DE1626067B1 - Zündsystem für Brennkammern von Raketentriebwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zündsystem für Brennkammern von Raketentriebwerken, insbesondere für Vorbrennkammern von Hauptstromraketentriebwerken, mit einer Einförderung der beiden, nicht hypergolen Treibstoffkomponenten in die Brennkammer über viele, auf der Stirnseite des Einspritzkopfes in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, zueinander benachbarte Öffnungen, wobei zum Zünden der Brennkammer in diese die eine der beiden Treibstoffkomponenten und das mit dieser hypergol reagierende Zündmittel gleichzeitig durch einander benachbarte Öffnungen eingebracht werden.

Zum Zünden der Brennkammer eines z. B. mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Raketentriebwerks ist es bekannt, Chlortrifluorid oder Aluminiumtriäthyl als Zündmittel zu verwenden, je nachdem bei Ingangsetzen der Brennkammer vorab Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennkammer eingebracht wird, die mit dem einen oder anderen der vorgenannten Zündmittel hypergol reagieren. Nach Zünden der Brennkammer wird dann die jeweilige zweite Treibstoffkomponente in die Brennkammer eingefördert und diese voll in Betrieb genommen (NASA, Technical Note, D 684, April 1961). Das Einbringen der vorgelagerten Zündmittelmenge erfolgt hierbei über einen einzigen in die Brennkammer führenden Zündkanal und wird durch ein unbrennbares (inertes) Druckgas bewirkt, das die für einen Zündvorgang bestimmte Zündmittelmenge aus einem für mehrere Zündungen bemessenen Vorratsbehälter verdrängt und über eine Zufuhrleitung und den erwähnten Zündkanal schräg zu den Einspritzöffnungen für die Sauerstoffkomponente in die Brennkammer einfördert. Um Oxydbildung und Verstopfung der Zulaufleitung und des Zündkanals zu vermeiden, wird vor jeder neuen Zündung der Zündkanal mit unbrennbarem Gas durchgespült. Es ist ferner bekannt, an Stelle eines unbrennbaren Gases eine Teilmenge der mit dem Zündmittel nicht reagierenden Treibstoffkomponente während des ganzen Betriebes durch den Zündkanal in die Brennkammer strömen zu lassen, um den Zündkanal vor Verkokung zu schützen.

Bei den bekannten Einspritzvorrichtungen wird das Zündmittel, wie bereits erwähnt, aus einem einzigen Kanal in die Brennkammer eingespritzt. Durch die Lokalisierung des Zündherdes ist jedoch ein spontanes Durchzünden der Brennkammer nicht immer gewährleistet, so daß Fehlzündungen nicht ausgeschlossen sind. Ferner ergibt es sich, daß während der Übergangszeit zwischen Zündphase und Vollbetrieb der Brennkammer, also am Ende der Zündphase, im Bereich der Zünddüse sowohl Zündmittel als auch Brennstoff miteinander vermischt eingefördert werden. Durch nachfolgende Verbrennung dieses Gemisches treten jedoch hohe Temperaturspitzen auf, durch welche die Brennkammerwände überhitzt und beschädigt werden können. Um diesen nachteiligen Umstand zu vermeiden, ist man bestrebt, die einzuspritzende Zündmittelmenge möglichst klein zu halten. Dies setzt jedoch eng bemessene Zündkanäle voraus, die wiederum Gefahrenquellen für Zündstörungen (durch schnelle Verkokung) bilden. Außerdem kann eine zu klein bemessene Zündmittelmenge überhaupt ein Versagen der Zündung nach sich ziehen.

Ferner sind, wie sie USA.-Patentschrift 3 334 490 zeigt, für Brennkammern von Raketentriebwerken scheibenförmige Einspritzköpfe bekannt, die über ihrer ganzen, zum Brennkammerinnenraum hin gerichteten Stirnfläche verteilt zum Einspritzen beider Treibstoffkomponenten viele kleine, nahe beieinanderliegende Bohrungen aufweisen. Dabei wird auf der radial äußeren Ringzone aus den Öffnungen zum Zwecke der Kühlung der Brennkammerwand nur Brennstoff ausgespritzt, während in den radial weiter innenliegenden Bereichen Bohrungen, aus denen Brennstoff in die Brennkammer gelangt, mit Bohrangen, aus denen Oxydator gespritzt wird, abwechseln. Die Zündung der Brennkammer erfolgt dabei entweder dadurch, daß die Brennkammer von vornherein mit hypergolen Treibstoffkomponenten betrieben wird oder aber durch übliche Zündeinrichtungen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln ein betriebssicher arbeitendes Zündsystem für eine Raketenbrennkammer zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die mit dem Zündmittel nicht hypergol

ao reagierende Treibstoffkomponente das Zündmittel vor sich herschiebt, wobei dieses und die mit ihm nicht hypergol reagierende Treibstoffkomponente durch ein und dieselben Öffnungen im Einspritzkopf in die Brennkammer gelangen.

Durch das erfindungsgemäße Zündsystem wird mit Sicherheit ein spontanes und über den Querschnitt der Brennkammer gleichmäßiges Durchzünden der Brennkammer erreicht, wobei im Hinblick auf die ohnehin vorhandenen Einrichtungen des Zünd- und Treibstoff systems kein zusätzlicher Bauaufwand bzw. kerne zusätzlichen Einrichtungen und Hilfsmittel erforderlich sind; denn das Zündmittel wird von der Treibstoffkomponente in die Brennkammer eingetrieben, mit der es nicht hypergol reagiert, die dann nach dem Zündvorgang den Brennkammervollbetrieb mit der anderen Treibstoffkomponente »nahtlos« übernimmt. Aus den angegebenen Gründen arbeitet das erfindungsgemäße Zündsystem insofern auch betriebssicher, als beim Versagen eines Ventils weder Zündmittel nich die nicht mit diesem hypergol reagierende Treibstoff komponente in die Brennkammer gelangen, so daß die Möglichkeit einer Explosion oder einer örtlichen Überhitzung durch unerwünschte Treibstoffkonzentrationen ausgeschlossen ist.

In Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem Einspritzkopf mit auf mehreren Kreisen auf seiner Stirnseite angeordneten Öffnungen zum Einbringen der Treibstoffkomponenten weiter vorgeschlagen, die Öffnungen zum Einbringen des Zündmittels bzw. der nicht mit diesem hypergol reagierenden Treibstoffkomponente auf einem mittleren Kreis vorzusehen, wobei zwischen den vorgenannten Öffnungen — in Umfangsrichtung betrachtet — Öffnungen zum Einbringen lediglich einer kleineren Teilmenge der mit dem Zündmittel hypergol reagierenden Treibstoffkomponente liegen und radial innerhalb und außerhalb des mittleren Kreises mindestens je ein Kreis von Öffnungen zum Einbringen der übrigen, größeren Teilmenge der mit dem Zündmittel hypergol reagierenden Treibstoffkomponente vorgesehen ist.

Durch diese Maßnahme ist die sichere Gewähr dafür gegeben, daß das eingeförderte Zündmittel nicht nur in der mittleren Ringzone unmittelbar benachbart die mit ihr hypergol reagierende Treibstoffkomponente vorfindet, sondern daß auch durch die radial innere und äußere Beschickung der Brennkammer mit dieser für das Zündmittel hypergolen Treibstoffkomponente allseits eine reaktionsfreund-

liehe Umgebung geschaffen wird, die eine absolute Gewähr für das Zustandekommen einer Zündung gewährleistet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer und einen Teil des Treibstoffversorgungssystems und

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II gemäß Fig. 1. ίο

Die in F i g. 1 dargestellte Brennkammer 1 ist als Ringbrennkammer ausgebildet, die im Beispielsfall als Vorbrennkammer für ein sogenanntes Hauptstromraketentriebwerk dient, wobei die in der Brennkammer 1 erzeugten Treibgase eine Turbine (nicht gezeichnet) zum Antrieb von Hiifsgeräten beaufschlagen. Auf der Stirnseite des Einspritzkopfes 2 der Brennkammer 1 sind über den Umfang verteilt Einspritzdüsen als Öffnungen 3 vorgesehen, die während des Vollbetriebes der Brennkammer 1 über einen gemeinsamen, im Brennkammergehäuse 4 verlaufenden Ringraum 5 mit Treibstoff T versorgt werden. In Umfangsrichtung gesehen sind zwischen den Einspritzdüsen kleinere Öffnungen 6 zum Einbringen einer kleineren Teilmenge der zweiten, mit dem Zündmittel Z hypergol reagierenden Treibstoffkomponente (Sauerstoffträger S) vorgesehen. Im Einspritzkopf 2 ist ferner noch ein radial äußerer Kreis und ein radial innerer Kreis von Öffnungen? angeordnet, durch welche die übrige größere Teilmenge der mit dem Zündmittel Z hypergol reagierenden Treibstoffkomponente S eingebracht wird. Das Zündmittel Z ist in einem Zündmittelvorratsraum 8 gespeichert, der innerhalb der Haupttreibstoffleitung 9 angeordnet ist. Die beiden Stirnseiten 10 des Zündmittelvorratsraumes 8 sind mit je einer Durchflußbohrung 11 versehen, die, um ein Auslaufen des Zündmittels vor Inbetriebnahme der Brennkammer 1 zu vermeiden, mit Platzmembranen 12 verschlossen sind.

Beim Starten des Triebwerks wird zunächst die Sauerstoffkomponente 5 in die Brennkammer 1 eingefördert, wobei das Sauerstoffgas bereits Leistung an die in der Zeichnung nicht dargestellte Turbine abgibt und diese beschleunigt. Beim Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl der Turbine wird ein in Strömungsrichtung vor dem Zündmittelvorratsraum 8 in der Haupttreibstoffleitung 9 angeordnetes Ventil 13 selbsttätig geöffnet. Dadurch kann die unter Druck stehende Treibstoffkomponente T auf die Platzmembranen 12 im Zündmittelvorratsraum 8 einwirken und sie zerstören. Hierauf schiebt die Treibstoffkomponente T das Zündmittel Z vor sich her und preßt es durch die Einspritzdüsen in die Brennkammer 1, die so aufeinander abgestimmt sind, daß sie unter einem bestimmten Druck gleichzeitig öffnen. Das Zündmittel Z wird in den gesamten Brennkammerinnenraum gleichmäßig verteilt eingebracht. Durch die Konstellation zwischen den Öffnungen 3 und den Öffnungen 6 und 7 wird mit Sicherheit eine hypergole Reaktion bzw. Zündung der Brennkammer 1 hervorgerufen. Nach Einspritzen der gesamten Zündmittelmenge in die Brennkammer 1 wird aus den gleichen Einspritzdüsen die zweite Treibstoffkomponente T in die Brennkammer 1 eingefördert und das Triebwerk nunmehr voll in Betrieb genommen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Zündsystem für Brennkammern von Raketentriebwerken, insbesondere für Vorbrennkammern von Hauptstromraketentriebwerken, mit einer Einförderung der beiden, nicht hypergolen Treibstoffkomponenten in die Brennkammer über viele, auf der Stirnseite des Einspritzkopfes in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, zueinander benachbarte Öffnungen, wobei zum Zünden der Brennkammer in diese die eine der beiden Treibstoffkomponenten und das mit die-. ser hypergol reagierende Zündmittel gleichzeitig durch einander benachbarte Öffnungen eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Zündmittel (Z) nicht hypergol reagierende Treibstoffkomponente (T) das Zündmittel (Z) vor sich herschiebt, wobei dieses und die mit ihm nicht hypergol reagierende Treibstoffkomponente (T) durch ein und dieselben Öffnungen (3) in die Brennkammer (1) gelangen.

2. Zündsystem nach Ansprach 1, mit auf mehreren Kreisen auf der Stirnseite des Einspritzkopfes angeordneten Öffnungen zum Einbringen der Treibstoffkomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (3) zum Einbringen des Zündmittels (Z) bzw. der nicht mit diesem hypergol reagierenden Treibstoffkomponente (Γ) auf einem mittleren Kreis liegen und zwischen diesen Öffnungen (3) — in Umfangsrichtung betrachtet — Öffnungen (6) zum Einbringen lediglich einer kleineren Teilmenge der mit dem Zündmittel (Z) hypergol reagierenden Treibstoffkomponente (T) liegen, wobei radial innerhalb und außerhalb des mittleren Kreises mindestens je ein Kreis von Öffnungen (7) zum Einbringen der übrigen, größeren Teilmenge der mit dem Zündmittel (Z) hypergol reagierenden Treibstoffkomponente (S) vorgesehen ist.

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