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Raketentriebwerk Die Erfindung betrifft Raketentriebwerke, bei denen
ein Brennstoff wie Wasserstoffsuperoxyd verwendet wird, der vor Einleitung in die
Brennkammer der Rakete in einer katalytischen Zersetzungskammer zersetzt wird. Der
Ausdruck »Brennstoff« ist hier im weitesten Sinne zu verstehen und bezeichnet auch
Oxydationsmittel.
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Das normale Verfahren, derartige Raketentriebwerke zu konstruieren,
besteht darin, ein katalytisches Bett von allgemein zylindrischer Form in Strömungsrichtung
unmittelbar vor der Brennkammer anzuordnen; hierbei ist der Durchmesser des Katalysatorbettes
annähernd gleich demjenigen der Brennkammer, und in manchen Fällen sind sowohl das
Katalysatorbett als auch die Brennkammer sowie die Einschnürung und die Austrittsdüse
in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse von annähernd gleichmäßigem Durchmesser
angeordnet.
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Um die Schubkraft eines Raketentriebwerkes dieser Bauart zu vergrößern,
muß man mehr Brennstoff zuführen und somit auch mehr Brennstoff durch das Katalysatorbett
hindurchleiten. Hierzu ist aber eine der Vergrößerung der Brennstoffmenge entsprechende
Vergrößerung der Querschnittsfläche des Katalysatorbettes erforderlich. Eine einfache
maßstäbliche Vergrößerung des Triebwerkes entsprechend der erforderlichen Vergrößerung
des Querschnittes des Katalysatorbettes führt jedoch nicht zu befriedigenden Ergebnissen.
Auch bei Zuführung einer größeren Brennstoffmenge besitzen die Querschnittsfläche
der Brennkammer und ihr Rauminhalt sowie auch die Querschnittsfläche der Einschnürung
und anderer Teile der Düse bestimmte optimale Werte, und die Brennkammer wird bei
einer einfachen maßstäblichen Vergrößerung des Triebwerkes entsprechend der zum
Hindurchleiten der größeren Brennstoffmenge benötigten größeren der Querschnittsfläche
des Katalysatorbettes sicherlich nicht ihre ideale Form beibehalten. Der optimale
Brennkammerdurchmesser wächst bei zunehmendem Brennstoffdurchsatz nicht in gleichem
Verhältnis an wie der erforderliche Querschnitt des Katalysatorbettes. Außerdem
sollte der größte Außendurchmesser bei Raketentriebwerken, insbesondere wenn sie
außen an Flugzeugen angebracht werden sollen, so gering wie möglich sein.
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Um eine Vergrößerung des Katalysatorbettquerschnittes zu ermöglichen,
ohne notwendigerweise eine Vergrößerung des Querschnittes des Triebwerkes erforderlich
zu machen, ist nach der Erfindung die Anordnung so getroffen, daß zwei oder mehr
Katalysatorbetten axial in Fluchtung mit der Brennkammer hintereinander angeordnet
sind, die von dem Brennstoff parallel durchströmt werden.
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Es ist zwar bereits in einer Druckschrift ein Triebwerk beschrieben,
bei dem parallel zum Hauptkatalysatorbett zwei wesentlich kleinere Katalysatorbetten
von Wasserstoffsuperoxyd durchströmt werden. Dabei dienen die in diesen beiden kleineren
Katalysatorbetten entstehenden Zersetzungsprodukte als Antriebsmittel für eine die
Brennstoffpumpen treibende Turhine, bevor sie der Brennkammer zugeführt werden.
In dieser Veröffentlichung ist jedoch nichts über die Anordnung der Katalysatorbetten
gesagt. Im übrigen strömt wegen des geringen Kraftbedarfes der Turbine nur ein geringer
Bruchteil der gesamten katalytisch zu zersetzenden Brennstoffmenge durch die beiden
der Turbine zugeordneten Katalysatorbetten, so daß auch die Querschnittsfläche dieser
beiden Katalysatorbetten nur einen unbedeutenden Bruchteil derjenigen des Hauptkatalysatorbettes
beträgt.
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Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion kann man den größten Durchmesser
des Katalysatorbettaggregates verkleinern, wodurch es möglich wird, den Durchmesser
der Brennkammer im Verhältnis zu ihrer Gesamtlänge zu verkleinern. Hierdurch wird
die Festigkeit der Brennkammer erhöht, so daß sie dem Außendruck leichter standhalten
kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Mittel zum katalytischen Zersetzen
macht es auch geringere Schwierigkeiten, das Triebwerk konstruktiv durchzubilden
und insbesondere eine geeignete Konstruktion zum Aufnehmen der infolge des Druckabfalles
längs des Katalysatorbettes an diesem angreifenden Axialkräfte zu schaffen. Bei
einem erfindungsgemäßen Raketentriebwerk mit zwei oder mehr getrennten Katalysatorbetten
von
jeweils verkleinerter Querschnittsfläche wird nämlich die an jedem einzelnen Katalysatorbett
angreifende Axialkraft entsprechend verkleinert, so daß sich die Katalysatorbetten
leichter von dem Gehäuse oder von anderen feststehenden Konstruktionsteilen aus
unterstützen lassen.
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Bei einer bevorzugten Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Triebwerkes
ist jedem Katalysatorbett ein Ringkanal, durch den ihm unter Umgehung des in Strömungsrichtung
jeweils vorher liegenden Katalysatorbettes ein seiner Größe entsprechender Teil
des Brennstoffes zugeführt wird, und ein weiterer Ringkanal zugeordnet, durch den
der aus ihm austretende zersetzte Brennstoff unter Umgehung des in Strömungsrichtung
nachfolgenden Katalysatorbettes in die Brennkammer eingeleitet wird.
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Zweckmäßigerweise sind dabei benachbarte Katalysatorbetten durch ein
stumpfkegelförmiges Umlenkblech miteinander verbunden, das sich jeweils vom rückwärtigen
Ende eines Katalysatorbettes zum vorderen Ende des benachbarten Katalysatorbettes
erstreckt und so angeordnet ist, daß der aus dem in Strömungsrichtung vorn liegende
Katalysatorbett austretende zersetzte Brennstoff an dem folgenden Katalysatorbett
vorbeiströmt.
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Die Erfindung wird an Hand einer schematischen Zeichnung an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert. .
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Katalysatorbetten 10 und
11, ein Brenner 12, eine Brennkammer 13, ein eingeschnürter Kanal 14 und eine Austrittsdüse
15 sämtlich innerhalb eines einzigen zylindrischen Gehäuses 16 von annähernd gleichmäßigem
Durchmesser untergebracht. Die Brennkammer, der eingeschnürte Kanal und die Austrittsdüse
sind in allgemein bekannter Weise ausgebildet, so daß sich eine eingehendere Beschreibung
erübrigt.
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Das der Strömung als erstes ausgesetzte Katalysatorbett 10 am der
Strömung zugewandten Ende des Gehäuses 16 ist ringförmig ausgebildet und in einem
äußeren Mantel 17 und einem inneren Mantel 18 angeordnet. Der Mantel
17 erstreckt sich in einem kleinen Abstand von der Wandung des Gehäuses 16, und
der innere Mantel 18 ist ebenfalls durch einen Ringspalt von dem hohlen rohrförmigen
Bauteil 19 getrennt, das sich durch die der Strömung zugewandte Stirnwand 20 des
Gehäuses in der Strömungsrichtung durch das erste Katalysatorbett hindurch erstreckt.
Nahe dem in die Strömungsrichtung weisenden Ende des rohrförmigen Bauteiles 19 ist
dieses von einem zweiten Kataly Batorbett 11 umgeben, das ebenfalls ringförmig ausgebildet
ist, jedoch einen etwas kleineren Durchmesser besitzt und in einem Mantel 21 angeordnet
ist, der durch einen engen Ringspalt von dem Mantel 17 getrennt ist. Am in die Strömungsrichtung
weisenden äußersten Ende des rohrförmigen Bauteiles 19 ist der Brenner 12 angebracht,
dem ein Kohlenwasserstoffbrennstoff, z. B. Paraffin, über einen Kanal
28 innerhalb des rohrförmigen Bauteiles zugeführt wird. Der Brenner 12 ist
außerdem mit Kanälen 22 versehen, durch welche mindestens ein Teil des aus dem Bett
11 austretenden Strömungsmittels in die Brennkammer übertreten kann. Das Katalysatorbett
il ist an dem rohrförmigen Bauteil 19 befestigt, das somit die durch das Wasserstoffsuperoxyd
auf den Brenner und das Katalysatorbett aufgebrachte Schubkraft aufnimmt. Das Bett
10 ist in ähnlicher Weise an den :Mänteln 17 und 18 befestigt, die ihrerseits mit
dem Gehäuse 16 verbunden sind und daher in der erforderlichen Weise Axialkräfte
aufnehmen können. Das Wasserstoffsuperoxyd wird einem ringförmigen Kanal
23, der allgemein in der Ebene der Einschnürung 14 unmittelbar an die Innenwand
des Gehäuses angrenzt, zugeführt und strömt von dort durch ringförmige Kanäle 24
zum rückwärtigen Ende der Düse und danach entgegen der Hauptströmungsrichtung durch
einen Ringkana125, der die Wandung der Düseneinschnürung und der Brennkammer unmittelbar
umgibt. Hierauf strömt das `'Wasserstoffsuperoxyd entgegen der Hauptströmungsrichtung
durch den Ringkanal zwischen der zylindrischen Seitenwand des Gehäuses 16 und dem
Mantel 17, bis es die dem Hauptstrom zugewandte Stirnwand 20 des Gehäuses erreicht,
wo es radial nach innen durch einen Raum strömt, der zwischen dieser Stirnwand und
der der Strömung zugewandten Stirnfläche des ersten Katalysatorbettes vorgesehen
ist. Ein Teil des Wasserstoffsuperoxyds strömt in der Hauptströmungsrichtung durch
das erste Katalysatorbett 10, wo es zersetzt wird, und die Zersetzungsprodukte werden
dann durch ein konisches Umlenkglied 26 zwischen den Mänteln 18 und 21 nach außen
umgelenkt. Diese Zersetzungsprodukte strömen dann durch den Ringkanal zwischen den
Mänteln 21 und 17, und nachdem sie an dem Brenner durch einen diesen umgebenden
Ringraum 27 v orbeigeströmt sind, gelangen sie in die Brennkammer 13.
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Aus dem Raum an der der Strömung zugewandten Stirnwand des Gehäuses
strömt das verbleibende Wasserstoffsuperoxyd durch den Ringspalt zwischen dem Mantel
18 und dem zentralen rohrförmigen Bauteil 19 und verteilt sich dann auf der in die
Strömungsrichtung weisenden Seite des konischenUmlenkgliedes 26 nach außen und über
die der Strömung zugewandten Fläche des zweiten Katalvsatorbettes 11. Nach der Zersetzung
des `'Wasserstoffsuperoxyds in diesem Bett strömen die Zersetzungsprodukte dann
über die Kanäle 22 in die Brennkammer ein.