DE1751889A1

DE1751889A1 - Feststoffrakete

Info

Publication number: DE1751889A1
Application number: DE19681751889
Authority: DE
Inventors: Paul Geschwentner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1968-08-14
Filing date: 1968-08-14
Publication date: 1971-08-19
Also published as: FR2016945A1; DE1751889C3; US3585799A; DE1751889B2; GB1245707A

Description

M.A.N. TURBO GMBH

München, den \J>. August Iy68

Feststoffrakete

Dia ^rrinaurr, bezieht sich auf eine Feststoffrakete, deren Treibstoff in einem Behälter aus Metall oder Kunststoff angeordnet ist, der die Foxrn einer Kugel oder etwa eines Ellipsoids hat, wobei die innenliegende Zündfläche entweder konzentrisch oder exzentrisch zur äußeren Begrenzungsfläche angeordnet ist und über die Düse mit der Umgebung verbunden ist.

Ss sind bereits Raketen vorgeschlagen vrorden, welche zwei Treibsätze mit unterschiedlichen Brenngeschwindigkeiten aufweisen. Bei diesen bekannten Raketen werden jedoch sowohl die Zündfläche als auch die hauptsächlich den Zündflächen benacnbarten Treibsätze in Form vieleckiger Körper gebildet, welche aufgrund deren komplizierter Formgestaltung schwer herstellbar sind.

Bei spiel sv/eise wurde einer bei solchen bekantiierf Rakete eine zur Längsachse der Rakete rotationssyminetrische, aus drei oaer mehreren kurvenförmigen Ästen bestehende Zündfläche vorgeschlagen. Die zum ersten, der Zündfläche benachbarten Treibsatz gehörige Trennfläche zwischen dem ersten und dem zweiten,

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äußeren Treibsatz ist hierbei im wesentlichen ein zur Raketenlängsachse rotationssymmetrisches Dreieck, dessen spitze Ecken in der äußeren Begrenzungsfläche der Rakete auslaufen. Die seitlichen Wandungen dieser dreieckförmigen Trennfläche des ersten Treibsatzes tangieren hierbei die kurvenförmig abgerundeten Aste der Zündfläche.

Die spitzen Ecken dieser dreieckförmigen Begrenzungsfläche des ersten Treibsatzes haben neben der komplizierten und damit kostspieligen Herstellung der Treibsätze an sich den v/eiteren Nachteil, daß sich während des Abbrandes der Treibsätze Örtliche Spannungsspitzen einstellen können, welche zu Rissen des Treibsatzgefüges und damit zu einem frühzeitigen Versagen des Raketenantriebes führen. Darüber hinaus sind solche mit spitzen Ecken versehenen Trennflächen zwischen den Treibsätzen sehr anfällig bezogen auf während des Betriebes der Rakete sich einstellende Erschütterungen und Vibrationen.

Hierzu addiert sich als weiterer Nachteil die bereits erwähnte, mit spitzen Ecken versehene, dreieckförmige Geometrie der Trennfläche zwischen dem ersten und zweiten Treibsatz, v/eiche im Zusammenwirken mit der ungünstigen Geometrie der Zündfläche den erosiven Abbrand fördert.

Bei einer anderen bekannten Rakete sind zwei Treibsätze unterschiedlicher Brenngeschwindigkeit in einem gemeinsamen, kugelförmigen Behälter angeordnet. Die zum ersten Treibsatz gehöri ge Trennfläche hat hierbei etwa die Form eines konzentrisch

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zur Raketenlängsachse angeordneten Hyperboloids mit einer starken Einschnürung an der Stelle, die etwa mit dem Mittelpunkt des kugelförmigen Behälters zusammenfällt. Der verbleibende Raum zwischen der äußeren Behälterwand und der Trennfläche des ersten Treibsatzes dient fast vollständig zur Aufnahme des zweiten Treibsatzes. Bei dieser bekannten Rakete befindet sich die Zündfläche an der der Schubdüse benachbarten Seite, und zwar an der einen, konkaven Oberfläche des ersten Treibsatzes. Zwischen der Zündfläche und -dem mit der Schubdüse versehenen Teil der äußeren Behälterwand verbleibt ein von Treibsätzen freier Raum. Bei Betrieb der Rakete findet hierbei von der Zündfläche her eine direkte Brenngasbeaufschlagung der der Zündfläche gegenüberliegenden Behälterwandung statt, so daß mit einem frühzeitigen Durchbrennen dieses Teiles der Behälterwandunc; zu rechnen ist; an Hand dieser vorgeschlagenen Anordnung kann die Rakete also nur dann funktionssicher gemacht werden, wenn die der Zündfläche gegenüberliegende Behälterwandung mit besonderen, hitzebeständigen Isolierwerkstoffen ausgekleidet ist, was aber wiederum mit einer in der Praxis nicht erwünscnten gewichtlichen Zunahme der Rakete verbunden ist.

Durch die eigenwillige Formgebung und Anordnung der bei dieser bekannten Rakete vorgeschlagenen Treibsätze einschließlich der Zündfläche vermag somit auch diese Rakete nicht oder nur äußerst unvollkommen der.Forderung Genüge zu leisten, einen günstigen Abbrand aller Treibsätze zu erreichen, der se verläuft, daß die Brennfront die äußere Begrenzungsfläche in allen Punkten gleichzeitig erreicht, wodurch eine örtliche Überhitzung bei Brenngasbeaufschlagung von V/andteilen der Rakete vermieden Mrd. 109834/0456

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile, welche bei den erwähnten, bekannten Raketen auftreten, zu beseitigen und eine Rakete zu schaffen, deren Treibsätze durch eine unkomplizierte Formgebung einfach herzustellen sind, wobei ferner durch Wahl der Formgebung der Treibsätze sowie durch Anordnung der Teibsätze und der Zündfläche zueinander ein gleichmäßiger Abbrand der Treibsätze erzielbar ist, der so verläuft, daß die Brennfront die äußere Begrenzungsfläche der Rakete in allen Punkten gleichzeitig erreicht, wodurch eine einseitige Brenngasbeaufschlagung und damit sich einstellende örtliche Überhitzung von Wandteilen der Rakete vermieden werden soll, so daß gegenüber bekannten Raketen die Anwendung von besonders hitzebeständigen Isolierwerkstoffen auf ein Mindestmaß beschränkt werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung bei einer Rakete der eingangs genannten Gattung vor, daß der gesamte Treibstoff aus mindestens drei kugelförmigen oder rotationselliptischen, konzentrisch oder exzentrisch zu einem Mittelpunkt angeordneten Treibsätzen mit verschiedenen Brenngeschwindigkeiten besteht.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes können die zu den Treibsätzen gehörigen Mittelpunkte der Trennflächen exzentrisch zum Mittelpunkt der kugelförmigen Zündfläche oder der äußeren Eegrenzungsflache angeordnet sein.

Eine v/eitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, daß eir.e gleiche oder ungleiche Exzentrizität der

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Mittelpunkte der Trennflächen zum Mittelpunkt der Zündfläche odex¹ der äußeren Begrenzungsfläche vorgesehen sein soll.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Mittelpunkte auf einer Geraden liegen, welche die Mittellängsachse der Rakete ist.

Bei einer erfindungsgemäßen Rakete kann weiter die Zündfläche und die äußere Begrenzungsfläche kugelförmig α einem gemeinsamen Mittelpunkt zugeordnet sein, während die Trennflachen der Treibsätze einen elliptischen Querschnitt aufweisen und exzentrisch zum Mittelpunkt der Zündfläche und der äußeren Begrensungsfläche angeordnet sind.

3ine zweckmäßige Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rakete ist auch dann gegeben, wenn die Zündfläche, die Trennflächen und die äußere Begrenzungsfläche einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen, wobei die Trennflachen einen elliptischen, hingegen die Zündfläche und die äußere Begrezungsfläche einen kugelförmigen Querschnitt aufweisen.

Schließlich schlägt die Erfindung vor, daß alle zu den Treibsätzen gehörigen Trennflächen einschließlich der Zündfläche sowie der äußeren Begrenzungsfläche rotationselliptisch und einem gemeinsamen Mittelpunkt zugeordnet sind.

An Hand einiger Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen ist die Erfindung im einzelnen, nachfolgend näher erläutert; bei den

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einzelnen Ausführungsbeispielen handelt es sich um seitliche Schnittansichten von entlang der Mittellängsadtwe aufgeschnitten dargestellten Raketen nach der Erfindung; in den Zeichnungen ist

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Rakete

nach der Erfindung,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Rakete

nach der Erfindung,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Rakete

nach der Erfindung und

Fig. 4 ein viertes AusfUhrungsbeispiel einer Rakete nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Rakete besteht im wesentlichen aus den Treibsätzen 1, 2, 3, einer Zündfläche Z und einer äußeren Begrenzungsfläche B der Treibsätze. Die Zündfläche und die Treibsätze sind hierbei kugelförmig ebenso wie die äußere Begrenzungsfläche B. Zündfläche und äußere Begrenzungsfläche sind einem gemeinsamen Mittelpunkt M zugeordnet, welcne auf der Längsachse 4 der Rakete liegt. Die Mittelpunkte M-, Mp der zu den Treibsätzen 1, 2 gehörigen Trennflächen S«, Sp liegen ebenfalls auf der Längsachse 4 der Rakete wobei der Mittelpunkt M. mit der zum Treibsatz 1 gehörigen Trennfläche S. exzentrisch, und zwar mit der Exzentrizität E, von Mittelpunkt M der Zündfläche entfernt ist, während der Mittelpunkt M₂ der zum Treibsatz 2 genörigen Trennfläche Sp mit der Exzentrizität Ep vom Mittelpunkt M der Zündfläche Z entfernt ist. Es ist hierbei zu bemerken, daß die Exzentrizitäten E.* E ungleichförmig sind, d.h. die Exzentrizität E, ist in,diesem Falle geringer als diejenige, welche mit E_g bezeichnet ist.

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Die kugelförmige Zündfläche Z ist bei dem in Fig. 1 dargestell- · ten Ausi'ührungsbeispiel direkt mit der Schubdüse 5 verbunden. Bei dieser Schubdüse handelt es sich in bekannter Weise um eine im Anschluß an die Zündfläche bis zum engsten Querschnitt konvergente und in der weiteren Folge divergente Schubdüse.

Im folgenden sollen kurzerhand die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Rakete sowie deren Arbeitsablauf kurz umrissen werden:

Die an Hand Fig. 1 erkenntliche, kugelförmige Zündfläche Z gewährleistet eine gleichmäßige Zündung an allen Punkten. Die Brennfront breitet sich dann gemäß der Brenngeschwnidigkeit des Treibstoffes 1 aus und der Abbrand nimmt mit dem Quadrat des Radius der Brennfront zu, bis diese den Punkt 6 erreicht hat. Von da ab beginnt der Treibsatz 2 zu brennen, weicht eine geringere Abbrandgescnwindigkeit als der Treibstoff 1 hat. Die Brennfront schreitet weiter fort, wobei gleichzeitig der Anteil des langsamer brennenden Treibsatzes 2 immer größer wird und V. 3:Murch d?r S^hub wieder abnimmt, bis er ein Minimum erreioht, \:?r.r. die Brennfront den Punkt 7 erreicht hat. Von da at ist nur noch der Treibsatz 2 an der Verbrennung beteiligt, so daß der Schub wieder quadratisch zunimmt, bis die Brennfront die Trennfläche Sp im Punkt 8 erreicht. Der Treibsatz 3 schließlich brennt noch langsamer als der Treibsatz 2, wodurch ein Abfall 1;·! ochul: eintritt, bis die Brennfront den Punkt 9 erreicht .hat. Vor. hier ab steigt der Schub wieder an, bis er an aer ?lu3er·": Begrenzungsflache 3 den der Auslegung en wählte:: V/ert erreicht.

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der Trennflächen S. und S_? sowie durch die vorgeschlagenen Exzentrizitäten S, und E_? und die differenzierten Brenngeschwindigkeiten der Treibsätze 1, 2 und 3 wird eine gleichmäßige Steuerung der Brennfront ermöglicht, welche nach Abbrand der Treibsätze gleichzeitig alle Punkte der äußeren Begrenzungsfläche erreichen soll.

Fig. 2 zeigt weiter ein Ausführungsbeispiel einer Rakete nach der Erfindung, welche geeignet ist, diese vorgenannten, an die Erfindung gestellten Anforderungen zu erfüllen. Bei dieser Rakete sind in Abweichung von der Rakete nach Fig. 1 die Trennflächen S₁₀, S₂₀ der Treibsätze 10, 20 coaxial zur Raketenlängsachse 4 verlaufende Rotationsellipsoide und die Zündfläche Z* sowie die äußere Begrenzungsfläche B¹ sind kugelförmig und einem gemeinsamen Mittelpunkt M zugeordnet. Die zu den Treibsätzen 10, 20 gehörigen Trennflächen S₁₀, Sp₀ sind den Mittelpunkten M, _Q, Mp₀ zugeordnet, welche gleichsam auf der Raketenlängsachse 4 liegen und gegenüber dem Mittelpunkt M durch die Exzentrizitäten E₁₀, E_2Qversetzt sind. Der Betriebsablauf und die Wirkungsweise des Abbrandes des Zündtreibsatzes Z¹ sowie der Treibsätze 10, 20 und 30 ähnelt im wesentlichen demjenigen der Rakete nach Fig. 1 und es ist auch hier maßgeblich, daß die Brenngeschwindigkeit der Treibsätze von ihnen nach außen hin abnimmt, um zu erreichen, daß die Brennfront - wie erwünscht - möglichst gleichzeitig die äußere Begrenzungsfläche B¹ erreicht.

Bei der Rakete nach Fig. 2 sind die äußere Begrenzungsfläche B" sowie die Zündfläche Z" kugelförmig und einem gemeinsamen Mittelpunkt M zugeordnet, der wiederum auf der Raketenlängsachse

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liegt. Die rotati:bnselliptischen Trennflächen S₁₁, S₁₂ der Treibsätze 11, 12 sind ebenfalls diesem Mittelpunkt M zugeordnet.

Bei dem in Fig 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Rakete nach der Erfindung sind sowohl die Trennflächen S₁₀₀* ^S200 ^der Treibsätze 100, 200 als auch die äußere Begrenzungsfläche B^!f' und die Zündfläche Z''' rotationselliptisch und einem gemeinsamen Mittelpunkt M zugeordnet, der auf der Längsachse 4 der Rakete liegt. Auch bei dieser Rakete nach de: ^r :. 4 kann durch geeignete Wahl der Brenngeschwindigkeiten der Zündi'xäohe und der einzelnen Treibsätze sowie durch die vorteilhafte Konfiguration der Trennflächen erreicht werden, daß ein möglichst gleichmäßiges Schubniveau erzielt wird und die Brennfront, wie angestrebt, nach Abbrand der Treibsätze möglichst gleichzeitig die äußere Begrenzungsfläche B^!'' in allen Punkten erreicht.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele der Raketen veranschaulichen an Hand der geometrisch günstigen kugelförmigen oder elliptischen Treibsatzformen Beispiele für Treibsätze, die einfach d.h. ohne besonderen konstruktiven Aufwand herstellbar sind und darüber hinaus gewährleisten, daß sich kein örtlicher erosiver Abbrand an bestimmten Stellen der Treibsätze einstellt. Weiter gewährleisten die an Hand der Erfindung in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Treibsatzkonfigurationen eine geringe Anfälligkeit bezogen auf während des Betriebes sich einstellende Erschütterungen und Vibrationen.

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Claims

yjQ 1/DIÖÖ3 sr/tr M.A.N. TURBO GMBH München, den 1}. August I968 Patentans_g r_ü_c_h_e

1. Peststoffrakete, deren Treibstoff in einem Behälter aus Metall oder Kunststoff angeordnet ist, der die Form einer Kugel oder etwa eines Ellipsoids hat, wobei die innenliegende Zündfläche entweder konzentrisch oder exzentrisch zur äußeren Begrenzungsfläche angeordnet ist und über die Düse mit der Umgebung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Treibstoff aus mindestens drei kugelförmigen oder rotationselliptischen, konzentrisch oder exzentrisch zu einem Mittelpunkte (M) angeordneten Treibsätzen (1, 2, 3) mit verschiedenen Brenngeschwindigkeiten besteht.

2. Peststoffrakete nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Treibsätzen (1, 2) gehörigen Mittelpunkte (M., Mp) der Trennflächen (S^, Sp) exzentrisch zum Mittelpunkt (M) der kugelförmigen Zündfläche (Z) oder der äußeren Begrenzungsfläche

(B) angeordnet sind.

3. Peststoffrakete nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine gleiche oder ungleiche Exzentrizität (E-, E«) der Mittelpunkte (M₁, Mg) der Trennflächen (S., Sp) zum Mittelpunkte (M) der Zündfläche (Z) oder der äußeren Begrenzungsfläche (B).

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4. Peststoffrakete nach den Ansprüchen 1 und J, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte (M, M₁, Mp) auf einer Geraden liegen, welche die Mittellängsachse (4) der Rakete ist.

5. Feststoffrakete nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündfläche (Z¹) und die äußere Begrenzungsfläche (B¹) kugelförmig sind und einem gemeinsamen Mittelpunkt (M) zugeordnet sind, während die Trennflächen (S. , Sp₀) der Treibsätze (lo) und (20) einen elliptischen Querschnitt aufweisen und exzentrisch zum Mittelpunkt (M) der Zündfläche (Z^!) und der äußeren Begrenzungsfläche (B¹) angeordnet sind. (Fig.2)

6. Feststoffrakete nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündfläche (Z"), die Trennflächen (S₁₁, S₁₂) und die äußere Begrenzungsfläche (B") einen gemeinsamen Mittelpunkt (M) aufweisen, wobei die Trennflächen einen elliptischen, hingegen die Zündfläche und die äußere Begrenzungsfläche einer, kugelförmigen Querschnitt aufweisen (Fig. 3).

7. Feststoffrakete nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle zu den Treibsätzen (100, 200, 300) gehörigen Trennflächen (S₁₀₀, S₂₀₀, S,_Q0) einscnließlich der Zündfläche (Z^Mt) sowie der äußeren Begrenzungsfläche (B¹") rotationselliptisch und einem gemeinsamen Mittelpunkt (M) zugeordnet sind (Fig. 4).

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