DE1626055B1 - Aus mehreren Flüssigkeitsraketen bestehendes Antriebsaggregat - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein aus mehreren werke ausgeführt, deren Nachteil bereits weiter vorn Flüssigkeitsraketen bestehendes Antriebsaggregat beschrieben ist. Außerdem weisen thermonukleare als Kombination mindestens einer aus Brennkammer Triebwerke durch die erforderliche Strahlenabschir- und Schubdüse bestehenden Schubeinheit großer Lei- mung ein relativ hohes Baugewicht auf; ganz abgestung zur Erzeugung des überwiegenden Schubanteils 5 sehen davon ist der Reaktoraufbau auch heute noch eines vorbestimmten Gesamtschubs und mindestens mit besonderen Problemen verbunden,
eines Raketentriebwerks zur Erzeugung des kleineren Weiter ist nach der deutschen Auslegeschrift Schubanteils. 1153 657 eine Anordnung von verschiedenen Schub-Flüssigkeitsraketentriebwerke mit höchster Schub- einheiten, bestehend aus einem mit dem Raumfahrleistung wurden bisher bekanntlich als Nebenstrom- io zeug starr verbundenen zentralen Haupttriebwerk triebwerke gebaut. Ein systembedingter Nachteil und zwei, koaxial zu diesem befindlichen, schwenkdieser Triebwerksart besteht darin, daß nicht der bar gelagerten Steuertriebwerken, bekannt. Sämtliche ganze Anteil der mitgeführten Treibstoffkomponen- Triebwerke sind als Nebenstromtriebwerke ausgeten zur Schuberzeugung ausgenutzt wird; vielmehr führt. Dabei werden, um eine einwandfreie Treibwird ein Teil der TreibstofFkomponenten in einer 15 stoffzufuhr für das Haupttriebwerk sicherzustellen, Hilfsbrennkammer verbrannt, wobei die erzeugten die Steuertriebwerke vor dem Haupttriebwerk Treibgase eine Hilfsturbine zum Antrieb der Treib- gestartet.

stofförderpumpen beaufschlagen. Die diesen Treib- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gasen nach Durchströmung der Hilfsturbine noch Raketentriebwerk hoher Schubleistung mit günstigen innewohnende Restenergie ist für eine weitere Expan- 20 Betriebsbedingungen zu schaffen, bei dem die ersion in der Raketenschubdüse wertlos und bedeutet wähnten Mängel vermieden und die an Bord mitgedaher einen Verlust, der den spezifischen Impuls, führten Treibstoffe voll für die Schuberzeugung verbezogen auf die mitgeführte Gesamttreibstoffmenge, wertet werden.

entsprechend vermindert. Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung Dieser Nachteil tritt bei Flüssigkeitsraketentrieb- 25 dadurch, daß das oder die zur Erzeugung des kleiwerken in Hauptstrombauart, z. B. offenbart in der neren Schubanteils dienenden Raketentriebwerke als deutschen Auslegeschrift 1164 753, mit einer Vor- Hauptstromtriebwerke mit jeweils mindestens einer brennkammer, einer dieser nachgeschalteten Hilfs- der Vorbrennkammer nachgeschalteten Turbine zum turbine zum Antrieb der Treibstofförderpumpen und Antrieb von Pumpen zur Treibstofförderung ausgemit einer bezüglich der Vorbrennkammer in Serie 30 führt sind, wobei das oder die Hauptstromraketengeschalteten Hauptbrennkammer nicht auf, da hier- triebwerke die Antriebsleistung zur Förderung der bei das gesamte Treibstoffvolumen durch die Haupt- eigenen Treibstoffkomponenten und der Treibstoffbrennkammer »durchgesetzt« wird, nachdem die Ge- komponenten für die Schubeinheit liefern,
samtmenge des Sauerstoffs und ein Teil des Brenn- In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgestoffs oder umgekehrt in der Vorbrennkammer ent- 35 schlagen, die von jedem Hauptstromraketentriebwerk weder sauerstoffreich oder brennstoffreich und dabei angetriebenen Pumpen zur Förderung der eigenen Treibgase verhältnismäßig niedriger Temperatur er- Treibstoffkomponenten und der Treibstoffkompozeugend vorverbrannt und anschließend in der Hilfs- nenten für die Schubeinheit jeweils auf einer gemeinturbine teilentspannt wurden. Neben diesem Vorteil samen Welle anzuordnen, die von einer mehrstufigen treten jedoch bei Flüssigkeitsraketentriebwerken in 40 Turbine des Hauptstromraketentriebwerks angetrie-Hauptstrombauart systembedingte Probleme auf, die ben wird.

eine Realisierung sehr großer Schubklassen heute In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird fernoch schwierig erscheinen lassen. ner vorgeschlagen, die von jedem Hauptstrom-Ferner ist nach der deutschen Patentschrift raketentriebwerk angetriebenen Pumpen zur För-1202 580 für wiedergewinnbare Raumfahrzeuge eine 45 derung der eigenen Treibstoffkomponenten und der Triebwerksanordnung mit einer zentralen, aus einer Treibstoffkomponenten für die Schubeinheit getrennt Reaktorbrennkammer mit Schubdüse bestehenden voneinander auf zwei konzentrisch zueinander angegroßen, thermonuklearen Schubeinheit und mit ordneten Wellen, nämlich einer zentralen Welle und mehreren, zur letzteren koaxial angeordneten kiel·· einer Hohlwelle, anzuordnen, die unabhängig vonneren, chemischen Flüssigkeitsraketentriebwerken 50 einander von mechanisch getrennten ein- und/oder bekannt, wobei das thermonukleare Triebwerk an mehrstufigen Turbinen angetrieben werden. Dabei das gemeinsame Treibstoff- bzw. Brennstoffsystem sind nach einem weiteren Merkmal in Ausgestaltung angeschlossen ist. Bei dieser bekannten Triebwerks- der Erfindung die Pumpen zur Förderung der Treibkombination können die Schübe der in ihrer Leistung Stoffkomponenten für das jeweilige Hauptstromunterschiedlichen Einzeltriebwerke wahlweise ge- 55 raketentriebwerk zweckmäßigerweise der Hohlwelle meinsam oder allein eingesetzt werden. So können zugeordnet, die von einer der Vorbrennkammer unbeispielsweise innerhalb der Erdatmosphäre Flüssig- mittelbar nächgeschalteten einstufigen Turbine angekeitsraketentriebwerke mit hohen spezifischen Schub- trieben wird, während die Pumpen zur Förderung impulsen, wie sie sich bei dei Verwendung von der Treibstoffkomponenten für die Schubeinheit der Sauerstoff und Wasserstoff als Treibstoffkomponen- 60 zentralen Welle zugeordnet sind, die von einer mehrten ergeben, als Starttriebwerke benützt werden, stufigen Turbine angetrieben wird. Diese Anordnung während erst ab einer bestimmten Höhe das thermo- erlaubt eine günstige individuelle Drehzahlabstimnukleare Triebwerk den Antrieb des Raumfahrzeuges mung und Leistungsverteilung einerseits für die übernimmt, wobei dann die Flüssigkeitsraketentrieb- Pumpen zur Förderung der Treibstoffe für das werke als Zusatz- und Steuertriebwerke fungieren. 65 Hauptstromraketentriebwerk und andererseits für die Auch bei dieser bekannten Anordnung sind die Pumpen zur Förderung der Treibstoffe für die Schubmit chemischen Treibstoffen betriebenen Flüssig- einheit, wobei zu berücksichtigen ist, daß die zuletzt keitsraketentriebwerke offenbar als Nebenstromtrieb- angeführten Förderpumpen gegenüber den erst-

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genannten Förderpumpen vergleichsweise eine günstigen Bedingungen möglich ist, der nach neuwesentlich größere Leistung erfordern; auf Grund esten Erkenntnissen zur Durchführung gewisser ihrer größeren Dimensionierung laufen sie jedoch mit Missionen gefordert wird. Zur Durchführung des kleinerer Drehzahl und weisen einen geringeren For- »Leerlaufbetriebs«, der beim erfindungsgemäßen derdruck auf. 5 Antriebsaggregat allein vom oder von den Haupt-

Um die Leistung des Antriebsaggregats zu er- Stromraketentriebwerken bestritten wird, brauchen höhen, besteht in Ausgestaltung der Erfindung die nur die in den Treibstoffversorgungsleitungen für die Möglichkeit, bei mehrstufiger Ausbildung der in Schubeinheit Hegenden Ventile in Sperrstellung ge-Strömungsrichtung vorderen Turbine vor mindestens bracht zu werden. Dabei kann außerdem das oder einer der Zwischenstufen und bei mehrstufiger Aus- io können die an sich leicht regelbaren Hauptstrombildung der in Strömungsrichtung hinteren Turbine raketentriebwerke zur weiteren Verminderung des mindestens vor einer Stufe eine Zwischenbrennkam- Durchsatzes gedrosselt betrieben werden,
mer zur Leistungssteigerung durch Zwischenerhitzung Zur Vermeidung von Kippmomenten um irgendvorzusehen, eine Querachse eines Flugkörpers, in dem das erfin-

Durch die Erfindung wird der bereits eingangs 15 dungsgemäße Antriebsaggregat eingebaut ist, kön-

erwähnte, bei Nebenstromtriebwerken auftretende, nen in zweckmäßiger Ausgestaltung des Erfindungs-

prinzipgebundene Impulsverlust durch Nichtaus- gegenstandes zwei oder mehr Hauptstromraketen-

nutzung eines Teils der Energie, die in dem zum triebwerke auf einem gemeinsamen Teilkreis um eine

Treibstofförderpumpenantrieb abgezweigten Treib- Schubeinheit angeordnet werden, so daß der resul-

stoffanteil enthalten ist, vermieden, wodurch umge- 20 tierende Schubvektor stets durch den Schwerpunkt

kehrt ein effektiver Schubgewinn erzielt wird. Ein des Flugkörpers verläuft.

weiterer Vorteil gegenüber den bekannten Neben- In der Zeichnung ist ein Ausfuhrungsbeispiel

Stromtriebwerken üegt in der Treibstoffersparnis des erfindungsgemäßen Antriebsaggregats veran-

beim Anlaßvorgang eines aus mehreren Flüssigkeits- schaulicht.

raketen bestehenden Antriebsaggregats gemäß der 25 Das gezeigte Flüssigkeitsraketentriebwerk stellt Erfindung, der bei Flüssigkeitsraketentriebwerken eine Kombination aus einer Schubeinheit 1 und aus großer Leistung etwa 3 bis 5 Sekunden dauert. In beispielsweise zwei Hauptstromraketentriebwerken 2 vorteilhafter Weise wird das oder werden die gegen- und 3 dar. Die Schubeinheit 1 besteht im wesentüber der Schubeinheit vergleichsweise kleinen liehen aus einer Brennkammer 4 und einer Schub-Hauptstromraketentriebwerke zuerst gezündet, wo- 30 düse 5. Die Hauptstromraketentriebwerke 2 und 3 bei die in den zur Schubeinheit führenden Treibstoff- bestehen im wesentlichen jeweils aus einer Vorbrennversorgungsleitungen befindlichen Ventile noch kammer 6, aus zwei dieser nachgeschalteten Turgesperrt bleiben und die Treibstofförderpumpen binen 7 und 8, wobei die in Strömungsrichtung vor- »blind« über den Pumpenkurzschluß arbeiten. In dere Turbine 7 einstufig, während die hintere Turdiesem Stadium kann der Funktionszustand des 35 bine 8 mehrstufig mit Turbinenstufen 8 a, 8 b und 8 c Antriebsaggregats noch einmal überprüft werden, ausgeführt ist, aus einer Hauptbrennkammer 9 mit wobei hierbei die Pumpendrücke für die Schubein- Schubdüse 10 und aus Treibstofförderpumpen 11, heit auf diejenigen Werte »eingefahren« werden 12,13 und 14. Die Treibstofförderpumpen 11 und 12 können, welche die Schubeinheit zu ihrem optimalen sind auf dem äußeren Ende einer Hohlwelle 15 ange-Betrieb erfordert. Dann werden die vorgenannten 40 ordnet, auf deren innerem Ende die Turbine 7 Ventile geöffnet und die Schubeinheit gezündet, die befestigt ist. Innnerhalb der Hohlwelle 15 verläuft durch die vorerwähnten Maßnahmen nunmehr in eine zentrale Welle 16, auf deren äußerem Ende die kürzester Zeit (nur einige Zehntelsekunden) ihren Treibstofförderpumpen 13 und 14 und auf deren Sollschub erreicht, und zwar aus dem Grunde, weil innerem Ende die mehrstufige Turbine 8 angeordnet die Schubeinheit nicht vom Betriebspunkt »Null« 45 sind. Zwischen der ersten und zweiten Turbinenstufe aus, also aus sich selbst heraus, »hochfahren« muß·. 8 a und 8& ist eine Zwischenbrennkammer 17 vor-Das selbständige »Hochfahren, das 3 bis 5 Sekunden gesehen, in der die in der Vörbrennkammer 6 erdauern würde, zieht bei einem Triebwerk sehr hoher zeugten Treibgase verhältnismäßig niedriger Tem-Leistung infolge des mit der Anfahrperiode ursäch- peratur nach Energieabgabe in der Turbine 7 und lieh verbunden schlechten Wirkungsgrades effektiv 50 der Turbinenstufe 8 α aufgeheizt werden, wodurch große Treibstoffverluste nach sich. Auch wenn das die Antriebsleistung der nachfolgenden Turbinen-Hauptstromraketentriebwerk ebenfalls einige Sekun- stufen 8 & und 8 c gesteigert wird. Die Pumpe 11 forden für den Anfahrvorgang benötigt und das An- dert jeweils über eine Saugleitung 19 aus einem Vorfahren ebenfalls mit einem schlechteren Wirkungs- ratsbehälter 18 flüssigen Sauerstoff über Druckleigrad vor sich geht, so beträgt beim Anfahren der 55 tungen 20 und 21 zur Vorbrennkammer 6 sowie zur Treibstoffverlust eines relativ kleinen Hauptstrom- Hauptbrennkammer 9 des Hauptstromraketentriebraketentriebwerks gegenüber einem Nebenstrom- werks 2 bzw. 3, während die Pumpe 12 jeweils über triebwerk sehr großer Leistung doch nur einige eine Saugleitung 22 aus einem Vorratsbehälter 23 Prozent. In Verbindung mit dem Obengesagten läßt flüssigen Brennstoff, im Beispielsfall Wasserstoff, sich leicht errechnen, daß durch die erfindungs- 60 über eine Druckleitung 24 zur Vörbrennkammer 6 gemäße Triebwerkszusammenstellung in Verbindung fördert. Die Pumpen 13 der beiden Hauptstrommit der gewählten Startverfahrensweise eine wesent- raketentriebwerke 2 und 3 fördern über Saugleitunliche, im wahrsten Sinne des Wortes ins Gewicht gen 25 flüssigen Sauerstoff durch Druckleitungen fallende Treibstoffersparnis erreicht wird. 26 a und 26 & und die Pumpen 14 über Saugleitungen

Ferner liegen Vorteile der erfindungsgemäßen 65 27 flüssigen Wasserstoff durch Druckleitungen 28 α

Triebwerksausführung darin, daß das Wiederzünden und 28 b zur Brennkammer 4 der Schubeinheit 1. In

des Triebwerks erleichtert wird und daß eine Art den Druckleitungen 26 a sowie 26 & und 28 a sowie

»Leerlaufbetrieb« des Triebwerks, und zwar unter 28 & sind Ventile 29 (Zweiwegeventile) vorgesehen.

Von der Druckseite der Pumpen 13 und 14 führen Kurzschlußleitungen 30 zu den Vorratsbehältern 18 und 23 zurück.

Das Anlassen des Antriebsaggregats erfolgt, wie bereits erwähnt, in der Weise, daß zuerst das oder die Hauptstromraketentriebwerke 2 und 3 gestartet werden, wobei die Ventile 29 so geschaltet sind (Sperrstellung), daß die Treibstofförderpumpen 13 und 14 im Kurzschlußbetrieb arbeiten. Nachdem die Hauptstromraketentriebwerke 2 und 3 auf Voll- to betrieb laufen, werden die Ventile 29 umgeschaltet und die Brennkammer 4 der Schubeinheit mit Treibstoff versorgt. Gleichzeitig erfolgt die Zündung der Brennkammer 4. Bei »Leerlaufbetrieb« des Antriebsaggregats, der so definiert ist, daß lediglich die Hauptstromraketentriebwerke 2 und 3 laufen, befinden sich die Ventile 29 ebenfalls in Sperrstellung. Der »Leerlaufbetrieb« ist eine Grundlage dafür, daß, wie bereits weiter vorn näher ausgeführt, bei Bedarf die Schubeinheitl bzw. das gesamte Antriebsaggregat äußerst schnell zur vollen Leistung gelangt.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Aus mehreren Flüssigkeitsraketen bestehendes Antriebsaggregat als Kombination mindestens einer aus Brennkammer und Schubdüse bestehenden Schubeinheit großer Leistung zur Erzeugung des überwiegenden Schubanteils eines vorbestimmten Gesamtschubs und mindestens eines Raketentriebwerks zur Erzeugung des kleineren Schubanteils, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die zur Erzeugung des kleineren Schubanteils dienendenRaketentriebwerkeHauptstromtriebwerke (2, 3) mit jeweils mindestens einer der Vorbrennkammer (6) nachgeschalteten Turbine zum Antrieb von Pumpen (11, 12, 13, 14) zur Treibstofförderung sind, wobei das oder die Hauptstromraketentriebwerke (2, 3) die Antriebsleistung zur Förderung der eigenen Treib- stoffkomponenten und der Treibstoffkomponenten für die Schübeinheit (1) liefern.

2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von jedem Hauptstromraketentriebwerk (2, 3) angetriebenen Pumpen (11,12,13,14) zur Förderung der eigenen Treibstoffkompönenten und der Treibstoffkomponenten für die Schubeinheit (1) jeweils auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, die von einer mehrstufigen Turbine des Hauptstromraketentriebwerke (2, 3) angetrieben wird.

3. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von jedem Hauptstromraketentriebwerk (2, 3) angetriebenen Pumpen (11,12,13,14) zur Förderung der eigenen Treibstoffkomponenten und der Treibstoffkomponenten für die Schubeinheit {1) getrennt voneinander auf zwei konzentrisch zueinander angeordneten Wellen, nämlich einer zentralen Welle (16) und einer Hohlwelle (15), angeordnet sind, die unabhängig voneinander von mechanisch getrennten ein- und/oder mehrstufigen Turbinen (7, 8) angetrieben sind.

4. Antriebsaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpen (11, 12) zur Förderung der Treibstoffkomponenten für das jeweilige Hauptstromraketentriebwerk (2, 3) der Hohlwelle (15) zugeordnet sind, die von einer der Vorbrennkammer (6) unmittelbar nachgeschalteten einstufigen Turbine (7) angetrieben wird, während die Pumpen (13., 14) zur Förderung der Treibstoffkomponenten für die Schubeinheit (1) der zentralen Welle (16) zugeordnet sind, die von einer mehrstufigen Turbine (8) angetrieben wird.

5. Antriebsaggregat nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrstufiger Ausbildung der in Strömungsrichtung vorderen Turbine vor mindestens einer der Zwischenstufen und bei mehrstufiger Ausbildung der in Strömungsrichtung hinteren Turbine (8) mindestens vor einer Stufe (8 a, 8 b, 8 c) eine Zwischenbrennkammer (17) zur Leistungssteigerung durch Zwischenüberhitzung vorgesehen ist.

6. Antriebsaggregat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Installierung mehrerer HauptstrOmraketentriebwerke (2, 3) diese konzentrisch um die Schubeinheit (1) angeordnet sind.

7. Antriebsaggregat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Häuptstromraketentriebwerke (2, 3) zur Schubvektorsteuerung dienen.

8. Antriebsaggregat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltüng eines »Leerlaufbetriebes« nur das oder die Hauptstromraketentriebwerke (2, 3) betrieben werden, wobei infolge der im »Kurzschlußbetrieb« arbeitenden Pumpen (13, 14) die Treibstoffzufuhr zur Schubeinheit (1) unterbunden ist.

9. Verfahren zum Anlassen des Antriebsaggregats nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das oder die Hauptstromraketentriebwerke (2, 3) gezündet und bei unterbundener Treibstoffzufuhr zur Schübeinheit (1) hochgefahren werden und daß erst nach Erreichen des Vollbetriebs des oder der HauptstrOmraketentriebwerke (2, 3) die Zufuhr der Treibstoffkomponenten zur Schubeinheit (1) freigegeben und deren Brennkammer (4) gezündet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen