DE1571248B1 - Zweistufiges Verfahren zur Erzeugung von brennbaren,unter Druck stehenden Gasen fuer Triebwerke,insbesondere Raketen- und Staustrahltriebwerke - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein zweistufiges Verfahren und Treibsatzanordnungen zur Durchführung desselben zur Erzeugung von brennbaren, unter Druck stehenden Gasen für Triebwerke, insbesondere Raketen- und Staustrahltriebwerke, aus einer Kombination zweier fester Treibsätze, und zwar aus einem Hilfstreibsatz mit vorzugsweise ausgeglichener Sauerstoffbilanz und aus einem sauerstoffarmen oder sauerstofffreien Haupttreibsatz.
• Es ist in der Raketentechnik allgemein bekannt, flüssige Brennstoffkomponenten mittels des durch die Verbrennung .. eines Hilfstreibsatzes - erzeugten Drucks aus einem Vorratsbehälter in eine Brennkammer zu-fördern. Es ist ferner bekannt, bei Kombinations- oder Lithergoltriebwerken feste brennstoffreiche Treibsätze durch Teilverbrennung unter Sauerstoffmangel in Brenngas umzuwandeln,. dieses einer Brennkammer zuzuleiten und dört mit Luft oder einem anderen Oxydatör gemischt vollständig zu verbrennen. Im Gegensatz zu Feststofftriebwerken, bei denen der Treibsatz mit im voraus festgelegtem Mischungsverhältnis in der Brennkammer angeordnet ist, bewirkt bei Lithergoltriebwerken eine derartige" Anordnung mit einstufiger Verbrennung eine ungleiche Gemischbildung und damit eine instabile ungleichmäßige Verbrennung, was sich als Minderung der Leistungsfähigkeit des Triebwerks bemerkbar macht. Deshalb wird bei bekannten Lithergoltriebwerken der feste brennstoffreiche Treibsatz ebenfalls außerhalb der eigentlichen Brennkammer angebracht, wo er mit geringer Luft- oder _._ Oxydatormenge vgrverbrannt und als teilv-erbrann-. tes, relativ energiearmes Brenngas in die eigentliche Brennkammer gelängt; in der die Hauptverbrennung stattfindet (USA.--Patentschriften 3-115 008 und 3118 380, Astrongeics/Oktober _1959, Seiten 42, 43 und 84).
• Das Verfahren, brennstoffreiche Feststofftreibsätze durch Teilverbrennung in Brenngas überzuführen, hat den Nachteil, daß diese Teilverbrennung mit ausgeprägtem Luft- bzw. Oxydatormangel als Schwelprozeß nur schwer:. 'stabilisieren ist; =viel @zu. langsam verläuft, und außerdem die Brennkammer vorverbrannte und damit relativ energiearme Brenngase erhält, was die Leistungsfähigkeit des Triebwerks ungünstig beeinflußt. Dazu kommt, daß bei einem Schwelprozeß Ruß entsteht, der sehr schlecht verbrennt und nur zum Teil gefördert werden kann, da er. die Tendenz zeigt, zusammenzubacken.
• Ferner ist rl.eü= -der deutschen "-Auslegeschrift 1203 543 ein zweistufiges Verfahren zur Erzeugung von Druckgas zum Antrieb von Raketen- und dergleichen Triebwerken. bekanntgeworden, bei dem in der ersten Verfahrensstufe ein oxydierbares Treibgas aus einem : .chenischen -Treibstoff erzeugt, .'das' anschließend in einer zweiten Verfahrensstufe oxydiert wird, wobei der das Treibgas liefernde Treibstoff eine endotherme, durch Initiierung zerfallende sauerstofffreie Verbindung ist. Zur Einleitung des thermischen Zerfalls des Treibstoffes der ersten Stufe wird z. B. ein üblicher (sauerstoffreicher) Treib- oder Explosivstoff (Hilfstreibsatz) verwendet, der nur als Initiator dient und zentral in der treibgaserzeugenden Komponente sitzt. Der sogenannte Hilfstreibsatz dient also nur zum Inbrandsetzen des gaserzeugenden Haupttreibsatzes, der aus chemischen Verbindungen in Form von ungesättigten Kohlenwasserstoffen oder Metallhydriden besteht. Beim Zerfall dieser Verbindungen treten Ballaststoffe, wie Stickstoff, sowie Kondensstoffe auf, - "welche die in der zweiten Stufe stattfindende Nachverbrennung verschlechtern bzw. deren spezifische Leistung vermindern und unerwünschte Rückstände bilden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Verfahren zur Erzeugung energiereicher brennbarer Gase aus geeigneten festen Treibstoffen ein Verfahren und außerdem Treibsatzanordnungen zur Durchführung desselben vorzuschlagen.
• Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der Haupttreibsatz, der aus einem Material mit niedriger Schmelz- und Verdampfungswärme, wie Polyäthylen, Paraffinderivaten, wie Wachsalkoholen, Carbonsäuren, wie Stearinsäure besteht, durch den Abbrand eines Hilfstreibsatzes mit hoher Wärmeleistung geschmolzen, verdampft oder sublimiert wird.
• Die Erfindung liegt also in der Kombination einer Auswahl besonderer Brennstoffe mit niedriger Schmelztemperatur und Verdampfungswärme sowie der Maßnahme, diese Brennstoffe in einer ersten Verfahrensstufe ohne Änderung ihrer Molekularstruktur in einen anderen, d. h. gasförmigen Aggregatzustand mit Hilfe eines Hilfstreibsatzes hoher Wärmeleistung bei gleichzeitigem Auflösen beider Treibsätze, Abbrand des Hilfstreibsatzes und Abschmelzen und Vergasen des Haupttreibsatzes, während der gesamten Brenn- bzw. Betriebsdauer überzuführen. Beim Abbrand des Hilfstreibsatzes wirkt daher dessen Wärme auf den Haupttreibsatz ein, so daß letzterer ähnlich wie das Wachs einer Kerze schmilzt und vergast. Dabei ist die erforderliche Wärmeleistung zum Schmelzen und Verdampfen des Haupttreibsatzes verhältnismäßig gering, da keine chemische Reaktion stattfindet.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei gleichzeitiger Vergrößerung der gemeinsamen Oberflächen bzw. Abbrandflächen . beider Treibsätze, des Hilfstreibsatzes und des Haupttreibsatzes, zum Zwecke der Verbesserung und zur Beschleunigung des Wärmeüberganges vom Hilfstreibsatz auf den Haupttreibsatz können diese beiden zueinander gemäß den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 6 entsprechend gruppiert sowie deren Querschnitte entsprechend profiliert werden.
• In der Zeichnung sind zwei Anwendungsfälle der Erfindung im Zusammenhang " mit zwei besonders aufgebauten Flugkörpern "und ferner mehrere Ausführungsbeispiele von Treibstoffkombinationen dargestellt. Es zeigt F i g.1 einen Flugkörper mit einem Lithergoltriebwerk, teils im axialen Schnitt, teils in der Ansicht, "F i. g. 2 - einen- Flugkörper mit Staustrahltriebwerken, teils im axialen Schnitt, teils in der Ansicht und F i g. 3 bis 6 Varianten "der Treibsatzkombination im Querschnitt.
• Gemäß F i g.1 ist im mittleren Bereich des Flugkörpers eine Treibsatzkombination angeordnet, die im wesentlichen aus einem Haupttreibsatz 1 und einem von diesem durch eine Abbrandisolierung 2 getrennten Hilfstreibsatz 3 besteht. Dieser wird durch eine nicht dargestellte Zündeinrichtung gezündet und brennt als Stirnbrenner ab, wobei die entstehende Wärme den angrenzenden Haupttreibsatz 1 schmilzt und verdampft. Durch diesen Prozeß, der dem Abbrand einer Kerze ähnlich ist, werden brennbare Gase erzeugt, die durch den eigenen Druck über ein Gaslcitrohr 4 und durch am hinteren Ende desselben vorgesehene Ausströmöffnungen 5 in eine Brennkammer 6 geleitet werden. Der Druck der brennbaren Gase wirkt außerdem auf einen Ringkolben 7, der auf einem flüssigen Oxydatorvorrat 8 schwimmt. Zwischen dem Ringkolben 7 und dem hinteren Ende der Treibsatzkombination 1, 3 verbleibt ein Gassammelraum 9, aus dem die brennbaren Gase in das Gasleitrohr 4 einströmen. Zur Brennkammer 6 hin ist der Oxydatorvorrat 8 durch einen festen Boden 10 abgeschlossen, in dem Oxydatoreinspritzdüsen 11 vorgesehen sind. Die in die Brennkammer 6 einströmenden brennbaren Gase und der eingespritzte Oxydator verbrennen dort und strömen dann durch eine Schubdüse 12 aus. Durch die Anordnung des Oxydatorvorrats 8 hinter der Treibsatzkombination 1, 3 wird ein besonders zweckmäßiger und einfacher Aufbau des Antriebssystems erreicht, insbesondere im Hinblick auf die Zufuhr der erzeugten brennbaren Gase und des Oxydators zur Brennkammer.
• F i g. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen Flugkörper mit Staustrahltriebwerken 13, die um einen Zentralkörper 14 achsparallel angeordnet sind, bei denen die aus der Treibsatzkombination 1, 3 erzeugten energiereichen brennbaren Gase aus dem Gassammelraum 9 über Gasleitungen 15 durch Düsen 16 in Brennkammern 17 geleitet werden, wo sie mit der durch Lufteinläufe (Diffusoren) 18 einströmenden verdichteten Luft verbrennen und beim Entspannen durch Düsen 19 Schub erzeugen.
• Um einen gesteigerten Wärmekontakt zwischen Hilfstreibsatz 3@und Haupttreibsatz 1 und damit eine gute Aufbereitung der brennbaren Gase zu erzielen, ist es zweckmäßig, die Kontaktfläche zwischen Hilfstreibsatz 3 und Haupttreibsatz 1 sehr groß zu gestalten, d. h. ein großes Verhältnis zwischen Umfangslänge und Querschnittsfläche zu bilden. Wie F i g. 3 zeigt, kann zu diesem Zweck der Hilfstreibsatz 3 als Stirnbrenner sternförmig profiliert und innen und außen vom Haupttreibsatz 1 umhüllt sein. Die Abbrandisolation 2 zwischen den beiden Treibsätzen 1 und 3 dient dazu, einen exakten Stirnabbrand zu gewährleisten.
• F i g. 4 zeigt Hilfstreibsatz 3 und Haupttreibsatz 1 in abwechselnd aufeinanderfolgenden Lagen spiralig geformt und durch Abbrandisolationsschichten 2 voneinander getrennt.
• In F i g. 5 ist eine Ausführung dargestellt, in der Hilfstreibsatz 3 und Haupttreibsatz 1 aus einander abwechselnden konzentrischen Rohren und einem vollen Zentralteil bestehen, die voneinander durch Abbrandisolationsschichten 2 getrennt sind.
• Während in den F i g.1 bis 5 Stirnbrennerversionen gezeigt sind, stellt F i g. 6 einen Innenbrenner dar, bei dem Hilfstreibsatz 3 und Haupttreibsatz 1 im Querschnitt aus vielen abwechselnd aufeinanderfolgenden Kreisringsektoren bestehen, die voneinander durch Abbrandisolationsschichten 2 getrennt sind, wobei das Flächenverhältnis zwischen Haupttreibsatz 1 und Hilfstreibsatz 3 je nach dem Wärmebedarf des verwendeten Haupttreibsatzes 1 bemessen wird. Besonders geeignet erscheinen als Festtreibstoffe bei diesem Verfahren wasser- und kohlenstoffreiche Verbindungen, die zur überführung vom festen in den gasförmigen Zustand wenig Wärme erfordern.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Zweistufiges Verfahren zur Erzeugung von brennbaren, unter Druck stehenden Gasen für Triebwerke, insbesondere Raketen- und Staustrahltriebwerke, aus einer Kombination zweier fester Treibsätze, und zwar aus einem Hilfstreibsatz mit vorzugsweise ausgeglichener Sauerstoffbilanz und aus einem sauerstoffarmen oder sauerstofffreien Haupttreibsatz, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Haupttreibsatz (1), der aus einem Material mit niedriger Schmelz- und Verdampfungswärme, wie Polyäthylen, Paraffinderivaten, wie Wachsalkoholen. Carbonsäuren, wie Stearinsäuren besteht, durch den Abbrand eines Hilfstreibsatzes (3) mit hoher Wärmeleistung geschmolzen, verdampft oder sublimiert wird.
2. 2. Treibsatzanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstreibsatz (3) und der Haupttreibsatz (1) in an sich bekannter Weise als Stirnbrenner mit kreis-, Stern- oder ringförmigem oder sonstwie profiliertem Querschnitt ausgebildet und durch Abbrandisolationsschichten (2) voneinander getrennt sind (F i g. 3).
3. 3. Treibsatzanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ailfstreibsatz (3) und der Haupttreibsatz (1) in abwechselnd aufeinanderfolgenden Lagen spiralig geformt und durch Ab- brandisolationsschichten (2) voneinander getrennt sind (F i g. 4).
4. 4. Treibsatzanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß der Hilfstreibsatz (3) und der Haupttreibsatz (1) aus einander abwechselnden, konzentrischen Rohren und einem vollen Zentralteil bestehen, die voneinander durch Abbrandisolationsschichten (2) getrennt sind (F i g. 3 und 5).
5. 5. Treibsatzanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstreibsatz (3) und der Haupttreibsatz (1) als Innenbrenner ausgebildet sind und aus im Querschnitt betrachtet vielen abwechselnd aufeinanderfolgenden Kreisringsektoren bestehen, die voneinander durch Abbrandisolationsschichten (2) getrennt sind (F i g. 6).
6. 6. Treibsatzanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 sowie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Schubmodulation der Hilfstreibsatz (3) und/ oder der Haupttreibsatz (1) in an sich bekannter Weise aus verschiedenen, in Richtung des Abbrandes nacheinander angeordneten Treibstoffsorten bestehen.