DE1237843B

DE1237843B - Generator fuer heisse Gase, insbesondere Raketentriebwerk, mit einem festen und einem fluessigen Propergol mit hypergolen Eigenschaften

Info

Publication number: DE1237843B
Application number: DEO11338A
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: CH463879A; US3315472A; DE1237842B; DE1237383B; FR82456E; FR1311203A; DE1237841B; GB1010453A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 46 g-1/01

Nummer: 1 237 843

Aktenzeichen: O 113381 a/46 g

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 Raketentriebwerk 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 wenigstens der in der Umgebung der Zone, in die das flüssige Ergol eingespritzt wird, angeordnete Lithergolteil eine möglichst kurze Verbrennungszeit besitzt.

Vorzugsweise ist der Generator so ausgebildet, daß der in der Umgebung der Zone, in die das flüssige Ergol eingespritzt wird, angeordnete Lithergolteil eine möglichst kurze Entzündungsverzögerung hat.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird zwischen den beiden hintereinander angeordneten Lithergolen ein blendenartiges Hindernis im Durchlaß vorgesehen.

Dieses blendenartige Hindernis ist zweckmäßigerweise als Lochblende ausgebildet.

Für die in den vorausgehenden zwei Absätzen erläuterten Gegenstände der Ansprüche 3 und 4 wird Schutz nur in Verbindung mit dem Gegenstand des Hauptanspruches begehrt.

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)

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 bilden, welche für einander hypergole Eigenschaften haben.

Das Triebwerk enthält in an sich bekannter Weise eine Brennkammer 1, welche z. B. im wesentlichen

709 547/125

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 Verschiedenheit der Zusammensetzung angesprochen wird), welche so ausgebildet und in der Brennkammer 1 angeordnet sind, daß längs der ganzen Kammer ein freier Durchlaß 4 bestehenbleibt, wofür die Lithergole 3 zweckmäßig, wie nachstehend angenommen, die Form einer Muffe haben können, welche an der Innenwand der Brennkammer 1 anliegt (wobei diese Muffe bis an die Wand des konvergierenden Teils der Düse 2 reichen kann, wie bei der Ausführung der F i g. 2 dargestellt), so daß dann der freie Durchlaß 4 die Form eines zentralen Kanals hat, welcher praktisch von dem strömungsaufwärts liegenden Ende bis an das strömungsabwärts liegende Ende der Brennkammer reicht. Dieser Kanal kann z. B. zylindrisch oder auch auf eine gewisse Länge divergierend oder konvergierend oder auch zum Teil divergierend und zum Teil konvergierend sein.

An dem strömungsaufwärts liegenden Ende des zentralen Kanals 4 wird eine Vorrichtung 5 vorgesehen, welche z. B. durch eine vorzugsweise regelbare Einspritzung wenigstens einen Teil des in dem Flugkörper in flüssiger Phase eingelagerten Ergols liefert, welches hypergole Eigenschaften wenigstens für den Lithergolabschnitt 3 a hat, welcher in der Zone der Brennkammer 1 liegt, in welche die Einspritzung des flüssigen Ergols erfolgt.

Hierzu ist zu bemerken, daß es bei einem auf die obige Weise ausgebildeten Raketentriebwerk schwierig ist, die Intensität und Geschwindigkeit der Verbrennung zu vergrößern und dabei gleichzeitig einen guten Verbrennungswirkungsgrad und/oder einen stabilen Zustand aufrechtzuerhalten, wobei die auftretenden Unstabilitäten ganz verschiedener Art sein können (periodisch, aperiodisch, intermittierend usw.).

Die Erfindung bezweckt nun, diesen Nachteilen dadurch abzuhelfen oder sie wenigstens in großem Maß abzuschwächen, daß Einrichtungen vorgesehen werden, welche den Verbrennungsprozeß zwischen dem in Form von feinen Flüssigkeitströpfchen durch die Einspritzdüse 5 an dem strömungsaufwärts liegenden Ende des zentralen Kanals 4 zugeführten Sauerstoffträger und dem diesen zentralen Kanal einfassenden Lithergol 3 in der Strömungsrichtung differenzieren, wobei diese Einrichtungen so ausgebildet sind, daß sie die Verbrennung unter Berücksichtigung insbesondere des Verlaufs der qualitativen Zusammensetzung und der Temperatur der in dem zentralen Kanal 4 strömenden Strömung und der physikalischen und chemischen Veränderungen (insbesondere Pyrolyse, Verdampfung und Verbrennung) des Lithergols durch diese Strömung intensiver machen.

Gemäß der Erfindung wird nun wenigstens in der Zone I ein Lithergol 3 a mit einer möglichst kurzen Verbrennungszeit angeordnet, wie dies insbesondere bei dem TAF 5050 (50% Triäthylaluminium und 50% Polystyrol) und anderen, metallische Hydride oder Amide enthaltenden Lithergolen der Fall ist.

Wenn in dieser ersten stromaufwärts gelegenen Zone I ein Lithergol 3 α mit hohem Gehalt an einem hypergolen Brennstoff bzw. mit kurzer Entzündungsverzögerung und/oder sehr kurzer Verbrennungszeit gewählt wird, so kann in einer weiter stromabwärts angeordneten Zone II ein anderes Lithergol vorgesehen werden, welches keine so weitgehenden hypergolen Eigenschaften für den Sauerstoffträger zu haben braucht, aber dafür infolge der in dieser Zone II herrschenden hohen Temperaturen aktiv für die Zersetzungsprodukte dieses Sauerstoffträgers sein muß,

ίο wobei die Verbrennung in dieser Zone II im wesentlichen in gasförmiger Phase erfolgt.

Ein für die Zone II geeignetes Lithergol ist z. B. das Lithergol PTC 8515 mit 85% Paratoluidin und 15% Paste X (Polyvinylchlorid mit einem Weichmacherzusatz) oder auch das Lithergol PTC 7030 mit 70% Paratoluidin und 30% Paste X.

Wenn schließlich der zentrale Kanal in drei Zonen aufgeteilt wird, so kann für diese dritte, am weitesten stromabwärts gelegene Zone III ein Lithergol 3 c mit kleinerer Abtragungsgeschwindigkeit gewählt werden, welches bis zu dem konvergierenden Eingangsteil der Düse 2 reichen kann, z. B. ein Lithergol aus Polyvinylchlorid mit geringem Aminzusatz oder aus wärmehärtenden Polyestern.

Nachstehend ist eine Kombination von flüssigem Ergol und Lithergolen angegeben, welche sowohl hinsichtlich des Wirkungsgrades als auch der Stabilität der Verbrennung günstige Ergebnisse geliefert hat, wobei der verwendete Sauerstoffträger durch Salpetersäure (HNO₃) gebildet wurde, deren Zersetzungsprodukte im wesentlichen O₂, NO und NO₂ sind.

In der Zone I wurde das Lithergol TAF 5050 verwendet, welches sehr aktiv für den Sauerstoffträger in flüssiger Phase ist, wobei diese Zone I dann vorzugsweise über eine zwischen ein Viertel und ein Drittel der Gesamtlänge L der Gesamtheit der Lithergole liegende Länge reicht.

In der Zone II wurde das Lithergol PTC 8515 oder PTC 7030 benutzt, welches in gasförmiger Phase besonders wirksam ist, wobei dann diese Zone vorzugsweise über eine zwischen vier Fünftel und fünf Sechstel des restlichen Teils des Lithergols liegende Länge reicht.

In der Zone III wurde ein Lithergol mit kleiner Abtragungsgeschwindigkeit benutzt, wie z. B. Polyvinylchlorid mit Aminzusatz.

Die Verbrennungsreaktion kann zweckmäßigerweise noch dadurch intensiver gemacht werden, daß in die Strömung wenigstens ein materielles Hindernis eingeführt wird, welches einen Wirbelzustand der Strömung bei ihrer Berührung mit den Wänden aus Lithergol erzeugt und hierdurch die Berührung zwischen den Sauerstoffträger bildenden Stoffen und den brennbaren Stoffen, welche miteinander reagieren können, begünstigt. Diese Hindemisse können zweckmäßig durch eine oder mehrere Blenden gebildet werden, z. B. durch zwei hintereinanderliegende Blenden 6 a und 6 b, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, welche eine örtliche, ziemlich starke Einschnürung des in dem zentralen Kanal 4 strömenden Stromfadens erzeugen.

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 verdampften (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 a 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 in 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 6 a und schließlich ein Auseinanderplatzen des Gasstrahls am Austritt aus der Blende 6 a mit einer Wirbelverbrennung in vollständig gasförmiger Phase.

Claims

Patentansprüche:

1. Generator für heiße Gase, insbesondere Raketentriebwerk, mit einer Reaktionskammer, in die am strömungsaufwärts liegenden Ende in flüssigem Zustand eingelagertes Ergol eingespritzt

ίο wird und in der festes Ergol als in wenigstens zwei hintereinanderliegende, in ihrer chemischen Zusammensetzung voneinander verschiedene Lithergole unterteilt, die sich gegenüber dem flüssigen Ergol hypergolisch verhalten, so angeordnet ist, daß ein Durchlaß für das Ausströmen der an der Reaktion teilnehmenden Stoffe erhalten bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der in der Umgebung der Zone, in die das flüssige Ergol eingespritzt wird, angeordnete Lithergolteil (3 a) eine möglichst kurze Verbrennungszeit hat.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der in der Umgebung der Zone, in die das flüssige Ergol eingespritzt wird, angeordnete Lithergolteil (3 a) eine möglichst kurze Entzündungsverzögerung hat.

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

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

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen