-
Flüssigtreibstoffrakete Es sind Flüssigkeitsraketen bekannt, bei denen
die zum Antrieb der Förderpumpen verwendeten Turbinen durch den Treibstoff selbst
angetrieben werden. Hierzu wird ein Treibstoff von einer Pumpe über einen sogenannten
Kühleinlaß in und durch die Brennkammerwand gefördert. Beim Durchlauf durch die
doppelwandig ausgebildete Brennkammerwand kühlt der Treibstoff unter gleichzeitiger
eigener Erwärmung die Brennkammerwand. Durch die Erwärmung reichert er sich mit
Energie an, und er wird anschließend einer Turbine zugeführt, in der er sich entspannt,
abkühlt und damit die Turbine antreibt. Die Turbine ist über ein Getriebe mit der
bzw. den Treibstoffpumpen gekuppelt und treibt diese an.
-
Bei einer der ersten nach diesem Prinzip arbeitenden Flüssigkeitsraketen
wird die gesamte Menge des einen Treibstoffes durch die Brennkammerwand geführt.
Der Treibstoff muß daher vorher durch die Förderpumpe auf einen solchen Druck gebracht
werden, daß er nach dem Durchlauf durch die Brennkammerwand und nach der Entspannung
in der Turbine noch einen über dem Brennkammerdruck liegenden Druck aufweist, damit
er beim Eintritt in den Einspritzkopf den Brennkammerdruck überwindet und in diese
eintritt. Dies bedingt verhältnismäßig große Pumpen und Turbinen.
-
Bei einer weiteren nach diesem allgemeinen Prinzip arbeitenden Flüssigkeitsrakete
wird für den einen Treibstoff, den Sauerstoffträger, eine zweistufige Pumpe verwendet.
Die beiden Stufen arbeiten nicht unmittelbar, sondern unter Zwischenschaltung der
Brennkammerwand hintereinander. Der Hochdruckstufe wird damit bereits erhitzter
Treibstoff zugeführt. Der Wirkungsgrad des zweistufigen Pumpenaggregates wird dadurch
ungünstig beeinflußt, da der Wirkungsgrad einer Pumpe mit steigender Temperatur
sinkt. Diese bekannte Flüssigkeitsrakete läßt sich so umschreiben, daß sie eine
einstufige Pumpe für den einen Treibstoff und eine zweistufige Pumpe für den anderen
Treibstoff enthält, eine Turbine zum Antreiben beider Pumpen und eine von einer
Pumpe zu dem Kühleinlaß in der Brennkammerwand führende Leitung und eine von einem
Auslaß der Brennkammerwand zur Turbine führende Leitung, die den Einspritzkopf an
die Turbine anschließt.
-
Auch bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrakete wird eine zweistufige
Pumpe für den einen Treibstoff verwendet. Erfindungsgemäß gabelt sich jedoch der
Weg des Treibstoffes nach dem Austritt aus der Niederdruckpumpe und vor dem Eintritt
in die Hochdruckpumpe, was dadurch erreicht wird, daß die Hochdruckpumpe einen Teil
des von der Niederdruckpumpe geförderten Treibstoffes über eine Leitung in den Kühleinlaß
der Brennkammerwand speist, die Turbine in an sich bekannter Weise an deren Auslaß
über eine Leitung angeschlossen ist und der in der Turbine entspannte Treibstoff
über eine Leitung gemeinsam mit dem von der Niederdruckpumpe über die Leitung geförderten
Treibstoff dem Einspritzkopf zugeleitet wird.
-
Durch die Aufteilung des einen Treibstoffes in zwei Wege erzielt man
mehrere Vorteile. Es wird nämlich nur die zum Kühlen der Brennkammerwand benötigte
Menge dieses einen Treibstoffes durch die zweite Stufe der Pumpe, d. h. die Hochdruckpumpe,
auf den zum Durchlauf durch die Brennkammerwand und den sich anschließenden Durchgang
durch die Turbine erforderlichen höheren Druck hochgespannt. Der verbleibende Teil
des Brennstoffes, der unmittelbar dem Einspritzkopf zugeführt wird, wird lediglich
durch die Niederdruckpumpe . durchgeleitet. Hierdurch wird Energie gespart.
-
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß nur ein Teil der Gesamtmenge
dieses einen Treibstoffes zum Kühlen der Brennkammerwand verwendet wird. Diese daher
notwendigerweise geringere Menge wird deshalb auf eine höhere Temperatur erwärmt,
als sich beim Durchlauf der gesamten Treibstoffmenge durch die Brennkammerwand ergeben
würde.. Der Treibstoff tritt daher mit einer höheren Temperatur in die Turbine ein.
Da eine Turbine bei höheren Temperaturen die gleiche Leistung mit einem geringeren
Druckgefälle erzielt, wird der Abgabedruck der
Turbine höher, oder
umgekehrt, kann der Förderdruck der Hochdruckpumpe niedriger gewählt werden.
-
Man kann dies auch so ausdrücken, daß dieTurbine mit einem höheren
Wirkungsgrad arbeitet und bei gleicher Turbinengröße die Anlage daher so ausgebildet
werden kann, daß die Treibstoffe der Brennkammer unter höherem Druck zugeführt werden
können.
-
Die obenerwähnte, durch das Aufteilen des Treibstoffes in zwei Wege
erzielte Energieersparnis folgt daraus, daß der Leistungsbedarf der Niederdruckpumpe
und der Hochdruckpumpe unter dem Bedarf einer Pumpe liegt, in der die gesamte Treibstoffmenge
auf den zum Durchlauf durch die Brennkammerwand und die Turbine erforderlichen hohen
Druck gebracht wird.
-
Es ist praktisch mit keinem Nachteil verbunden, daß durch die Brennkammerwand
nur ein Teil des einen Treibstoffes durchgeleitet wird. Die der Brennkammerwand
entnehmbare Energie ist eine Funktion von deren Temperatur und Oberfläche und ist
im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit und der Menge des durchlaufenden
Kühlmittels. Bei Verwendung von z. B. nur der halben Menge des Treibstoffes ist
daher die Kühlung fast genauso wirksam, und der Turbine wird daher im wesentlichen
die gleiche Energiemenge zugeführt, da das geringere Volumen durch die erhöhte Temperatur
des zugeführten Treibstoffes ausgeglichen wird.
-
Die erfindungsgemäß erzielbare Energieersparnis und der erhöhte Wirkungsgrad
der Antriebsaggregate ermöglichen, entweder deren Dimensionen herabzusetzen oder
bei gleicher Größe die Rakete mit einem höheren Brennkammerdruck zu betreiben. Ein
erhöhter Brennkammerdruck gibt die Möglichkeit, bei gleichbleibender Leistung die
Abmessungen von Brennkammer und Schubdüse herabzusetzen. Ebenso ist es möglich,
einen höheren spezifischen Schub zu erzielen.
-
Die Erfindung sieht weiter ein Ventil vor, das in den beiden vor dem
Einspritzkopf zusammenlaufenden und von der Turbine und der Niederdruckpumpe kommenden
Leitungen angeordnet ist. Ein weiteres Ventil liegt im Wege des die einstufige Pumpe
durchlaufenden Treibstoffes in der diese Pumpe mit dem Einspritzkopf verbindenden
Leitung. Weiter sieht die Erfindung als Dampfsperren wirkende Krümmer vor, die in
den beiden von der Turbine und der Niederdruckpumpe kommenden Leitungen auf der
Oberstromseite des gemeinsamen Ventils angeordnet sind.
-
Die Zeichnung zeigt schematisch als Beispiel für die Erfindung eine
mögliche Ausführung.
-
Die Zeichnung zeigt eine Brennkammer 2 mit einer Schubdüse 4. Schubdüse
und Brennkammer weisen eine Wand 6 mit dem Hohlraum 8 auf, durch den der zur Kühlung
dienende Treibstoff läuft. Die Rakete weist weiter den Einspritzkopf 9 auf.
-
Als Treibstoff wird ein Sauerstoffträger (Sauerstoff) und der eigentliche
Treibstoff (Wasserstoff) verwendet. Auch andere Treibstoffe sind anwendbar. In jedem
Fall ist einer der beiden Treibstoffe kryogen, wie z. B. flüssiger Wasserstoff.
-
Der Sauerstoffträger wird aus einem Tank über eine Leitung 10 einer
Pumpe 12 und dann über eine Leitung 14 und ein Ventil 16 dem Einspritzkopf 9 zugeführt.
Die Pumpe 12 fördert den Sauerstoffträger mit einem Druck, der über dem Druck in
der Brennkammer 2 liegt, so daß der Sauerstoffträger durch Düsen im Einspritzkopf
in die Brennkammer 2 einströmt.
-
Der andere Treibstoff, im vorliegenden Fall flüssiger Wasserstoff,
wird aus einem- Tank über eine Leitung 18 der Niederdruckpumpe 0 zugeführt. Am Auslaßende
der Pumpe wird dieser Treibstoff in zwei Wege aufgeteilt. Eine Leitung
22 führt ihn unmittelbar einem Ventil 24 und von diesem dem Einspritzkopf
9 zu. Der Förderdruck der Niederdruckpumpe 20 liegt über dem Druck in der Brennkammer
2, so daß der Treibstoff mit gewünschter Geschwindigkeit in die Brennkammer 2 eintritt.
-
Der übrige Teil des Treibstoffes aus der Niederdruckpumpe
20 wird über eine Leitung 26 einer Hochdruckpumpe 27 zugeführt, die zusammen
mit der Niederdruckpumpe 20 ein mehrstufiges Aggregat bildet. Vom Auslaßende der
Hochdruckpumpe 27 fördert eine Leitung 30 den Treibstoff in den Hohlraum 8 der Wand
6. Von der Wand 6 führt eine Leitung 32 den Treibstoff mit wesentlich erhöhter Temperatur
zu der Turbine 34. Von der Turbine 34 wird der Treibstoff über eine
Leitung 36 einem Ventil 24 und von dort in den Einspritzkopf 9 geleitet. Die Drucke
in der Leitung 36 und der Leitung 22 sind im wesentlichen gleich, und es wird damit
gewährleistet, daß der Treibstoff aus diesen beiden Leitungen an dem Ventil 24 vorbei
in den Einspritzkopf 9 strömt.
-
Der Läufer der Turbine 34 ist an einer Welle 38
befestigt,
die die Pumpen 20 und 27 antreibt. Ein Zahnrad 40 auf der Welle 38 steht mit dem
Zahnrad 42 auf der Welle 44 der Pumpe 12 für den Sauerstoffträger im Eingriff, so
daß auch diese Pumpe von der Turbine 34 angetrieben wird. Das Ventil
16 für den Sauerstoffträger und das Ventil 24 für den Treibstoff werden durch
Steuerungen 46 und 48 zum Starten der Rakete betätigt.
-
Das Ventil 24 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß mit dem beweglichen
Ventilelement 50 die Leitung 22 geschlossen werden kann, während die Leitung
36
offen bleibt. Dies erleichtert das Starten der Rakete, da dann die gesamte
durch das Pumpenaggregat 20,27
unter Druck gesetzte Treibstoffmenge durch
den Hohlraum 8 in der Wand 6 und über die Turbine 34
geschleust
werden kann.
-
Beim öffnen des Ventils 24 zum Durchlaß von Treibstoff aus der Leitung
36 in den Einspritzkopf 9 strömt dieser unter dem Einfluß der Schwerkraft durch
das Triebwerk, da sich die Wasserstofftanks oben befinden. Durch die Normaltemperatur
in der Wand 6 und in den Leitungen 30 und 32 wird der Wasserstoff bereits beim Durchtritt
vor dem Anlassen des Triebwerks genügend aufgewärmt, so daß in ihm genügend Energie
zur Entspannung in und zum Antreiben der Turbine 34 vorhanden ist. Sobald die Treibstoffe,
wenn auch in kleinen Mengen, die Brennkammer 2 erreichen, werden sie gezündet, heizen
die Wand 6 auf und erhöhen die Temperatur des Wasserstoffes in der Leitung 32, bis
die Turbine 34 auf voller Leistung läuft und die Rakete bei ganz geöffnetem Ventil
24 vollen Schub entwickelt. Der Anlaßvorgang spielt sich in ganz kurzen Zeiträumen
von nur wenigen Sekunden ab.
-
Der Krümmer 52 in der Leitung 22 und der Krümmer 54 in der Leitung
36 sind Dampfsperren, die den Durchtritt von Dampf in die Treibstofftanks vermeiden,
der sich in den Leitungen 22 oder 30 auf der Unterstromseite der Krümmer 52 oder
54 bilden könnte.