DE1931781A1

DE1931781A1 - Schubduesenanordnung

Info

Publication number: DE1931781A1
Application number: DE19691931781
Authority: DE
Inventors: Brian Burgess; Walters Arthur Gwynfryn; Thorp Geoffrey Philip
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1968-06-27
Filing date: 1969-06-23
Publication date: 1970-01-22
Also published as: GB1243641A; FR2014341A1

Description

Die Erfindung betrifft Schubdüsenanordnungen für Raketenmotore und befaßt sich ausschließlich mit solchen Düsenanordnungen, bei denen die Düse unterrnormal erweitert (under-expanded) ist, so daß die von der Verbrennungekweoer des Raketenmotors aus hindurchtretenden Schubgase nicht so stark expandieren, daß ihr Druck auf atmosphärischen Druck abnimmt. Die Erfindung ist bei Schubdüsenanoränungen sowohl für Raketenmotoren mit flüssigen als auch für solche mit festen Treibstoffen anwendbar.

Es sind bereits verschiedene Steuerungssystem^ vorgeschlagen worden, bei denen ein Raketenmotor in der Atmo-

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Sphäre dadurch gelenkt werden kann, daß ihm entweder aerodynamisch mittels Leitflächen oder durch irgendeine Art der Schubvektorsteuerung ein Drehmoment zugeführt wird. Zwischen diesen beiden Steuerungssystem-Typen besteht nicht immer freie Wahl. Der wichtigste Unterschied besteht darin, daß aerodynamische Flächen nur dann verwendet werden können, wenn die Rakete ausreichende Geschwindigkeit hat, um eine wesentliche Reaktion mit-der Atmosphäre zu erzeugen. Wird eine Rakete nun abgeschossen, so fliegt sie zunächst mit derart geringer Geschwindigkeit, daß aerodynamische Flächen aus diesem Grund nicht leistungsfähig eingesetzt werden können, so daß gewöhnlich auf Schubvektorsteuerung zurückgegriffen wird.

Schubvektor-Steuerungssysteme sind in drei Hauptarten vorgeschlagen worden. Bei der ersten Art wird die gesamte Düsenanordnung gedreht, wobei sie derart kardanisch aufgehängt sein kann, daß der aus der Düse austretende Schubgasstrahl nach Bedarf gerichtet werden kann. Bei der zweiten Art sind Hilfs-Schubdüsen vorgesehen. Derartige Mechanismen werden leicht aufwendig. Bei der dritten Art ist die Schubdüse mit Stauklappen versehen, die gewöhnlich als flache Platten ausgebildet sind und bezüglich der Düsen-' längsachse radial in die Bahn der durch die Düse hindurchtretenden Schubgase eingeführt werden. Die Wirkung dieser

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Stauklappen besteht darin, daß die sich ergebende Druckverteilung bei der Bildung der Stoßwelle ein Drehmoment erzeugt, das die Rakete auf eine gekrümmte Bahn lenkt. Das Drehmoment wird jedoch dabei ausschließlich auf Kosten eines erheblichen Teils des geradlinigen Düsenschubs erzeugt, so daß dieseine äußerst wenig leistungsfähige Art ist, einen Raketenmotor zu lenken.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Schubdüsenanordnung zu schaffen, bei der die Lenkung bewirkt wird, ohne daß wesentliche Verluste an axialer Schubkraft verursacht werden.

Erfindungsgemäß umfaßt eine Schubdüsenanordnung für einen Raketenmotor eine unter-normal erweiterte Schubdüse, die mit einer Schubvektor-Steuereinrichtung für den Raketenmotor versehen ist. Die Steueranordnung umfaßt mindestens drei Schubablenkelemente mit je einer Schubablenkfläche und einem entsprechenden Betätigungsmechanismus, der die zugehörige Schubablenkfläche jeweils in eine von mehreren gleichwinklig um die Düse herumverteilten Schubablenkstellungen bewegt. Befindet sich das jeweilige Schubablenkelement in seiner Ablenkstellung, so liegt seine Ablenkfläche, betrachtet in einem die Düsenlängsachse enthaltenden Längsschnitt durch das

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Ablenkelement, im wesentlichen zu der Längsachse parallel, ragt jedoch nicht in die parallele Stellung hinein. Die Ablenkfläche ist dabei radial angeordnet und ragt in axialer Richtung über die Düse hinaus, so daß sie auf die aus der Düse austretenden Schubgase einwirkt, sie ablenkt und dadurch eine Schubvektorsteuerung des Raketenmotors bewirkt.

Es ist zu beachten, daß die Schubdüse unter-normal erweitert sein muß, so daß noch nach dem Austreten der Schub·? gase aus der Düse eine radiale Expansion stattfindet, die mit der betreffenden in der Ablenkstellung befindlichen Schubablenkfläche zusammenwirkt. Da also eine unter-normal erweiterte Düse verwendet wird, ergibt sich eine gewisse Verminderung in der Leistung des Axialschubes, diese Verminderung ist jedoch verglichen mit dem Schubverlust, wie er bei Verwendung von Stauflächen verursacht wird, verhältnismäßig gering; ohnehin sind viele Düsen aus anderen Gründen unternormal erweitert.

Der Betätigungsmechanismus kann die jeweilige Schubablenkfläche aus ihrer Ablenkstellung entweder geradlinig derart bewegen, daß die Ablenkfläche, betrachtet an einem Längsschnitt durch das Ablenkglied, stets parallel zur Düsenlängsachse liegt; oder die Fläche kann um eine Achse ge-

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schwenkt werden, die senkrecht zur Düsenlängsachse liegt, jedoch gegenüber dieser versetzt ist.

Vorzugsweise ist die Schubablenkfläche mit konstantem Radius um die Düsenlängsachse herum gekrümmt.

Im folgenden werden typische Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben;'in den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 und 2 schematische perspektivische Darstellungen von Schubdüsenanordnungen gemäß einem ersten bzw. einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 einen Schnitt ähnlich wie in Fig. 3 mit einer Modifizierung;

Fig. 5 eine Stirnansicht einer Schubdüsenanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 6 einen Querschnitt längs der Linie 6-6 der Fig. 5.

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Es soll zunächst auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen werden, die bloß die Erfindungsprinzipien In schematischen Darstellungen veranschaulichen. So ist: nur eine einzige Schubablenkfläche (17) gezeigt, während in der Praxis mindestens drei solcher Flächen gleichwinklig um die Düse (10) herum verteilt wären.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die erste Ausfuhrungsform einer Schubdüsenanordnung eine Düse 10, die am einen Ende 11 eines Raketenmotorrumpfes 12 montiert ist. Der Rumpf 12 ist mit einem Gehäuse 13 für ein Kolben- und Zylinderaggregat versehen, dessen Kolbenstange 14 von dem Gehäuse 13 parallel zur Längsachse der Düse IO von dem Rumpf 12 auf die Düse 10 zu verläuft. An dem dem Gehäuse 13 abgewandten Ende der Kolbenstange 14 ist ein Block 15 angebracht, an dem ein gekrümmtes Schubablenkelement 16 montiert ist. Das Element weisteine innere gekrümmte Schubablenkfläche 17 auf, die von der Außenfläche der Düse 10 um einen dem Arbeitsspiel entsprechenden Abstand entfernt ist. Die Fläche 17 ist mit konstanten Radius um die Längsachse der Düse IO gekrümmt^ wobei In jedem die Düsenlängsachse enthaltenden Längsschnitt durch das Ablenkelement 16 die Fläche 17 parallel zu dieser Längsachse liegt. Das aus dem Kolben und dem Zylinder be- stehende Aggregat in dem Gehäuse 13 bildet Teil eines Beta-

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tigungsmechanismus ?ur Bewegung der Ablenkfläche 17. Eine Hin- und Herbewegung des Kolbens und der Kolbenstange 14 bewirkt dabei eine geradlinige Bewegung des gekrümmten Ablenkelementes 16, wobei die gekrümmte Ablenkfläche 17 in ihre Ablenkstellung, in der sie in axialer Richtung über die Düse IO hinausragt, hinein und aus- dieser Stellung herausbewegt wird. Bei der Düse IO handelt es sich um eine unter-normal erweiterte Düse, so daß dann, wenn die Kolbenstange 14 aus dem Gehäuse 13 herausgeführt ist und

die Fläche 17 axial über die Düse IO hinausragt, die Gase aus der in dem Rumpf 12 befindlichen Verbrennungskammer nach dem Passieren der Düse IO in radialer Richtung weiter expandieren und mit der Fläche 17 zusammenwirken, um senkrecht zu dieser einen Seitenschub zu erzeugen. Dies erzeugt: eine Ablenkung des Schubgasstrahls von der Fläche 17 weg, wodurch dem Raketenmotor ein Drehmoment zugeführt wird.

Fig. 2 zeigt die zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die gleichen Bezugsziffern für die der Fig. 1 entsprechenden Elemente.verwendet sind. Der Unterschied zwischen den Ausführungsformen nach Fig. 1 und Fig. 2 besteht in der Montage des gekrümmten Ablenkelements 16, die im Falle der Fig. 2 durch zwei koaxiale Lagerstellen 18 erfolgt, von denen in der Zeichnung nur eine zu sehen ist.

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Das Element 16 ist somit um eine Achse schwenkbar, die senkrecht auf der Längsachse der Düse. 10 steht, jedoch gegenüber dieser versetzt ist. Das j Schwenkmoment für das Element 16 wird durch, eine Gelenkverbindung 19 zwischen der Kolbenstange 14 und einer Verbindungsstange 2O erzeugt, die bei 21 an das Element 16 angelenkt ist. Bei dieser zweiten Ausführungsform wird also die Fläche 17 in eine Stellung hinein und aus der Stellung herausgeschwenkt, in der die Fläche 17 in jedem Längsschnitt durch das Element 16 parallel zur Düsenlängsachse liegt und auf die aus der Düse 10 austretenden Schubgase einwirkt. Bei dieser schwenkbaren Anordnung kann die Fläche 17 so angeordnet sein, daß sie in ihrer Ablenkstellung nicht in die zur Längsachse parallele Stellung radial hineinragt, aber bezüglich der Längsachse leicht divergent verläuft. Der Winkel dieser Divergenz ist genügend klein, damit eine Wechselwirkung zwischen den Schubgasen und der Fläche 17 Zustandekommen kann und damit dem Raketenmotor ein Drehmoment zugeführt wird.

In Fig. 3 ist schematisch eine Methode zur Betätigung des Schubablenkelementes 16 nach Fig. 1 gezeigt. Dabei enthält das Gehäuse 13 einen Zylinder.22, in den ein Kolben 23 mit einer daran befestigten Kolbenstange 14 gleit-

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bar untergebracht ist. Der Kolben 23 wirkt in beiden Richtungen und wird durch Abzapfung der Verbrennungsgase aus einer Verbrennungskammer 24 innerhalb des Rumpfes 12 beaufschlagt; der Rumpf 12 ist mit einer Leitung 25 versehen, die zu einem über Leitungen 27 und 28 an die entgegengesetzten Enden des Zylinders 22 angeschlossenen Magnetventil 26 führt. Die Stellung des Magnetventils 26 bestimmt, ob die Gase, aus der Leitung 26 durch die Leitung 27 oder die Leitung 28 strömen, so daß das Element 16 dementsprechend entweder in die in Fig. 3 gezeigte Ablenkstellung bewegt oder geradlinig in eine Stellung zurückgezogen wird, in der es nicht mehr auf die Schubgase einwirkt.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform wird der. gleiche Betätigungsmechanismus wie in Fig. 3 mit der Ausnahme verwendet, daß die Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer 24 nicht direkt verwendet sondern einer Kammer 31 über eine Reihe von Labyrinth-Einlässen 30 zugeführt werden, die dazu dienen, die Geschwindigkeit der Gase herabzusetzen und das Auftreffen von festen Partikeln zu verhindern. Die Kammer 31 enthält eine flexible Membran in Form einer zusammenlegbaren Blase 32, deren Innenraum 33 an die Leitung 25 angeschlossen ist und so mit dem Kolben- und Zy- linderaggregat in Verbindung steht. Der Innenraum 33 und \

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die Leitungen 25, 27 und 28 können mit Gas oder einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt sein, wodurch verhindert wird, daß die möglicherweise korrodierenden und heißen Verbrennungsgase in die Leitungen oder den Zylinder 22 eintreten. Auf das Äußere der Blase 32 üben jedoch die Gase einen Druck aus, deformieren sie, verschieben das Gas bzw. die Hydraulikflüssigkeit in der Blase und beaufschlagen somit den Kolben 23. -

In Fig. 5 und 6 ist eine typische Bauweise für eine der dritten Ausführungsform der Erfindung entsprechende Schubdüsenanordnung gezeigt.

Gemäß Fig. 5 und 6 ist eine Raketen-Schubdüse 40 mittels Bolzen 41 an dem Rumpf 42 eines Raketenmotors befestigt. Das Innere der Düse 40 ist mit einer Isolierauskleidung 43 versehen, die typischerweise aus "DURESTOS" besteht, wobei der Teil des Düseninnenraumes 4O mit dem geringsten Durchmesser (der gewöhnlich als "choke" bezeichnet wird) mit einer durch Nuten in ihrer Lage gehaltenen Graphitauskleidung 44 versehen ist. Die Auskleidung 43 ist auf einem Träger 45 angeordnet, an dem ebenfalls mittels der Bolzen 41 ein Montagering 46 für das Steuerungssystem be- " festigt ist. Der Ring 46 ist zur Düsenlängsachse koaxial

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angeordnet und ragt in axialer Richtung über die Düse hinaus .

An den Innenflächen des Rings 46 sind vier Schubablenkelemente 47 zusammen mit den entsprechenden Betätigungsmechanismen montiert. Diese Elemente 47 sind gleichwinklig um die Düse 40 herum verteilt.

Jedes Ablenkelement 47 hat die Form eines Gußkörpers mit einer an eine Stirnplatte 49 angeformten gekrümmten Grundplatte 48 und einer von der Grundplatte 48 in radialem Abstand angeordneten Lagerplatte 50. Die gekrümmte Innenfläche der Grundplatte 48 ist mit einer bei 42 in ihrer Stellung verkeilten Oberflächenverkleidung 51 versehen, die aus Graphit bestehen kann. Die radial innere Fläche 53 der Verkleidung 51 bildet eine Schubablenkfläche, die in allen Längsschnitten des Elementes 47 parallel zur Längsachse der Düse 40 liegt und radial über den Innenradius des Ausstoßendes 40a der Düse hinausragt. Theoretisch Schließt die Fläche 53 vorzugsweise an den Innenradius des -Ausstoßendes 40a der Düse 4O an; in der Praxis besteht je- ! doch zwischen diesen beiden Elementen stets ein kleiner radialer Abstand. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, entspricht dieser Abstand der radialen Stärke der "DURESTOS'-Auskleidung 43 _Λ

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sowie darüber hinaus einem Arbeitsspiel. Die Fläche 53 ist gekrümmt, und die Grundplatte 48 mit ihrer Verkleidung 51 erstreckt sich über fast 90° um die Düse, so daß die Verkleidungen 51 der vier Ablenkelemente 47, wie in Fig. 5 klar gezeigt, das Ausstoßende der Düse umgeben.

Die Lagerplatte 50 jedes Ablenkelementes 57 ist mit einer Nadellager-Anordnung 54 versehen, die in einer an der Innenfläche des Ringes 46 gebildeten geraden Bahn 55 , läuft. Um zu verhindern, daß die Anordnung 54 die Bahn 55 verläßt, ist ein Endabschluß 56 vorgesehen.

Die Stirnplatte 49 ist über eine Buchse 57 am freien Ende 58 einer Kolbenstange 59 befestigt, die die Fortsetzung eines in gleitendem Eingriff mit dem Zylinder 61 eines doppelt wirkenden Rammaggregats 62 stehenden doppelt wirkenden Kolbens 60 bildet. Das Rammaggregat 62 ist an seinen beiden Enden mit einem Einlaß bzw. Auslaß für Hydraulikflüssigkeit versehen, wird jedoch nicht wie bei den ersten beiden Ausführungsformen durch eine Abzapfung der Verbrennungsgase betätigt; vielmehr wird die Hydraulikflüssigkeit durch , ein in Fig. 5 gezeigtes Servo-Steuerungssystern 63 gesteuert. Zur größeren Klarheit sind die Leitungen innerhalb des Rammaggregate 62 weggelassen; gezeigt ist jedoch in Fig. 5 ein

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Hydraulikeinlaß 64, der über das Servo-Steuerungssystem 63 an diese Leitungen angeschlossen ist.

Das Rammaggregat 62 ist über Bolzen 65 an der Innenfläche des Ringes 46 befestigt, und seine Betätigungsrichtung verläuft parallel zur Düsenlängsachse. Daher ist dann, wenn die Kolbenstange 59 in den Zylinder 61 zurückgezogen ist, auch das entsprechende Ablenkelement 47 zurückgezogen, so daß es nicht mehr axial über das Ende 40a der Düse hinausragt; diese Stellung ist in Fig. 6 durch das über der Düse 40 gezeigte Ablenkelement wiedergegeben. Die Stellung bei ausgefahrenem Ablenkelement ist in Fig. 6 unter der Düse 40 gezeigt.

■Wie aus Fig. 5 ersichtlich, sind bei dieser Ausführungsform der Erfindung vier Ablenkelemente vorgesehen, die jeweils über ihre Hydraulik-Versorgungsleitungen 64 und ihre Servo-Steuerungssysteme 63 individuell betätigbar sind. Für ein bestimmtes gewünschtes Drehmoment des Raketenmotors werden somit das entsprechende bzw. die entsprechenden Ablenkelemente aus der zurückgezogenen in die ausgefahrene Stellung gebracht. Dies kann entweder proportional erfolgen, indem das Maß, um das die Fläche 53 über das Düsenende hervorsteht, durch das Servo-Steuerungssystem 63 gesteuert

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wird, oder dadurch, daß das jeweilige Ablenkelement aus seiner vollständig zurückgezogenen in seine vollständig ausgefahrene Stellung hin- und herbewegt wird. Diese Hin- und Herbewegung kann bei Frequenzen von typischer Weise bis zu 40 Hertz erfolgen. Normalerweise wird jeweils nur ein Ablenkelement verwendet werden müssen; jedoch kann auch leicht der Fall eintreten, daß zwei benachbarte Elemente in etwa gleichem $aß verwendet werden. Die Beaufschlagung des Servo-Steuerungssystems 63 kann durch ein entweder an der Rakete oder ihrem Abschußsystem vorgesehenes Fühlersystem gesteuert werden, oder es können automatisch Informationen von einem System von Fühlerflügeln an dem Gehäuse des Raketenmotors abgegeben werden.

Aufgrund der Tatsache, daß die Düse unter-normal erweitert ist, expandieren die Treibgase noch beim Verlassen der Düse 40. Ist nun ein Ablenkelement in die über das Ende 4Oa der Düse hinausragende Stellung ausgefahren, so entwickelt sich daher gegen die Fläche 53 ein radial nach außen oder seitlich wirkender Druck, der über das ι Nadellager 54 von dem Montagering 46 aufgenommen wird. Dieser Druck erzeugt eine Ablenkung der Treibgase, wodurch dem Raketenmotor ein Drehmoment zugeführt wird. Da jedoch die Fläche 53 in allen Längsschnitten durch das Element

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parallel zur Düsenlängsachse verläuft, erzeugt die Verwendung der Ablenkelementen abgesehen von einer geringen Reibung an der Fläche 53, keine Verluste an Axialschub.

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Claims

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Patentansprüche

I 1. J Schubdüsenanordnung für einen Raketenmotor, gekennzeichnet durch eine unter-normal erweiterte Schubdüse (10; 40) mit einer Schubvektor-Steuereinrichtung für den Raketenmotor, die mindestens drei Schubablenkelernente (16; 47) mit einer Schubablenkfläche (17; 53) und einem entsprechenden Betätigungsmechanismus (22; 62) umfaßt, der jeweils die zugehörige Ablenkfläche in eine entsprechende von mehreren gleichwinklig um die Düse herum verteilte Ablenkstellungen bewegt, wobei in dieser Ablenkstellung die Ablenkfläche, betrachtet in einem beliebigen die Düsenlängsachse umfassenden Längsschnitt durch das Ablenkelement (16; 47) im wesentlichen parallel zu der Längsachse der Düse liegt, jedoch nicht radial in die parallele Stellung hineinragt, in radialer Richtung angeordnet ist und in axialer Richtung über die Düse hinausragt, so daß sie auf die aus der Düse austretenden Treibgase einwirkt, diese ablenkt und dadurch eine Schubvektorsteuerung des Raketenmotors bewirkt.
2. Anordnung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsmechanismus (22; 62) für das jeweilige

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Ablenkelement (16; 47) die zugehörige Ablenkfläche (17; 53) aus der Ablenkstellung geradlinig so bewegt, daß die Ablenkfläche, betrachtet in irgendeinem Längsschnitt durch das Ablenkelement, stets zu der Längsachse der Düse (10; 40) parallel verläuft.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsmechanismus (22; 62) für das jeweilige Ablenkelement (16; 47) die zugehörige Ablenkfläche (47; 53) aus der Ablenkstellung durch Verschwenken der Fläche um eine Achse bewegt, die senkrecht zu der Längsachse der Düse (10;40) verläuft, jedoch gegenüber dieser versetzt ist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkfläche (17; 53) mit konstantem Radius um die Düsenlängsachse herum gekrümmt ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsmechanismus ein doppelt wirkendes Kolben- und Zylinderaggregat (22, 23) sowie eine Einrichtung (25, 30)zum Beaufschlagen des Kolbens mit aus dem Raketenmotor abgezapften Verbrennungsgasen umfaßt.

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6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsmechanismus ein doppelt wirkendes Kolben- und Zylinderaggregat (22, 2 3) sowie eine flexible Membran (32) umfaßt, die auf ihrer einen Seite eine mit dem Aggregat in Verbindung stehende Flüssigkeit abgrenzt und durch abgezapfte Verbrennungsgase deformierbar ist, die auf die andere Seite der Membran einen die Flüssigkeit verschiebenden und somit den Kolben (2 3) beaufschlagenden Druck ausüben.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsmechanismus ein doppelt wirkendes Kolben- und Zylinderaggregat (6O, 61) sowie ein den Kolben (60) beaufschlagendes Servo-Steuerungssystem (63) umfaßt.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ablenkelement (47) gegen radiale Auswärtsbewegung durch einen Montagering (46) gestützt ist, der axial von der Düsenanordnung aus außerhalb der Ablenkelemente verläuft.

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