DE1297942B - Anordnung zur Raketentriebwerkskuehlung - Google Patents

Anordnung zur Raketentriebwerkskuehlung

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DE1297942B DE1966K0060812 DEK0060812A DE1297942B DE 1297942 B DE1297942 B DE 1297942B DE 1966K0060812 DE1966K0060812 DE 1966K0060812 DE K0060812 A DEK0060812 A DE K0060812A DE 1297942 B DE1297942 B DE 1297942B
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/44Feeding propellants
    • F02K9/52Injectors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
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    • F02K9/62Combustion or thrust chambers
    • F02K9/64Combustion or thrust chambers having cooling arrangements

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Raketentriebwerkskühlung, bei der die Treibstoffeinspritzung auf die Außenseite der Schubdüse radial nach innen erfolgt, derart, daß der Treibstoff zunächst an der Außenseite der Düse entlangströmt.
  • Für Raketentriebwerke sind entsprechend den zur Anwendung gelangenden Kühlverfahren bereits verschiedene Arten von Kühlvorrichtungen entwickelt worden, die jedoch keineswegs als vollkommen bezeichnet werden können. Es handelt sich hierbei im wesentlichen um folgende vier Kühlverfahren-, 1. Die sogenannte Rekuperationskühlung, bei der der Treibstoff veranlaßt wird, die an einen die Düse und die Brennkammer vollständig umschließenden Kühlmantel abgegebene Wärme vor dem Einspritzen aufzunehmen. Dieses Verfahren ist jedoch bei großen Triebwerken zu aufwendig, während es bei temperaturempfindlichen Treibstoffen keineswegs explosionssicher ist, da der Treibstoff meist unter Einspritzdruck und in engen Kanälen um die zu kühlenden Bauteile geführt wird, so daß bei einem etwaigen durch die Erwärmung auftretenden Zerfall des Treibstoffes keinerlei Verpuffungsmöglichkeit besteht.
  • 2. Bei der sogenannten Ablationskühlung wird die gesamte Brennkammer sowie die Düse aus einem Material mit schlechten Wärmeleitungseigenschaften gefertigt, wie z. B. aus Graphit oder einem schwer schmelzbaren Kunstharz, das zweckmäßigerweise faserverstärkt wird. Beim Betrieb der Vorrichtung nimmt dieses Material an seiner Oberfläche die Brenngastemperatur an, wobei die Wärme in den Brennraum zurückgestrahlt und das Material langsam abgeschmolzen oder abgebrannt wird. Eine auf dieser Basis hergestellte Brennkammer bringt jedoch infolge schwankender Abnutzungserscheinungen die Gefahr eines asymmetrischen Düsenausbrandes mit sich.
  • 3. Bei der sogenannten Schwitzkühlung wird durch Einführen von Treibstoff durch Poren oder feine Löcher längs der Brennkammerwandung und der Düse eine Kühlwirkung bei den gefährdeten Wandteilen erzeugt, die vom Kühlmedium gleichsam wie von einem schützenden Film bedeckt werden. Jedoch ist dieses die gesamte Brennkammer- und Düsenausbildung durch die Anordnung der genannten Löcher betreffende Kühlsystern nicht einfach, und es besteht die Gefahr, daß durch die Löcher in die Randschichten der Strömung eingeführter Treibstoff zum Teil unverbrannt mit nach außen gerissen wird, was eine, verringerte Leistung zur Folge hat.
  • 4. Beim Anwenden der sogenannten Strahlungskühlung müssen Brennkammer und Düse aus hochschmelzbaren Werkstoffen hergestellt sein, da sie annähernd die Verbrennungstemperatur erreichen und die Wärme an die Umgebung abstrahlen, wobei aber auch ein Erhitzen der die Brennkammer und Düse umgebenden anderen Vorrichtungsteile eintritt.
  • Eine bekannte Rakete weist bereits eine torusförmig auswärts gebogene Wand des Düsenhalses auf, jedoch handelt es sich hierbei um eine Doppelwand für rekuperative Kühlung der Düse. Bei dieser bekannten Rakete erfolgt die Kühlung der Wandungsteile von Düse und Brennkammer ebenfalls im Gegenstrom, jedoch soll durch die Einführung der einen, bereits gasförmigen Werkstoffkomponente im Gegenstrom in die Brennkammer in erster Linie eine gute Vermischung mit der im stromaufwärtigen Teil der Brennkammer eingespritzten anderen Komponente erzielt werden. Dagegen ist bei der bekannten Rakete von der Durchströmung der Umlenkung mit großer Geschwindigkeit und der damit verbundenen Zentrifugalwirkung auf den flüssigen Treibstoff und die daraus folgende Erhöhung der Wärmeübertragungsverhältnisse von der zu kühlenden Wand auf den Werkstoff - welche Wirkungen bei der Erfindung von Wichtigkeit sind - kein Gebrauch gemacht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden, und hierbei wird vor allem dem Umstand Rechnung getragen, daß beim Raketentriebwerk ein großer Teil der an die Brennkammer abgehenden Wärme in einem engen Bereich stromaufwärts und stromabwärts das engsten Querschnittes der Schubdüse auftritt.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß beide Treibstoffkomponenten oder auch nur eine Komponente von außen auf die hohltorusförmig auswärts gebogene Wand des Düsenhalses aufgebracht wird und von dort nach Umlenkung um etwa 1800 auf die Brennkammerinnenwand übertritt, um an dieser im Gegenstrom zu den heißen Verbrennungsgasen filmkühlend entlangzuströmen.
  • Beide Treibstoffkomponenten bzw. nur eine Komponente werden durch die hohe Einspritzgeschwindigkeit und die daraus resultierende Zentrifugalkraft an die Außenseite der Düsenwand gedrückt, wodurch eine intensive Kühlung des Düsenhalses als dem am stärksten von innen her wärmebelasteten Düsenteil erzielt wird.
  • Das Kühlmittel strömt anschließend von der Außenseite der Düse etwa radial nach außen und wird dabei ebenfalls durch Zentrifugalkraft an die konkave Innenwand der Brennkammer gedrückt. Hierdurch erfährt die Brennkammerwand eine Gegenstrom-Filmkühlungswirkung. Hier setzt die Verbrennung ein, wobei die Verbrennungsgase zum Zentrum der Kammer und zur Düse strömen und die noch unverbrannten Flüssigkeiten und Gase weiter an der Wand entlangströmen. Die Brennkammer kann - wie beim schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel - etwa kugelförmig sein; sie kann aber auch zylindrisch oder vorzugsweise torusförmig ausgebildet sein.
  • Die Merkmale: Hohltorusförmig auswärts gebogene Wand des Düsenhalses sowie Filmkühlung im Gegenstrom zu den heißen Verbrennungsgasen sind bereits bekannt und sollen daher nur in Verbindung mit den übrigen Merkmalen des Erfindungsgegenstandes unter Schutz stehen.
  • Der Treibstoff kann beim Einspritzen in Weiterbildung der Erfindung zusätzlich eine zum Kühlkammertorus tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufweisen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Düse axial verschieblich angeordnet werden, so daß bei Verschiebung der spaltförmige Eintrittsquerschnitt für die Treibstoffkomponente(n) in seiner Breite verändert wird. Damit wird eine Regelung der Treibstoffzufuhr erreicht. Da das Merkmal der Verschiebbarkeit gesamter Düsen bereits bekannt ist, wird auf dieses Merkmal kein gesonderter Schutz be- ansprucht.
  • In der Zeichnung sind schematisch zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Raketentriebwerkskühlung dargestellt. Im einzelnen zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein einstrahliges Raketentriebwerk, F i g. 2 einen Querschnitt durch ein ring- oder torusförmiges Raketentriebwerk, das rein geometrisch durch Rotation der Längssehnittform der F i g. 1 um eine exzentrische, parallel zu ihrer Symmetrieachse verlaufende Drehachse entstanden ist und das mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Triebwerkskühlung ausgerüstet ist.
  • Gemäß der ein rotationssymmetrisches Ausführungsbeispiel darstellenden F i g. 1 wird der Brennstoff durch die Leitung 1 und der Oxydator durch die Leitung 2 zugeführt. Diese beiden Flüssigkeiten werden je längs einer Seite der kreisringscheibenförmigen Membran 5 in radialer Richtung strömend in die den Düsenhals 10 torusförmig umgebende Kühlkammer 7 eingespritzt.
  • Durch die hohe Einspritz-Geschwindigkeit und die daraus resultierende Zentrifugalkraft wird der Flüssigkeitsstrom, der im Verlauf seines Kühlweges verdampft, kräftig an die Düsenaußenwand 8 gedrückt, wie dies in F i g. 1 gestrichelt dargestellt ist. Hierdurch wird eine intensive Kühlung dieses im Bereich des Düsenhalses am stärksten von innen her wärmebelasteten Düsenteils erreicht.
  • Die vorgemischten Flüssigkeiten treten nunmehr - beaufschlagt durch die zentrifugale Umlenkkraft - längs der Brennkammerwand nach dem Gegenstromprinzip mit Filmkühlungswirkung in die allgemein mit 9 bezeichnete Brennkammer ein.
  • Hier reagieren die vorgemischten Flüssigkeiten miteinander und bilden die Verbrennungsgase, die aus der Düse 11 ausströmen.
  • Bei Verwendung von Treibstoffen mit sehr hoher Reaktionsgeschwindigkeit wird nur eine der beiden Komponenten in beschriebener Weise eingeführt, die andere Komponente aber in an sich bekannter Weise im Gegenstrom dazu an der Brennkammerwand oder am Brennkammerkopf.
  • Ähnliches gilt für Drei- oder Mehrstoffsysteme. Das in F i g. 2 in einem Radialschnitt dargestellte ring- oder torusförinige Raketentriebwerk besitzt eine ringförmige Düse 12, deren engster Querschnitt zwischen den sie beiderseits begrenzenden Kühlkammern 13 liegt, in welche die Treibstoffe eingeführt werden.

Claims (2)

  1. Patentansprüche. 1. Anordnung zur Raketentriebwerkskühlung, bei der die Treibstoffeinspritzung auf die Außenseite der Schubdüse radial nach innen gerichtet erfolgt, derart, daß der Treibstoff zunächst an der Außenseite der Düse entlangströmt, d a d u r c h gekennzeichnet, daß beide Treibstoffkomponenten vereint oder auch nur eine Komponente von außen auf die hohltorusförmig auswärts gebogene Wand des Düsenhalses aufgebracht wird und von dort nach Umlenkung um etwa 1801 auf die Brennkammerinnenwand übertritt, um an dieser im Gegenstrom zu den heißen Verbrennungsgasen filmkühlend entlangzuströmen.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff beim Einspritzen zusätzlich eine zum Kühlkammertorus tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufweist. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Düse (8) mit dem zugehörigen divergenten Düsenteil (11) zur Beeinflussung des Einspritzquerschnittes axial bewegbar ist.
DE1966K0060812 1966-11-29 1966-11-29 Anordnung zur Raketentriebwerkskuehlung Pending DE1297942B (de)

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GB51309/67A GB1196489A (en) 1966-11-29 1967-11-10 Improvements in or relating to Rocket Engines
FR1550463D FR1550463A (de) 1966-11-29 1967-11-13
US686152A US3462956A (en) 1966-11-29 1967-11-28 Rocket drive cooling arrangement

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RU2450154C1 (ru) * 2011-03-24 2012-05-10 Владимир Викторович Черниченко Жидкостный ракетный двигатель
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