DE19801407C2 - Brennkammer für Hochleistungstriebwerke und Düsen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für Hochleistungstriebwerke und Düsen von Flugkörpern, insbesondere Raketen, bestehend aus einem äußeren Druckkanal und aus einer mit den heißen Gasen in Berührung stehenden in­ neren Wand, die mit einer Vielzahl von Kühlkanälen versehen ist.

In der DE 35 35 779 ist eine Schubdüse für ein Hochleistungstriebwerk be­ schrieben, beispielsweise für Trägerraketen oder wiederverwendbare Raum­ flugzeuge, das eine rotationssymmetrische Kontur aufweist. Der kreisförmige Querschnitt verjüngt sich ausgehend von der Brennkammer in Richtung des Engquerschnitts, um sich anschließend wieder zu erweitern. Eine derartige rotationssymmetrische Kontur ist fertigungstechnisch einfach und ermöglicht eine effektive Aufnahme der Gaskräfte.

Wegen der hohen Temperatur von ca. 3000°C muß jedoch die Schubdüse wirkungsvoll gekühlt werden. Dies geschieht bei der bekannten Schubdüse, die aus einem inneren Mantel aus einer Kupferlegierung besteht, dadurch, daß in dem inneren Mantel in Umfangsrichtung oder in Axialrichtung Kühl­ kanäle vorgesehen sind, die von einem Kühlmedium, z. B. dem in der Schub­ düse zu verbrennenden flüssigen Wasserstoff durchströmt und damit gekühlt werden. Außen ist dieser innere Mantel von einem Stützmantel fugenlos um­ geben, der die Gasdruckkräfte aufnimmt. Dieser Stützmantel muß eine hohe Zugfestigkeit aufweisen, während wegen der innen angeordneten Kühlung die Wärmefestigkeit von geringerer Bedeutung ist.

Es sind Bestrebungen zur Entwicklung von Hyperschall-Flugzeugen im Gan­ ge, die ebenfalls eine derartige Schubdüse aufweisen. Diese Schubdüsen mü­ ssen einen hohen Wirkungsgrad bei der Schuberzeugung aufweisen, wobei mehrere Triebwerke nebeneinander anzuordnen sind. Zur Erreichung dieser Forderungen wurden bereits Schubdüsen vorgeschlagen, deren Querschnitts­ kontur von rundem Querschnitt im Bereich der Brennkammer zu rechtecki­ gem Querschnitt im Bereich des Düsenaustritts oder sogar des Düseneng­ querschnitts übergeht.

Dies wiederum bedeutet, daß die Düsenwandung eine komplizierte, gekrümm­ te Gestalt annimmt. Einerseits muß der relativ weiche innere Mantel eine formgenaue Innenkontur aufweisen, um eine optimale Durchströmung zu er­ zielen, andererseits muß der Stützmantel aus Festigkeitsgründen so formsteif sein, daß eine Anpassung an die Form des inneren Mantels nicht möglich ist. Die Herstellung der beiden Mäntel mit einer derart hohen Formgenauigkeit ist bei der komplizierten Geometrie jedoch fertigungsbedingt sehr aufwendig.

Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß nach dem Zusammenfügen der beiden Mäntel möglicherweise Hohlräume verbleiben, die im Betrieb zu Ver­ formungen und Rissen und somit zum Ausfall führen können.

Aus der DE 40 15 204 ist zur Vermeidung dieser Nachteile eine Schubdüse für ein Flugtriebwerk bekannt, mit einem inneren, mit einer Anzahl Kühlka­ näle versehenen Mantel hoher Wärmeleitfähigkeit, der von außen von einem festen Stützmantel umgeben ist, wobei zwischen dem inneren Mantel und dem Stützmantel eine eingegossene Zwischenschicht vorgesehen ist. Dadurch werden Fertigungstoleranzen des inneren Mantels und des Stützmantels aus­ geglichen, so daß die Anforderungen an die Formgenauigkeiten der beiden Mäntel verringert werden kann.

Die DE 41 15 403 offenbart eine Düsenwand für Expansionsrampen und Heißgasdüsen, die aus einer dem Heißgas abgewandten äußeren Tragstruktur und einer mehrschichtigen Innenstruktur mit voneinander beabstandenten, dem Heißgas zugewandt verlaufenden Kühlkanälen besteht. Zur Erzielung eines hohen Schubes und einer einfachen Umschaltbarkeit zwischen den Triebwerksarten eignen sich Schubdüsen besonders in Rechteckbauweise. Düsenwände solcher Schubdüsen sind jedoch hohen Druckkräften und Tem­ peraturen ausgesetzt. Im Gegensatz zu Wänden von kreisrunden Düsen ver­ ursachen die Druckkräfte in ebenen Düsenwänden von Rechteckdüsen oder Brennkammern hohe Biegemomente. Daher können Verwölbungen oder Ver­ spannungen in der Schubdüse entstehen, die eine bestimmungsgerechte Funktion der Schubdüse gefährden. Erschwerend wirkt sich zudem der soge­ nannte Bimetalleffekt aus, aufgrund der Temperaturunterschiede innerhalb der mehrschichtigen Wand. Um Schubverluste und Leckageströme zu ver­ meiden, sind daher formstabile, gekühlte Wände erforderlich.

Diese bekannte Düsenwand weist daher eine Innenstruktur auf, die aus einer vom Heissgas beaufschlagten Wärmeleitschicht und einer hitzebeständigen Gleitschicht besteht, wobei die Kühlkanäle in der Wärmeleitschicht eingebet­ tet sind und diese mit der Tragstruktur mittels mehrerer, die Gleitschicht durchdringende Halteelemente elastisch verbunden ist. Die Gleitschicht kann dabei aus einem Keramikgranulat bestehen, während die Wärmeleitschicht aus Kupfer besteht.

Die Halteelemente können in Form von Röhrchen ausgebildet sein, wobei jedoch aufgrund einer erforderlichen Mindeststeifigkeit kein ausreichender Dehnweg zur Verfügung steht, wenn die Schubdüse den bei Hochleistungs­ triebwerken üblichen extremen thermischen Belastungen ausgesetzt wird. Aufgrund der hohen thermisch induzierten Spannungen mit beträchtlichen plastischen Dehnungen wird die Lebensdauer stark begrenzt.

Diese Begrenzung beruht auf einem Versagen, z. B. einer Rißbildung in der Brennkammerwand nach einer begrenzten Anzahl von Lastzyklen und ent­ sprechender plastischer Verformung und kriechen aufgrund der thermisch behinderten Dehnungen, d. h. den Sekundärspannungen aufgrund der hohen thermisch induzierten Spannungen (ca. 80% der Gesamtbelastung).

Dadurch werden nicht nur die Wiederverwendbarkeit stark begrenzt, sondern auch die Gesamtkosten des Trägersystems erhöht; Impulsverluste und Über­ beanspruchung der Triebwerkskomponenten (einschl. des bekannten Turbo­ pumpens) treten während des Triebwerkbetriebes durch Rißbildung auf.

Auch wenn andere Zwischenmaterialien zwischen der Heißgaswand und der Aussenstruktur verwendet werden, wie z. B. gesintertes Aluminium oder ge­ schäumte Aluminiumwerkstoffe, die hohe Deformationen aufnehmen kön­ nen, treten irreversible Deformationen im plastischen Bereich auf, so daß dies nur zu Einwege-Konzepten führt.

Die bekannten Werkstoffe für Stützelemente zwischen der Heißgaswand und der diese umgebenden Aussenstruktur, die durch Querdehnung ein definiertes Nachgeben bei Betrieb des Hochleistungstriebwerks bewirken sollen, weisen keine ausreichende elastische Dehnung auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkammer für ein Hoch­ leistungstriebwerk und für Düsen von Flugkörpern vorzuschlagen, die eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer aufweist, so daß eine hohe Anzahl von thermischen Zyklen der Brennkammer möglich ist bei verbesserter Zu­ verlässigkeit und Funktionsfähigkeit.

Ausgehend von einer Brennkammer der eingangs näher genannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß zwischen dem Druckmantel und der Innenwand eine Zwischenschicht aus einem Material mit Formge­ dächtnis-Eigenschaften angeordnet ist.

Zwar ist es aus der DE 43 10 821 A1 bekannt, Formgedächtnis-Material im Zusammenhang mit einem Stellelement zu verwenden. Ein Hinweis auf eine Nutzung von Formgedächtnis- Material als Zwischenschicht im Zusammenhang mit einer thermisch hochbeanspruchten Bauteilwand kann daraus jedoch nicht entnommen werden.

Die Zwischenschicht kann entweder aus parallel zueinander angeordneten Drähten oder aber aus einem oder mehreren Bändern bestehen.

Die bekannten Materialien mit Formgedächtnis-Eigenschaften, die auch unter der Bezeichnung Memory-Metall bekannt sind und z. B. aus NiTi, CuZnAl etc. bestehen, stellen steuerbare superelastische Werkstoffe dar, so daß elasti­ sche Brennkammerstrukturen verwirklicht werden können; werden Schlitze in der mit den Kühlkanälen versehenen Innenwand aus Kupfer vorgesehen, so kann eine wesentliche Erhöhung der Brennkammerlebensdauer erzielt werden, aufgrund einer partiellen Steuerung des Dehnungsverhaltens in ex­ trem belasteten Bereichen (z. B. dem Halsbereich) durch eine gesteuerte Formänderung der Zwischenschicht.

Die hochelastsische Formänderung der Zwischenschicht aus dem Material mit Formgedächtnis-Eigenschaften ermöglicht ein hohes Potential der Aus­ nutzung des elastischen Verhaltens der Brennkammerstruktur.

Bei Verwendung sogenannter kryogener Materialien für die Zwischenschicht können deren Arbeitstemperaturen im kryogenen Bereich (z. B. -100°C)-Be­ reich liegen, so daß diese bevorzugt in der Nähe der durch H₂ gekühlten Kühlkanäle implementiert werden.

Die Möglichkeit der Durchführung verschiedenster Formänderungen (Ver­ längerung, Verkürzung, Biegung, Torsion etc.) bietet den Vorteil eines brei­ ten Spektrums bei der konstruktiven Umsetzung, insbesondere bei sehr kom­ plexen Brennkammergeometrien.

Neben der hohen Anzahl von thermischen Zyklen einer erfindungsgemäss ausgestalteten Brennkammer wird eine hohe Zuverlässigkeit der Reprodu­ zierbarkeit der Formänderung und damit ein hohes Mass an Funktionsfähig­ keit des gesamten Systems gewährleistet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zwei vorteilhafte Ausführungsbeispiel dargestellt sind. Es zeigen

Fig. 1 einen Teil einer Brennkammer für ein Hochleistungstriebwerk bzw. eine Düse einer Rakete in der Abschaltphase und unter Normalbe­ dingungen,

Fig. 2 diesen Teil während der Startphase und im stationären Betrieb,

Fig. 3 ein anders ausgestaltetes Teil einer Brennkammer in der Abschalt­ phase und unter normalen Bedingungen und

Fig. 4 dieses Teil in der Startphase und im stationären Betrieb.

In Fig. 1 ist mit 9 der äußere Druckmantel einer Brennkammer bezeichnet und mit 10 die innere Wand, deren Unterseite 7 mit den heißen Gasen in Be­ rührung steht und die mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordne­ ten Kühlkanälen 11 versehen ist. Mit 1 ist ein partieller Dehnungsraum zwi­ schen Druckmantel und Innenwand bezeichnet und mit 2 die erfindungsge­ mäß vorgesehene Zwischenschicht aus einem Material mit Formgedächtnis- Eigenschaften, d. h. einem Memory-Metall, wobei diese Zwischenschicht 2 bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Viel­ zahl von parallel zueinander und nebeneinander angeordneter Drähte besteht. In Fig. 1, welches die Abschaltphase bzw. den Zustand unter Normalbedin­ gungen zeigt, wirkt auf die Zwischenschicht 2 eine Zugkraft wie sie durch die drei Pfeile der linken Seite von Fig. 1 angedeutet ist. Während der Start­ phase und im stationären Flugzustand (Fig. 2) wird diese Kraftrichtung um­ gedreht, da die Zwischenschicht die hier mit 5 bezeichnet ist, aufgrund des Überschreitens einer Sprungtemperatur eine Formänderung durchführt.

Mit 3 in Fig. 1 sind Dehnungsschlitze bezeichnet, die, wie Fig. 2 im stationä­ ren Zustand erkennen läßt, in Richtung der Zwischenschicht 5 aufgeweitet werden.

Bei dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Zwi­ schenschicht 4 bzw. 5 entweder aus einem oder mehreren nebeneinander an­ geordneten Bändern bzw. einer Schale, die im wesentlichen die gesamte Be­ rührungsfläche zwischen Druckmantel und Innenwand bedeckt.

Claims (4)

1. Brennkammer für ein Hochleistungstriebwerk und eine Düse von Flugkörpern, insbesondere Raketen, bestehend aus einem äußeren Druckman­ tel und aus einer mit den heissen Gasen in Berührung stehenden inneren Wand, die mit einer Vielzahl von Kühlkanälen versehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen Druckmantel (9) und Innenwand (10) eine Zwi­ schenschicht (2, 5; 4, 8) aus einem Material mit Formgedächtnis- Eigenschaften angeordnet ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus parallel zueinander angeordneten Drähten besteht.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem oder mehreren nebeneinander angeordneten Bän­ dern besteht.

4. Brennkammer nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der inneren Wand (10) zwischen den Kühlkanälen (11) Schlitze (3, 6) vorgesehen sind, die sich senkrecht zur Zwischenschicht (2, 5; 4, 8) über einen Teil der Dicke der inneren Wand er­ strecken.