DE1237383B - Generator fuer heisse Gase, insbesondere Raketentriebwerk, mit einem festen und einem fluessigen Propergol mit hypergolen Eigenschaften - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F 02 k

Deutsche Kl.: 46 g-1/01

Nummer: 1237 383

Aktenzeichen: O 11337 I a/46 g

Anmeldetag: 2. August 1962

Auslegetag: 23. März 1967

Die Erfindung betrifft ganz allgemein Generatoren hybrider Bauart zur Erzeugung heißer Gase, insbesondere Raketentriebwerke, welche mit Propergolen arbeiten, welche durch wenigstens ein (nachstehend »Lithergol« genanntes) in einer Reaktionskammer untergebrachtes festes Ergol und wenigstens ein in flüssiger Phase eingelagertes Ergol, welches allmählich der Kammer zugeführt wird und hypergole Eigenschaften für das feste Ergol hat, gebildet werden.

Die Erfindung bezweckt insbesondere, derartige Anordnungen so auszubilden, daß sie besser als bisher den verschiedenen Erfordernissen der Praxis entsprechen und daß insbesondere die Reaktion des in ihnen benutzten hypergolen Propergols intensiver und schneller verläuft (d. h. mehr Energie je von dem flüssigen Ergol bestrichene Flächeneinheit des Lithergols in der Zeiteinheit freisetzt), wobei gleichzeitig ein stabiler Zustand aufrechterhalten bleibt, was bisher auf ernsthafte Schwierigkeiten stieß.

Es ist bereits ein Raketentriebwerk bekannt, in dessen zylkiderförmigem Gehäuse Füllungen aus verschiedenen Lithergolen hintereinander angeordnet sind. Eine solche Anordnung erfüllt jedoch nicht die obengenannten technischen Anforderungen.

Die Erfindung betrifft deshalb einen Generator für heiße Gase, insbesondere ein Raketentriebwerk, mit einer Reaktionskammer, in die am strömungsaufwärts liegenden Ende in flüssigem Zustand gelagertes Ergol zugeführt wird und in der ein festes Ergol als Lithergol, das sich gegenüber dem flüssigen Ergol hypergolisch verhält, so angeordnet ist, daß ein Durchlaß zum Ausströmen der an der Reaktion teilgenommenen Produkte bestehenbleibt, und zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens der in der Nähe der Zone, in die flüssiges Ergol eingespritzt wird, angeordnete Lithergolteil wenigstens einen flüchtigen Stoff enthält, welcher für das flüssige Ergol hypergol ist.

Vorzugsweise ist der Generator so ausgebildet, daß zwischen den beiden hintereinander angeordneten Lithergolen ein blendenartiges Hindernis im Durchlaß vorgesehen ist.

Zweckmäßigerweise wird das blendenartige Hindernis als Lochblende ausgebildet.

Für die in den vorausgehenden zwei Absätzen erläuterten Gegenstände der Ansprüche 2 und 3 wird Schutz nur in Verbindung mit dem Gegenstand des Hauptanspruches begehrt.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

F i g. 1 ist ein schematischer Axialschnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen hybriden Generator für heiße Gase, insbesondere Raketentriebwerk, mit einem festen und einem flüssigen Propergol mit hypergolen Eigenschaften

Anmelder:

Office National d'Etudes et de Recherches Aerospatiales (O. N. E. R. A.), Chätillon-sous-Bagneux, Seine (Frankreich)

Vertreter:

Dr. F. Zumstein, Dr. E. Assmann, Dr. R. Koenigsberger und

Dipl.-Phys. R. Holzbauer, Patentanwälte, München 2, Bräuhausstr. 4

Als Erfinder benannt:

Andre Moutet,

Helene Moutet, Villaine par Massy (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 30. August 1961 (602), vom 12. Juli 1962 (903 830)

hypergolen Raketentriebwerks mit in flüssiger Phase eingelagertem Ergol und Lithergol;

F i g. 2 zeigt ebenfalls im Axialschnitt den hinteren Abschnitt des Raketentriebwerks.

Bei dem beschriebenen Beispiel handelt es sich um ein hybrides Raketentriebwerk z. B. für Flugkörper, welches mit einem hypergolen Propergol betrieben werden soll, welches durch wenigstens ein Lithergol und wenigstens ein in flüssiger Phase eingelagertes Ergol gebildet wird, wobei nachstehend angenommen ist, daß das Lithergol und das flüssige Ergol einen Brennstoff bzw. einen Sauerstoffträger bilden, welche füreinander hypergole Eigenschaften haben.

Das Triebwerk enthält in an sich bekannter Weise eine Brennkammer 1, welche z. B. im wesentlichen zylindrisch ist und strömungsabwärts durch eine Düse 2 verlängert wird.

Ferner sind wenigstens zwei verschiedene Lithergole vorgesehen (welche nachstehend ganz allgemein mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet sind, wobei verschiedene Indizes verwandt sind, wenn die Ver-

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schiedenheit der Zusammensetzung angesprochen zusatz) und das PTC 9505 mit 95 % Paratoluidin

wird), welche so ausgebildet und in der Brennkam- und 5% Paste X.

mer 1 angeordnet sind, daß längs der ganzen Kam- Wird in dieser Zone I ein Lithergol 3 a mit hohem mer ein freier Durchlaß 4 bestehenbleibt, wofür die Gehalt an einem hypergolen Brennstoff und/oder Lithergole 3 zweckmäßig, wie nachstehend angenom- 5 sehr kurzer Verbrennungszeit angeordnet, so kann in men, die Form einer Muffe haben können, welche an einer stromabwärts sich an diese Zone I anschlieder Innenwand der Brennkammer 1 anliegt (wobei Sende Zone II ein anderes Lithergol vorgesehen werdiese Muffe bis an die Wand des konvergierenden den, welches keine so weitgehenden hypergolen Teils der Düse 2 reichen kann, wie bei der Ausfüh- Eigenschaften für den Sauerstoffträger zu haben rung der Fig. 2 dargestellt), so daß dann der freie io braucht, aber dafür infolge der in dieser Zone II Durchlaß 4 die Form eines zentralen Kanals hat, herrschenden hohen Temperaturen aktiv für die Zerweicher praktisch von dem strömungsaufwärts lie- Setzungsprodukte dieses Sauerstoffträgers sein muß, genden Ende bis an das strömungsabwärts liegende wobei die Verbrennung in dieser Zone II im we-Ende der Brennkammer reicht. Dieser Kanal kann sentlichen in gasförmiger Phase erfolgt.
z. B. zylindrisch oder auch auf eine gewisse Länge 15 Ein für die Zone II geeignetes Lithergol ist z. B. divergierend oder konvergierend oder auch zum Teil das Lithergol PTC 8515 mit 85'% Paratoluidin und divergierend und zum Teil konvergierend sein. 15% Paste X oder auch das Lithergol PTC 7030 mit

An dem strömungsaufwärts liegenden Ende des 70 °/o Paratoluidin und 30% Paste X.

zentralen Kanals 4 ist eine Vorrichtung 5 vorgesehen, Wird schließlich der zentrale Kanal in drei Zonen

welche z. B. durch eine vorzugsweise regelbare Ein- 20 unterteilt, so kann in einer am weitesten stromab-

spritzung wenigstens einen Teil des in dem Flugkör- wärts liegenden Zone III ein Lithergol 3 c mit einer

per in flüssiger Form eingelagerten Ergols liefert, kleineren Abtragungsgeschwindigkeit angeordnet

welches hypergole Eigenschaften wenigstens für den werden, welches bis zu dem konvergierenden Ein-

Lithergolabschnitt3α hat, welcher in der Zone der gangsteil der Düse2 reichen kann. Dies kann z.B.

Brennkammer 1 Hegt, in welche die Einspritzung des 25 ein Lithergol aus Polyvinylchlorid mit geringem

flüssigen Ergols erfolgt. Aminzusatz oder aus wärmehärtenden Polyestern

Hierzu ist zu bemerken, daß es bei einem auf die sein.

obige Weise ausgebildeten Raketentriebwerk schwie- Nachstehend ist eine Kombination angegeben, rig ist, die Intensität und Geschwindigkeit der Ver- welche sowohl hinsichtlich des Wirkungsgrades als brennung zu vergrößern und dabei gleichzeitig einen 30 auch der Stabilität der Verbrennung günstige Ergebguten Verbrennungswirkungsgrad und/oder einen nisse geliefert hat, wobei d'er verwendete Sauerstoffstabilen Zustand aufrechtzuerhalten, wobei die auf- träger durch Salpetersäure (HNO₃) gebildet wurde, tretenden Unstabilitäten ganz verschiedener Art sein deren Zersetzungsprodukte im wesentlichen O₂, NO können (periodisch, aperiodisch, intermittierend und NO₂ sind.
usw.). 35 In der Zone I wurde das Lithergol TAF 5050

Die Erfindung bezweckt nun, diesen Nachteilen (50 % Triäthylaluminium und 50% Polystyrol) ver dadurch abzuhelfen oder sie wenigstens in großem wendet, welches sehr aktiv für den Sauerstoffträger Maß abzuschwächen, daß Einrichtungen vorgesehen in flüssiger Phase ist, wobei diese Zone I dann vorwerden, welche den Verbrennungsprozeß zwischen zugsweise über eine zwischen einem Viertel und einem dem in Form von feinen Flüssigkeitströpfchen durch 40 Drittel der Gesamtlänge L der Gesamtheit der Lidie Einspritzdüse 5 an dem strömungsaufwärts lie- thergole liegende Länge reicht,
genden Ende des zentralen Kanals 4 zugeführten In der Zone II wurde das Lithergol PTC 8515 Sauerstoffträger und dem diesen zentralen Kanal ein- oder PTC 7030 benutzt, welches in gasförmiger fassenden Lithergol 3 in der Strömungsrichtung dif- Phase besonders wirksam ist, wobei dann diese Zone ferenzieren, wobei diese Einrichtungen so ausgebil- 45 vorzugsweise über eine zwischen vier Fünftel und fünf det sind, daß sie die Verbrennung unter Berücksichti- Sechstel des restlichen Teils des Lithergols liegenden gung insbesondere des Verlaufs der qualitativen Länge reicht.

Zusammensetzung und der Temperatur der in dem In, der Zone III wurde ein Lithergol mit kleiner zentralen Kanal 4 strömenden Strömung und der Abtragungsgeschwindigkeit benutzt, wie z. B. Polyphysikalischen und chemischen Veränderungen (ins- 5° vinylchlorid mit Aminzusatz.

besondere Pyrolyse, Verdampfung und Verbren- Zweckmäßigerweise kann die Verbrennungsreak-

nung) des Lithergols durch diese Strömung intensiver tion noch dadurch intensiver gemacht werden, daß

machen. in die Strömung wenigstens ein materielles Hindernis

Gemäß der Erfindung wird nunmehr zur Erzielung eingeführt wird, welches einen Wirbelzustand der

einer stabilen Verbrennung und zur Verstärkung 55 Strömung bei ihrer Berührung mit den Wänden aus

derselben wenigstens in einer stromaufwärts liegen- Lithergol erzeugt und hierdurch die Berührung zwi-

defl, Zone Ϊ, in die der in flüssigem Zustand aufbe- sehen den Sauerstoffträger bildenden Stoffen und den

wahrte Sauerstoffträger eingespritzt wird, ein Lither- brennbaren Stoffen, welche miteinander reagieren

gol 3 a angeordnet, welches einen möglichst hohen können, begünstigt, wobei diese Hindernisse zweck-

Gehalt an einem verhältnismäßigen flüchtigen hyper- 60 mäßig durch eine oder mehrere Blenden gebildet

golen Brennstoff hat, so daß unter der thermischen werden können, z. B. zwei hintereinanderliegende

Wirkung eine Verbrennung, bei welcher der Sauer- Blenden 6 α und 6 b, wie es in der Zeichnung darge-

stoffträger in flüssiger Phase wirksam wird, eine grö- stellt ist, welche eine örtliche, ziemlich starke Ein-

ßere Menge des hypergolen Brennstoffanteils des schnürung des in dem zentralen Kanal 4 strömenden

betreffenden Lithergols 3 α verflüchtigt. 65 Stromfadens erzeugen.

Dieser Bedingung entsprechen folgende Lithergole: Vorzugsweise werden hierbei die Blenden an den Das PTC 9010 mit 90% Paratoluidin und 10% Grenzen zwischen zwei Lithergolen mit verschiede-PasteX (Polyvinylchlorid mit einem Weichmacher- ner Zusammensetzung angebracht.

Die Arbeitsweise einer derartigen Blende kann etwa folgendermaßen erklärt werden:

Die Verbrennungsphase in der vor der ersten Blende 6 a liegenden Zone I ist für die gesamte Verbrennung bestimmend. Sie soll wesentlich in flüssiger Phase erfolgen. Der von der Düse 5 gelieferte Sauerstoffträger kommt zum großen Teil mit dem Lithergol 3 a im Berührung. Die in dieser Zone auftretende Verbrennung führt zu einem Gemisch von Verbrennungsprodukten, von verdampftem (oder auch zersetztem) Sauerstoff träger und von ebenfalls verdampftem (oder auch zersetztem) Brennstoff infolge der vorhandenen Temperatur. In dieser Zone finden sich ebenfalls noch flüssige Sauerstoffträgertröpfchen, welche sich hauptsächlich in der Gegend der Achse bewegen. Die von der ersten Blende 6 a erzeugte örtliche Einschnürung begünstigt die Berührung zwischen den gasförmigen oder flüssigen Sauerstoffträgern und Brennstoffen. An dem Durchgang durch die-strömungsaufwärts liegende Blende 6 a wkd also die Verbrennung intensiver, die Temperatur steigt stark an, und es tritt eine örtliche Drucksteigerung auf. Infolge dieser Entwicklung platzt der gasförmige Stromfaden kurz hinter der Blende 6 α auseinander, und die heißen, in einer Wirbelbewegung begriffenen und sehr stark oxydierenden Gase kommen mit dem Lithergol in Berührung, welches sich in der hinter der Blende 6 a liegenden Zone II befindet. Dieses Lithergol ist auf der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 3 b bezeichnet. Dieses Lithergol 3 b wird hauptsächlich vergast, und der Verbrennungsprozeß wird stetig längs der Achse intensiver, die Gastemperatur steigt, und die Geschwindigkeit des Verbrauchs des Lithergols 3 b (wobei dieser Verbrauch durch oxydierende Abtragung erfolgt) nimmt zu.

Der Reaktionsprozeß umfaßt somit eine Verbrennung in hauptsächlich flüssiger Phase in der Zone I, eine Verstärkung der Verbrennung durch Wirbelbewegung mit Vergrößerung der Wahrscheinlichkeit des Zusammentreffens von Molekülen von Sauerstoffträgern und Brennstoffen beim Durchgang durch die Einschnürung der Blende 6a und schließlich ein Auseinanderplatzen des Gasstrahls am Austritt aus der Blende 6 a mit einer Wirbelverbrennung in vollständig gasförmiger Phase.

An Hand dieses Prozesses könnte angenommenwerden, daß eine einzige, etwa am Ende der Zone I, in welcher die Verbrennung hauptsächlich in flüssiger Phase erfolgt, angeordnete Blende zur Erzielung der gewünschten Verbesserung ausreicht.

Wenn jedoch die Verbrennung nicht vor der Düse 2 zu Ende geführt werden kann, d. h., wenn nicht der ganze Sauerstoffträger vor dieser Düse benutzt wird, kann eine zweite Blende 6b, welche eine

ίο zwischen der Zone II und der Düse 2 liegende Zone III erzeugt, und gegebenenfalls eine letzte (nicht dargestellte) Blende am Ausgang dieser Zone III unmittelbar vor dem konvergierenden Teil der Düse vorgesehen werden oder vor einer vor der Düse2 angeordneten Mischkammer, wenn die Verbrennung am Austritt aus dieser letzteren Blende nicht vollständig beendet ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Generator für heiße Gase, insbesondere Raketentriebwerk, mit einer Reaktionskammer, in die am strömungsaufwärts liegenden Ende im flüssigen Zustand eingelagertes Ergol zugeführt wird und in der festes Ergol als in wenigstens zwei hintereinanderliegende, in ihrer chemischen Zusammensetzung voneinander verschiedene Lithergole unterteilt so angeordnet ist, daß ein Durchlaß für den Abzug der an der Reaktion teilnehmenden Substanzen frei bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der in der Nähe der Zone, in die flüssiges Ergol eingespritzt wird, angeordnete Lithergolteil (3 a) wenigstens einen flüchtigen Stoff enthält, welcher für das flüssige Ergol hypergol ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden hintereinander angeordneten Lithergolen ein blendenartiges Hindernis im Durchlaß vorgesehen ist.

3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das blendenartige Hindernis als Lochblende ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 570 210.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 520/105 3. 67 © Bundesdruckerei Berlin