DE19508830C1 - Feststoffraketentriebwerk mit Innen- und Außenbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Feststoffraketentriebwerk mit einer Brennkammer, mit mindestens einer Schubdüse am stromabwärtigen Ende der Brennkammer und mit einem oder mehreren, in der Brennkammer angeordneten Treibsätzen, wovon mindestens einer aus zwei Teilen besteht, von denen der eine Teil als Innenbrenner, der andere als Außenbrenner ausgeführt ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solches Triebwerk wird beispielsweise in der US-PS 3 349 565 beschrieben. Dieses weist einen zum Zweck der Schubregelung bzw. Schubkonstanthaltung zweigeteilten Feststofftreibsatz auf. Dessen Außenbrennerteil ist mit umfangsseitigem Spalt berührungsfrei weitestgehend innerhalb des Innenbrennerteils angeordnet, so daß bereits vor dem Anzünden ein definierter Strömungskanal zwischen beiden Teilen vorhanden ist. Die düsenseitigen Stirnflächen beider Treibsatzteile liegen zunächst in einer Ebene und sind mit einer den ganzen Brennkammerquerschnitt einnehmenden, scheibenförmigen thermischen Barriere bedeckt. Der kegelstumpfförmige, sich zur Düse hin verjüngende Außenbrennerteil wird von einer axial beweglichen Tragstruktur gehalten, welche vorderhalb des Brennkammerdomes in eine Kolben-/Zylindereinheit übergeht, die mittels Gasdruckdifferenz betätigbar ist. Mit zunehmendem Abrand der beiden Treibsatzteile wird der bewegliche Außenbrennerteil weiter zur Düse hin verschoben, wodurch die Abbrandverhältnisse im Strömungskanal zwischen den beiden Treibsatzteilen bevorzugt etwa konstant gehalten werden. Bekanntlich läßt sich die Abbrandintensität an benachbarten Treibsatzoberflächen erhöhen, indem man deren Abstand verkleinert und dadurch erosive Vorgänge im Spalt intensiviert. Dabei steigen lokal die Abbrandgeschwindigkeit, der Treibstoffdurchsatz, der Brennkammerdruck und letzlich der Schub. Umgekehrt bewirkt eine Abstandsvergrößerung zwischen den abbrennenden Oberflächen letztlich eine Reduzierung des Schubes. Gemäß der US-PS wird die Differenz zwischen dem Brennkammerdruck und einem Referenzdruck zur Erzeugung der gewünschten Vorschubbewegung benutzt. Zur Anpassung an den mit zunehmender Brenndauer sinkenden Treibstoffdurchsatz wird hier zusätzlich der Düsenquerschnitt verkleinert, indem das dornartige Ende der Tragstruktur des Außenbrennerteiles zunehmend in die Düse eintaucht. Die vorstehend beschriebene Lösung mag in der Theorie äußerst vorteilhaft erscheinen, in der Praxis dürften sich jedoch große Zuverlässigkeitsprobleme ergeben, welche letztlich zum Scheitern des Konzeptes führen können. Es ist sehr schwierig, in die Brennkammer hineinragende bzw. in dieser angeordnete Bauelemente unter den dort herrschenden Betriebsbedingungen über längere Zeit beweglich zu halten. Die extrem hohen Temperaturen, Drücke und Beschleunigungskräfte lassen Führungen, Lager, Abdichtungen usw. oft sehr schnell funktionsunfähig werden. Hinzu kommt, daß abbrennende häufig flüssige, extrem haftfähige Partikel freisetzen. Diese Partikel neigen dazu, sich auf mit innen in Kontakt kommenden Oberflächen abzulagern und somit bewegliche Teile zu blockieren, Öffnungen und Strömungskanäle zu verengen, bzw. zu verstopfen usw. Somit ist die korrekte Funktion des voranstehend beschriebenen Treibsatzstellmechanismus zu bezweifeln.

Ein weiteres Problem dürfte die relativ nachgiebige Aufhängung des Treibsatz-Außenbrennerteiles sein. Die kragbalkenartige Tragstruktur für den ggf. sehr schweren, zentralen Treibsatzteil reduziert die mechanische Belastbarkeit des Triebwerkes - insbesondere in Querrichtung - erheblich. Auch dürfte es beispielsweise kaum möglich sein, derartige Triebwerke in Raketengeschossen installiert aus Kanonen zu verschießen, da mangels ausreichender Abstützung beider Treibsatzteile die axiale Belastbarkeit gering ist. Falls es sich bei dem zweigeteilten Treibsatz um einen Sekundärtreibsatz handeln würde, dürfte dieser bereits in der Betriebsphase des Primärtreibsatzes keinen starken Querbeschleunigungen ausgesetzt werden, was die Manövrierfähigkeit des jeweiligen Flugkörpers einschränken würde. Dabei bestünde auch die Gefahr der Zerstörung der thermischen Barriere und damit eines ungewollten Anzündens des Sekundärtreibsatzes.

Ausgehend von dieser bekannten Lösung und ihren spezifischen Nachteilen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Feststoffraketentriebwerk mit mindestens einem zweigeteilten Treibsatz in Außenbrenner-/Innenbrenner- Konfiguration mit beweglichem Außenbrennerteil zu schaffen, welches für Einfach- und Mehrfachimpulsbetrieb auslegbar ist, welches zumindest im inaktiven Zustand des zweigeteilten Treibsatzes hohen mechanischen Belastungen standhält, welches ein ungewolltes Anzünden des mindestens einen, zweigeteilten Treibsatzes sicher vermeidet und welches sich durch einfache Funktion und große Zuverlässigkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches aufgeführten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.

Der Außen- und der Innenbrennerteil des mindestens einen, zweigeteilten Treibsatzes sind so gut ineinandergepaßt, daß sie im inaktiven, formschlüssigen Zustand einen spiel- und spaltfreien, kompakten Treibstoffblock bilden, welcher auch den Belastungen beim Kanonenverschuß sowie bei extremen Flugmanövern gewachsen ist.

Der Konturverlauf der Kontaktflächen ist so gewählt, daß sich der Außenbrennerteil nach hinten, d. h. zur Düse hin, aus dem Innenbrennerteil herausbewegen läßt. Somit kann sich der Außenbrennerteil im inaktiven Zustand mit seiner Vorderseite bis zur Brennkammerstirnwand erstrecken (wie der fest installierte Innenbrennerteil), was für die Raumausnutzung und Abstützung günstig ist.

Der Außenbrennerteil wird nur ein einziges Mal in Relation zum Innenbrennerteil axial verschoben. Diese Relativbewegung erfolgt kurz vor oder bei Anzündung des Treibsatzes in eine hintere, definierte Endstellung. Eine nachträgliche Einschränkung der Beweglichkeit der Tragstruktur, z. B. durch Verzug oder Ablagerungen, ist völlig ohne Belang, da der Außenbrennerteil dann ohnehin starr in seiner Endstellung verbleiben soll.

Die Unteransprüche 2 bis 10 enthalten bevorzugte Ausführungen des Feststoffraketentriebwerkes nach Anspruch 1.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in stark vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Feststoffraketentriebwerk mit einem einteiligen Primärtreibsatz und einem zweigeteilten Sekundartreibsatz,

Fig. 2 einen vergleichbaren Längsschnitt nach Abbrand des Primärtreibsatzes bei Aktivierung des Sekundärtreibsatzes.

Das Feststoffraketentriebwerk 1 besteht im wesentlichen aus einer die beiden Treibsätze enthaltenden Brennkammer 2 und einer mit dieser verbundenen Schubdüse 4. An ihrem der Schubdüse 4 gegenüberliegenden, vorderen Ende ist die Brennkammer 2 mittels der Brennkammerstimwand 3 verschlossen. Der düsennähere, zuerst anzuzündende Primärtreibsatz 5 ist einteilig als Innenbrenner oder als Stirn-/Innenbrenner ausgeführt. Wie in Fig. 1 angedeutet, kann sein zentrischer Strömungskanal zur Vergrößerung der Oberfläche eine sternförmig gezackte Kontur aufweisen. Seine Stirnflächen können mit abbrandhemmenden bzw. -verzögernden Beschichtungen versehen sein (nicht dargestellt). Der Primärtreibsatz 5 wird im wesentlichen für die Start- und Beschleunigungsphase (erste Schubphase) des zugehörigen Fluggerätes benutzt und entwickelt üblicherweise einen wesentlich höheren, beispielsweise dreimal so hohen, Schub als der Sekundärtreibsatz 6.

Für den Marschflug (zweite Schubphase) des zugehörigen, nicht dargestellten Flugkörpers ist ein Sekundärtreibsatz 6 vorgesehen, welcher bei geringerem Schub eine meist deutlich längere Brenndauer aufweist. Während der ersten Schubphase schützt eine an seiner hinteren Stirnseite anliegende, thermische Barriere 16 den Sekundärtreibsatz 6 vor ungewolltem, vorzeitigem Anzünden. Der Sekundärtreibsatz 6 besteht aus zwei formschlüssig ineinandergefügten Teilen, einem Innenbrennerteil 7 und einem Außenbrennerteil 8, deren Kontaktflächen 9, 10 eine sich von vorne nach hinten kreiskegelstumpfförmig erweiternde Kontur definieren. In Fig. 1 sind die Kontaktflächen 9, 10 infolge Spaltfreiheit jeweils als eine identische, gerade Schnittlinie oberhalb und unterhalb der Triebwerksmitte zu erkennen. Die Kontaktflächen könnten im Längsschnitt auch einen gekrümmten bzw. einen stellenweise geraden und stellenweise gekrümmten Verlauf aufweisen. Die Erfindung bedingt lediglich eine durchgehende Querschnittserweiterung vom vorderen zum hinteren Treibsatzende. Abweichend von der einfachen Kreisform können die Kontaktflächen im Querschnitt z. B. auch regelmäßig gezackte oder gewellte Formen bilden. Wichtig ist dabei in jedem Fall eine möglichst vollständige Spaltfreiheit, damit der Treibsatz sich wie ein homogener Block verhält und hohe mechanische Belastungen erträgt. Herstellungstechnisch vorteilhaft in diesem Sinne ist sowohl ein Eingießen des Innenbrennerteils 7 in die Brennkammerstruktur als auch ein Eingießen des Außenbrennerteils 8 in den bereits ausgehärteten Innenbrennerteil. Dabei darf die Oberflächenhaftung zwischen den beiden Treibsatzteilen allerdings nur so groß sein, daß ein nachfolgendes Trennen (bei Aktivierung) ohne Probleme möglich ist. Gegebenenfalls sind geeignete Trennmittel/-schichten zu verwenden.

Der Außenbrennerteil 8 benötigt für seine Abstützung in aktiver Stellung sowie zu seiner Führung bei seiner axialen Ausfährbewegung eine mittige, mit der Brennkammerstirnwand 3 verbundene Tragstruktur 12. Im vorliegenden Fall besteht diese aus einem fest mit der Brennkammerstirnwand 3 verbundenen, im Durchmesser kleineren Rohr 13 sowie aus einem mit dem Außenbrennerteil 8 verbundenen, auf dem Rohr 13 begrenzt axial beweglichen und somit im Durchmesser größeren Rohr 14. Für die in Fig. 2 dargestellte, aktive Stellung sollte die Tragstruktur 12 möglichst eine formschlüssige Verriegelung aufweisen (nicht dargestellt) um ungewollte Axialbewegungen auszuschalten. Der Anzünder für den Treibsatz 6 ist vorzugsweise in die Tragstruktur 12 integriert, so daß sein Gasdruck auch die Ausfahrbewegung des Außenbrennerteiles 8 bewirken kann. Am vorderen Ende des - nur teilweise sichtbaren - Rohres 13 sind Öffnungen 15 angedeutet, durch welche die Heißgase des Anzünders zwischen die Treibsatzteile gelangen und deren Anzündung bewirken. Es sei erwähnt, daß die Tragstruktur 12 an ihrem hinteren Ende auch den Anzünder für den Primärtreibsatz 5 aufnehmen kann.

Ebenso können am hinteren Ende der Tragstruktur radiale Stützen zur Brennkammerwand führen (nicht dargestellt), wodurch sich die radiale Belastbarkeit des Treibsatzes im aktiven Zustand noch erheblich steigern läßt. Dies ist besonders bei sehr wendigen Fluggeräten mit abrupten Richtungsänderungen von Vorteil.

Im Hinblick auf ein problemloses Trennen der Treibsatzteile bei Aktivierung ist die thermische Barriere 16 vorzugsweise mit einer Sollbruchstelle versehen (nicht gesondert dargestellt).

Die erfindungsgemäße Fixierung des Außenbrennerteiles 8 in aktiver Stellung führt dazu, daß der anfänglich enge Strömungsspalt 11 mit zunehmender Brenndauer immer größer wird, wodurch die erosiv bedingte Abbrandgeschwindigkeit allmählich abnimmt. Dieser Effekt ist bei der Missionsplanung für das zugehörige Fluggerät zu berücksichtigen.

Zusammenfassend gesagt führt die Erfindung bei Feststoffraketentriebwerken mit mindestens einem zweigeteilten Treibsatz zu hoher mechanischer Belastbarkeit, großer Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie gutem, kalkulierbarem Abbrandverhalten bei mäßigem, konstruktivem und fertigungstechnischem Aufwand.

Claims (10)

1. Feststoffraketentriebwerk mit einer Brennkammer, mit mindestens einer Schubdüse am stromabwärtigen Ende der Brennkammer, mit einem oder mehreren, in der Brennkammer angeordneten Treibsätzen, wovon mindestens einer aus zwei Teilen besteht, von denen der eine Teil als Innenbrenner, der andere als Außenbrenner ausgeführt ist, wobei der Außenbrennerteil mit einer Tragstruktur verbunden, mit einem sich über seine Länge ändernden Querschnitt versehen, zumindest größtenteils im gleichartig geformten Hohlraum des Innenbrennerteils angeordnet und relativ zu diesem axial verschiebbar ist, und wobei am düsenseitigen Ende des zweigeteilten Treibsatzes eine thermische Barriere angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Außenbrennerteil (8) spaltfrei in den Innenbrennerteil (7) eingepaßt ist,
daß die von den Kontaktflächen (9, 10) der beiden Treibsatzteile (7, 8) gebildete, umlaufende Kontur einen sich vom vorderen Treibsatzende zum hinteren, düsenseitigen Treibsatzende hin erweiternden Querschnitt umschließt,
und daß der Außenbrennerteil (8) von einer vorderen, inaktiven, mit dem Innenbrennerteil (7) formschlüssigen Stellung in eine hintere, aktive Stellung mit definiertem Strömungsspalt (11) zwischen den Kontaktflächen (9, 10) der Treibsatzteile (7, 8) bewegbar ist.

2. Feststoffraketentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in seiner Brennkammer (2) zwei Treibsätze (5, 6) hintereinander angeordnet sind,
daß der hintere, düsennahe, zuerst anzuzündende Primärtreibsatz (5) einteilig als Innenbrenner ausgeführt ist,
und daß der vordere, später anzuzündende Sekundärtreibsatz (6) zweiteilig mit einem Innenbrennerteil (7), einem Außenbrennerteil (8) und einer thermischen Barriere (16) ausgeführt ist.

3. Feststoffraketentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in seiner Brennkammer nur ein zweiteiliger Treibsatz mit Außenbrennerteil, Innenbrennerteil und thermischer Barriere angeordnet ist,
daß das Triebwerk Bestandteil eines aus Kanonen zu verschießenden Raketengeschosses ist,
und daß seine Brennkammer zur Treibladung der jeweiligen Kanone hin offen ist, d. h. keinen Düsenverschluß o. ä. aufweist.

4. Feststoffraketentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbrennerteil (8) mindestens eines zweiteiligen Treibsatzes (6) als kreiskegelstumpfförmiges Gebilde ausgeführt ist.

5. Feststoffraketentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbrennerteil (7) mindestens eines zweiteiligen Treibsatzes (6) direkt in der Brennkammer (2) befestigt, z. B. in diese eingegossen und darin ausgehärtet, ist oder kartuschiert und über die Kartuschenwand indirekt in der Brennkammer befestigt ist.

6. Feststoffraketentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbrennerteil (8) mindestens eines zweiteiligen Treibsatzes (6) unter Erzeugung einer lösbaren, formschlüssigen Verbindung in den Innenbrennerteil (7) eingegossen und in diesem ausgehärtet ist.

7. Feststoffraketentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die düsenseitigen Stirnflächen der beiden Treibsatzteile (7, 8) des mindestens einen, zweiteiligen Treibsatzes (6) in der inaktiven, vorderen Stellung des Außenbrennerteiles (8) eine stufenlose und spaltfreie Anlagefläche für die thermische Barriere (16) bilden,
und daß die thermische Barriere (16) eine dem Trennlinienverlauf zwischen Innen- und Außenbrennerteil (7, 8) an der düsenseitigen Treibsatzstirnfläche entsprechende Sollbruchstelle aufweist.

8. Feststoffraketentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur (12) des Außenbrennerteiles (8) des mindestens einen, zweiteiligen Treibsatzes (6) aus mindestens zwei begrenzt teleskopartig auseinanderziehbaren Rohren (13, 14) besteht, wovon eines (13) fest mit der Brennkammerstirnwand (3), ein anderes (14) fest mit dem Außenbrennerteil (8) verbunden ist.

9. Feststoffraketentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur (12) den Anzünder des zweiteiligen Treibsatzes (6) und ggf. auch den Anzünder eines weiteren, stromabwärts des zweiteiligen Treibsatzes (6) angeordneten Treibsatzes (5) aufnimmt.

10. Feststoffraketentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbrennerteil und/oder seine Tragstruktur am düsenseitigen Ende in der Brennkammer radial abgestützt ist.