DE1959187B2 - Mit lithergolen arbeitender, insbesondere fuer raketenantriebe dienender heissgaserzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit Lithergolen arbeitenden, insbesondere für Raketenantriebe dienenden Heißgaserzeuger nach dem Oberbegriff des Hauptan

spruchs.

Ein derartiger Heißgaserzeuger ist in der US-PS 3 368 353 beschrieben. Erbesitzt eine Brennkammer, an deren einem Ende eine Austrittsdüse für die erzeugten Heißgase angeordnet ist. Quer zur Längsachse der Brennkammer erstreckt sich eine Lochwandung, durch welche die Brennkammer in zwei Abschnitte geteilt wird: einen, welcher der Düse benachbart ist, und einen, welcher von der Düse entfernt ist. Im letzteren Abschnitt befinden sich die Gesamtmasse des Festtreibstoffsatzes sowie der Einspritzkopf einer ersten Einspritzvorrichtung. Der Einspritzkopf einer zweiten Einspritzvorrichtung ist am düsenseitigen Ende des Festtreihstoffsatzes vorgesehen.

Der Fcsttrcibsioffsatz hat bei diesem Heißgaserzeuger die Form eines Hohlzylinders, der am Umfang der Brennkammer angeordnet ist. Dadurch verändert sich die Reaktionsfläche während des Verbreiinungsvorgangs. Das optimale Verhältnis zwischen Festtreibstoff und Oxidationsmittel läßt sich nur dadurch aufrechterhalten, daß mittels eines komplizierten Regelsystems die Zusammensetzung des Brenngases auf einem bestimmten Wert gehalten wird. Hierzu steuern Detektoren, die an der Düse angeordnet sind, die Einsprühjng von Oxidationsmittel über die zweite Einspritzvorrichtung.

Ein ähnlicher Heißgaserzeuger ist aus der Zeitschrift »Interavia«, Heft 12, 1964, S. 1838-1840 bekannt. Auch bei ihm ist der Festtreibstoff in Form eines Hohlzylinders angeordnet, mit dem ein Teil der Brennkammer ausgekleidet ist. Die Nachteile dieser Anordnung wurden bereits oben erläutert.

Es liegt somit die Aufgabe vor, einen Heißgaserzeuger der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Heißgaserzeugung an einer im Verlauf des Abbrennvorgangs konstanten Reaktionsfläche erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird der Brennvorgang bewußt auf zwei Zonen verteilt: Zunächst wird über die erste Einspritzvorrichtung nur so viel Oxidationsmittel zugeführt, daß der Festtreibstoffsich unter dem Einfluß der Reaktionswärme verflüchtigt. Das durch die Lochwandung tretende Gas ist bewußt nur sehr unvollständig verbrannt.

Der klein zerteilte Festtreibstoff rückt unter dem Einfluß der Massenkräfte im selben Maße in das Volumen nach, das von der ersten Einspritzvorrichtung bestrichen wird, wie sich der Festtreibstoff aus diesem Volumen verflüchtigt. Das auf die leere Seite der Brennkammer übertretende, treibstoffreiche Gas wird dann durch die zweite Einspritzvorrichtung vollständig verbrannt. Dadurch, daß Brenngasrichtung und Einspritzströmung hier entgegengesetzt zueinander gerichtet sind, findet eine Verwirbelung der Komponenten statt. Die Folge ist eine außerordentlich gleichmäßige Verbrennung.

Durch diese zweistufige Reaktion wird verhindert, daß sich der feste Ekennstoff auf eine hohe Temperatur aufheizt, die verhältnismäßig schlecht zu beherrschen ist. Gleichzeitig wird die Lochwandung geschont, da sie von verhältnismäßig kühlen Gasen durchströmt wird.

Das Reaktionsvolumen und damit die Reaktionsfläche bleiben bei fortschreitender Reaktion konstant. Die Verbrennung verläuft gleichmäßig und vollstän-

dig, ohne daß es einer aufwendigen Regelung bedürfte.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert; es zeig'

Fig. 1 einen Schnitt durch einen mit Lithergolen arbeitenden Heißgaserzeuger, welcher beispielsweise für Raketenantriebe einsetzbar ist,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Heißgaserzeugers.

In Fig. I ist ein zylindrisches Gehäuse 1 dargestellt. Dieses ist an einem Ende durch eine Abdeckung 2 verschlossen, während am anderen Ende des Gehäuses eine Düse 3 angeordnet ist. Innerhalb des Gehäuses 1 befindet sich eine Brennkammer, «/eiche durch eine quer liegende Lochwandung in einen oberen Brennkammerabschnitt 5a und einen unteren Brennkammerabschnitt Sb unterteilt ist. im oberen Brennkammerabschnitt 5« befindet sich, abgestützt durch die Lochwandung 4, die in fester Form vorliegende Komponente des Treibstoffs. Dieser Festtreihstoff liegt in Form von einzelnen Bruchstücken vor, beispielsweise in Form von Kugeln 6 mit einem Durchmesser von einigen Millimetern. Die Kugeln füllen den oberen Brennkammerabschnitt 5« zwischen Abdeckung 2 und der Lochwandung 4. Der untere Brennkammerabschnitt 5/) ist leer.

Ein Einspritzkopf Ta einer ersten Einspritzvorrichtung ist in Längsrichtung der Brennkammer 5 angeordnet und durch ein Ventil Ha regelbar. Mit Hilfe dieses Einspritzkopfes 7« kann in Axialrichtung des oberen Brennkammerabschnitts 5« Treibstoff als flüssige oder gasförmige Komponente eingesprüht werden. Der Einspritzkopf 7« ist in den in Bruchstükken vorliegenden Festtreibstoffsatz eingeführt. Er ist in einem Abstand von der Lochwandung 4 angeordnet, in welchem der Einspritzkegel 9a den Umfang der Lochwandung 4 zur Basis hat. Alle im Inneren dieses Einspritzkegels liegenden Kugeln 6 des Feststofftreibsatzes werden auf diese Weise mit dem in flüssiger oder in gasförmiger Form eingesprühten Treibstoff in Berührung gebracht, unterstützt durch das bei den ersten Reaktionen auftretende Gas.

Aul der anderen Seite der Lochwandung 4 mündet eine zweite Einspritzvorrichtung mit einem Einspritzkopf Tb in den unteren Brennkammerabschnitt Sb. Der Einspritzkopf Tb liegt in Längsrichtung der Brennkammer und wird durch ein Ventil 8/; gesteuert. Er ist so ausgerichtet, daß er gegen die Strömung des F.inspritzkopfes Ta wirkt. Der Einspritzkopf 7a besitzt einen solchen Abstand von der Lochwandung 4, daß der Einspritzkegel 9b den Umfang der Lochwandung 4 zur Basis hat. Auf diese Weise sind die beiden Einsprit/.köpfe einander gegenüberliegend so ausgerichtet, daß sich die Sprühkegel auf der Höhe der Lochwandung 4 treffen.

Eine ergänzende Lochwandung kann zwischen der Lochwandung 4 und der Düse 3 im unteren Brennkammerabschnitt 5/> angebracht werden.

Der in flüssiger oder gasförmiger Form vorliegende Treibstoff, welcher durch den Einspritzkopf 7« eingespritzt wird, reagiert mit den Bruchstücken 6 des Festtreibstoffs, welcher sich im Inneren des Einspritzkegels 9a befindet. Die Menge des in flüssiger oder in gasförmiger Form ausgesprühten Treibstoffs wird so bestimmt, daß durch die Reaktion zwischen den beiden Treibstoffen (wenn sie unvollständig verläuft) eine Temperaturerhöhung erzielt wird, die ausreicht, um nach und nach die Bruchstücke 6 zu verflüchtigen, welche sich im Inneren des Einspritzkegels 9a befinden. Andere Bruchstücke 6 im oberen Brennkammerabschnitt 5a ersetzen diejenigen Bruchstücke, welche verflüchtigt wurden.

Die auf diese Weise eingeleitete Reaktion erzeugt ein Gasgemisch, welches sehr reich ist an unverbrannten! Festtreibstoff und eine verhältnismäßig niedrige Temperatur aufweist, da die Reaktion in der beschriebenen Zone der Brennkammer lediglich eingeleitet wurde.

Diese verhältnismäßig geringe Temperatur begünstigt das thermische Verhalten der Lochwandung 4. Gleichzeitig wird das thermische Verhalten der Kugeln 6 außerhalb des Einspritzkegels 9a, d. h. derjenigen Bruchstücke, welche zunächst nicht zur Reaktion kommen sollen, begünstigt.

Das auf diese Weise gebildete Gasgemisch durchquert die Lochwandung 4 und dringt in den unteren Brennkammerabschnitt 5b ein, wo es auf den Strahl des Einspritzkopfes Tb trifft. Durch die innige Vermischung der reagierenden Bestandteile setzt sich die im oberen Brennkammerabschnitt 5a eingeleitete Reaktion nunmehr in rascher und vollständiger Form in dem unteren Brennkammerabschnitt 5b fort; die Temperatur steigt nunmehr wesentlich an.

Die Anordnung der beiden Einspritzköpfe 7a und Tb im Gegensinn schafft darüber hinaus im Bereich der Lochwandung 4 eine Stabilisierungszone, durch welche der vollständige Reaktionsablauf begünstigt wird. Da die Einspritzkegel 9« und 9/) den Umfang der Lochwandung 4 zur Basis haben, kann der Kegel des eingesprühten Treibstoffs den gesamten Querschnittsbereich der Brennkammer bestreichen. Zonen unvollständiger Reaktion am Rand bzw. Umfang der Brennkammer treten nicht auf.

Die beiden Ventile Ha und 8/) ermöglichen die genaue Einspritzung des in flüssiger oder gasförmiger Form vorliegenden Treibstoffs dergestalt, daß die gewünschte Gasmenge erzielbar ist. Die beiden Ventile können unabhängig voneinander betätigt werden, sie können aber auch durch ein Verbindungssystem in Abhängigkeit voneinander betätigt werden.

Gegebenenfalls können die beiden Ventile auch durch Membrankörper ersetzt werden, welche den Gesamtstrom des gasförmigen bzw. flüssigen Treibstoffs in einen Anteil für die erste Einspritzvorrichtung und in einen Anteil für die zweite Einspritzvorrichtung aufteilen. Dabei bestimmt ein Ventil am Auslaß des Behälters Beginn und Ende der Gaserzeugung.

Die zusätzliche Lochwandung 10 stellt einen Verwirbelungskörper dar, der dazu dient, die Reaktion zu homogenisieren bzw. zu beschleunigen. Dies geschieht durch Zerstörung der während der Reaktion auftretenden Gemischschichten. Die chemische Reu'uion zwischen den beiden Treibstoffen ist praktisch vollendet, bevor das Gas die Düse 3 verläßt.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform eines Heißgaserzeugers für Hybridergole bzw. Lithergole dargestellt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann auf den Verwirbelungskörper verzichtet werden.

Hier wird die zweite Einspritzvorrichtung 19 gebildet, welche auf der Innenwandung des konvergierenden Bereichs 17 des unteren Brennkammerabschnitts 15/> verteilt sind. Sowohl diese Aufteilung als auch

die Winkellage der Einspritzköpfe werden so bestimmt, daß die Sprühkegcl. welche sich im wesentlichen mit derjenigen der l.ochwandung 14 deckt. Auf diese Weise wird die Ausstoßrichtungdcs Gases beim Verlassen der Lochwandung verändert; das Gas folgt spiralförmigen Bahnen, so daß durch einen Verwirbelungseffekt die homogene Vermischung erzielt wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsforin besteht darin, daß das Volumen der brennkammer beträchtlich reduziert werden kann.

Bei Triebwerken großen Durchmessers kann es vorteilhaft sein, die axial angeordnete, erste Einspritzvorrichtung durch mehrere Einspritzköpfe zu ersetzen, welche am Umfang angeordnet sind und derart ausgerichtet sind, daß die Gesamtheit ihrer Sprühkegel eine Fläche bestreicht, welche derjenigen der l.ochwandung entspricht. Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein, den in der ersten Einspritzvorrichtung am Umfang vorgesehenen Einspritzkopf mit Axialköpfen zu kombinieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   I. Mit Lithcrgolen arbeitender, in andere für Raketenantriebe dienender Heißga erzeuger, mit einer an einem ihrer Enden mit einer Düse versehenen Brennkammer, die durch eine quer zur Brennkammerlängsachse sich erstreckende Lochwandung in einen von der Düse entfernt liegenden Brennkammerabschnitt und einen der Düse benachbarten Brennkammerabschnitt unterteilt ist, wobei der von der Düse entfernt liegende Brennkammerabschnitt die Gesamtmasse des Festtreibstoffsatzes aufnimmt und in diesen eine erste Einspritzvorrichtung mit mindestens einem Einspritzkopf mündet, während eine zweite Einspritzvorrichtung am düsenseitigen Ende des Festtreibstoffsatzes vorgesehen ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmaie:

   a) der Festtreibstoffsatz besteht aus einzelnen Bruchstücken (6; 16) des Festtreibstoffs;

   b) die Lochwandung (4; 14) ist mit über die Gesamtfläche verteilten Durchtrittsöffnungen versehen, wobei die Größe der Durchtrittsöffnung durch die kleinsten Bruchstücke (6; 16) des an ihr anliegenden Festtreibstoffsatzes bestimmt ist;

   c) die zweite Einspritzvorrichtung weist mindestens einen Einspritzkopf (Tb; 19) innerhalb des der Düse (3; 13) benachbarten Brennkammerabschnitts (Sb; 15/?) auf, wobei die Einspritzung gegen die Lochwandung (4; 14) erfolgt.
2. 2. Heißgaserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzköpfe (7a, Th; 18, 19) der beiden Einspritzvorrichtungen beidseitig der Lochwandung (4; 14) so angeordnet sind, daß die aus flüssigem oder gasförmigem Treibstoff bestehenden Einspritzkegel der Einspritzköpfe (7a, Tb; 18, 19) einander in Höhe der Lochwandung (4; 14) treffen.
3. 3. Heißgaserzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche der Lochwandung (4; 14) die Basis der Einspritzkegel bildet.
4. 4. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchteile (6; 16) des Festtreibstoffs die Form von Kugeln aufweisen.
5. 5. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lochwandung bzw. ein Zusatzgitter (10) im unteren Brennkammerabschnitt {5b) quer zur Ausstoßrichtung der Gasmasse angeordnet ist.
6. 6. Heigaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einspritzvorrichtung aus einer Anzahl von Einspritzköpfen (19) besteht, welche in dem konvergierenden Wandungsbereich des der Düse (13) benachbarten Brennkammerabschnitts (15b) angeordnet sind.