DE1626101B1 - Treibstoffversorgungssystem für ein Raketentriebwerk - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Treibstoffversor- Dies führt demnach dahin, daß die dampfförmige

gungssystem für ein Raketentriebwerk, welches mit- und flüssige Phase der Treibstoffe scharf vonein-

tels mehrerer flüssiger kryogener Treibstoffkomponen- ander getrennt und die Treibstoffe jeweils über ge-

ten, d. h. solcher in Form verflüssigter Gase tiefer trennte Einspritz- bzw. Einblassysteme in die Brenn-

Temperatur, beispielsweise flüssigem Sauerstoff und 5 kammer eingeführt werden.

flüssigem Wasserstoff, betrieben wird, wobei die vor Bei der Umschaltung von der Beaufschlagung der

dem Starten des Triebwerks bzw. unmittelbar danach Brennkammer mit dampfförmigen Treibstoffen über

durch Einwirkung der Umgebungstemperatur aus den das eine Einspritzsystem zur Beaufschlagung mit rein

Treibstoffbehältern abdampfenden Treibstoffkompo- flüssigen Treibstoffen über das zweite Einspritzsystem

nenten nach deren Zündung zur Schuberzeugung her- io muß ein schubloser Zwischenintervall eingeschaltet

angezogen werden. werden, um im weiteren einen sicheren Betrieb zu ge-

Es sind Raketentriebwerke bekannt, welche zu währleisten.

ihrem Antrieb kryogene Treibstoffe, d. h. verflüssigte Bei den bekannten Treibstoffversorgungssystemen Gase, als Treibstoffe verwenden. Diese Raketentrieb- müssen also mehrere Einblassysteme bzw. Einspritzwerke werden mit einer kryogenen Treibstoffkompo- 15 systeme zur Anwendung kommen. Hierbei wird es als nente in Form flüssigen Oxydators und einer weiteren nachteilig angesehen, daß diese Systeme keine opti-Treibstoffkomponente in Form eines lagerfähigen malen Einströmverhältnisse und daher keine ausreiflüssigen Brennstoffes betrieben. chende Vermischung der Treibstoffkomponenten ge-

Durch die in jüngerer Zeit notwendig gewordenen währleisten. Als weiterer Nachteil tritt hinzu, daß

Leistungssteigerungen von Raketentriebwerken ist es 20 diese bekannten Triebwerke mitunter einen kleinen

zweckmäßig, nur kryogene Treibstoffe zum Antrieb Schubverstellbereich aufweisen,

eines Raketentriebwerkes anzuwenden. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter

Die Anwendung verflüssigter Gase tiefer Tempera- Vermeidung der oben angeführten Nachteile ein ver-

turen bringt jedoch eine Reihe von Problemen mit einfachtes Treibstoffversorgungssystem für ein schnell

sich, welche an Hand eines nachstehend beschriebe- 25 einsatzbereites und leistungsstarkes Flüssigkeits-

nen bekannten Treibstoffversorgungssystems aufge- raketentriebwerk zu schaffen, welches neben sicherer

zeigt sind. und leichter Zündbarkeit, optimalen Einströmver-

Dieses bekannte Raketenantriebssystem wird mit hältnissen und ausreichender Durchmischung der

zwei kryogenen Treibstoffkomponenten, beispielsweise Treibstoffkomponenten einen großen Schubverstell-

flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff, betrie- 30 bereich gewährleistet.

ben. Der flüssige Sauerstoff wird hierbei direkt und Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß

flüssig in die Brennkammer des Triebwerkes einge- vorgeschlagen, daß sowohl für die vor dem Starten

führt; der flüssige Wasserstoff wird unter gleichzeitiger des Triebwerkes bzw. unmittelbar danach abdamp-

Kühlung der Brennkammer verdampft und gelangt in fenden Treibstoffkomponenten als auch für die im

gasförmigem Zustand in die Brennkammer. 35 Verlauf der weiteren Startphase in flüssigem Zustand

Hierbei müssen die Treibstoffleitungen, welche die aus den Treibstoffbehältern nachströmenden Treibflüssigen Gase von den zugehörigen Treibstofftanks, Stoffkomponenten, die in an sich bekannter Weise auf d. h. von den Treibstoffbehältern, zur Brennkammer Grund der Wärmeabgabe in der als Regenerativkühler führen, stark gekühlt sein, um den flüssigen Zustand ausgebildeten Brennkammer und/oder Schubdüse der Gase stets aufrechtzuerhalten. Dies trifft hierbei 40 verdampfen, ein und dieselben Einblaskanäle zur z. B. im besonderen für den direkt und flüssig in die Einführung in die Brennkammer dienen.
Brennkammer einzuführenden Sauerstoff zu. Es findet somit bei einem Treibstoffversorgungs-

Zur Kühlhaltung der flüssigen Gase sind die züge- system nach der Erfindung unabhängig von der Wahl hörigen Treibstoffleitungen isoliert. Es hat sich jedoch der einzelnen Treibstoffbeaufschlagungsphasen stets gezeigt, daß diese Rohrleitungsisolationen in vielen 45 das gleiche für die Dampfphase ausgelegte Treibstoff-Fällen nicht ausreichend wirksam sind, so daß die zu- einblassystem Anwendung. Da sich die Treibstoffe sätzliche Anwendung besonderer Kühlaggregate er- somit grundsätzlich stets vor ihrem Eintritt in die forderlich wurde. Brennkammer in einem dampfförmigen Zustand be-

Es hat sich ferner gezeigt, daß vor dem Start die- finden, entfällt somit auch die bei einem herkömmses bekannten Triebwerkes ein Teil der Brennkam- 50 liehen Triebwerk mit flüssiger und gasförmiger Treibmer oder zumindest das für den flüssigen Treibstoff Stoffeinbringung erforderliche Zuordnung eines speausgelegte Einspritzsystem der Brennkammer zusatz- ziell für die flüssige Treibstoffzufuhr ausgebildeten lieh auf die zugehörige Flüssigkeitstemperatur vorge- Einspritzsystems zu einem für eine gasförmige Treibkühlt werden muß. stoffzufuhr geeigneten Gaseinblassystems.

Es folgt hieraus also, daß dieses Triebwerk erst 55 Der Vorteil eines mit dem erfindungsgemäßen Ver-

nach der erforderlichen Kühlung der Treibstoff- sorgungssystem ausgestatteten Triebwerkes ist darin

leitungen sowie des zur Einführung der flüssigen Gase zu sehen, daß es wahlweise mit den Treibstoff-Beauf-

in die Brennkammer dienenden Einspritzsystems ein- schlagungsphasen flüssig/flüssig, flüssig/Gas oder Gas/

satzbereit ist. Gas zu betreiben ist. Es gelangen somit unabhängig

Ferner ist ein Treibstoffversorgungssystem für ein 60 von der Wahl der einzelnen Beaufschlagungsphasen mit flüssigen Treibstoffen betriebenes Raketentrieb- die Treibstoffe grundsätzlich in dampfförmigem Zuwerk bekannt, das für den Start im schwerelosen Zu- stand in die Brennkammer. Die Bezeichnung »Beaufstand vorgesehen ist (USA.-Patentschrift 3 224189). schlagungsphase« bezieht sich hierbei also immer auf Während hierbei die aus den Treibstoffbehältern ab- den Aggregatzustand der Treibstoffkomponenten vor dampfenden Treibstoffkomponenten der Brennkam- 65 dem Regenerativsystem Brennkammer—Schubdüse, mer zugeführt und darin gezündet werden, wird die Bei einem Versorgungssystem nach der Erfindung Brennkammer im Anschluß an die Startphase mit entfällt somit die bei direkter flüssiger Einbringung in rein flüssigen Treibstoffkomponenten versorgt. die Brennkammer erforderliche Gemischaufbereitung

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zur Zündung und zur Verbrennung der Treibstoffe in triebssystem eine anschließende Hauptantriebsphase der Brennkanuner, Pie vor dem Start des Trieb- verlangt, so öffnen sich die zusätzlichen Ventile in werkes bereits in einen dampfförmigen Zustand über- den Haupttreibstoffleitungen, und die Ventile in den geführten flüssigen Gase sind sicher und leicht zu zusätzlichen, die abdampfenden Treibstoffe führenzünden und ermöglichen eine rasche.Einsatzbereit- 5 den Leitungen werden geschlossen oder schließen als schaft des Triebwerkes und demzufolge auch einen Rückschlagventile von selbst, wenn die einwirkende kurzzeitig erforderliehen Pulsbetrieb, um die Lage Vorbeschleunigung den Druck am unteren Tankeines Plugkörpers zu regeln. Außerdem ist die Explo- boden durch die entsprechende Flüssigkeitshöhe ansionsgef ahr 4er Brennkammer stark vermindert, steigen läßt. Das Triebwerk arbeitet dann mit flüssiger

Die nach dem Start bzw. unmittelbar danach ein- j,q Treibstoffzufuhr.

tretende Vorverdampfung und damit weiter an- Gegen Ende der letzten Hauptantriebsphase behaltende dampfförmige Einbringung der Treibstoffe steht dann auf Grund der Unempfindlichkeit gegen in die Brennkammer führt zu einer beschleunigten, sich verändernde Phasen der dem Triebwerk zugeintensivierten Verbrennung der Treibstoffe und damit führten Treibstoffe die Möglichkeit, die flüssigen zu erhöhter Schubleistung des Triebwerkes. 15 Treibstoffe restlos zu verbrauchen, bis die Druckgase

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Versor- nachströmen. Mit Vorteil können, bei kryogenen gungssystem mit direkter, flüssiger Einbringung der Treibstoffkombinationen die Treibstoffe selbst zur flüssigen Gase in die Brennkammer entfallen bei Druckgaserzeugung herangezogen werden, so daß sich einem Triebwerk nach der Erfindung die aufwendi- ohne Übergang an den Betrieb mit den flüssigen gen Rohrisolationen für die von den. Treibstofftanks ?q Treibstoffresten eine Schubphase unter Ausnutzung abführenden Leitungen. Dies wirkt sich dahingehend der Druckgase anschließen kann. Die Druckgase günstig aus, daß die in den Treibstaffleitungen befind- können verbraucht werden, bis der zulässige niedlichen flüssigen Gase bereits vor dem Start des Trieb- rigste Brennkammerdruck erreicht wird,
werkes erwärmt und in einen gasförmigen Zustand Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgeübergeführt sind. 35 mäßen Treibstoffversorgungssystems sind in den

Bei einem Versorgungssystem nach der Erfindung Unteransprüchen aufgezeigt.

entfallen ferner zusätzliche Kühlmaßnahmen, welche An Hand einiger schematisch dargestellter Ausfüh-

bei flüssiger Treibstoffeinspritzung zum Kühlen des rungsbeispiele, die auch zweckmäßige Ausgestaltun-

für die flüssige Treibstoffzufuhr ausgelegten Einspritz- gen des Gegenstandes der Erfindung beinhalten, wird

systems erforderlich sind, 3g in den Zeichnungen die Erfindung weiter erläutert.

Es ist ferner zu bemerken, daß durch die aus- In den Zeichnungen zeigt

schließlich dampfförmige Einführung der Treibstoff- F i g. 1 ein erfindungsgemäßes Treibstaffversor-

komponenten in die Brennkammer gemäß dem Treib- gungssystem für ein Raketentriebwerk in seiner

Stoffversorgungssystem nach der Erfindung im Gegen- grundsätzlichen Ausführungsform,

satz zur Flüssigtreibstoffeinspritzung eine lineare Ab- 35 Fig. 2 einen Längsschnitt der Brennkammer und

hängigkeit zwischen dem Treibstoffdurehsatz und deren "zugehöriger Schubdüse eines mit dem erfin-

d&m Emspritz-(Einblas-)Vordruck besteht. Hierdurch dungsgemäßen Treibstoffversorgungssystem gemäß

bleibt das Einspritz-(Einblas-)Druckgefälle konstant, Fig. 1 versehenen Triebwerkes,

während bei flüssiger Einspritzung in die Brennkam- Fig. 3 ein Schaubild über den qualitativen Schub-/

mer das Einspritzdruckgefälle einer etwa quadrati- 40 Zeitverlauf während der Startphase eines Trieb-

schen Änderung unterliegt, Es werden somit bei flüs- werkes nach Fig, I,

siger Einspritzung niedrige Schübe durch zu geringe Fig, 4 eine zweckmäßige Ausführungsform des er-

Emspritzgesehwindigkeit," welche mit schlechter findungsgemäßen Treibstoffversorgungssystems,

Durchmischung und Schwingungsneigung verbunden" Fig. 5 ein weiteres Schaubild mit "einer gegenüber

ist, begrenzt, und es werden ferner hohe Sehübe 45 F i g. 3 zusätzlichen Schubkennlinie, hervorgerufen

durch zu hohe Einspritzdrücke begrenzt. Demgegen- durch die Ausführungsform nach Fig, 4,

über bleibt bei dampfförmiger Einspritzung der Fig.6 eine weitere zweckmäßige Ausführungsform

Treibstoffe in die Brennkammer die Einspritzge- des erfindungsgemäßen Versorgungssystems, wobei

sehwindigkeit konstant, und der Einspritz-CEinblas-O nur der Bereich unmittelbar vor dem Einblaskqpf der

Druck verändert sich lediglich proportional mit dem 50 Brennkammer gezeigt ist,

Schub. Auf diese Weise erhöht sich bei unveränder- Fig. 7 eine letzte zweckmäßige Ausführungsform tem Einspritz-(Einblas-)Querschnitt der Schubverstell- des erfindungsgemäßen Treibstoffversorgungssystems, bereich von etwa 1: 5 auf etwa 1:100 bei einem In der folgenden Beschreibung der einzelnen Aus-Triebwerk mit dem erfindungsgemäßen Versorgungs- führungsbeispiele sind gleiche Teile im wesentlichen system. . 55 mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Während der Freiflugphase kann das mit dem er- In Fig. 1 sind die Isolationen 23 und 24 der findungsgemäßen Treibstoffversorgungssystem ausge- Treibstofftanks 14 und 19 gestrichelt angedeutet. Die stattete Triebwerk mit den aus den Treibstoffbehältern Isolationen 23 und 24 haben die Aufgabe, die in den abdampfenden Treibstoffkomponenten betrieben und Treibstoffbehältern 14 und 19 befindlichen Treibgezündet werden. Während der einsetzenden Be- 6p stoffe unterkühlt zu halten.

sehleunigung ergibt sich ein Schubverlauf mit Warm- Im Gegensatz zu herkömmlichen Triebwerken mit gas-Zündung, Kaltgas-Schubaufbau, kurzzeitigem Flüssigtreibstoffeinspritzung in die Brennkammer sind Mischphasenbetrieb und schließlich reinem Kaltgas- die Zufuhrleitungen 15,15« und 20, 20 a, welche die betrieb mit den jetzt aus der Flüssigkeit in den Tanks Treibstoffe von den Treibstoffbehältern 14, 19 in die abdampfenden Treibstoffen. Der weitere Schubverlauf 6g Brennkammer 1 führen, isolationsfrei, und es wird entspricht dann dem sich im Tank einstellenden, ab- auf diese Weise gewährleistet, daß bereits vor dem fallenden Druck. Der Vorgang kann beendet und be- Start des Triebwerkes die flüssigen Gase in den Leiliebig oft wiederholt werden. Wird von dem An- tungen 15, 20 durch Einwirkung der Umgebungstem-

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peratur erwärmt und demzufolge der. Brennkammer sich anschließenden Hauptantriebsphase öffnen sich in gasförmigem Zustand zugeführt werden, wodurch die zusätzlichen Ventile 36, 37 in den Haupttreibdas Triebwerk leicht und sicher zu zünden und so- stoffleitungen 15 a, 20 a, und die Ventile 34, 35 in den fort einsatzbereit ist. die abdampfenden Treibstoffe führenden Leitungen

In Fig. 1 sind die Haupttreibstoffleitungen 15 und 5 32, 33 werden geschlossen oder schließen als Rück-20 zur vereinfachten Darstellung jeweils nur an einer schlagventile von selbst, wenn die einwirkende VorSeite der Schubdüse 2 bzw. der Brennkammer 1 ent- beschleunigung den Druck am Boden des Treibstofflanggeführt (punktiert dargestellter Linienzug der behälters durch die entsprechende Flüssigkeitshöhe Treibstoffleitungen 15 und 20). In Fig. 1 sowie in ansteigen läßt. Das Triebwerk arbeitet dann mitilüsden nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispie- io siger Treibstoffzufuhr zu dem Regenerativsystem 8,9 len ist der Flüssigkeitsspiegel der Treibstoffe in den (als Teil der strichpunktiert dargestellten Leitungen Tanks 14 und 19 nach der erfolgten Vorbeschleuni- 15, 20 in F i g. 1).

gung jeweils mit 25 und 26 bezeichnet. Die strich- Gegen Ende der letzten Hauptantriebsphase bepunktiert angedeuteten Konturen 27 und 28 in den steht dann auf Grund der Unempfindlichkeit gegen Treibstoffbehältern 14,19 verdeutlichen die Wirkung 15 sich verändernde Phasen der dem Triebwerk zugedes während der Freiflugphase auftretenden Über- führten Treibstoffe die Möglichkeit, die flüssigen drucks. Treibstoffkomponenten restlos zu verbrauchen, bis

Das in F i g. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des er- die Druckgase aus dem Txeibstoffbehälter nachströfindungsgemäßen Treibstoffversorgungssystems für men. Mit Vorteil können kryogenen Treibstoffkombiein Raketentriebwerk enthält Einrichtungen, mit 20 nationen die Treibstoffe selbst zur Druckgaserzeugung deren Hilfe die aus den Treibstoffbehältern 14 und 19 herangezogen werden, so daß sich ohne Übergang an abdampfenden Treibstoffe oder Resttreibstoffe zur den Betrieb mit den flüssigen Treibstoffresten eine Schuberzeugung mit hinzugezogen werden können. Schubphase unter Ausnutzung der Druckgase an-Hierzu sind Rohrleitungen 32,33 vorgesehen, welche schließen kann. Die Druckgase können verbraucht mit ihrem einen Ende jeweils im oberen Ende eines 25 werden, bis der zulässige niedrigste Brennkammer-Treibstofftanks 14, 19 und mit ihrem anderen Ende druck erreicht wird.

jeweils in der einem jeden Treibstoffbehälter 14, 19 Wegen der geforderten Bahngenauigkeit bei Brennzugeordneten Haupttreibstoffzufuhrleitung 15, 20 schluß nach der letzten Hauptantriebsphase wird münden. In den Treibstoffleitungen 32, 33 befinden hierbei von dem weiten Schubverstellbereich Gesich wahlweise zu- oder abschaltbare Ventile 34, 35. 30 brauch gemacht, indem während der letzten Phase Weitere wahlweise zu- oder abschaltbare Ventile . mit einem stark verringerten Schubniveau gefahren 36, 37 befinden sich in den Haupttreibstoffzufuhr- wird, so daß sich dann die geringsten Schubschwanleitungen 15 α und 20 α, und zwar zwischen den züge- · kungen bei dem zu durchfahrenden Phasenwechsel hörigen Treibstoffbehältern 14,19 und den jeweiligen sowie ein geringerer Schubabfall bei sich absenken-Mündungsstellen M₁, M₃ der Leitungen 32 und 33 in 35 dem Tankdruck ergeben, die Haupttreibstoffzufuhrleitungen 15, 20. Die nach dem Start und während des Triebswerks-

Für die Funktion eines mit dem Versorgungs- betriebes einsetzende Verdampfung und damit Übersystem nach Fig. 1 ausgestatteten Triebwerkes wird führung der flüssigen Gase in den dampfförmigen Zunachfolgend der 'Fall einer Freiflugphase betrachtet, stand auf Grund der Wärmeabstrahlung der Brennwährend der unerwünscht hohe Verdampfungsverluste 40 kammer 1 und der Schubdüse 2 erfolgt gemäß Fig. 1 auftreten. Um im Zustand der Freiflugphase, d. h. bei in der strichpunktiert dargestellten Rohrleitung 15 an Schwerelosigkeit, den Schubverlauf in Abhängigkeit der Schubdüse 2 und der Leitung 20 an der Brennvon der Zeit sowie in Abhängigkeit von den einzelnen kammer. Diese Darstellung entspricht der in Fig. 2 Betriebszuständen während des Startes verfolgen zu gegebenen detallierten Darstellung von Brennkammer können, soll in der weiteren Beschreibung der Funk- 45 und Schubdüse.

tion des Versorgungssystems nach F i g. 1 die F i g. 3 Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind Brennkammer

mit einbezogen werden! . und Schubdüse zu einer gemeinsamen Antriebseinheit

In F ig. 3 ist der qualitative Schub-Zeit-Verlauf für miteinander verbunden. An ihrem oberen Ende ist ein mit zwei kryogenen Treibstoffkomponenten be- die Brennkammer 1 durch, den Einblaskopf 3 vertriebenes Triebwerk nach Fig. 1 für den Start unter 50 schlossen. Mit 4 und 5 sind fest mit dem Einblasschwerelosen Bedingungen aufgezeigt. Darin sind auf kopf 3 verbundene Regelventile, 'mit 6 und 7 die im der senkrechten Ordinate die Schubleistung S von Einblaskopf 3 befindlichen Einblaskanäle bezeichnet. Null bis lQp^io/o und, auf der waagerechten Ordinate Die Wandungen der Brennkammer 1 sind über deren eine entsprechende Zeiteinheit t von Null bis 4 auf- gesamten Mantelumfang von im wesentlichen in getragen, wobei denvzfätlichen Maßstab hier nur eine 55 axialer Richtung verlaufenden Kühlkanälen 8 durchqualitative Bedeutungzukommt. setzt, ebenso die Wandungen.der Schubdüse 2 von

Während· bzw. nach der Freiflugphase wind das Kanälen 9. Am oberen und unteren Ende der Brenn-Triebwerk über die Treibstoffleitungen 32, 33 ver- kammer münden die Kanäle 8 und 9 in die die sorgt. Während der einsetzenden Beschleunigung er- Brennkammer 1 an diesen Enden umgebende Ringgibt sich ein Schubverlauf entsprechend dem Kurven- 60 flanschen 10 und 11. Auch die Schubdüse 2 weist an zug 38 in Fig. 3 mit Warmgas-Zündung, Kaltgas- ihrem stromauf- und stromabwärtigen Ende hohle Schubaufbau, kurzzeitigem Mischphasenbetrieb und Ringflansche 12 und 13 auf, in welche die Kühlschließlich reinem Kaltgasbetrieb mit dem jetzt aus kanäle 9 mit ihren oberen und unteren Enden in entden Treibstoffbehältern 14^ 19 abdampfenden Treib- sprechender Weise einmünden. Stoffkomponenten. Der weitere Schubverlauf ent- 65 Das Triebwerk wird beispielsweise mit den kryogespricht dann den sich in den Treibstoffbehältern ein- nen Treibstoffkomponenten Fluor und Wasserstoff stellenden, abfällenden Drücken. Der Vorgang kann betrieben. Während des Triebwerkstriebes wird Fluor beendet und beliebig oft wiederholt werden. Bel· der als Oxydator, von dem Treibstoffbehälter 14 (Fig. 1)

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kommend, über die Treibstoffzufuhrleitung 15 a und Das in Abhängigkeit von diesen Betriebsphasen sich

den Kanalstutzen 16 in den Ringflansch 13 der Schub- ergebende Schubniveau ist an Hand des ausgezogenen

düse 2 und von da in deren zugehörige Kühlkanäle 9 Kurvenzuges 38 ersichtlich, der dem Kurvenzug 38

eingeführt. Durch die Wärmeabgabe der Schubdüse 2 nach Fig. 3 entspricht. Dieser Kurvenzug entsteht

wird das flüssige Fluor innerhalb der Kühlkanäle 9 5 bei einem Rohrleitungssystem ohne Anwendung von

verdampft. Anschließend tritt das gasförmige Fluor Zwischenbehältern 40 a, 40 b. Man erkennt den star-

über den Ringkanal 12 am oberen Ende der Schub- ken Anstieg der Kurve 38 nach der Zündung über

düse 2 und den an den Ringkanal 12 angeschlossenen den Auslegungsschub (100 %) hinaus. Jedoch braucht

Kanalstutzen 17 in die gestrichelt dargestellte Treib- die maximale Zündspitze im Normalfall nicht den

Stoffleitung 18 (Fig. 2) und gelangt von dort über io Auslegungsschub zu erreichen. Der Abfall der Kurve

das zugehörige Regelventil 4 und den Einblaskanal 6 38 nach der Zündspitze erfolgt durch die einsetzende

in die Brennkammer 1. Regenerativkühlung der Brennkammer 1 und der

Aus dem Treibstoffbehälter 19 (Fig. 1) strömt die Schubdüse2 und die damit verbundene zusätzliche andere Treibstoffkomponente, in diesem Falle bei- Erwärmung der dem Triebwerk zugeführten Teibspielsweise flüssiger Wasserstoff, über die zugehörige 15 stoffgase. Ist das Rohrleitungssystem heruntergekühlt Treibstoffleitung 20 α und über den Kanalstutzen 21 und strömen aus den Treibstoffbehältern 14, 19 so-(F i g. 2) in den am unteren Ende der Brennkammer 1 wohl Treibstoffgase als auch Flüssigkeiten dem Triebbefindlichen Ringflansch 11 und von dort in die werk vor dessen Regenerativsystem Brennkammer— Kühlkanäle 8 innerhalb der Wandungen der Brenn- Schubdüse zu, dann setzt, hierdurch bedingt, die kammer 1. In den Kühlkanälen 8 verdampft der flüs- 20 »Mischphase« mit Schubschwankungen ein. Es folgt sige Wasserstoff und gelangt über den am oberen mit der anschließenden »Flüssigphase« ein weiterer Ende der Brennkammer 1 befindlichen Ringflansch Schubanstieg bis zum Auslegepunkt. Die Auswirkung 10 in eine ebenfalls gestrichelt dargestellte Treibstoff- der Zwischenbehälter 40a, 40b (Fig. 4) auf das leitung 22 und von dort zu dem Regelventil 5, von Schubniveau während der Startphase wird durch den wo der gasförmige Wasserstoff über den zugehörigen 25 strichpunktiert dargestellten Kurvenzug 41 nach Einblaskanal 7 im Einblaskopf 3 in die Brenn- Fig. 5 verdeutücht. Man erkennt aus dem Schubverkammer 1 eingeführt wird. Die Treibstoffe sind wäh- lauf entsprechend der Kurve 41, daß die Schubrend des Triebwerkbetriebes also stets im gasförmigen Schwankungen durch starke Dämpfung mittels der Zustand, bevor sie zur Verbrennung in die Brenn- Zwischenbehälter 40 a, 406 ausreichend unterdrückt kammer gelangen. Die Ventile 4 und 5 sind vorteil- 30 werden können.

hafterweise den zugehörigen Kühlkanälen8 und 9 Fig. 6 zeigt ausschnittsweise eine dahingehende

nachgeschaltet und sind deshalb reine Gasregelventile, Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Versorgungs-

die wesentlich einfacher auszuführen sind als ent- systems, daß die dampfförmigen Treibstoffkompo-

sprechende, bei flüssiger Treibstoffzufuhr in die nenten vor dem Eintritt in die Brennkammer unter

Brennkammer vorzusehende Flüssigtreibstoffregel- 35 gleichzeitigem Zusatz von Metallpulver vorgemischt

ventile, für deren konstruktive Ausführung beispiels- werden, wobei dieses Treibstoffgemisch anschließend

weise die bei Flüssigkeiten auftretenden Kavitations- über den gemeinsamen Einblaskanal im Einblaskopf

erscheinungen und Temperaturdehnungen zu berück- in die Brennkammer gelangt. Die vor dem Start des

sichtigen wären. Triebwerks durch die Rohrleitungen 15, 20 von der

Fig. 4 weicht von dem Ausführungsbeispiel des 4° Umgebungstemperatur vorgewärmten und demzu-Treibstoffversorgungssystems nach Fig. 1 dahin- folge in einem gasförmigen Zustand übergeführten gehend ab, daß in zweckmäßiger Ausgestaltung zur Treibstoffe gelangen über die Kühlkanäle 8, 9 in die Dämpfung der Druck- und Temperaturschwankungen Regelventile 4 und 5 und von dort bei gleichzeitiger der in die Brennkammer eingeführten Treibstoffe und inniger Vermischung in eine gemeinsame, zum Eindamit zur Dämpfung der Schubschwankungen Zwi- 45 blaskopf 3 der Brennkammer 1 führende Mischleischenbehälter40a und 406 in den von den Treib- rung 30 und schließlich durch den gemeinsamen Einstoffbehältern 14, 19 zur Brennkammer 1 führenden blaskanal 31 im Einblaskopf 3 in die Brennkammer 1. Treibstoffleitungen 15, 20 angeordnet sind. Die Metallpulverzusätze gelangen aus einem geson-

Die Zwischenbehälter 40 α und 40 b sind den Kühl- derten Behälter 70 über eine daran anschließende kanälen 8 und 9 der Brennkammer 1 und der Schub- 5° Leitung 71, welche in der gemeinsamen Treibstoffdüse 2 nachgeschaltet und befinden sich oberhalb des leitung 30 mündet, unter inniger Vermischung mit Einblaskopfes 3. Aus den Zwischenbehältern 40 α den Treibstoffen gemeinsam in die Brennkammer,
und 40 & gelangen die dampfförmigen Treibstoffe in In der gleichen beschriebenen Weise werden auch die Regelventile 4 und 5 und von dort über die zum während des Triebwerksbetriebs die auf Grund der Einblaskopf 3 gehörigen Einblaskanäle 6 und 7 in 55 Wärmeabgabe der Brennkammer 1 und der Schubdie Brennkammer 1. Die Volumina der Behälter 40 düse 2 verdampften Treibstoffkomponenten vor der sind auf das Brennkammer- und das Rohrleitungs- Einführung in die Brennkammer vorgemischt und mit volumen sowie auf die jeweiligen Durchflußbeiwerte den Metallpulverzusätzen gemeinsam in die Brennabgestimmt, kammer eingeführt. Auf Grund der Vormischung der

Die Wirkungsweise der Zwischenbehälter 40a, 40b 60 Gase bei gleichzeitiger Zumischung der Metallpulverwird am besten in der nachfolgenden Fig. 5 verdeut- zusätze kann der Verbrennungswirkungsgrad auf anlicht. Darin ist der qualitative Schub-Zeit-Verlauf für nähernd lOO°/o gesteigert und damit die Leistung weein mit zwei Treibstoffkomponenten betriebenes sentlich angehoben werden.

Triebwerk dargestellt. Das Schaubild nach Fig. 5 Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichentspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau dem- 65 keit des erfindungsgemäßen Treibstoffversorgungsjenigen der Fig. 3 mit den vier wesentlichen Be- systems, in dem zur Erzeugung einer hohen Schubtriebsphasen während des Startvorganges, nämlich leistung Turbopumpen 55, 56 in den Haupttreibstoff- »Warmgas«, »Kaltgas«, »Mischphase« und »Flüssig«. leitungen 15 a, 20 a vorgesehen sind, welche wahl-

weise zuschaltbar sind, um die Treibstoffzufuhr von den Treibstoffbehältern 14, 19 zur Brennkammer 1 zu intensivieren.

An Hand der folgenden Ausführungen soll beispielsweise die Funktion eines mit einem in der Fig. 7 gezeigten Treibstoffversorgungssystem ausgestatteten Triebwerks im Zustand der Schwerelosigkeit erläutert werden. Die infolge Überdruck aus den Treibstoffbehältern 14, 19 abdampfenden Treibstoffe werden der Brennkammer 1 über die Leitungen 32, 33 zugeführt, und zwar so lange, bis die reine Kaltgaszufuhr nach erfolgter Vorbeschleunigung des Triebwerkes und die damit verbundene Drucksenkung in den Treibstoffbehältern 14, 19 erreicht ist. Die Isolierung der Treibstoffbehälter ist mit 23, 24 angedeutet; die Treibstoffleitungen 15 α, 20 α vor den Turbopumpen 55, 56 sind gleichermaßen isoliert. Der Flüssigkeitsspiegel in den Treibstoffbehältern 14,19, wie er sich nach erfolgter Vorbeschleunigung ergibt, ist schematisch dargestellt und mit 25 und 26 bezeichnet. Die Wirkung des während der Freiflugphase auftretenden Überdrucks in den Treibstoffbehältern 14, 19 ist jeweils strichpunktiert angedeutet und mit 27 und 28 verdeutlicht. Im Anschluß an die Druckabsenkung in den Treibstoffbehältern werden die kalten Gase mittels eines einen erneuten Druckanstieg in den Treibstoffbehältern 14, 19 hervorrufenden fremd zugeführten Hilfsdruckgases weiter unterkühlt, worauf die in den Leitungen 32, 33 befindlichen Ventile 34, 35 geschlossen werden, während sich gleichzeitig die in den nicht isolierten Haupttreibstoffleitungen 15 α, 20 α angeordneten Ventile 36, 37 öffnen. Zur Erzeugung einer hohen Schubleistung werden die Treibstoffkomponenten unter entsprechend hohem Druck von den in den Haupttreib-Stoffleitungen 15 a, 20 a angeordneten Turbopumpen 55, 56 gefördert.

Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind auch bei dem Versorgungssystem nach Fig. 7 die Treibstoffe vor dem Start vorgewärmt, weil bei den Leitungen 15 a, 20 a die Rohrisolationen fehlen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Treibstoffversorgungssystem für ein Raketentriebwerk, welches mittels mehrerer flüssiger kryogener Treibstoffkomponenten, d. h. solcher in Form verflüssigter Gase tiefer Temperatur, beispielsweise flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff, betrieben wird, wobei die vor dem Starten des Triebwerks bzw. unmittelbar danach durch Einwirkung der Umgebungstemperatur aus den Treibstoffbehälteni abdampfenden Treibstoffkomponenten nach deren Zündung zur Schuberzeugung herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl für die vor dem Starten des Triebwerkes bzw, unmittelbar danach abdampfenden Treibstoffkomponenten als auch für die im Verlauf der weiteren Startphase in flüssigem Zustand aus den Treibstoffbehältern (14, 19) nachströmenden Treibstoffkomponenten, die in an sich bekannter Weise auf Grund der Wärmeabgabe in der als Regenerativkühler ausgebildeten Brennkammer und/oder Schubdüse verdampfen, ein und dieselben Einblaskanäle (6, 7,31) zur Einführung in die Brennkammer (1) dienen.

2. Versorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Treibstoffbehälter (14,19) verlassenden Leitungen (32, 33) für die abdampfenden Treibstoffkomponenten und die die Treibstoffbehälter (14, 19) verlassenden Leitungen (15 a, 20 a) für die flüssigen Treibstoffkomponenten ineinander münden (Mündungsstellen M_v M₂), wobei in jeder der Leitungen (15 a, 20 a, 32, 33) je ein Ventil (34, 35, 36, 37) angeordnet ist.

3. Versorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibstoffkomponenten von den Mündungsstellen (M₁, M₂) der Leitungen (15 a, 20 a, 32^ 33) aus über weitere Leitungen (15, 20) in das Regenerativkühlsystem gelangen.

4. Versorgungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Ventile (4, 5), über welche die Einführung der dampfförmigen Treibstoffkomponenten in die Brennkammer (1) erfolgt, unmittelbar vor dem die Einblaskanäle (6, 7, 31) aufweisenden Einblaskopf (3) angeordnet sind. -.-;

5. Versorgungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung der Druck- und Temperaturschwankungen der in die Brennkammer eingeführten dampfförmigen Treibstoffkomponenten und- damit zur Dämpfung der Schubschwankungen in den von den Regenerativkühlsystemen (8, 9) zur Brennkammer (1) führenden Treibstoffleitungen unmittelbar vor den weiteren Ventilen (4, 5) Zwischenbehälter (40 a, 406) angeordnet sind.

6. Versorgungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Verbrennungswirkungsgrades die dampfförmigen Treibstoffkomponenten vor dem Eintritt in die Brennkammer (1) unter gleichzeitiger Zugabe von Metallpulver in einer Mischleitung (30) vorgemischt werden, wobei das Treibstoffkomponenten-Gemisch anschließend durch den Einblaskanal (31) im Einblaskopf (3) in die Brennkammer (1) gelangt.

7. Versorgungsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung hoher Schubleistungen in den die Treibstofl> behälter (14,19) verlassenden Leitungen (15a, 20 a), für die flüssigen Treibstoffkomponenten wahlweise zu- und abschaltbare Turbopumpen (55, 56) angeordnet sind, deren Ansaugleitungen isoliert sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen