DE19523013C2 - Triebwerk, insbesondere für die Verwendung hydrazinbetriebener Antriebssysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Triebwerk, insbesondere für die Verwendung hydrazinbetriebener Antriebssysteme

Triebwerke dieser Art finden als hydrazinbetriebene Antriebssysteme in der Raumfahrttechnik Verwendung. Das Hydrazin als flüssiger Energieträger wird dabei in der Reaktionskammer auf thermischem und/oder katalytischem Wege in gasförmige Komponenten zersetzt, die das Trieb­ werk über eine Expansionsdüse verlassen und dabei den gewünschten Schub erzeugen. Entsprechend den unter­ schiedlichen Einsatzzwecken derartiger Triebwerke werden diese für eine Vielzahl von Schub­ klassen hergestellt. Sie sind unter anderem aus der DE-OS 16 26 066 bekanntgeworden.

Ein Problem bei derartigen Triebwerken sind die hohen Temperaturen, die im Bereich der Reaktionskammer und der Expansionsdüse auftreten und deren Übergreifen auf den Bereich des Treibstoffventils nach Möglichkeit ver­ mieden werden muß. Dies gilt insbesondere für den Zeit­ punkt, in dem das Triebwerk abgeschaltet wird und bei dem eine Restmenge des flüssigen Treibmittels im Treib­ stoffventil verbleibt.

Eine bekannte Maßnahme zur Vermeidung dieses Problems besteht darin, die Verbindung zwischen dem Treibstoff­ ventil und der Einspritzkammer als sogenanntes Hitze­ schild auszubilden. Es handelt sich dabei um ein im wesentlichen hylindrisches Bauteil, das das Einspritz­ rohr in einem gewissen Abstand umgibt und dessen Wandung mit Ausnehmungen versehen ist, die den Wärme­ rückfluß von der Reaktionskammer zum Treibstoffventil erschweren sollen. Eine solche Anordnung, wie sie beispielsweise aus der gattungsbildenden US 4,288,982 bekanntgeworden ist, erfüllt diese Aufgabe jedoch nur mit Einschränkungen, wobei dies insbesondere für den Pulsbetrieb derartiger Triebwerke gilt, bei dem immer dann, wenn das Treibstoffventil geschlossen wird, ein unerwünscht hoher Wärmerückfluß über dem Hitzeschild, der auch als "barrier tube" bezeichnet wird, entsteht. Deshalb sind bereits eine Reihe weiterer Möglichkeiten vorgeschlagen geworden. So ist bei einem derzeit im Einsatz befindlichen Triebwerk ein in einem speziellen Behälter, der das Triebwerk umgibt, mitgeführtes Wachs vorgesehen, das vom festen in den flüssigen Zustand überführt wird und das dabei einen großen Teil der ab­ zuführenden Wärmemenge in Form von Schmelzwärme aufnimmt. Das Wachs, in der Regel einige Kilogramm, sowie der zugehörige Behälter erhöhen dabei allerdings das Gewicht eines solchen Triebwerks auf etwa das Doppelte des ursprünglichen, wodurch sich zugleich der Anteil der in dem betreffenden Raumfahrtgerät mit zu­ führenden Nutzlast entsprechend vermindert.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Wärmerohren, sogenannten Heat Pipes, die aus Kosten­ gründen allerdings nur für langlebige Raumfahrtgeräte, wie Satelliten oder Raumstationen, geeignet erscheinen, nicht jedoch für Trägersysteme oder Wiedereintritts­ körper mit einer Missionsdauer von nur wenigen Tagen.

Aufgabe der Erfindung ist es, für derartige Einsatz­ fälle ein Triebwerk der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß auf einfache und kostengünstige Weise der Wärmerückfluß von der Reaktionskammer auf das Treibstoffventil möglichst weitgehend unterdrückt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Triebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Triebwerks sind in den weiteren Ansprüchen angegeben. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht dabei darin, daß sie auf einfache Weise eine Nach- bzw. Umrüstung bereits vorhandener Triebwerke ermöglicht. Die Komponenten Treibstoffventil und Reaktionskammer, die gegebenenfalls jede für sich be­ reits für den Einsatz in Raumfahrzeugen qualifiziert sind, können in unveränderter Form weitergebaut werden. Es werden lediglich die herkömmlichen Komponenten Einspritzrohr und Hitzeschild durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes, einfach zu montierendes Verbindungs­ element ersetzt, wodurch sich die Baulänge und das Gewicht eines derartigen Triebwerks praktisch nicht ändern.

Ein weiterer Vorteil des Triebwerks nach der Erfindung besteht darin, daß es durch seinen modularen Aufbau der individuellen thermischen Beanspruchung leicht angepaßt werden kann. Außerdem ist es ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Triebwerks, daß sein thermisches Ver­ halten bereits vor der Montage exakt zu ermitteln ist, wobei Streuungen praktisch ausgeschlossen sind. Schließlich reduziert sich durch die Integration von Einspritzrohr und Hitzeschild zu einem Bauteil die Anzahl der zu montierenden Komponenten.

Das bei dem Triebwerk nach der Erfindung vorgesehene Verbindungselement wird, wenn es vom flüssigen Treib­ stoff durchströmt wird, über seine gesamte Quer­ schnittsfläche gekühlt. Zugleich bilden die vorge­ sehenen Ausnehmungen eine wirksame Barriere gegenüber der aus der Reaktionskammer zurückströmenden Wärme­ energie.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Triebwerks ist es möglich, die Ausnehmungen, die in das Gehäuse des Verbindungselementes vorzugsweise gefräst oder erodiert werden, schräg in bezug auf die Längs­ achse anzuordnen, um auf diese Weise die Vibrations­ steifigkeit weiter zu verbessern. Ferner ist es von Vorteil, wenn die verbleibenden Verbindungsstege zwischen den Ausnehmungen mit Durchbrüchen versehen werden, wodurch der Wärmerückfluß noch stärker einge­ schränkt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Triebswerks nach der Erfindung ist vorgesehen, daß das Gehäuse des Verbindungselementes eine in Richtung auf das Treibstoffventil sich konisch verjüngende Form auf­ weist. Hierdurch wird nicht nur der Wärmerückfluß eben­ falls reduziert, sondern zugleich eine sehr günstige Verteilung der auftretenden mechanischen Beanspruchun­ gen erreicht. Ferner ist dieses Verbindungselement be­ sonders einfach zu fertigen.

Insgesamt läßt sich durch die Wahl eines geeigneten Durchmessers des Verbindungselementes sowie durch eine Variation der Anzahl der Ausnehmungen das thermische Verhalten des Triebwerks nach der Erfindung auf ein­ fache Weise verändern. Dies läßt sich ferner im Rahmen der Erfindung auch dadurch erreichen, daß die Ober­ fläche des Verbindungselementes durch einen geeigneten Farbanstrich, eine Beschichtung oder durch eine mechanische Bearbeitung wie Sandstrahlen oder Polieren in ihrem Abstrahlungsverhalten beeinflußt wird.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Triebwerk,

Fig. 2 ein Verbindungselement in seitlicher An­ sicht,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß IV-IV durch die in Fig. 2 gezeigte Anordnung,

Fig. 5 einen Schnitt gemäß V-V durch die Anord­ nung in Fig. 3 und

Fig. 6 bis 11 Detaildarstellungen weiterer Verbindungs­ elemente.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Triebwerk handelt es sich um ein 400-N Triebwerk, wie es in Trägersystemen eingesetzt wird. Das mit Hydrazin als flüssigem Ener­ gieträger betriebene Triebwerk besteht aus einem Treib­ stoffventil 1 für das Treibmittel, in diesem Fall das Hydrazin, einer Reaktions- oder Zersetzungskammer 2 sowie einer dieser nachgeschalteten Expansionsdüse 3. Das Triebwerk ist im Bereich der Reaktionskammer 2 mit der Struktur des Trägersystems verbunden, wobei es in diesem Fall in einem Gehäuse 4 angeordnet ist.

Zwischen dem Treibstoffventil 1 und der Reaktionskammer 2 ist ein Verbindungs- oder Übergangselement 5 angeord­ net, das im Detail in den Fig. 2 bis 5 dargestellt ist. Das gesamte Teil ist einstückig aus einem Werk­ stoff geringer Wärmeleitfähigkeit, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels Titan, gefertigt und weist eine angenähert zylindrische Struktur auf, wobei es an den beiden Stirnseiten jeweils mit einem An­ schraubflansch 6, 7 versehen ist. Im Zentrum des Verbindungselementes 5 verläuft eine axiale Durchgangs­ bohrung 8 für das flüssige Treibmittel, die das Treib­ stoffventil 1 mit der Reaktionskammer 2 verbindet. Die Außenwand des Verbindungselementes 5 ist mit einer Vielzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Aus­ nehmungen 9 versehen. Wie insbesondere die Schnittdar­ stellungen der Fig. 4 und 5 verdeutlichen, erstrecken sich diese Ausnehmungen 9 tief in das Innere der Wandung bis nahe an die Durchgangsbohrung 8. Die seitliche Erstreckung der Ausnehmungen 9 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel so gewählt, daß die zwischen ihnen verbleibenden Stege 10 nur ver­ gleichsweise schmal sind.

Analoges gilt für die beiden in den Fig. 6 bzw. 7 dargestellten alternativen Ausführungsformen des Ver­ bindungselementes. Im Gegensatz zu der vorangehend be­ schriebenen Anordnung verlaufen bei dem in Fig. 6 ge­ zeigten Verbindungselement 15 die Schlitze 19 schräg zur Längsachse des zylindrischen Körpers des Verbin­ dungselementes, das zudem auf seiner Außenfläche durch eine Beschichtung 12 in seinem Wärmeabstrahlungsver­ halten modifiziert wurde, wobei sich eine vergleichbare emissionssteigernde Wirkung auch durch Sandstrahlen der Oberfläche erzielen ließe.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse des Verbindungselementes 25 konisch ausge­ bildet, wobei die Ausnehmungen 29 senkrecht zur Ober­ fläche angeordnet sind und wobei sich das Verbindungs­ element 25 in Richtung auf das Treibstoffventil 1 hin verjüngt. In beiden Fällen bewirkt die Anordnung der Ausnehmungen 19 bzw. 29 schräg zur Längsachse des Ver­ bindungselementes 15 bzw. 25 eine Verbesserung der Vibrationssteifigkeit.

Während bei den in den Fig. 2 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen die Ausnehmungen mit einem Scheibenfräser in das zylindrische Ausgangsmaterial des Verbindungselementes eingebracht wurden, ist es im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch möglich, segmentartige Ausnehmungen mit einem Rund- oder Flach­ fräser einzubringen, oder aber funkenerosiv zu er­ zeugen. Schließlich können diese Ausnehmungen, wie in Fig. 8 gezeigt, auch als in radialer Richtung ver­ laufende Bohrungen 39 in die Wand eines Verbindungs­ elementes 35 eingebracht werden.

Wichtig ist in jedem Fall, daß durch die Ausnehmungen ein direkter Wärmefluß von der Reaktionskammer 2 auf das Treibstoffventil 1 unterbunden wird, so daß sich ein ausreichendes Temperaturgefälle zwischen diesen beiden Bauteilen einstellt. Insbesondere wird dadurch bei einem Abschalten des Treibstoffventils 1 und einem damit einhergehenden Stop des Treibmittelstromes, der eine gewisse Wärmeabfuhr gewährleistet, die aus der Reaktionskammer 2 zurückfließende Wärme wirksam be­ grenzt, so daß in dem mit Treibmittel gefüllten Treib­ stoffventil 1 kritische Temperaturen, die zu einer thermischen Reaktion führen könnten, wirksam vermieden werden.

Andererseits ist wichtig, daß der verbleibende Materialquerschnitt eine ausreichende Festigkeit auf­ weist, um sich beim Verschrauben der beiden Flansche 6, 16, 26 bzw. 7, 17 und 27 mit dem Treibstoffventil 1 bzw. der Reaktionskammer 2 nicht zu verziehen und einen sicheren Halt des Treibstoffventils 1 an den Komponenten des Triebwerks zu gewährleisten. Neben Titan und seinen Legierungen, das aufgrund seiner hohen spezifischen Festigkeit einerseits und seiner nur mäßigen Wärmeleitfähigkeit andererseits als ein besonders geeigneter Werkstoff erscheint, kommen als Material für das Verbindungselement auch Chrom-Nickel­ stähle sowie Keramiken in Betracht.

Bei dem in den Fig. 9 und 10 dargestellten Verbin­ dungselement 45 ist zur weiteren Erhöhung der Wärmeab­ strahlung ein abgewinkeltes Abstrahlblech 44 vorge­ sehen, das in einige der Ausnehmungen 49, in diesem Fall in unmittelbarer Nähe der Reaktionskammer 2, d. h. auf der Hochtemperaturseite, eingelötet ist. Dieses Abstrahlblech 44, das selbstverständlich auch in der Nähe des Treibsoffventils 1 angebracht sein kann, weist zudem zwei Oberflächen mit unterschiedlichen Abstrahl­ eigenschaften auf; ferner können mehrere Abstrahlbleche 44 hintereinanderliegend angeordnet sein.

Am Beispiel des Verbindungselementes 45 ist weiterhin die Möglichkeit gezeigt, daß die zwischen den Aus­ nehmungen 49 vorgesehenen Stege 50 ihrerseits mit Durchbrüchen 48 versehen sind, um so den Wärmerückfluß noch weiter zu verringern. Bei dieser Maßnahme, die im Prinzip auf sämtliche beschriebenen Verbindungs­ elemente, mit Ausnahme des in Fig. 8 gezeigten, anwend­ bar ist, kann aus Festigkeitsgründen von Vorteil sein, wenn, wie abschließend in Fig. 11 gezeigt, die Stege 60 sich keilförmig nach außen verdicken.

Claims (15)

1. Triebwerk, insbesondere für die Verwendung hydrazinbetriebener Antriebssysteme,

• - bei dem ein flüssiges Treibmittel aus einem Vor­ ratsbehälter über ein Treibstoffventil (1) in eine Reaktionskammer (2) gefördert wird,
• - bei dem zwischen dem Treibstoffventil (1) und der Reaktionskammer (2) eine Wärmebarriere in Form eines Verbindungselementes (5, 15, 25, 35, 45) vorgesehen ist,
• - daß das Verbindungselement (5, 15, 25, 35, 45) eine zylindrische Struktur aufweist, mit einer zentrischen axialen Durchgangsbohrung (8) und mit einer Vielzahl von über dem Umfang verteilt angeordneten Ausnehmungen (9, 19, 29, 39, 49) versehen ist.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (5, 15, 25, 35, 45) aus einem Titanwerkstoff besteht.

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausnehmungen (9, 19, 29, 49) als segmentförmige, in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze ausgebildet sind.

4. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausnehmungen als in Umfangsrich­ tung verlaufende langlochartige Schlitze ausgebil­ det sind.

5. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Verbindungs­ elementes (25) konisch ausgebildet ist.

6. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (19, 29) schräg zur Längsachse des Verbindungselementes (15, 25) angeordnet sind.

7. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Ausnehmungen (9, 19, 29, 49) verbleibenden Stege (10, 50) mit Durch­ brüchen (48) versehen sind.

8. Triebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (60) eine radial nach außen zunehmende Wandstärke aufweisen.

9. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Abstrahlbleche (44) vorgesehen sind, die in einige der Ausnehmungen (49) eingesetzt sind.

10. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen des Verbin­ dungselementes (5, 15, 25, 35, 45) und/oder der Ab­ strahlbleche (44) in ihrem Abstrahlungsverhalten optimiert sind.

11. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberflächen mit einer emissionsfordernden Beschichtung (12) versehen sind.

12. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberflächen sandge­ strahlt sind.

13. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberflächen poliert sind.

14. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausnehmungen als in radialer Richtung verlaufende Bohrungen ausgebildet sind.

15. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel aus Hydrazin besteht, das in der Reaktionskammer auf katalytischem und/oder thermischem Weg zersetzt wird.