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Druckgas-Generator, insbesondere zur Treibstofförderung für Raketen
Als Druckgas-Generator im hier zu behandelnden Sinne werden Vorrichtungen bezeichnet,
die durch chemische Umsetzung von flüssigen oder festen Stoffsystemen unter den
Betriebsbedingungen gasförmige, unter erhöhtem Druck stehende Reaktionsprodukte
liefern. Die in den Generatoren erzeugten Gase werden als Arbeitsmedien für z. B.
die Förderung flüssiger Treibstoffe in Raketenbrennkammern, ferner für die Betätigung
pneumatischer Regel- und Steuerorgane sowie zum Anlassen von Brennkraftmaschinen
verwendet. Im einfachsten Fall bestehen derartige Generatoren aus einer treibpulvergefüllten
Kartusche. Das Pulver brennt nach Entzündung durch eine Zündvorrichtung unter Entwicklung
heißer Flammengase ab. Diese einfachen Systeme weisen vorwiegend folgende zwei Nachteile
auf: 1. Die Temperaturen der beim Abbrand von Treibpulverladungen entstehenden heißen
Feuergase liegen je nach Art des Pulvers zwischen etwa 1500 und 2500° C. Diese hohen
Gastemperaturen schränken die Einsatzmöglichkeiten derartiger Systeme weitgehend
ein, da bei länger dauernder Einwirkung dieser heißen Gase auf Bauteile bzw. zu
fördernde Flüssigkeiten schädliche bzw. gefährliche Überhitzungen der beaufschlagten
Materialien auftreten können.
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2. Die Abbrandgeschwindigkeit von Treibpulverladungen ist weitgehend
abhängig vom Umgebungsdruck. Je niedriger der Druck im Generatorraum, desto niedriger
die Abbrandgeschwindigkeit. Es ist also nicht möglich, in gleichen Zeiten gleiche
Gasmengen zu liefern, wenn während der Betriebszeit des Generators eine Änderung
des Druckes im mit Gas zu füllenden Raum erfolgt. Das bedeutet relativ lange Anfahrzeiten,
ehe der Betriebsdruck erreicht wird, unter dem die Feuergase wirken sollen. Mit
zunehmendem Druck vergrößert sich die Abbrandgeschwindi.gkeit der Treibpulverladung
und liefert dementsprechend größere Gasmengen in der Zeiteinheit.
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Zur weitgehenden Eliminierung dieser Nachteile sind Verfahren bekanntgeworden,
die eine Kühlung der Feuergase abbrennender Treibpulverladungen durch in endothermer
Reaktion zerfallende Substanzen bewirken. Werden diese Substanzen in unmittelbaren
Kontakt mit den Treibpulverladungen gebracht, so lassen sich die Feuergase jedoch
nur so weit abkühlen, daß die Entflammungstemperatur der Treibpulverladung nicht
unterschritten wird, da im anderen Fall die Verbrennung aufhören würde. Die Endtemperatur
.des Gemisches von Feuergasen und Zersetzungsprodukten der Kühlmittel liegt dann
in der Größenordnung von 400 bis 450° C. Für viele Zwecke ist diese Temperatur noch
zu hoch, insbesondere dann, wenn z. B. bei diesen Temperaturen Reaktionen der Gase
mit den Stoffsystemen, .die durch sie gefördert werden sollen, eintreten können
(Nachverbrennung der nicht durchoxydierten Feuergasbestandteile, wie CO, mit zu
förderndem flüssigem Sauerstoffträger, wie HNO3) oder wenn die Baumaterialien der
mit Gas zu beaufschlagenden Geräteteile keine genügende Hitzebeständigkeit aufweisen
(Leichtmetalle, Kunststoffe). Für diese Fälle wird im allgemeinen eine Gastemperatur
von weniger als 250° C gefordert.
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Eine weiter bekanntgewordene Art von Druckgas-Generatoren trennt die
Treibpulverladung vom Kühlmittel. Die Treibpulverladung wird in einer Kammer untergebracht
und die Kühlmittel in einer weiteren, die so angeordnet ist, daß die beim Abbrand
der Treibpulverladung gebildeten heißen Feuergase vor Eintritt in den Arbeitsraum
durch die Kühlmittel geleitet werden. Bei dieser Anordnung ist es möglich, die Feuergastemperaturen
so weit abzusenken, daß ,die geschilderten Nachteile nicht auftreten. Nicht gewährleistet
ist jedoch die umgebungsdruckunabhängige Lieferung gleicher Gasmengen in gleichen
Zeiten.
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Bei dem in Betracht gezogenen System strömen sowohl die aus der Brennkammer
kommenden Feuergase wie auch das aus der zweiten Kammer abströmende gekühlte Gasgemisch
mit Unterschallgeschwindigkeit ab. Bekanntlich setzen sich Störungen mit der örtlichen
Schallgeschwindigkeit fort, so daß der Umgebungsdruck im Arbeitsraum Rückwirkungen
auf die Abbrandgeschwindigkeit in der Brennkammer ausübt.
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist es nun, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden
und einen Druckgas-Generator zu schaffen, der sowohl eine Absenkung der Feuergastemperaturen
auf die geforderten Werte wie auch eine vom Druck im Arbeitsraum unabhängige gleichmäßige
Gaslieferung erlaubt.
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Das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Druckgas-Generators ist folgendes:
In einer Raketenbrennkammer mit engstem Querschnitt und Lavaldüse brennt eine Treibpulverladung
unter wesentlich höherem Druck als der Maximaldruck im Arbeitsraum ab. Die heißen
Feuergase strömen mit Überschallgeschwindigkeit in eine Kühlkammer, in der das Kühlmittel,
das in endothermer Reaktion in gasförmige Produkte zerfällt, angeordnet ist.
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Wird die Bedingung erfüllt, daß während der Brennzeit der Treibpulverladung
in der Lavaldüse der Raketenbrennkammer die Feuergase stets mit Überschallgeschwindigkeit
strömen, so erfolgt der Abbrand der Treibpulverladung unter konstantem Druck. Es
werden dann bei entsprechend gewählter Geometrie der Treibpulverladung (Stirnbrenner,
Röhrenbrenner, Sterninnenbrenner) in gleichen Zeiten gleiche Gasmengen erzeugt.
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Ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Generators ist in der Zeichnung
schematisch dargestellt: In einer Brennkammer 1, die durch eine Isolationsschicht2
gegen zu starke Aufheizung geschützt ist, liegt eine als Röhrenbrenner ausgebildete
Treibpulverladung 3, die durch die Satzhalter 4 gehalten und zentriert wird.
Diese Treibpulverladung kann z. B. aus einem Nitroglyzerin-Nitrocellulose-Pulver
bestehen. Die Abmessung der Pulverladung nach Wandstärke und Gewicht ist .abhängig
von der geforderten Brennzeit und der geforderten Gasmenge. Die Entffammung der
Pulverladung erfolgt durch über Bohrungen in der Kopfplatte 5 strömende heiße Pulvergase,
die durch Abbrand einer in der Zündkammer 6 angebrachten und z. B. durch eine elektrische
Zündpille gezündeten Beiladung aus z. B. Schwarzpulver erzeugt werden. DieZwischenkammer7
dient als Verteiler der Pulvergase. Zentrisch in der Brennkammer 1 angeordnet ist
ein Beruhigungsstab B.
Der Brennkammerkopf 9 trägt die aus Graphit hergestellte
Lavaldüse 10, die durch den Überwurf 11 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten,
als Verdämmung dienenden Alu-Folie ausströmseitig verschlossen werden kann. Mit
der Brennkammer 1 verbunden ist die Kühlkammer 12, deren Außenwandung mit
einem Kühlstoffmantel 13 ausgekleidet ist. Die aus 10 mit Überschallgeschwindigkeit
ausströmenden heißen Feuergase treffen auf den durchbohrten Kühlsatz und werden
über die Zwangsführungen 15 und 16, die ebenfalls mit Kühlsatz ausgekleidet
sind, zur Ausströmöffnung 17 geführt. Diese ist über einen engsten Querschnitt
18 mit der Entspannungsdüse 19 verbunden.
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Die maximale Absenkung der Feuergastemperatur der abbrennenden Treibpulverladung
ist abhängig von der Menge des eingesetzten Kühlmittels und dessen Zersetzungstemperatur.
Bei den vorgesehenen Ausströmverhältnissen aus der Brennkammer ist auch bei Erreichung
des Arbeitsdruckes im Arbeitsraum gewährleistet, daß die Gaslieferung unabhängig
vom Druck im Arbeitsraum erfolgt. Es werden, abgesehen von dem im Millisekundenbereich
liegenden Druckaufbau in der Brennkammer und dem in zeitlich gleicher Größenordnung
liegenden Leerströmen des Generators nach Brennschluß, in gleichen Zeiten gleiche
Gasmenge geliefert.
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Für die Herstellung des Treibpulverkörpers können beliebige Treibstoffkombinationen,
wie NGL-NC-Ladungen oder Composites Verwendung finden, sofern die beim Abbrand entstehenden
Feuergase nicht mit dem zu fördernden Treibstoff bzw. den Baumaterialien in unerwünschter
Weise reagieren.
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Für die Zusammensetzung des Kühlsatzes
9 seien nachstehend
zwei erprobte Mischungen angegeben, die den Erfindergedanken jedoch nicht einschränken:
| 81,0°/o Acetondicarbonsäure, |
| 18,5 % Dimethylpolysiloxan, |
| 0,5 % Zinndilaurat. |
Dieser Satz ist nur begrenzt lagerfähig. Das gebildete SiO., wird zweckmäßig in
einem Zyklon-Staubabscheider, der zwischen Generator und Tank einzubauen ist, abgefangen.
| 94,0% Ammonoxalat, |
| 6,0 % Chloroprenkautschuk. |