DE2052226A1

DE2052226A1 - Strahldusenanordnung insbesondere fur Raketentriebwerke

Info

Publication number: DE2052226A1
Application number: DE19702052226
Authority: DE
Inventors: Harry Coventry Warwickshire Healey Gordon Terry Daventry Northamp tonshire Ridgway John Anthony Hinckley Leicestershire Oldfield, (Großbritannien) P
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1969-10-23
Filing date: 1970-10-23
Publication date: 1971-05-06
Also published as: FR2068765A1; US3659788A; GB1291586A

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. CURT WALLACH ? f) R ? 9 ? R

DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH 4U044 4Q

DR. TINO HAIBACH

8 München 2, 23.Oktober 1970

UNSER ZE.CHEN: ^ ^ ~

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England. Strahldüsenanordnung insbesondere für Raketentriebwerke

Die Erfindung betrifft eine Strahldüsenanordnung, insbesondere aber nicht ausschließlich in einer Ausgestaltung einer Suhwenkdüse für ein Raketentriebwerk.

Die Probleme, die mit hohen Betriebstemperaturen und Drücken infolge des Schubstrahles innerhalb des Gehäuses und der Düse eines Raketentriebwerks verknüpft sind, machen die praktische Realisierung einer universell schwenkbaren Düse außerordentlich schwierig. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse zu schaffen, die in der Lage ist, universell verschwenkt und be tätigt zu werden, und zwar unter Bedingungen hoher Temperatur und hohen Druckes, wobei die Betätigungsmittel das Gesamtgewicht des Triebwerks nicht unzweckmäßig erhöhen sollen. Außerdem sollen die Betätigungsmittel relativ wenig Raum einnehmen und möglichst wenig Leistung erfordern.

Gemäß der Erfindung ist die Strahldüsenanordnung dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gehäuse mit einer gekrümmten Lageroberfläche aufweist, die einen Sitz für eine komplementäre Oberfläche einer universell schwenkbaren Düse bildet, durch die im Betrieb Schubgase strömen können, wobei eine Dichtung zwischen diesen Oberflächen vorgesehen ist und Betätigungsmittel eine Verschwenkung der Düse relativ zu dem Gehäuse bewirken

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ORIGINAL INSPECTED

und Leitungen ein Kühlmittel und/oder ein Schmiermittel nach den Oberflächen leiten und wobei auf Druck ansprechende Vorrichtungen bewirken, daß im Betrieb ein hydrostatischer Druck auf einen Teil ausgeübt wird, der mit der Düse verbunden wird, so daß die Reibungskräfte, die der Schwenkbewegung entgegenstehen, vermindert werden.

Vorzugsweise weist die auf Druck ansprechende Einrichtung einen Ringflansch auf der Düse auf, der in dichtender und gleitender Berührung mit einer Aushöhlung steht, die in der Lageroberfläche ausgebildet ist, so daß diese Aushöhlung in zwei Ringkammemgeteilt wird, wobei Mittel vorgesehen sind, um ein unter Druck stehendes Strömungsmittel einer der Kammer zuzuführen.

Das unter Druck stehende Strömungsmittel dient vorzugsweise als Kühlmittel und/oder sowohl als Kühlmittel und als Schmiermittel und die Leitung empfängt das Druckmittel aus dieser einen Kammer.

Die Betätigungseinrichtung kann wenigstens einen mit der Düse verbundenen Kolbenantrieb aufweisen.

Dieser Kolbenantrieb kann durch das unter Druck stehende Mittel betätigt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die eine Ringkammer in mehrere, im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnete Segmente unterteilt, die jeweils durch Wände getrennt sind, von denen jede schwenkbarJangelenkt und so mit dem Plansch verbunden ist, daß sie gleitbar relativ hierzu beweglich ist. Die Segmente dazwischen definieren Druckkammern und das Druckmittel kann nach irgendeiner der Druckkammern geleitet werden, wodurch eine gesteuerte Schwenkbewegung der Düse zustandekommt. Dabei bilden die Segmentkammern und die Speiseeinrichtungen die Betätigungseinrichtung für die Düse.

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Falls erwünscht, können die Wände von entsprechenden Klinken gebildet werden, die mit entsprechenden Kugelschwenkzapfen versehen sind, die in entsprechenden Umfangsnuten des Gehäuses gleiten.

Die Betätigungseinrichtung kann ein Ventil aufweisen, das die Strömung von Druckmittel nach der einen Kammer steuert. Vorzugsweise bildet das Gehäuse einen Teil eines Raketentriebwerks, wobei das Druckmittel von den Strahlgasen des Triebwerks gebildet

Die Oberflächen können teilkugelförmig sein.

Die Erfindung umfaßt auch ein Raketentriebwerk mit einer Düsenanordnung gemäß obiger Kennzeichnung.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform einer Strahldüsenanordnung für ein Raketentriebwerk,

Pig. 2 ein sehematisches Schaltbild des Steuersystems, welches der Düsenanordnung nach Fig.l zugeordnet ist,

Fig. 3 einen Axialsehnitt längs der Linie 3-3 gemäß Pig.4, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Strahldüsenanordnung gemäß Fig.3» wobei das Gehäuse der Übersichtlichkeit wegen weggelassen ist,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Steuersystems, welches in Verbindung niit der Strahldüsenanordnung gemäß Fig.3 und 4 benutzbar ist.

Die Strahldüsenanordnung 10 für ein Raketentriebwerk besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 11, das einen Teil der Brennkammer der Rakete bildet. Das stromunterseitige Ende des Gehäuses 11 ist als Lager 12 ausgebildet und besitzt eine konkave Teilkugellager-

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oberfläche, die universell schwenkbar eine Konvergent/Divergent-Düse 15 trägt, die an ihrem stromoberseitigen Ende eine äußere Umfangsoberfläche teilkugelförmigen Querschnitts aufweist, der komplementär zu der Lageroberfläche des Lagers 12 ist. Es ist nur ein solcher Düsenkörper IJ vorgesehen. Es ist jedoch klar, daß ein Büschel solcher Düsen vorgesehen werden kann.

Das Lager 12 ist mit zwei im axialen Abstand angeordneten ringförmigen Nuten versehen, in denen Ringdichtungen in Gestalt von O-Ringen 14 angeordnet sind. Zwischen den beiden O-Ringen 14 ist das Lager 12 mit einer Ringkammer 15 versehen, deren radial äußere Wand von teilkugelförmiger Gestalt ist. Die Ringkammer wird mit einem Druckmittel über einen Einlaß l6 gespeist, der mit der Ringkamraer 15 in Verbindung steht und es ist außerdem eine Entlüftungsöffnung 17 nach der Atmosphäre hin vorgesehen, um einen Leckstrom von Druckmittel an einer Dichtung l8 vorbeizuführen, die am radial äußeren Ende eines Ringflansches 19 vorgesehen ist, der einstückig mit dem Düsenkörper IJ hergestellt ist und sich radial von diesem erstreckt. Der Plansch I9 wirkt demgemäß als Kolben, der sich in einem Zylinder bewegt, welcher von der Ringkammer I5 definiert ist. Der Flansch 19 teilt die Ringkammer 15 in zwei Ringräume 20 und 21, von denen der Raum 20 direkt mit dem Einlaß l6 in Verbindung steht.

Das Gehäuse 11 ist mit einem Ansatz 26 versehen, an dem wenigstens ein Betätigungsorgan 27 eines Kolbenantriebs festgelegt ist, durch die Neigung der Achse der Düse IJ gegenüber der Längsachse 25 des Lagers 11 geändert werden kann. Wenn der Kolbenantrieb 27 doppeltwirkend ist, reicht ein einziger Kolbenantrieb aus, um eine Neigung und Schwenkung der Düse IJ zu bewirken; wenn jedoch einfach wirkende Kolbenantriebe benutzt werden, wie dargestellt, dann müssen zwei derartige Antriebe diametral gegenüberliegend am Düsenkörper IJ angeordnet sein. Der Kolbenantrieb 27 weist einen Kolben 2b auf, der schwenkbar an einem Ende einer Kolbenstange 29 angelenkt ist, deren anderes Ende bei JO schwenkbar

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mit der Düse 13 verbunden ist. In Fig.l sind die Druckmitteleinlaß- und Auslaßverbindungen nach der Betätigungsvorrichtung 27 nicht dargestellt.

Nunmehr soll wiederum das Lager 12 beschrieben werden. Die Kammer 20 steht über eine Leitung 32 mit einer Ringnut 33 in Verbindung, die in dem Lagerkörper 12 an dessen Lageroberfläche angeordnet ist. So kann durch geeignete Wahl des Druckmittels dieses nicht nur dazu dienen, einen hydrostatischen Druck auf den Plansch 19 in der Kammer 20 auszuüben, sondern es kann gleichzeitig als Kühlmittel und/oder Schmiermittel für die miteinander in Eingriff stehenden Oberflächen des Lagergehäuses 12 bzw. des Düsenkörpers 13 dienen.

Im Betrieb strömt ein Antriebsstrahl unter hoher Temperatur und hohem Druck durch das hohle Innere der Düse 13 und der Strahl hat die Wirkung, Reibungskräfte aufzubauen, die der Schwenkbewegung der Düse 13 entgegenwirken. Dadurch jedoch, daß erfindungsgemäß ein Druckmittel unter geeignetem Druck in die Kammer 20 eingeführt wird, kann die beschriebene Wirkung der Schubgase beträchtlich vermindert oder eliminiert werden, da der hydrostatische Druck in der Kammer 20 und der auf den Plansch 19 wirkende Druck dem Druck entgegenwirken, der durch den Schubstrahl auf den Konvergentteil der inneren Oberfläche der Düse 13 ausgeübt wird. Außerdem schafft die Leitung 32 die Möglichkeit, daß das Druckmittel auch als Kühlmittel und/oder Schmiermittel dienen kann, um die Wirksamkeit und die Lebensdauer der Schwenkdüse I3 zu verlängern.

Nunmehr wird auf Fig.2 der Zeichnung bezuggenommen. Hier ist ein Initiator 40 vorgesehen, der mit einem Brennstofftank 41 verbunden ist, welcher ein Monotreibmittel enthält. In dem Tank 41 befindet sich ein Differentialkolben 42. Stromunterseitig des Tankes 41 befindet sich eine Berstscheibe 44, ein Strömungssteuerventil 45 und

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ein Gasgenerator 46. Das Ventil 45 ist außerdem über eine Leitung 47 mit jener Seite des Brennstofftankes 41 verbunden, der die größere Kolbenfläche des Kolbens 42 enthält.

Zwischen der Berstscheibe 44 und dem Steuerventil 45 zweigt eine Leitung 48 nach einem Ventilschieber 50 ab, der weiter unten im einzelnen beschrieben ist. Das stromunterseitige Ende des Gasgenerators weist zwei Zweigleitungen 51 und 52 auf, die mit einem ein Oxydationsmittel enthaltenden Tank 53 bzw. einem Brennstofftank 54 verbunden sind. Jeder dieser Tanks weist an seinem stromunterseitigen Ende je eine Berstscheibe 55 und 56 auf, von der Strömungsmittel nach der Brennkammer 60 des Raketentriebwerkes strömen.

Der Ventilschieber 50 wird von einem Elektromagneten 6l gesteuert. Er kann auch von einem Motor angetrieben werden. Der Ventilschieber weist vier Kolbenstege 62 bis 65 auf, die auf einer gemeinsamen Kolbenstange 66 sitzen, wobei die Kolbenstege» die Ausgangsleitungen 67,68 steuern, die mit den Betätigungsantrieben 27 auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 11 verbunden sind. Die Rückströmung der Kolbenantriebe 27 ist in Pig.2 nicht dargestellt. Außerdem zweigt eine Leitung 49 von der Leitung 48 ab,um ein Ausgleichsdruckmittel der Kammer 20 zuzuführen. So wird, wie aus Fig.2 ersichtlich, der Monoxtreibstoff, der der Brennkammer 60 eines Raketentriebwerkes zugeführt wird, auch als Druckmittel benutzt, das der Kammer 20 zugeführt wird, um den Reibungsmomenten entgegenzuwirken, die infolge der Schubgase ausgeübt werden. Außerdem wird der Monotreibstoff benutzt, um die zusammenwirkenden Lageroberflächen des Lagers 12 und die Düse 13 zu kühlen und/oder zu schmieren.

Als Alternative zur Benutzung der Monotreibmlttelflüssigkeit durch die Leitung 48 nach der Kammer 20 und nach dem Einlaß des Ventilschiebers 50 zeigt die strichlierte Linie eine Ausführungsform, bei der Gas als Druckmittel benutzt wird, wobei das

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Gas von der Leitung 52 nach einer Leitung 48' und dann nach der Betätigungseinriehtung 27 und der Kammer"20 überführt wird.

Nunmehr wird auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 bis 5 bezuggenommen, in dem gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der äußere Antrieb 27 ist weggelassen und stattdessen ist eine bezüglich des Druckes ausgeglichene,von innen angetriebene universal schwenkbare Düse 15 vorgesehen. Die Anordnung zum Druckausgleich der Düse mittels eines integralen Flansches 19 und einer Druckkammer 20,21 ist bei dieser Ausführungsform sehr ähnlich jener der obenbeschriebenen Ausführungsform und wird daher im einzelnen nicht nochmals beschrieben.

Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Ringkammer 20 in z.B. vier Kammern 70 durch vier im gleichen Abstand zueinander angeordnete, sphärisch gekrümmte Teile 71 unterteilt, die am besten aus Fig.4 erkennbar sind.

Die Teile 71 sind an der äußeren Lageroberfläche der Düse Ij5 stromunterseitig des Ringflansches 19 festgelegt, wobei die äußere Lageroberfläche mit Schlitzen 73 versehen ist, in die die Teile 71 eingreifen, um letztere gegen eine Bewegung in Umfangsrichtung infolge von Differenzdrücken in einem Paar benachbarter Kammern 70 zu halten, wie aus den folgenden Ausführungen ersichtlich ist. Außerdem ist der Flansch 19 mit einem _Λ axial verlaufenden Schlitz 75 versehen, der eine Bewegung der ™ Teile 71 zuläßt und so kann sich die Düse IJ um jeden Winkel bewegen.

Am stromunterseitigen Ende jedes Teiles 71 ist ein Kugelzapfen 76 angeordnet, der in Nuten 77 des Lagers 12 eingreift, die/über einen Teil des Umfangs erstrecken.

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Auf diese Welse wird die Druckkammer 20 an der rückwärtigen Fläche des Flansches 19 in vier Kammern 70 aufgeteilt, die ein Druckmittel unter unterschiedlichen Drücken empfangen können, wodurch die von innen eingeleitete Schwenkbewegung der Düse 13 ermöglicht wird.

Im folgenden wird auf Fig. 5 der Zeichnung Bezug genommen. Das darin beschriebene System entspricht dem System nach Fig. 2 und es werden daher nur die Unterschiede beschrieben. Das Ventil 45a ist ein Druckverminderungsventil, das zwischen dem Monotreibstofftank 41 und dem Gasgenerator 46 eingeschaltet ist und wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel liefert eine Zweigleitung 48 das Treibmittel einem Ventilschieber 50, der bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen schematisch bei 80 dargestellten Motor angetrieben wird. Der Ventilschieber 50 ist mit zwei Kolbenstegen 62^f und 6j5^f ausgestattet und mit einer Nebenschlußleitung 8l~ versehen, die ihrerseits eine Leitung 32 speist, die in einer Ringleitung 33 an der Lagerzwischenfläche von Düse 13 und Lager 12 endet. Eine weitere Leitung 85 verläuft zwischen der Leitung 32 und jedem Schlitz 75* um die Klinken zu kühlen und zu schmieren.

Fig. 5 zeigt nur einen Ventilschieber 50, jedoch sind tatsächlich zwei derartige Ventilschieber 50 vorgesehen, die Ausgangsleitungen 67, 68 besitzen, wobei jede Ausgangsleitung an einer der vier Quadranten oder Kammern 70 angeschlossen ist.

Sobald der Reibungswiderstand überwunden ist und ein Druckmittel aus einer bestimmten Kammer 70 ausgestoßen wird, kann der Ventilschieber 50 in die Neutralstellung überführt werden, um diese DUsensteilung aufrecht zu erhalten. Die Vektorlage der Düse wird dann aufrecht erhalten, wenn die

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Druckzufuhr nach jeder der Kammern 70 gleich bleibt. Eine Betätigung um vier Achsen unter 45° zueinander wird durch Ablassen von Druckflüssigkeit von einer oder einem gegebenen Paar benachbarter Kammern 70 bewirkt. Wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel zeigen die strichlierten Linien die Alternative an, gemäß welcher das Druckmittel gasförmig ist und nicht flüssig.

Durch die Erfindung wird eine Strahldüsenanordnung geschaffen, die eine zufriedenstellende Schwenkbewegung der Düse in allen Richtungen zuläßt, und zwar unbeeinflußt von den hohen Temperaturen und den hohen Drücken, die im Betrieb g

auftreten, wobei gleichzeitig eine lange Lebensdauer erreicht wird. Außerdem wirkt das Treibmittel als Kühlmittel und dient zur Schmierung, wobei das Druckmittel die Drücke an der Schwenkdüse ausgleicht und schließlich wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. j3 bis5 auf eine Betätigung der Schwenkbewegung der Düse 13 erreicht. Es ist ferner festzustellen, daß ein Leckstrom der Treibflüssigkeit zwischen den Lagern und dem komplementären Oberflächen der Düse im wesentlichen verhindert wird und das Lager und die komplementären Oberflächen werden dadurch kalt gehalten, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, daß die U-Ringe 14 aus herkömmlichen Materialien gefertigt werden und, soweit es das erste Ausführungsbeispiel anbetrifft, wird die von der Betätigungseinrichtung geforderte Kraft beträchtlich vermindert, wodurch eine genaue Vektorsteuerung sehr erleichtert wird.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Ausführungsbeispieie besteht darin, daß irgendeine Abdichtungsflüssigkeit, aie zwischen dem Lager und den komplementären Oberflächen strömt, darauffolgend in das Innere der Brennkammer eingesnritzt

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wird, und zwar am stromoberseitigen Ende der Düse, wo eine Grenzschicht innerhalb der Düse erzeugt wird. Diese Grenzschicht bewirkt eine Kühlung der Innenseite der Düse selbt und einen Schutz des Schubstrahles, was wiederum sehr wichtig ist, wenn der Strahl korrosive Bestandteile enthält.

Außerdem kann, da das Dichtungsmittel gleichzeitig das Treibmittel ist, die Strömung des Dichtungsmittels synchronisiert werden mit der Triebwerkszündfolge und demgemäß ist kein zusätzliches Steuersystem für die Dichtungsflüssigkeit erforderlich.

Bei den Ausführungsbeispielen ist die Düsenanordnung in Gestalt von einem Kranz Konvergent-Divergent-Düsen dargestellt, jedoch könnte auch eine Ringdüse Verwendung finden oder die Düse könnte nur konvergent sein.

Patentansprüche

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Claims

Pat entansprüche

1. Strahldüsenanordnung, dadurch g e k e η η zeichnet, daß sie ein Gehäuse (11) umfaßt, welches eine gekrümmte Lageroberfläche (12) besitzt, die einen Sitz für eine komplementäre Oberfläche einer universell schwenkbaren Düse (13) bildet, durch die im Betrieb der Schubstrahl abfließen kann, daß eine Dichtungsvorriehtung (14) zwischen den Oberflächen vorgesehen ist, daß eine Betätigungsvorrichtung (27) eine Schwenkung der Düse (13) relativ zu dem Gehäuse (11) bewirkt, daß eine Leitung (32) ein Kühlmittel und/oder ein Schmiermittel den Oberflächen liefert und daß eine auf Druck ansprechende Einrichtung (19, 2o, 21) im Betrieb einen hydrostatischen Druck einem Teil (19) liefert, der an der Düse (13) befestigt ist, sodaß die Reibungskraft, die infolge der Schubgase und des hierdurch erfolgten Normaldrucks auftritt, vermindert oder eliminiert wird.

2. Strahldüsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Druck ansprechende Vorrichtung (.19, 2o, 21) einen Ringflansch (19) auf dem Düsenkörper (13) aufweist, der in Dichtungseingriff und in Gleiteingriff mit einer Aushöhlung (15) steht, die durch die Lageroberfläche (12) definiert wird, so daß die Aushöhlung (15) in zwei Kammern (2o, 21) aufgeteilt wird, und daß Mittel (16) vorgesehen sind, um die Kammern (2o, 21) mit Druckmittel zu speisen.

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3· Strahldüsenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckflüssigkeit zusätzlich als Kühlmittel und/oder als Schmiermittel dient und daß die Leitung (jJ2) die Druckflüssigkeit aus der einen Kammer (20) empfängt.

4. Strahldüsenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis JJ, dadurch gekennzeichnet , daß die Betätigungseinrichtung (27) wenigstens einen an der Düse (I3) befestigten Kolbenantrieb aufweist.

5. Strahldüsenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolbenantrieb (27) durch die Druckflüssigkeit unter Druck gesetzt wird.

6. Strahldüsenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Ringkammern (20) in mehrere im gleichen Winkelabstand zueinander liegende Segmente (71) aufgeteilt ist, die durch Wände getrennt sind, von denen jede schwenkbar am Gehäuse (11) angelenkt und mit dem Plansch (19) so verbunden ist, daß sie gleitbar relativ hierzu beweglich ist und daß die Segmente (71) dazwischen Druckkammern (70) definieren und daß durch eine Speisevorrichtung (l6) Druckflüssigkeit irgendeiner der Druckkammern (70) zugeführt werden kann, wodurch eine gesteuerte Schwenkbewegung der Düse (I3) bewirkt wird, wobei die Segmentkammern (70) und die Speiseeinrichtung (l6) die Betätigungseinrichtung bilden.

7. Strahldüsenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände von entsprechenden Klauen (71) gebildet werden, die mit Kugelzapfen (76) in Umfangsnuten (77) des Lagers (12) gleitbar sind.

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8. Strahldüsenanordnung nach den Ansprüchen 2 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Betätigungseinrichtung einen Ventilschieber (50) aufweist, der die Zufuhr von Druckflüssigkeit nach der einen Kammer (20) steuert.

9· Strahldüsenanordnung nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) einen Teil eines Raketentriebwerks bildet und daß das Druckmittel ein Treibmittel des Triebwerks ist.

10. Strahldüsenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9>

dadurch gekennzeichnet , daß die Oberflächen "

(12) keilkugelförmig ausgebildet sind.

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