolle.In addition, the efficient use of available energy for the operation of space propulsion systems plays an important role.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Triebwerk der eingangs genannten Art zu schaffen, das effizientere Betriebsmöglichkeiten ergibt.The present invention is based on the object of creating a method and an engine of the type mentioned at the outset that result in more efficient operating options.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für ein Triebwerk mit den Merkmalen der Ansprüche 4 und 5 gelöst.This object is achieved for a method for operating an engine with the features of claim 1 and for an engine with the features of claims 4 and 5.

Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass das mit der abgeführten Wärme beladene Kühlfluid mit einer warmen Seite einer thermoelektrischen Generatoreinrichtung in Wärmeübertragungsverbindung gebracht wird, dass die kalte Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung einer gegenüber der warmen Seite niedrigeren Temperatur ausgesetzt wird und dass die durch die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite erzeugte elektrische Spannung zum Betreiben mindestens eines elektrischen Aggregats genutzt wird.Bei dem Triebwerk ist vorgesehen, dass an mindestens einer Stelle der Kühlvorrichtung, die mit dem bei der Kühlung aufgewärmten Kühlfluid in Wärmeaustauschverbindung steht, eine thermoelektrische Generatoreinrichtung wärmeleitend kontaktiert ist und dass die kalte Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung einer gegenüber der warmen Seite zumindest zeitweise niedrigeren Temperatur ausgesetzt ist, wobei durch die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite eine für den Betrieb elektrischer Aggregate nutzbare elektrische Spannung erzeugbar ist.The method provides that the cooling fluid charged with the dissipated heat is brought into heat-transfer connection with a warm side of a thermoelectric generator device, that the cold side of the thermoelectric generator device is exposed to a lower temperature than the warm side, and that the temperature difference between the the electrical voltage generated on the warm side and on the cold side is used to operate at least one electrical unit.In the case of the engine, it is provided that at least one point on the cooling device, which is in heat exchange connection with the cooling fluid heated during cooling, is in thermally conductive contact with a thermoelectric generator device and that the cold side of the thermoelectric generator device is at least temporarily exposed to a lower temperature than the warm side, whereby the temperature difference between the warm and the cold S eite an electrical voltage usable for the operation of electrical units can be generated.

Dabei ist zum einen vorgesehen, dass die Kammerwandung der Schubkammer doppelschalig mit einer zwischen einer die Kammer umgebenden Innenschale und einer Außenschale liegenden Zwischenwand ausgebildet ist, und dass die Kühlkanäle zwischen der Innenschale und der Zwischenwand und die thermoelektrische Generatoreinrichtung mit ihren thermoelektrischen Generatorelementen zwischen der Zwischenwand und der Außenschale angeordnet sind.On the one hand, it is provided that the chamber wall of the thrust chamber is double-shelled with an intermediate wall lying between an inner shell surrounding the chamber and an outer shell, and that the cooling channels between the inner shell and the intermediate wall and the thermoelectric generator device with its thermoelectric generator elements between the intermediate wall and the outer shell are arranged.

Alternativ ist vorgesehen, dass die Stelle der Kühlvorrichtung bzw. der flächige Wandbereich der Treibstoffzufuhreinrichtung in einem separaten Wärmetauscher durch eine Umwandung einer von dem aufgewärmten Treibstoff nach Passieren der Kühlkanäle durchströmten Warmzone gebildet ist und dass die kalte Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung einer innerhalb des Wärmetauschers ausgebildeten Kaltzone ausgesetzt ist, die auf der von der Warmzone abgekehrten Seite der Umwandung liegt und von dem Kühlmedium vor Eintritt in die Kühlkanäle durchströmt ist.
Mit diesen Maßnahmen wird die von dem Kühlfluid bei der Kühlung aufgenommene thermische Energie genutzt, um elektrische Energie für den Betrieb elektrischer Aggregate, wie einer oder mehrerer Treibstoffpumpen und/oder anderer elektrisch betriebener Komponenten der Treibstoffzufuhreinrichtung, der Kühlvorrichtung, einer Steuerungseinrichtung und/oder zum Laden elektrischer Energiespeicher zu gewinnen. Auf diese Weise kann z. B. die höhere Effizienz von Elektromotoren sowie die ausgezeichnete Regelbarkeit beim Einsatz von elektrischen Treibstoffpumpen, insbesondere bei kleinen Triebwerken (z. B. Apogäumsmotoren oder Antrieben für die Weltraumforschung) vorteilhaft genutzt werden.Alternatively, it is provided that the location of the cooling device or the flat wall area of the fuel supply device is formed in a separate heat exchanger by a wall surrounding a warm zone through which the heated fuel flows after passing through the cooling ducts, and that the cold side of the thermoelectric generator device is a cold zone formed within the heat exchanger exposed, which is on the side of the wall facing away from the warm zone and through which the cooling medium flows before it enters the cooling channels.
With these measures, the thermal energy absorbed by the cooling fluid during cooling is used to generate electrical energy for the operation of electrical units, such as one or more fuel pumps and/or other electrically operated components of the fuel supply device, the cooling device, a control device and/or for charging to gain electrical energy storage. In this way z. B. the higher efficiency of electric motors and the excellent controllability when using electric fuel pumps, especially in small engines (e.g. apogee motors or drives for space research) can be used to advantage.

Bei dem Verfahren ist es für einen effizienten Betrieb vorteilhaft, dass als Kühlfluid Treibstoff und/oder Oxidator durch die Kammerwandung geführt wird.In the method, it is advantageous for efficient operation that fuel and/or oxidizer is passed through the chamber wall as the cooling fluid.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die von der thermoelektrischen Generatoreinrichtung erzeugte Spannung zum Betreiben einer Treibstoffpumpe und/oder einer Oxidatorpumpe genutzt wird.Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Treibwerks besteht darin, dass die Stelle der Kühlvorrichtung bzw. ein flächiger Wandbereich der Treibstoffzufuhreinrichtung (bzw. die mit der warmen Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung in Wärmeübertragungsverbindung gebrachte Stelle der Kühlvorrichtung und gegebenenfalls auch eine mit der kalten Seite in Wärmeübertragungsverbindung gebrachte Stelle) durch einen Wandbereich der Schubkammer gebildet ist.An advantageous embodiment of the method is that the voltage generated by the thermoelectric generator device is used to operate a fuel pump and/or an oxidizer pump. An advantageous embodiment of the engine is that the location of the cooling device or a flat wall area of the fuel supply device (or the point of the cooling device which is brought into heat-transfer connection with the warm side of the thermoelectric generator device and optionally also a point which is brought into heat-transfer connection with the cold side) is formed by a wall region of the thrust chamber.

Zu einem effizienten Betrieb tragen auch die Maßnahmen bei, dass als Kühlfluid Treibstoff und/oder ein Oxidator genutzt ist.The measures that fuel and/or an oxidizer is used as cooling fluid also contribute to efficient operation.

Eine für den Aufbau und die Funktion weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass der Treibstoff auf der der Eingangsseite der Schubkammer gegenüberliegenden Ausgangsseite in Zuströmrichtung in die Kammerwandung zwischen der Zwischenwand und der Außenschale eingeleitet und auf der Eingangsseite entgegen der Zuströmrichtung in die Kühlkanäle eingeleitet und durch diese zur Kühlung der Schubkammer geführt wird, um den Treibstoff anschließend über eine Verbindungsleitung dem Einspritzkopf zur Vermischung mit dem Oxidator und Verbrennung in einer Brennkammer zuzuführen.Another embodiment that is advantageous for the design and function is that the fuel is introduced into the chamber wall between the intermediate wall and the outer shell on the outlet side opposite the inlet side of the thrust chamber in the inflow direction and is introduced into the cooling channels on the inlet side counter to the inflow direction and through them is conducted to cool the thrust chamber, then to the fuel via a connecting line to the injection head for mixing with the oxida tor and feed combustion in a combustion chamber.

Mit den Maßnahmen, dass das Triebwerk zum Fördern des Treibstoffs und/oder eines Oxidators eine mittels eines Elektromotors betriebene Treibstoffpumpe aufweist und dass dem Elektromotor von dem thermoelektrischen Generator erzeugte elektrische Leistung zugeführt ist, werden ein effizienter Betrieb und weitgehende Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten erreicht.Efficient operation and extensive control and regulation options are achieved with the measures that the engine has a fuel pump operated by an electric motor to deliver the fuel and/or an oxidizer and that the electric motor is supplied with electrical power generated by the thermoelectric generator.

Eine für den Aufbau und den Betrieb weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, dass eine elektrische Steuerungseinrichtung vorhanden ist, der von der thermoelektrischen Generatoreinrichtung erzeugte elektrische Leistung zugeführt ist.Another measure that is advantageous for construction and operation is that there is an electrical control device to which electrical power generated by the thermoelectric generator device is supplied.

Für den Einsatz unter Weltallbedingungen sind ferner die Maßnahmen von Vorteil, dass die thermoelektrische Generatoreinrichtung thermoelektrische Elemente bzw. Thermopaare aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufweist, die sandwichartig zwischen plattenförmigen Isolatoren angeordnet sind, welche vorzugsweise aus Keramikmaterial bestehen.For use under space conditions, the measures are also advantageous that the thermoelectric generator device has thermoelectric elements or thermocouples made of a metal or a metal alloy, which are sandwiched between plate-shaped insulators, which preferably consist of ceramic material.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein Triebwerk mit seinen wesentlichen Komponenten in perspektivischer Ansicht,
  • 2 einige Komponenten des Triebwerks nach 1 teilweise im Längsschnitt,
  • 3A und 3B vergrößerte Ausschnitte B-B und C-C von Bereichen der Kammerwandung des Triebwerks nach 2 und
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Triebwerk mit wesentlichen Komponenten in seitlicher Ansicht.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
  • 1 an engine with its essential components in a perspective view,
  • 2 some engine components 1 partially in longitudinal section,
  • 3A and 3B enlarged sections BB and CC of areas of the chamber wall of the engine 2 and
  • 4 Another embodiment of an engine with essential components in a side view.

1 zeigt ein Triebwerk für einen Raumfahrtantrieb mit seinen wesentlichen Komponenten. Eine Schubkammer 5 ist eingangsseitig mit einem Einspritzkopf 9 versehen, an die sich eine Brennkammer und eine Schubdüse zur offenen Ausgangsseite hin anschließen. Die Brennkammer und die Schubdüse sind von einer Kammerwandung 50 mit einer Außenschale 6 umfangseitig umgeben. Dem Einspritzkopf 9 wird von einer Treibstoffpumpe 2, welche über eine Treibstoffzufuhr 1 an einen (nicht gezeigten) Treibstofftank angeschlossen ist, über ein Leitungssystem Treibstoff sowie mittels einer Oxidatorpumpe 12, welche über eine Oxidatorzufuhr 11 an einen (nicht gezeigten) Oxidatortank angeschlossen ist, Oxidator für die Verbrennung und Schuberzeugung zugeführt. Die Treibstoffpumpe 2 und das an ihr angeschlossene Leitungssystem bilden eine Treibstoffzufuhreinrichtung 100, wobei die Treibstoffpumpe 2 mittels eines als Elektromotor 3 ausgebildeten Pumpenantriebs angetrieben wird. Auch die Oxidatorpumpe 12 wird mittels eines Pumpenantriebs angetrieben, welcher als weiterer Elektromotor 13 ausgebildet ist. 1 shows an engine for a space propulsion system with its essential components. A thrust chamber 5 is provided on the input side with an injection head 9, which is followed by a combustion chamber and a thrust nozzle towards the open output side. The combustion chamber and the thrust nozzle are surrounded on the circumference by a chamber wall 50 with an outer shell 6 . The injection head 9 is supplied with fuel from a fuel pump 2, which is connected to a fuel tank (not shown) via a fuel supply 1, via a line system, and by means of an oxidizer pump 12, which is connected to an oxidizer tank (not shown) via an oxidizer supply 11, oxidizer supplied for combustion and thrust generation. The fuel pump 2 and the line system connected to it form a fuel supply device 100, the fuel pump 2 being driven by means of a pump drive designed as an electric motor 3. The oxidizer pump 12 is also driven by a pump drive, which is designed as a further electric motor 13 .

Das Leitungssystem der Treibstoffzufuhreinrichtung 100 weist eine Leitung 4 mit einem Leitungszweig 41 auf, über die Treibstoff mit hohem Druck zu der Außenschale 6 in deren vorderen bzw. ausgangsseitigen Umfangsrandbereich geführt und von dort durch die Außenschale 6 und über einen Leitungsabschnitt 10 zu in einer Innenschale der Kammerwandung 50 angeordneten Kühlkanälen 7 geführt wird, die zur Kühlung der Schubkammer 5 dienen und zur Weiterleitung des Treibstoffs bis zum ausgangsseitigen Randbereich der Kammerwandung verlaufen, wie in 2 gezeigt. Der beim Kühlen der Schubkammer 5 mit Wärme beladene Treibstoff wird über eine Verbindungsleitung 71 in den Einspritzkopf 9 geführt, um in den Brennraum eingespritzt zu werden und zusammen mit dem von der Oxidatorpumpe 12 zugeführten Oxidator die Verbrennung zu bewirken.The line system of fuel supply device 100 has a line 4 with a line branch 41, via which fuel is routed at high pressure to the outer shell 6 in its front or outlet-side peripheral edge area and from there through the outer shell 6 and via a line section 10 to an inner shell of the Chamber wall 50 arranged cooling channels 7 is performed, which serve to cool the thrust chamber 5 and run to the outlet-side edge region of the chamber wall to forward the fuel to the edge region of the chamber wall, as in 2 shown. The fuel loaded with heat when the thrust chamber 5 is cooled is fed into the injection head 9 via a connecting line 71 in order to be injected into the combustion chamber and to bring about combustion together with the oxidizer supplied by the oxidizer pump 12 .

Wie aus 2 ersichtlich und in den 3A und 3B vergrößert dargestellt, sind zwischen den Leitungskanälen der Außenschale 6 und der Außenseite der Kühlkanäle 7 Thermoelemente bzw. Thermopaare einer thermoelektrischen Generatoreinrichtung 8 angeordnet, deren kalte Seite der Außenschale 6 und deren warme Seite den mit dem aufgeheizten Treibstoff durchströmten Kühlkanälen 7 zugewandt ist, wobei die kalte Seite einerseits mit dem kalten Treibstoff und die warme Seite andererseits mit dem aufgeheizten Treibstoff in gute Wärmeübertragungsverbindung gebracht sind, um möglichst effizient die Temperaturdifferenz zwischen der warmen Seite und der kalten Seite in eine elektrische Spannung gemäß dem thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) umzusetzen und elektrische Leistung bereitzustellen. Die Temperaturdifferenz kann dabei z. B. einige 100 Kelvin betragen, da der Treibstoff in der kalten Außenschale z. B. einige 10 K beträgt und die heiße Seite z. B. bis ca. 400 bis 600 Kelvin aufgeheizt wird. Die Thermoelemente bzw. Thermopaare der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 8 sind auf ihrer Außenseite und Innenseite z. B. mit keramischen Isolatorschichten versehen und die thermoelektrisch wirksamen Elemente sind für eine hohe Stabilität unter Weltallbedingungen vorteilhaft aus metallischem Material hergestellt. Die Thermoelemente bzw. Thermopaare sind zwischen der den Kammerhohlraum der Schubkammer 5 umgebenden Innenschale und der Außenschale 6 der Kammerwandung 50 angeordnet. Entlang der druckdicht verschlossenen Innenschale und Außenschale 6 strömt warmes und kaltes Kühlfluid bzw. Treibstoff, so dass die Thermoelemente bzw. Thermopaare mit der betreffenden Temperaturdifferenz beaufschlagt werden.How out 2 evident and in the 3A and 3B shown enlarged, thermocouples or thermocouples of a thermoelectric generator device 8 are arranged between the line ducts of the outer shell 6 and the outside of the cooling ducts 7, the cold side of which faces the outer shell 6 and the warm side of which faces the cooling ducts 7 through which the heated fuel flows, with the cold Side on the one hand with the cold fuel and the warm side on the other hand with the heated fuel in good heat transfer connection to convert the temperature difference between the warm side and the cold side into an electrical voltage according to the thermoelectric effect (Seebeck effect) and electrical as efficiently as possible provide performance. The temperature difference can z. B. be a few 100 Kelvin, since the fuel in the cold outer shell z. B. is some 10 K and the hot side z. B. is heated to about 400 to 600 Kelvin. The thermocouples or thermocouples of the thermoelectric generator device 8 are z. B. provided with ceramic insulator layers and the thermoelectrically active elements are advantageously made of metallic material for high stability under space conditions. The thermocouples or thermocouples are arranged between the inner shell surrounding the chamber cavity of the thrust chamber 5 and the outer shell 6 of the chamber wall 50 . Warm and cold cooling fluid or fuel flows along the inner shell and outer shell 6, which are closed in a pressure-tight manner, so that the thermocouples or thermocouples be subjected to the relevant temperature difference.

Die von der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 8 kann vorteilhaft zum Antrieb eines oder beider Elektromotoren 3, 13 der Treibstoffpumpe beziehungsweise Oxidatorpumpe direkt und/oder unter Zwischenschaltung eines elektrischen Energiespeichers, wie Batterie oder Akkumulator oder kapazitiven Ladekomponenten, genutzt werden.The thermoelectric generator device 8 can advantageously be used to drive one or both electric motors 3, 13 of the fuel pump or oxidizer pump directly and/or with the interposition of an electrical energy store, such as a battery or accumulator or capacitive charging components.

Wie aus 1 ersichtlich, ist die Kammerwandung bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei sich in Längsrichtung erstreckenden Halbschalen zusammengesetzt, die jeweils eine „heiße“ halbe oder volle Innenschale und eine „kalte“ halbe oder volle Außenschale bilden. Die Innenschale mit den Kühlkanälen 7 bildet gleichzeitig den wesentlichen Teil einer Kühlvorrichtung beziehungsweise eines Kühlsystems der Schubkammer 5.How out 1 As can be seen, the chamber wall in the exemplary embodiment shown is composed of two half-shells extending in the longitudinal direction, each of which forms a “hot” half or full inner shell and a “cold” half or full outer shell. The inner shell with the cooling channels 7 also forms the essential part of a cooling device or a cooling system of the thrust chamber 5.

Das dargestellte gesamte System mit der Treibstoffzufuhreinrichtung 100, welches neben dem Leitungssystem und der Treibstoffpumpe 2 sowie der Kühlvorrichtung auch den Elektromotor für die Treibstoffpumpe 3 sowie die Oxidatorpumpe 12 mit dem weiteren Elektromotor 13 umfasst, ergibt einen weitgehend verlustfreien Betrieb, wobei ein geschlossener Zyklus gebildet wird, der als thermo-elektrischer ExpanderZyklus bezeichnet werden kann. Insbesondere bei kleinen Raketenmotoren z. B. bis zu 10 kN Schubkraft, wie Apogäums-Motoren oder Antrieben für die Weltraumforschung, werden mittels der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 8 und dem oder den Elektromotoren 3, 13 vorteilhafte Steuerungs- beziehungsweise Regelungsmöglichkeiten bei effizientem Betrieb erhalten.The entire system shown with the fuel supply device 100, which, in addition to the line system and the fuel pump 2 and the cooling device, also includes the electric motor for the fuel pump 3 and the oxidizer pump 12 with the additional electric motor 13, results in largely loss-free operation, with a closed cycle being formed , which can be referred to as a thermo-electric expander cycle. Especially with small rocket motors z. B. up to 10 kN thrust, such as apogee engines or drives for space research, are obtained by means of the thermoelectric generator device 8 and the one or more electric motors 3, 13 advantageous control or regulation options with efficient operation.

Die thermoelektrische Generatoreinrichtung 8 kann auch an anderer Stelle des Triebwerks angeordnet werden, an denen eine betreffende Temperaturdifferenz herrscht und wirksam genutzt werden kann, wie z. B. im Bereich einer kalten Wandung eines Treibstofftanks auf der kalten Seite der Thermoelemente bzw. Thermopaare und eines mit Wärme beladenen Mediums auf der warmen Seite der Thermoelemente. Auch kann ein anderes mit Wärme beladenes Kühlfluid für eine effiziente Kühlung der Schubkammer 5 verwendet werden. Beispielsweise kann die niedrige Temperatur eines Oxidators auf der kalten Seite zum Bewirken der Temperaturdifferenz genutzt werden.The thermoelectric generator device 8 can also be arranged elsewhere in the engine where there is a relevant temperature difference and can be used effectively, such as. B. in the area of a cold wall of a fuel tank on the cold side of the thermocouples or thermocouples and loaded with heat medium on the warm side of the thermocouples. Another heat-loaded cooling fluid can also be used for efficient cooling of the thrust chamber 5 . For example, the low temperature of an oxidizer on the cold side can be used to effect the temperature difference.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei wird die erforderliche Temperaturdifferenz beziehungsweise werden die notwendigen Temperaturgefälle zwischen der warmen und kalten Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 8 in einem separaten Wärmetauscher 14 erzeugt. Die Thermoelemente bzw. Thermopaare der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 8 befinden sich bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen zwei plattenförmigen beziehungsweise flächigen Strukturen, die von „kaltem“ Treibstoff einerseits und „heißem“ Treibstoff andererseits durchströmt werden. Der „kalte“ Treibstoff strömt dabei von der mit einem Elektromotor 3 angetriebenen Treibstoffpumpe 2 in eine Kaltzone 15 des Wärmetauschers 14 und wird danach in die Kühlkanäle 7 der Schubkammer 5 geleitet. Der in der Kühlvorrichtung aufgeheizte Treibstoff wird in eine Warmzone 16 des Wärmetauschers 14 geleitet und bildet dort eine „heiße“ Seite für die thermoelektrische Generatoreinrichtung 8. Dieser Aufbau ergibt wesentliche konstruktive Vorteile und erlaubt eine praktisch uneingeschränkte Anordnung von Kontaktflächen für die Thermoelemente bzw. Thermopaare der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 8, ergibt anderseits aber ein erhöhtes Gesamtgewicht. 4 shows another embodiment of the invention. In this case, the required temperature difference or the required temperature gradients between the warm and cold side of the thermoelectric generator device 8 are generated in a separate heat exchanger 14 . In this exemplary embodiment, the thermocouples or thermocouples of the thermoelectric generator device 8 are located between two plate-shaped or flat structures through which “cold” fuel on the one hand and “hot” fuel on the other hand flows. The "cold" fuel flows from the fuel pump 2 driven by an electric motor 3 into a cold zone 15 of the heat exchanger 14 and is then conducted into the cooling channels 7 of the thrust chamber 5 . The fuel heated in the cooling device is conducted into a warm zone 16 of the heat exchanger 14, where it forms a "hot" side for the thermoelectric generator device 8. This structure results in significant structural advantages and allows a practically unrestricted arrangement of contact surfaces for the thermocouples or thermocouples thermoelectric generator device 8, on the other hand results in an increased overall weight.

Die erhaltene elektrische Leistung kann neben dem Betrieb des Elektromotors 3 der Treibstoffpumpe 2 und/oder des weiteren Elektromotors 13 der Oxidatorpumpe 12 zusätzlich oder alternativ zum Betrieb anderer elektrischer Aggregate des Triebwerks einschließlich einer Speicherung elektrischer Energie in elektrischen Speicherkomponenten genutzt werden, wie vorstehend angesprochen. Somit steht auch für längere Unternehmen im Weltraum genügend Energie für einen zeitweisen Betrieb der elektrisch betriebenen Aggregate mit höherem Energiebedarf zur Verfügung.In addition to operating the electric motor 3 of the fuel pump 2 and/or the other electric motor 13 of the oxidizer pump 12, the electrical power obtained can also or alternatively be used to operate other electrical units of the engine, including storing electrical energy in electrical storage components, as discussed above. Thus, even for longer companies in space, there is enough energy available for a temporary operation of the electrically operated units with higher energy requirements.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks eines Raumfahrtantriebs, bei dem einer Schubkammer (5) über eine Treibstoffzufuhreinrichtung Treibstoff zur Verbrennung zugeführt und in einer Kammerwandung (50) der Schubkammer entstehende Wärme mittels eines Kühlfluids abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der abgeführten Wärme beladene Kühlfluid mit einer warmen Seite einer thermoelektrischen Generatoreinrichtung (8) in Wärmeübertragungsverbindung gebracht wird, dass die kalte Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung (8) einer gegenüber der warmen Seite niedrigeren Temperatur ausgesetzt wird und dass die durch die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite erzeugte elektrische Spannung zum Betreiben mindestens eines elektrischen Aggregats genutzt wird.Method for operating an engine of a space propulsion system, in which fuel for combustion is supplied to a thrust chamber (5) via a fuel supply device and heat generated in a chamber wall (50) of the thrust chamber is removed by means of a cooling fluid, characterized in that the cooling fluid charged with the removed heat is brought into heat-transfer connection with a warm side of a thermoelectric generator device (8), that the cold side of the thermoelectric generator device (8) is exposed to a lower temperature than the warm side and that the electrical voltage generated by the temperature difference between the warm and the cold side is used to operate at least one electrical unit. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlfluid Treibstoff durch die Kammerwandung (50) geführt wird.procedure after claim 1 , characterized in that fuel is passed through the chamber wall (50) as cooling fluid. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von der thermoelektrischen Generatoreinrichtung (8) erzeugte Spannung zum Betreiben einer Treibstoffpumpe (2) und/oder einer Oxidatorpumpe (12) genutzt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the voltage generated by the thermoelectric generator device (8) is used to operate a fuel pump (2) and/or an oxidizer pump (12). Triebwerk eines Raumfahrtantriebs mit einer Schubkammer (5), die eingangsseitig mit einem Einspritzkopf (9) und im Anschluss daran eine von Kühlkanälen (7) durchzogene schalenförmige Kammerwandung (50) aufweist, mit einer Treibstoffzufuhreinrichtung (100), über die der Schubkammer (5) zu ihrem Betrieb Treibstoff zugeführt wird, und mit einer Kühlvorrichtung, über die zum Kühlen der Schubkammer (5) ein Kühlfluid durch die Kühlkanäle geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stelle der Kühlvorrichtung, die mit dem bei der Kühlung aufgewärmten Kühlfluid in Wärmeaustauschverbindung steht und durch einen Wandbereich der Schubkammer (5) gebildet ist, eine thermoelektrische Generatoreinrichtung (8) wärmeleitend kontaktiert ist, dass die Kammerwandung der Schubkammer (5) doppelschalig ausgebildet und mit einer zwischen einer die Kammer umgebenden Innenschale und einer Außenschale (6) liegenden Zwischenwand versehen ist, dass die Kühlkanäle (7) zwischen der Innenschale und der Zwischenwand und die thermoelektrische Generatoreinrichtung (7) mit ihren thermoelektrischen Generatorelementen zwischen der Zwischenwand und der Außenschale (6) angeordnet sind und dass die kalte Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung (8) einer gegenüber der warmen Seite zumindest zeitweise niedrigeren Temperatur ausgesetzt ist, wobei durch die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite eine für den Betrieb elektrischer Aggregate nutzbare elektrische Spannung erzeugbar ist.Engine of a space propulsion system with a thrust chamber (5), which has an injection head (9) on the inlet side and, connected thereto, a shell-shaped chamber wall (50) traversed by cooling channels (7), with a fuel supply device (100) via which the thrust chamber (5) fuel is supplied for its operation, and with a cooling device via which a cooling fluid is guided through the cooling channels to cool the thrust chamber (5), characterized in that at least one point of the cooling device is in heat exchange connection with the cooling fluid heated up during the cooling and is formed by a wall area of the thrust chamber (5), a thermoelectric generator device (8) is in thermally conductive contact, that the chamber wall of the thrust chamber (5) is double-shelled and has an intermediate wall between an inner shell surrounding the chamber and an outer shell (6). is provided that the cooling channels (7) between the inner shell and the intermediate wall and the thermoelectric generator device (7) with its thermoelectric generator elements are arranged between the intermediate wall and the outer shell (6) and that the cold side of the thermoelectric generator device (8) is at least temporarily exposed to a lower temperature than the warm side, with the Temperature difference between the warm and the cold side usable for the operation of electrical units electrical voltage can be generated. Triebwerk eines Raumfahrtantriebs mit einer Schubkammer (5), die eingangsseitig mit einem Einspritzkopf (9) und im Anschluss daran eine von Kühlkanälen (7) durchzogene schalenförmige Kammerwandung (50) aufweist, mit einer Treibstoffzufuhreinrichtung (100), über die der Schubkammer (5) zu ihrem Betrieb Treibstoff zugeführt wird, und mit einer Kühlvorrichtung, über die zum Kühlen der Schubkammer (5) ein Kühlfluid durch die Kühlkanäle geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stelle der Kühlvorrichtung, die mit dem bei der Kühlung aufgewärmten Kühlfluid in Wärmeaustauschverbindung steht, eine thermoelektrische Generatoreinrichtung (8) wärmeleitend kontaktiert ist und dass die kalte Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung (8) einer gegenüber der warmen Seite zumindest zeitweise niedrigeren Temperatur ausgesetzt ist, wobei durch die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite eine für den Betrieb elektrischer Aggregate nutzbare elektrische Spannung erzeugbar ist, wobei die Stelle der Kühlvorrichtung in einem separaten Wärmetauscher (14) durch eine Umwandung einer von dem aufgewärmten Treibstoff nach Passieren der Kühlkanäle (7) durchströmten Warmzone (16) gebildet ist und die kalte Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung (8) einer innerhalb des Wärmetauschers (14) ausgebildeten Kaltzone (15) ausgesetzt ist, die auf der von der Warmzone (16) abgekehrten Seite der Umwandung liegt und von dem Kühlmedium vor Eintritt in die Kühlkanäle (7) durchströmt ist.Engine of a space propulsion system with a thrust chamber (5), which has an injection head (9) on the inlet side and, connected thereto, a shell-shaped chamber wall (50) traversed by cooling channels (7), with a fuel supply device (100) via which the thrust chamber (5) fuel is supplied for its operation, and with a cooling device via which a cooling fluid is guided through the cooling channels to cool the thrust chamber (5), characterized in that at least one point of the cooling device is in heat exchange connection with the cooling fluid heated up during the cooling stands, a thermoelectric generator device (8) is in thermally conductive contact and that the cold side of the thermoelectric generator device (8) is at least temporarily exposed to a lower temperature than the warm side, whereby the temperature difference between the warm and the cold side creates an electrical Units usable electrical Sp annealing, the location of the cooling device being formed in a separate heat exchanger (14) by a wall surrounding a warm zone (16) through which the heated fuel flows after passing through the cooling ducts (7), and the cold side of the thermoelectric generator device (8) is an inside of the heat exchanger (14) formed cold zone (15), which is on the side of the wall facing away from the warm zone (16) and through which the cooling medium flows before it enters the cooling channels (7). Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlfluid Treibstoff und/oder ein Oxidator genutzt ist.Engine according to one of the preceding claims, characterized in that fuel and/or an oxidizer is used as the cooling fluid. Triebwerk nach Anspruch 4 oder 6, soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibstoff auf der der Eingangsseite der Schubkammer (5) gegenüberliegenden Ausgangsseite in Zuströmrichtung in die Kammerwandung (50) zwischen der Zwischenwand und der Außenschale (6) eingeleitet und auf der Eingangsseite entgegen der Zuströmrichtung in die Kühlkanäle (7) eingeleitet und durch diese zur Kühlung der Schubkammer (5) geführt wird, um den Treibstoff anschließend dem Einspritzkopf (9) zur Vermischung mit dem Oxidator und Verbrennung in einer Brennkammer zuzuführen.engine after claim 4 or 6 , so far up claim 4 reversed, characterized in that the fuel is introduced into the chamber wall (50) between the intermediate wall and the outer shell (6) in the inflow direction on the outlet side opposite the inlet side of the thrust chamber (5) and is introduced into the cooling channels (7) on the inlet side counter to the inflow direction is introduced and guided through it to cool the thrust chamber (5), in order to then feed the fuel to the injection head (9) for mixing with the oxidizer and combustion in a combustion chamber. Triebwerk nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Triebwerk zum Fördern des Treibstoffs und/oder eines Oxidators eine mittels eines Elektromotors (3) betriebene Treibstoffpumpe (2) aufweist und dass dem Elektromotor (3) von dem thermoelektrischen Generator (8) erzeugte elektrische Leistung zugeführt ist.Engine after one of Claims 4 until 7 , characterized in that the engine for delivering the fuel and/or an oxidizer has a fuel pump (2) operated by means of an electric motor (3) and that the electric motor (3) is supplied with electrical power generated by the thermoelectric generator (8). Triebwerk nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Steuerungseinrichtung vorhanden ist, der von der thermelektrischen Generatoreinrichtung (8) erzeugte elektrische Leistung zugeführt ist.Engine after one of Claims 4 until 8th , characterized in that an electrical control device is present, which is supplied with electrical power generated by the thermoelectric generator device (8). Triebwerk nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Generatoreinrichtung (8) thermoelektrische Elemente aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufweist, die sandwichartig zwischen plattenförmigen Isolatoren angeordnet sind, welche vorzugsweise aus Keramikmaterial bestehen.Engine after one of Claims 4 until 9 , characterized in that the thermoelectric generator device (8) thermoelectric elements made of a metal or a metal alloy, which are sandwiched between plate-shaped insulators, which are preferably made of ceramic material.
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