DE1237842B

DE1237842B - Generator fuer heisse Gase, insbesondere Raketentriebwerk, mit einem festen und einem fluessigen Propergol mit hypergolen Eigenschaften

Info

Publication number: DE1237842B
Application number: DEO11336A
Authority: DE
Inventors: Andre Moutet; Helene Moutet
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1961-08-30
Filing date: 1962-08-02
Publication date: 1967-03-30
Also published as: FR82456E; DE1237383B; FR1311203A; DE1237841B; US3315472A; DE1237843B; CH463879A; GB1010453A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F02k

Deutsche Kl.: 46 g-1/01

Nummer: 1237 842

Aktenzeichen: O 113361 a/46 ]

Anmeldetag: 2. August 1962

Auslegetag: 30. 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 bestrichener Flächeneinheit des Lithergols in der Zeiteinheit freisetzt), wobei gleichzeitig ein stabiler Zustand aufrechterhalten bleibt, was bisher auf ernsthafte Schwierigkeiten stieß.

Es ist bereits ein Raketenmotor bekannt, in dessen zylinderförmigem 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 das Lithergol in wenigstens zwei hintereinander angeordnete, in ihrer chemischen Zusammensetzung voneinander verschiedene Lithergole unterteilt ist, wobei das strömungsaufwärts liegende Lithergol eine größere Neigung zur Reaktion mit dem flüssigen Ergol, solange dieses noch im flüssigen Zustand ist, hat als das strömungsabwärts liegende Lithergol.

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.

Außerdem kann es bei Generatoren dieser Art zweckmäßig sein, daß bei mehr als zwei verschiedenen Lithergolen hintereinander zwischen je zwei

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.),
Chatillon-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)

Lithergolen ein blendenartiges Hindernis angeordnet ist.

Für die in den vorausgehenden drei Absätzen erläuterten Gegenstände der Ansprüche 2 bis 4 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 hypergolen Raketentriebwerkes mit in flüssiger Phase eingelagertem Ergol und Lithergol;

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

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

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bilden, welche für einander hypergole Eigenschaften feste Ergol in zwei oder mehrere Zonen eingeteilt ist,

haben. in denen Lithergole mit verschiedenen chemischen

Das Triebwerk enthält in an sich bekannter Weise Zusammensetzungen angeordnet sind. Hierbei sind

eine Brennkammer 1, welche z. B. im wesentlichen die Lithergole so gewählt, daß das oder die strö-

zylindrisch is't und strömungsabwärts durch eine 5 mungsaufwärts liegenden Lithergole eine größere

Düse 2 verlängert wird. Neigung zur Reaktion mit dem flüssigen Ergol, das

Ferner sind wenigstens zwei verschiedene Lith- in den zentralen Kanal eingespritzt wird, haben, so-

ergole vorgesehen (welche nachstehend ganz ajlge- lange dieses noch im flüssigen Zustand ist, als das

mein mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet sind, wo- oder die stromabwärts liegenden Lithergole, die eine

bei verschiedene Indizes verwendet sind, wenn die io geringere Neigung zur Reaktion mit diesem flüssigen

Verschiedenheit der Zusammensetzung angesprochen Ergol besitzen.

wird), welche so ausgebildet und in der Brenn- So kann, wenn in einer ersten stromaufwärts liekammerl angeordnet sind, daß längs der ganzen genden Zone I ein Lithergol 3 a mit hohem Gehalt Kammer ein freier Durchlaß 4 bestehenbleibt, wofür an einem hypergolen Brennstoff und/oder sehr kurzer die Lithergole 3 zweckmäßig, wie nachstehend an- 15 Verbrennungszeit gewählt wird, in einer zweiten genommen, die Form einer Muffe haben können, stromabwärts liegenden Zone II ein anderes Lithwelche an der Innenwand der Brennkammer 1 an- ergol vorgesehen werden, welches keine so weitliegt (wobei diese Muffe bis an die Wand des konver- gehenden hypergolen Eigenschaften für den Sauergierenden Teils der Düse 2 reichen kann), wie bei der stoffträger zu haben braucht, aber dafür infolge der Ausführung der F i g. 2 dargestellt, so daß dann der 20 in dieser Zone II herrschenden hohen Temperaturen freie Durchlaß 4 die Form eines zentralen Kanals aktiv für die Zersetzungsprodukte dieses Sauerstoffhat, welcher praktisch von dem strömungsaufwärts trägers sein muß, wobei die Verbrennung in dieser liegenden Ende bis an das strömungsabwärts liegende Zone II im wesentlichen in gasförmiger Phase erfolgt. Ende der Brennkammer reicht. Dieser Kanal kann Ein für die Zone II geeignetes Lithergol ist z. B. z.B. zylindrisch oder auch auf eine gewisse Länge 25 das Lithergol PTC 8515 mit 85% Paratoluidin und divergierend oder konvergierend oder auch zum Teil 15% Paste X (Polyvinylchlorid mit einem Weichdivergierend und zum Teil konvergierend sein. macherzusatz) oder auch das Lithergol PTC 7030

An dem strömungsaufwärts liegenden Ende des mit 70% Paratoluidin und 30% Paste X (Polyvinylzentralen Kanals 4 ist eine Vorrichtung 5 vorgesehen, chlorid mit einem Weichmacherzusatz),
welche z. B. durch eine vorzugsweise regelbare Ein- 30 Wenn schließlich der zentrale Kanal in drei Zonen spritzung wenigstens einen Teil des in dem Flug- unterteilt wird, wobei diese Zone III am stromabkörper in flüssiger Form eingelagerten Ergols liefert, wärtigen Ende des zentralen Kanals liegt, so kann welches hypergole Eigenschaften für die Lithergole 3 für diese dritte Zone ein Lithergol 3 c mit kleinerer hat, und zwar stärkere hypergole Eigenschaften für Abtragungsgeschwindigkeit gewählt werden, wobei den Lithergolabschnitt 3 a, welcher in der Zone der 35 dieses Lithergol bis zu dem konvergierenden EinBrennkammer 1 liegt, in welche die Einspritzung des gangsteil der Düse 2 reichen kann. Zum Beispiel flüssigen Ergols erfolgt. kann für diese dritte Zone ein Lithergol aus PoIy-

Hierzu ist zu bemerken, daß es bei einem auf die vinylchlorid mit geringem Aminzusatz oder aus obige Weise ausgebildeten Raketentriebwerk schwie- wärmehärtenden Polyestern gewählt werden,
rig ist, die Intensität und Geschwindigkeit der Ver- 40 Nachstehend ist eine Kombination angegeben, brennung zu vergrößern und dabei gleichzeitig einen welche sowohl hinsichtlich des Wirkungsgrades als guten Verbrennungswirkungsgrad und/oder einen auch der Stabilität der Verbrennung günstige Ergebstabilen Zustand aufrechtzuerhalten, wobei die auf- nisse geliefert hat, wobei der verwendete Sauerstofftretenden Unstabilitäten ganz verschiedener Art sein träger durch Salpetersäure (HNO₃) gebildet wurde, können (periodisch, aperiodisch, intermittierend 45 deren Zersetzungsprodukte im wesentlichen O₂, NO usw.). und NO₂ sind.

Die Erfindung bezweckt nun, diesen Nachteilen In der Zone I wurde das Lithergol TAF 5050 dadurch abzuhelfen oder sie wenigstens in großem (50% Triäthylaluminium und 50% Polystyrol) ver-Maß abzuschwächen, daß Einrichtungen vorgesehen wendet, welches sehr aktiv für den Sauerstoffträger werden, welche den Verbrennungsprozeß zwischen 50 in flüssiger Phase ist, wobei diese Zone I dann vordem in Form von feinen Flüssigkeitströpfchen durch zugsweise über eine zwischen ein Viertel und ein die Einspritzdüse 5 an dem strömungsaufwärts lie- Drittel der Gesamtlänge L der Gesamtheit der Lithgenden Ende des zentralen Kanals 4 zugeführten ergole liegende Länge reicht.

Sauerstoffträger und dem diesen zentralen Kanal ein- In der Zone II wurde das Lithergol PTC 8515

fassenden Lithergol 3 in der Strömungsrichtung diffe- 55 (85% Paratoluidin und 15% Polyvinylchlorid mit

renzieren, wobei diese Einrichtungen so ausgebildet Weichmacherzusatz) oder PTC 7030 (70% Para-

sind, daß sie die Verbrennung unter Berücksichti- toluidin und 30% Polyvinylchlorid mit Weich-

gung insbesondere des Verlaufs der qualitativen Zu- macherzusatz) benutzt, welches in gasförmiger Phase

sammensetzung und der Temperatur der in dem zen- besonders wirksam ist, wobei dann diese Zone vor-

tralen Kanal 4 strömenden Strömung und der physi- 60 zugsweise über eine zwischen vier Fünftel und fünf

kaiischen und chemischen Veränderungen (insbeson- Sechstel des restlichen Teils des Lithergols liegende

dere Pyrolyse, Verdampfung und Verbrennung) des Länge reicht.

Lithergols durch diese Strömung intensiver machen. In der Zone III wurde ein Lithergol mit kleiner

Eine bessere Intensität und Geschwindigkeit der Abtragungsgeschwindigkeit benutzt, wie z. B. PolyVerbrennung bei einem Raketentriebwerk sowie ein 65 vinylchlorid mit Aminzusatz.

gleichzeitiger guter Verbrennungswirkungsgrad und Die Wirkung dieser Anordnung und insbesondere

ein stabiler Zustand werden nun dadurch erhalten. die Verbrennungsreaktion kann noch dadurch inten-

daß das entlang dem zentralen Kanal angeordnete siver gemacht werden, daß in die Strömung wenig-

stens ein materielles Hindernis eingeführt wird, welches einen Wirbelzustand der Strömung bei der Berührung der Wände des Lithergols erzeugt und hierdurch die Berührung zwischen den Sauerstoffträger bildenden Stoffen und den brennbaren Stoffen, welche miteinander reagieren können, begünstigt, wobei diese Hindernisse zweckmäßig durch eine oder mehrere Blenden gebildet werden können, z. B. durch zwei hintereinanderliegende Blenden 6 a und 6b, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, welche eine örtliche ziemlich starke Einschnürung des in dem zentralen Kanal 4 strömenden Stromfadens erzeugen.

Vorzugsweise werden die oder diejenigen Blenden an den Stellen angebracht, an denen zwei Zonen mit verschieden zusammengesetzten Lithergolen zusammenstoßen.

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 in Berührung. Die in dieser Zone auftretende Verbrennung führt zu einem Gemisch von Verbrennungsprodukten, von verdampftem (oder auch zersetztem) Sauerstoffträger 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 wird 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. Das 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 6 a und schließlich ein Auseinanderplatzen des Gasstrahls am Austritt aus der Blende 6 α mit einer Wirbelverbrennung in vollständig gasförmiger Phase.

An Hand dieses Prozesses könnte angenommen werden, 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.

ίο 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, können eine zweite Blende 6 b, welche eine 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 Düse 2 angeordneten Mischkammer, wenn die Verbrennung am Austritt aus dieser letzteren Blende nicht vollständig beendet ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Generator für heiße Gase, insbesondere 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, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithergol in wenigstens zwei hintereinander angeordnete, in ihrer chemischen Zusammensetzung voneinander verschiedene Lithergole (3 α) und (3 b) unterteilt ist, wobei das strömungsaufwärts liegende Lithergol (3 a) eine größere Neigung zur Reaktion mit dem flüssigen Ergol, solange dieses noch im flüssigen Zustand ist, hat als das strömungsabwärts liegende Lithergol (3 b).

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.

4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als zwei verschiedenen Lithergolen hintereinander zwischen je zwei Lithergolen ein blendenartiges Hindernis angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschrift Nr. 570 210.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen