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Verfahren und Einrichtung zur Prüfung von Raketentriebwerken Es ist
bereits ein Verfahren zur Prüfung von Raketentriebwerken unter vermindertem Druck
bekannt, bei dem die in eine entsprechend der Prüfbedingung evakuierte Prüfkammer
eingebauten Triebwerke Verbrennungsprodukte mit hoher Geschwindigkeit in diese Kammer
ausstoßen, wobei die Verbrennungsprodukte durch Evakuierungseinrichtungen aus dieser
entfernt werden.
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Es ist ferner bekannt, als derartige Evakuierungseinrichtungen Dampfstrahlsauger
zu verwenden und die zur Erzeugung ihrer Dampfstrahlen benötigte Wärme den in die
Prüfkammer ausgestoßenen Verbrennungsprodukten in einem Wärmeaustauscher zu entziehen.
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Der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, eine Prüfeinrichtung
anzugeben, die eine Prüfung eines Raketentriebwerkes unter Bedingungen erlaubt,
die den in Höhen im Bereich von etwa 120 bis 250 km herrschenden Bedingungen entsprechen.
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Ferner soll durch die Erfindung eine Prüfeinrichtung angegeben werden,
die in der Lage ist, Gasmengen in der Größenordnung von über 105 m3/min abzupumpen,
wie sie beim Betrieb eines Raketentriebwerks in einer Hochvakuumkammer entstehen.
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Beim Abbrennen eines Raketentriebwerks unter Bedingungen, die etwa
den in 120 bis 160 km Höhe vorliegenden Bedingungen entsprechen, ist es erforderlich
einen Druck in der Größenordnung von 10-5 bis 10-6 Torr aufrechtzuerhalten. Der
Prüfstand muß in der Lage sein, das riesige Volumen des unter niedrigem Druck stehenden
Gases zu bewältigen, welches entsteht, wenn eine Rakete in einer evakuierten Kammer
abgebrannt wird.
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Die Erfindung besteht zunächst in einem Verfahren zur Prüfung von
Raketentriebwerken unter vermindertem Druck, bei dem die in eine entsprechend der
Prüfbedingung evakuierte Kammer eingebauten Triebwerke Verbrennungsprodukte mit
hoher Geschwindigkeit in diese Kammer ausstoßen, wobei die Verbrennungsprodukte
durch Evakuierungseinrichtungen aus dieser entfernt werden, und ist dadurch gekennzeichnet,
daß die während des Brennvorgangs des Raketentriebwerkes anfallenden kondensierbaren
Anteile der Verbrennungsprodukte innerhalb der Prüfkammer an mehreren in der Bewegungsrichtung
der ausgestoßenen Verbrennungsprodukte nacheinander angeordneten Kondensationsflächen
unterschiedlicher Temperatur abgeschieden werden, wobei die Kondensationsfläche
höchster Temperatur den geringsten Abstand von der Ausstoßöffnung des Triebwerkes
aufweist.
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Die Erfindung besteht ferner in einer Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Bei einer bevorzugten, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform
der Erfindung wird dies mittels einer langgestreckten vakuumdichten Kammer erreicht,
die mit Mitteln versehen ist, um sie auf einen freien Luftdruck von weniger als
1 Torr zu evakuieren. Die Kammer ist ferner mit Mitteln versehen, das zu prüfende
Raketentriebwerk im einen Ende der Kammer in einer solchen Stellung zu haltern,
daß die Verbrennungsprodukte mit hoher Geschwindigkeit in einer Richtung im wesentlichen
parallel zur Achse der langgestreckten Kammer in diese ausgestoßen werden. Anschließend
an das Ende, in dem das Raketentriebwerk angeordnet ist, ist eine erste Kondensationsfläche
vorgesehen, die vorzugsweise aus der Wand der langgestreckten Kammer besteht. Die
Kondensationsfläche ist mit einer Kühleinrichtung verbunden, die in der Lage ist,
diese Fläche auf einer Temperatur in der Größenordnung von 77 bis 820 K zu halten.
Weiter ist in der Kammer eine zweite Kondensationsfläche vorgesehen, die vorzugsweise
ebenfalls durch die Kammerwand gebildet wird, und die durch eine angeschlossene
Kühleinrichtung auf einer Temperatur in der Größenordnung von 650 K gehalten werden
kann. Schließlich enthält die Kammer als Drittes eine Kondensationsfläche und Mittel,
diese dritte Kondensationsfläche auf einer Temperatur zwischen 4 und 650 K zu halten.
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Die erste Kondensationsfläche wird vorzugsweise durch Zuführen von
flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoff unter Atmosphärendruck auf einer Temperatur
zwischen
77 und 820 K gehalten, die verflüchtigten Gase werden dabei vorzugsweise über die
Außenseite der Kammer mittels einer Umwälzpumpe und eines Verteilungssystems gesprüht.
Durch Verdampfung der flüssigen Luft oder des flüssigen Stickstoffs unter Atmosphärendruck
wird diese Wand auf etwa 77 bis 820 K gehalten.
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Der Bequemlichkeit halber soll zuerst angenommen werden, daß die
Einrichtung mit flüssigem Stickstoff betrieben wird. Die Verdampfung von flüssigem
Stickstoff bei Atmosphärendruck hält die Wand also auf etwa 770 K. Die zweite Kühlfläche
wird auf 650 K gehalten, indem sie in Berührung mit flüssigem Stickstoff gebracht
wird, der unter einem Druck von etwa 200 Torr steht, dieser Druck entspricht einer
Siedetemperatur von etwa 650 K. Die dritte Kondensationsfläche wird vorzugsweise
auf einer niedrigen Temperatur zwischen 4 und 650 K durch ein Kühlsystem gehalten,
das mit gasförmigem Helium arbeitet. Das Heliumkühlsystem enthält vorzugsweise einen
Kompressor, einen Gegenstromwärmeaustauscher, einen Wärmeaustauscher für kalten
Stickstoffdampf und eine Expansionskammer. Im Heliumsystem herrscht vorzugsweise
überall eine Temperatur oberhalb der Verflüssigungstemperatur (40 K) des Heliums,
so daß es nicht notwendig ist, mit flüssigem Helium zu manipulieren.
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Das mit Luft oder Stickstoff arbeitende System ist vorzugsweise so
angeordnet, daß während der anfänglichen Abkühlung der Kammer von Zimmertemperatur
bei etwa 300 auf 770 K die gesamte Kühlleistung der Entspannung zur Entfernung des
Hauptteiles der wahrnehmbaren Wärme im System durch einen mit gasförmigem Stickstoff
arbeitenden Umlauf aufgebracht wird. Das Stickstoffsystem ist dementsprechend so
ausgebildet, daß in einem geschlossenen Kompressions-Expansions-Zyklus die Temperatur
des gasförmigen Stickstoffes im Umlauf allmählich soweit verringert wird, bis sie
die relativ niedrige Verflüssigungstemperatur des Stickstoffes erreicht. Anschließend
kann die durch die Expansion erzeugte überschüssige Kühlleistung vor dem Abschießen
der Prüfrakete zur Verflüssigung von Luft und zur Fraktionierung von Stickstoff
verwendet werden, und der flüssige Stickstoff kann in einem Isolierbehälter gespeichert
werden. Wenn während des Abschießens der zu prüfenden Rakete die erzeugte Hitze
die Kapazität des Expanders um ein Mehrfaches übersteigt, kann die angesammelte
Reserve an flüssigem Stickstoff Duschen oder Sprüheinrichtungen zur Unterstützung
des Expanders zugeführt werden.
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Die Prüfeinrichtung besteht aus einer langgestreckten Kammer 10 aus
rostfreiem Stahl, die einen langgestreckten Hohlraum 12 einschließt. Am einen Ende
der Kammer ist ein Isolierstopfen 14 vorgesehen, der eine wirksame Wärmedämmung
zwischen der Prüfkammertemperatur und der Zimmertemperatur gewährleistet und zur
Halterung eines Raketentriebwerks dient, das schematisch bei 16 eingezeichnet ist.
Das Ende der KammerlO vor dem Stopfenl4 befindet sich auf Zimmertemperatur und ist
mittels einer mit Gummi abgedichteten Tür 18 vakuumdicht verschlossen. Ein Ventil
22 und eine Einführungsschleuse 20 sind vorgesehen, so daß nach der Evakuierung
des Raumes 12 nacheinander eine Reihe von zu prüfenden Raketen in die Kammer eingebracht
werden können, ohne das Vakuum in der Prüfkammer aufheben zu müssen. Längs der Kammer
sind
eine Reihe von Vakuumpumpen 24 angeordnet, um die Kammer 12 auf den erforderlichen
niedrigen Druck zu evakuieren. Vorzugsweise bestehen diese Pumpen aus einer Kombination
von Dampfstrahlpumpen und Diffusionspumpen, so daß praktisch die gesamte Luft aus
dem Inneren der Kammer 10 ebenso entfernt werden kann, wie die nicht kondensierbaren
Reste der Verbrennungsprodukte in der Nähe des ersten Auftreffens dieser nicht kondensierbaren
Gase auf die Wand der Kammer 10. Während nur zwei solche Pumpen dargestellt sind,
können bis zu hundert 40-cm-Hochvakuum-Diffusionspumpen entlang der Länge und um
den Umfang einer Prüfkammer verteilt sein, die beispielsweise einen Durchmesser
von 3,65 m und eine Länge von zirka 30 m besitzt.
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Außerhalb der Kammer befindet sich ein doppelwandiger, isolierter
Tank, der im ganzen mit 23 bezeichnet ist. Dieser isolierte Tank 23 hat eine Innenwand
26, die von einer Isolierschicht 30 und einer Außenwand 28 umgeben ist. Der Raum
zwischen den Wänden 26 und 28 ist vorzugsweise evakuiert, um die Wirksamkeit der
Isolation zu verbessern.
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Von der Kammer 10 zur Wand 26 des Isoliermantels 23 erstreckt sich
eine Zwischenwand 32, die den Raum zwischen der Wand 26 und der Kammer 10 in zwei
getrennte Räume 25 und 27 trennt, die auf zwei verschiedenen Drücken gehalten werden
können.
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Oben in den Räumen 25 und 27 sind Rieseleinrichtungen34 und 35 vorgesehen,
die durch die Rohre 36 und 38 mit flüssigem Stickstoff gespeist werden.
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Der flüssige Stickstoff in den Rieseleinrichtungen läuft über und
bedeckt die Außenfläche der Prüfkammer 10 mit einer Flüssigkeitsschicht. Der flüssige
Stickstoff ! verdampft aus der Schicht in die Räume 25 und 27 und gewährleistet
eine ausgezeichnete Wärmeübertragung und hält damit die Innenseite der Wand der
Testkammer 10 auf der erforderlichen niedrigen Temperatur entsprechend dem Dampfdruck
des Stickstoffs in den Räumen 25 bzw. 27. Der flüssige Stickstoff wird aus einem
Vorratsbehälter 42 mittels einer Umlaufpumpe 46 durch das Rohr 40 gefördert.
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Überschüssiger Stickstoff, der um die Seiten der PrüfkammerlO strömt,
wird über die Abflußrohre 48 und 50 wieder dem Vorratstank 42 zugeführt.
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Frischer flüssiger Stickstoff wird dem System über die Rohre 52 und
92 zugeführt.
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Stickstoffdämpfe von etwa - 1600 C (770 K) entweichen aus dem Raum
25 beim vorderen Ende der Kammer 10 durch ein Rohr 60 und einen Kühler 84 für komprimiertes
Helium zur Atmosphäre. Die Wärmekapazität der kalten, abströmenden Gase kann in
Wärmeaustauschern nutzbar gemacht werden, wenn dies wirtschaftlich sinnvoll ist.
Die Stickstoffdämpfe aus dem Raum 27 entweichen in der Nähe des hinteren Endes der
Kammer 10 durch eine Leitung 62, die vorzugsweise an eine Vakuumpumpe 64 angeschlossen
ist, um einen Druck in der Größenordnung von 100 bis 200 Torr im Raum 27 aufrechtzuerhalten,
was Kochpunkten des Stickstoffs von 63 bis 680 K entspricht.
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Obwohl flüssiger Stickstoff oder flüssige Luft zum Abkühlen der Testkammer
10 von etwa 300 auf 770 K verwendet werden können, ist es weit günstiger, zur Entfernung
der Eigenwärme, ein mit gasförmigem Stickstoff arbeitendes Umlaufsystem zu verwenden.
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Dieses System besteht vorzugsweise aus einer Stickstoffleitung 66,
durch die während der anfänglichen
Abkühlung des Systems die beiden
Kammern 25 und 27 entlüftet werden können. Während dieser anfänglichen Abkühlung
befinden sich diese beiden Kammern 25 und 27 vorzugsweise auf Atmosphärendruck.
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Die Stickstoffdämpfe in der Leitung 66 strömen durch einen Gegenstromwärmeaustauscher
70 in einen Kompressor 72, dann über einen Kühler74 zurück zum Wärmeaustauscher
70. Anschließend schickt man die die komprimierten, gekühlten Stickstoffdämpfe durch
einen Expander 76, wo die Wärme als mechanische Energie abgeführt wird und die Temperatur
der Dämpfe um 300 C oder mehr absinkt. Vom Expander 76 gelangen die abgekühlten
Gase zur Kühlung der Kammer 10 und des Isoliermantels 23 über ein Rohr 78 zurück
zu denRäumen 25 und 27. Übliche Mittel, wie umgekehrte Gegenstromwärmeaustauscher
oder absorbierende Filter sind vorgesehen, um eine Verstopfung der Gegenstromwärmeaustauscher
durch Eis oder Trockeneis zu verhindern, wie beispielsweise aus der USA.-Patentschrift
2 584 381 (Dodge u. a.) bekannt ist.
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Das Heliumsystem besteht aus einem Kompressor 80 zur Komprimierung
von gasförmigem Helium und aus einemWärmeaustauscher84, wo das komprimierte Helium
in Wechselwirkung mit kalten (770 K) Stickstoffdämpfen, die durch das Rohr 60 strömen,
treten, nachdem sie einen Gegenstromwärmeaustauscher 91 durchsetzt haben, werden
die abgekühlten Heliumdämpfe durch einen Expander 86 geführt, wo erneut Wärme als
mechanische Energie abgeführt wird. Die weiter abgekühlten Heliumdämpfe durchlaufen
dann eine Kühlschlange, die schematisch mit 88 angedeutet ist und die sich in der
Prüfkammer an dem Raketentriebwerk 16 entgegengesetzten Ende befindet. Das kalte
Helium hält die Kühlschlange auf eine Temperatur zwischen 4 und 650 K. Da die Kühlschlange
88 vollständig von kalten 65 bis 770 K) Wänden umgeben ist, kann sie nur sehr wenig
Wärme durch Strahlung aufnehmen. Dementsprechend treten an der Kühlschlange 88 praktisch
keine Verluste durch Wärmestrahlung auf. Gewünschtenfalls kann als Kühlmittel für
die Heliumdämpfe auch flüssiger Stickstoff oder Stickstoffdämpfe mit einer Temperatur
von 650 K verwendet werden. Zusätzlich zu der beschriebenen Pumpanordnung wird vorzugsweise
zusätzlich noch ein Absorbens 96 vorgesehen, vorzugsweise Aktivkohle oder Silikagel,
das in einer verhältnismäßig dünnen Schicht am Umfang des Behälters verteilt ist
und eine große freie Fläche zur Absorption nicht kondensierbarer Gase, wie z. B.
Wasserstoff und Stickstoff, aufweist. Das Absorbens 96 wird durch die niedrige Temperatur
der Kammer 10 im Anschluß an den Raum 27 auf eine Temperatur von etwa 650 K gekühlt.
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Beim Betrieb der dargestellten Einrichtung wird in das Innere der
Prüfkammer 10 über ein Rohr 90 Dampf eingeleitet, der Dampf dient zur Verdrängung
der Luft aus dem Kammerinneren und zur Erhitzung der Kammerwände, um eine Verdampfung
von Feuchtigkeit und anderen kondensierten Dämpfen zu erleichtern. Während der Einführung
des Dampfes wird durch die Vakuumanlage kontinuierlich oder intermittierend eine
Mischung von Dampf und Luft abgesaugt. Wenn die Innenfläche der Wände der Kammer
10 auf die erforderliche Temperatur (z. B.
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900 C) erwärmt ist und die Hauptmenge der Luft aus dem Inneren der
Kammer verdrängt ist, wird die Einleitung von Dampf unterbrochen, und die Kammer
wird
mittels der Pumpen 24 evakuiert. Während der Evakuierung kann Heißluft oder Dampf
in die Räume 25 und 27 eingeleitet werden, um die Kammer 10 zur Entgasung der Wände
und zur Entfernung von Feuchtigkeit und anderen flüchtigen Bestandteilen auf einer
verhältnismäßig hohen Temperatur zu halten. Durch diese hohe Temperatur wird auch
das Absorbens 96 gereinigt und für eine Absorption der nicht kondensierbaren Gase
aktiviert.
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Wenn der Druck durch die Vakuumpumpe auf etwa 0,1 Torr abgesenkt
ist, wird das Kühlsystem in Gang gesetzt. Die Stickstoffatmosphäre in den Räumen
25 und 27 wird durch die Leitung 66, den Wärmeaustauscher 70, den Kompressor 72
und den Expander 76 zurück in die Räume 25 und 27 geführt.
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Da durch diesen Stickstoflumlauf große Wärmemengen von den Räumen
25 und 27 abgeführt werden, werden dadurch die Wand 10 der Prüfkammer, die Innenwand
26 und die Isolation30 des Isoliermantels 23 gekühlt. Auf diese Weise kann die Temperatur
der Wände 10 und 26 auf etwa 800 K verringert werden. Nun kann der Stickstoffumlauf
unterbrochen werden und Stickstoff durch die Rohre 36 und 38 den Berieselungseinrichtungen
34 und 35 zugeführt werden, so daß flüssiger Stickstoff über die Außenwand der Prüfkammer
10 gesprüht wird. In kurzer Zeit ist die gesamte Eigenwärme oberhalb 770 K in der
Prüfkammer 10 anschließend an den Raum 25 entfernt. Anschließend an den Raum 27
wird die ganze Eigenwärme der Kammer 10 oberhalb 650 K entfernt, da der Druck im
Raum 27 auf etwa 100 bis 200 Torr gehalten wird, was einer Temperatur von 250 K
entspricht. Das Absorbens 96 wird durch Wärmeaustausch mit der Wand der Kammer 10
ebenfalls auf etwa 650 K gekühlt. Nun wird das Heliumkühlsystem in Betrieb gesetzt,
um die Temperatur der Kühlschlange 88 auf eine Temperatur wesentlich unterhalb von
650 K, jedoch oberhalb von 40 K abzusenken. Ein geeignetes Raketentriebwerk wird
in die Einführungsschleuse 30 gebracht, worauf diese evakuiert wird. Nun wird die
Rakete in den Halter 14 eingeführt und gezündet. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte
strömen durch den Raum 12 und kondensieren an den Innenwänden der Kammer 10. Ein
Teil der Verbrennungsprodukte wird in der Nähe des Raketentriebwerks kondensieren,
wo die Wandtemperatur etwa 770 K beträgt. Der größte Teil der übrigen Reaktionsprodukte
kondensiert am entfernten Ende der Kammer, das auf 650 K gehalten wird, während
Kohlenmonoxyd und Stickstoff an der Oberfläche der Kühlschlange 88 kondensieren,
die auf einer Temperatur zwischen 4 und 650 K gehalten wird. In den Reaktionsprodukten
enthaltener Wasserstoff und Helium werden durch eine Vielzahl von längs der Kammer
verteilten Pumpstutzen von Vakuumpumpen 24 abgesaugt, die an geeignete Vorvakuumpumpen
angeschlossen sind.
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Ein Teil des Wasserstoffs, Heliums und Stickstoffs wird auch durch
das sehr kalte Absorbens 96 absorbiert, so daß die Belastung der Pumpen 24 verringert
wird.
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Das mit gasförmigem Stickstoff arbeitende Umlaufsystem kann als Teil
der Einrichtung zur Herstellung von flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoff während
der Zeiten dienen, wo es nicht zur Kühlung der Kammer 10 benötigt wird. In diesem
Falle kann das vom Expander 76 kommende kalte Gas durch eine Leitung 95 zum Wärmeaustauscher
94 geleitet
werden, wo es das Innere des Wärmeaustauschers auf die
Temperatur der flüssigen Luft oder des flüssigen Stickstoffes abkühlt. Es strömt
dann durch den Gegenstromwärmeaustauscher 70, den Kompressor 72, den Nachkühler
74 erneut durch den Wärmeaustauscher 70 und ein Teil der unter hohem Druck stehenden
Gase werden dann zu dem Wärmeaustauscher 94 geleitet, wo flüssige Luft oder flüssiger
Stickstoff kondensieren. Der Rest des Gases strömt zum weiteren Wärmeentzug durch
den Expander 76. Wird das System am Auslaß des Expanders 76 bei Atmosphärendruck
betrieben, so entsteht im Wärmeaustauscher 94 flüssige Luft. Wenn es bei einem verminderten
Druck betrieben wird, kann im Kondensator 94 flüssiger Stickstoff kondensiert werden.
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Die Einrichtung kann vielfach abgewandelt werden, ohne den Rahmen
der Erfindung zu überschreiten.
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So können z. B. an Stelle der Berieselungs- oder Überlaufeinrichtungen
34 und 35 Duschen verwendet werden. In gleicher Weise können die Kühlkreisläufe
abgeändert werden, indem sowohl Hochdruck- als auch Niederdrucksysteme Anwendung
finden.