DE1426416A1

DE1426416A1 - Raketenmotoren mit Feststofftreibmitteln

Info

Publication number: DE1426416A1
Application number: DE19641426416
Authority: DE
Inventors: Pierre Larue
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1963-03-05
Filing date: 1964-03-05
Publication date: 1969-01-30
Also published as: FR1364609A; CH467936A; DE1426416B2; SE302872B; DE1426416C3; GB1040662A; US3285012A

Description

DR. F. ZUM8TEIN - DR. E. ASSMANN - DR. R. KOENIGSBERQER

PATENTANWÄLTE

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TELEGRAMME: ZUMPAT

ΡΟβΤβΟΗΕΟΚΚΟΝΤΟ! MONOHEN Oll SO

BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHXUSER

8MDNOHEN2,

BRAUHAU8STRA88E A/m

Iie/Ti

Case 360.720

OPPIGiJ NATIONAL D¹ETUDlS ET DE RUOHBRCHbJS AEROSPAi¹IALES Chatillon-sous-Bagneux, Prankreich

Raketenmotoren mit Peststofftreibmittel

Die Erfindung bezieht sich auf Raketenmotore mit Peststofftreibmittel und insbesondere auf Raketenmotore, die vorzugsweise entweder als Hauptantriebsaggregate oder Hilfsaggregate (zur Stabilisierung, Führung, Druckzuführung, Leistungserzeugung, Drehmomenterzeugung und anderen Zwecken) bei Luft- und Raumfahrzeugen verwendet werden.

Die Erfindung betrifft vor allem einen Raketenmotor, der gut geeignet ist, den Anforderungen der Praxis gerecht zu werden, insbesondere hinsichtlich der Verbrennung der Treibladung und der Veränderung des Schubes nach einem vorgegebenen Gesetz.

Bei solchen Raketenmotoren liegt das Peststofftreibmittel in Porm eines Peststoffblocks vor, der an einem Ende eine freie

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Oberfläche aufweist, von der aus eine ffrontalverbrennung ausgehen und nach dem anderen Ende hin sich fortpflanzen kann - oft Zigarettenstummelverbrennung genannt - wobei der Block in 3?orm von wenigstens einem halbkugelförmigen Element aus zwei Teilen vorliegt, die aus Pulvern mit jeweils verschiedener Verbrennungsgeschwindigkeit bestehen (im weiteren schnellverbrennendes bzw. langsamverbrennendes Pulver genannt), wobei der Teil aus schnellverbrennendem Pulver in lorm eines Eugelsektors des halbkugelförmigen Elementes koaxial hiermit vorliegt und wobei der Teil aus langsamverbrennendem Pulver im wesentlichen den Rest des Volumens des halbkugelförmigen Elementes einnimmt. Erfindungsgemäß befinden sich die beiden Pulverteile in inniger Berührung miteinander, wobei der Scheitelwinkel 2 A des schnellverbrennenden Kugelsektors und das Verhältnis k zwischen der Verbrennungsgeschwindigkeit des schnellverbrennenden Pulvers und

des langsamverbrennenden Pulvers durch die Beziehung k = —-r

verknüpft sind, Weiterhin sollte - ist eine Neutralität des Raketenmotors (konstanter Schub) während der Verbrennung des obenbeschriebenen halbkugelförniigen Elementes erwünscht - der cos A keine groß
1,5 liegen soll.

2
cos A keine groi3en Unterschiede von ■» zeigen, wodurch k nahe bei

Vorzugsweise Ausführungsformen der Erfindung v/erden in folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen, die die beispielsweise Ausführungsform der Erfindung darstellen, beschrieben, in denen

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Raketenmotor mit !Feststofftreibmittel zeigt, der nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist;

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Pig 1a zeigt eine Abänderung einer Besonderheit nach Pig 1} Pig 2 zeigt ähnlich wie Pig 1 nur schematischer eine andere AusführungBform des erfindungsgemäßen Raketenmotors; Pig 5 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Der erfindungsgemäße Raketenmotor mit Peststofftreibmittel liegt in Porm eines Peststoffrotationskörpers vor, der an einem Ende eine freie Oberfläche besitzt von der eine Prontalverbrennung ausgehen kann und sich allgemein in Richtung der Drehachse YY des Treibmittelblockes nach dem anderen Ende des Blockes fortpflanzen kann.

Erfindungsgemäß besteht der Treibstoffblock wenigstens aus einem halbkugelförmigen Element, dessen Achse längs der Schubrichtung verläuft und das aus zwei Teilen 1 und 2 in inniger Berührung miteinander besteht.

Diese Teile bestehen jeweils aus einem schnell- und einem langsamverbrennenden Pulver, Das Verhältnis der Verbrennungsgeschwindigkeit des schnellverbrennenden Pulvers zum langsamverbrennenden Pulver ist gleich k.

Das schnellverbrennende Pulver 1 nimmt das Volumen eines Kugelsektors, der koaxial zum halbkugelförmigen Element liegt, ein, und die Oberfläche besteht einerseits aus einem Konus C, dessen Achse entlang YY verläuft und dessin Scheitel im Mittelpunkt 0 des halbkugelförnigen Elementes liegt und andererseits aus der

Kugelkappe P entsprechend diesem einen Konus C. Der Teil 2 aus langsamverbrennendem Pulver nimmt den Rest des Volumen des halbkugelförmigen Elementes ein, wobei dieser Rest durch die Mittelebene E des Elementes, durch den Konus 0 und durch die Kugelzone, die geschützt werden soll, begrenzt ist.

Das Verhältnis k und der Scheitelwinkel 2A des Konus G sind durch die Beziehung k = ' wenigstens annähernd verknüpft.

WOB A

Im Falle wo die Frontalverbrennung von der Kugelkappe des halbkugelförmigen Elementes ausgeht und irudem wo die Verbrennung von der Äquatorialebene des Elementes aus beginnt, beginnt gleichzeitig eine Verbrennung der Teile 1 und 2, was bedeutet, daß die Verbrennung des Blockes keinerlei Splitter zurückläßt.

Ist es andererseits, wie im allgemeinen, erwünscht, wenigstens eine angenäherte Neutralität des Treibmittelblockes zu erhalten·, d«h. einen im wesentlichen konstanten Schub während der Gesamtverbrennungszeit des Blockes, so muß der Winkel A als Wert AO gewäUrt werden, so daß cos AO so nah wie möglicTrw liegt, so daß der Faktor k einen Wert, der so nah wie möglich bei 1,5 liegt, besitzt.

Das zusammengesetzte halbkugelförmige Element kann getrennt verwandt werden, wobei die Äquatorialfläche entweder nach vorne oder nach hinten zeigt. Zweckmäßigerweise wird, wie in den Zeichnungen gezeigt, dieser Block in Kombination mit einem oder mehreren Pulverelementen verwandt, und hierbei wird das halbkugelförmige

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Element vorzugsweise als Ausgangsteil benutzt (von dem die Verbrennung ausgeht) und/oder als Bndteil des Blockes (wo die Frontalverbrennung abgeschlossen ist).

Im letzteren Pail, d.h. wenn das halbkugelförmige Element entweder als Ausgangs- oder Endteil des Brennstoffblockes dient, liegt die Konvexität natürlich nach außen, wobei das Element mit dem nächsten Element des Blookes durch seine Äquatorialebene verbunden ist.

Bei der in Pig. 1 gezeigten Ausführungsform besteht der Treibstoffblock aus einer Kombination von halbkugelförmigen Elementen 1 und 2 miteinander, die wie oben beschrieben hergestellt wurden und aneinander längs ihrer Äquatorialebene E anliegen (senkrecht zur Schubachse YY des Haketenmotors).

Der kugelförmige Treibmittelblock ist in einem kugelförmigen Gehäuse 3 untergebracht, zum Beispiel aus Metall oder verstärktem Material, ausgestattet mit einer Düse 4 um die Achse YY und das insbesondere an der Einschnürung 4a aus einem Material mit geringer Erosionsgeschwindigkeit besteht. Mit dieser Bauweise erhält man gegebenenfalls lange Verbrennungszeiten und in einem solchen Pail können Graphit, Wolfram, gewisse Metallkarbide usw. verwendet werden.

Eine kleine Kehlung konstanter Tiefe kann über die gesamte Fläche der Kugelkappe ?.' aus schnellverbrennendem Pulver vorgesehen sein, so daß die Zündungsfläche, entlang der die Prontalverbrennui^g.ihren Ausgang nimmt, nicht nur aus dieser Kappe P,

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— O —

die ausschließlich aus schnellverbrennendem Pulver zusammengesetzt ist, "besteht, sondern auch aus einer Kreisringfläche Z, die längs der Kante dieser Kappe P verläuft und auf- dem Seil aus längsamverbrennendem Pulver vorgesehen ist, wo die Frontalverbrennung so gleichzeitig wie im schnellverbrennenen Pulver "beginnt .

Um ein richtiges Verhalten des Motors zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Kontaktoberfläche des Treibmittelblocks mit Kugelform und mit Gehäuse 3, ebenfalls von kugeliger Gestalt, mit einer Inhibitorawskleidung 5 zu versehen. Zweckmäßig wird die Dicke dieser Auskleidung hinten größer gemacht als vorne, so daß das Gehäuse 3 zum kugeligen Brennstoff block leicht esasntrisch ist.

Die E3antrizität des Gehäuses 3 erlaubt eine Verminderung der ' Tiefe _d der Hohlkehle, wo die Verbrennung stattfindet, und sogar eine solche Auskehlung zu vermeiden, wobei hierbei die Inhibitorauskleidung 5 soweit wie der Rand der Kugelkappe aus schnellverbrennendem Pulver reichen muß, wie in Fig. 1a dargestellt» I

i Fig. 1 zeigt strichpunktiert aufeinanderfolgende Teile der Ver- ' brennungsoberfläche in einem bestimmten Augenblick.

Me Oberfläche besteht im halbkugelförmigen Element I aus einer Kugelkappe ρ^ in dem Teil 1 aus schnellverbrennendem Pulvers· und einer annähernd flachen kreisringförmigen Scheibe d., im Teil 2 aus langsamverbrennendem Pulver. . ■'

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Zwischen den Elementen I und II ist die Verbrennungsoberfläche annähernd eine Ebene.

Im !balbkugelförmigen End element II besteht die Verbrennungsoberfläche aus einer kugeligen Kappe p₂ im Teil aus schnellverbrennendem Pulver und einer annähernd flachen kreisringförmigen Scheibe dp im Teil aus langsamverbrennendem Pulver.

All das oben Gesagte trifft bei beliebigem Wert des Winkels A j ä zu, unter der ¹
gehalten wird.

zu, unter der Voraussetzung, daß die Beziehung k = ■ ■' ein-

Pür den besonderen Pail, wo der Winkel A gleich einem Wert Ao ist, wobei cos Ao gleich φ, und daher k « 1,5, erhält man weiterhin eine Neutralität des Schubes. Es hat sich gezeigt, daß diese Neutralität innerhalb eines Bereiches von + 1,7# bis - 2#, insbesondere aufgrund der Randabweichung der Emissionsfläche in der Nähe des Gehäuses 3 besteht.

PaIb erforderlich, ist es möglich, wenigstens bei einem Teil der Verbrennung auf den Neutralitätscharakter zu verzichten und einen Winkel A in dem einen und/oder dem anderen halbkugelförmigen Block zu wählen, so daß man einen Schub, der nach einem vorgegebenen Gesetz variiert, erhält. let der Winkel A kleiner als der kritische Wert Ao, so steigt das Schubänderungsgesetz, wenn die Verbrennung von einem Pol nach dem Äquator sich hinbewegt und nimmt anderenfallE ab· Wählt man natürlich einen Winkel A, der größer als der Ausgängewert Ao ist, dann ändert sich das Schubgesetz umgekehrt zum vorstehenden.

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•~ ο ~"

Besteht der Brennstoffblock aus zwei kugelförmigen Elementen, deren jeweilige Äquatorialebenen einander zugewendet sind, so ist es möglich für den jeweiligen Winkel A dieser beiden Elemente verschiedene Werte zu verwenden, was verschiedene Werte für die

von Pulvern für diese beiden Elemente, deren Yerbrenntuigsgeschwindigkeiten im gewünschten Verhältnis liegen, erforderlich macht.

Man erhält so einen Block aus wenigstens drei verschiedenen Pulvern, was wiederum innerhalb eines großen Bereiches große Veränderungen der !Form der Schubkurve erlaubt.

Palis man bei einem vorgegebenen Gesamtgewicht an Pulver entsprechend einem vorgegebenen Ergebnis den besten Wert für den Konstruktionsind ex des Raketenmotors braucht (Verhältnis des Gewichtes des Haketenmotors ohne leststofftreibmittel zum Gewicht dieses Motors mit Treibmittel), so kann man auf die Ausführungs-

jnan form der 3?ig. 2 zurückgreifen, nach der) halbkugelförmige Elemente 1 und 2- anstatt diese längs ihrer Äquatorialflächen zusammenzubringen ~ mit einem zylindrischen Zwischenelement verbindet, das vorteilhaft aus einem längs amvertoreniiend en Pulver besteht und integral mit den langsamverbrennenden Pulverteilen dieser halbkugelförmigen Elemente ist. Sie obenbeschriebenen Rakfetenmotore haben gegenüber den üblichen Frontalverbrennungssystemen viele 'Vorteile, bei denen man insbesondere ihren hohen Füllkoeffizient und ihren niedrigen Konstruktionsindex nennen kann.

Wünscht man einen Raketenhilfsmotor zur Erzeugung eines Drehmomentes zu erhalten, so kann man wie fol₀t vorgehen:

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Wie in Pig. 3 dargestellt, setzt man 2 identische halbkugei förmige Elemente ähnlich dem Element 1 in Mg 1, die längs ihrer Äquatorialebene anliegen, in ein Gehäuse 3, das mit 2 entgegengesetzt abgebogenen Düsen 4 ausgestattet ist, die tangential in 180° zueinander zur Erzeugung des gewünschten Drehmoments ausgerichtet sind.

Aus Übersichtlichkeitsgründen wurden nur wenige Ausführungs- μ formen der Erfindung dargestellt, selbstverständlich sind be liebige Änderungen im Aufbau und in der Anordnung der Teile möglich.

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Claims

Patentansprüche

1. Raketenmotor mit Peststofftreibmittel, wobei das Treibmittel aus einem Feststoffblock besteht, des an einem freien Ende eine freie Oberfläche aufweist, von der eine !Frontalverbrennung ausgeht und sich zum anderen Ende hin fortpflanzt, und der Block in Form von wenigstens einem halbkugelförmigen Element aus zwei 'feilen vorliegt, die aus Pulvern unterschiedlicher Ver-

brennungsgeschwindigkeiten bestehen (im weiteren schnellverbrennendes Pulver und langsamverbrennendea Pulver genannt), und wobei der schnellverbrennende Pulverteil,in Form eines Kugelsektors des halbkugelförmigen Elementes koaxial hiermit vorliegt und der langsamverbrennende Pulverteil im wesentlichen dasjübrige Yolumen des halbkugelförmigen. Elementes einnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Pulverteile in inniger Berührung miteinander stehen und der Scheitelwinkel 2A des schnellverbrennenden Pulver— kugelsektors und das Verhältnis k der Verbrennungsgeschwindigkeit des schnellverbrennenden Pulvers zur Yerbrennungsgeschwindigkeit des langsamverbrennenden Pulvers durch die Beziehung

cos

-τ- verknüpft sind,

2. Raketenmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die

2 Größe des Winkels A derart ist, daß cos A annährend gleich Φ wird, wobei der Koeffizient k annähernd 1,5 wird.

3. Raketenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Frontalverbrennung des hai^kugelförmigen Elementes von dessen kugelförmiger Fläche ausgeht«

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4. Raketenmotor nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das halbkugelförmige Element so angeordnet ist, daß die Frontalverbrennung von seiner Äquatorialfläche aus-

5. Raketenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Treibmittelblock ausschließlich aus einem halbkugelförmigen Element besteht, dessen Äqua- ^ torialfläche entweder vorne oder hinten ausgebildet ist«

6. Raketenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Treibmittelblock aus zwei Elementen besteht, von denen wenigstens eines ein zusammengesetztes halbkugelförmiges Element ist.

7. Raketenmotor nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das halbkugelförmige Element entweder den Vorder- oder Rückteil des Motors bildet*

8. Raketenmotor nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Treibmittelblock aus zwei zusammengesetzten halbkugelförmigen Elementen besteht, die mit ihren Äquatorialflächen zusammengebaut werden.

9. Raketenmotor nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Treibmittelblock von einem kugeligen Gehäuse umgeben ist, daß wenigstens eine Düse besitzt»

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10. Raketenmotor nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß der halbkugelförmige Block mit einer kleinen Hohlkehle über die gesamte Fläche der Kugelkappe aus schnellerennendem Pulver des harbkugelförmigen Elementes auf der Seite der Düse versehen ist»

11. Raketenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen des Ireibmittelblocks außer den für die Zündung verwandten mit einem Inhibitor überzogen sind, dessen Dicke auf der Seite des oder der Teile des Blockes größer ist, die allmählich während des Betriebes freigelegt werden·

12. Raketenmotor nach Anspruch 1 und 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Ireibmittelblock durch ein Gehäuse, das eine einzige Düse trägt, umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse auf der Seite der Düse zum Ireibmittelblock leicht exentrisch ist«

13. Raketenmotor nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelwinkel der schnellverbrennenden Pulverkegel verschiedene Werte haben, so daß die Koeffizienten k, die diesen Elementen entsprechen, unterschiedlich sind»

H. Raketenmotor nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch zwei halbkugelförmige Elemente, deren Äquatorialflächen aufeinander ausgerichtet sind und die durch ein zylindrisches Zwischenteil . verbunden sind.

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15. Raketenmotor nach Anspruch 1, wobei dieser als Drehmomenterzeuger wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei halbkugelförmigen Elementen besteht, die längs ihren Äquatorialflachen zusammengebaut sind, wobei diese Elemente jeweils zwei tangential entgegengesetzt angeordnete Düsen umfassen.

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