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Wasserstrahl triebwerk Die Erfindung bezieht sich auf ein Wasserstrahltriebwerk
mit einem Schubkanal, in welchem dem einströmenden Wasser auf dem Wege vom Kanaleinlaß
zum Kanalauslaß durch Druckgase Energie zugeführt wird.
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Bei einem bekannten Wasserstrahltriebwerk der eingangs genannten Gattung
sind ein konvergierender Rohrabschnitt, ein kavitationsbildender Rohrabschnitt,
ein divergierender Rohr abschnitt und ein weiterer konvergierender Rohrabschnitt
in
der genannten Reihenfolge zu einem Schubkanal vereinigt. Das in den rohrförmigen
Schubkanal einströmende Wasser erfährt auf dem Wege durch den einlaßnahen konvergierenden
Rohrabschnitt eine solche Druckabsenkung, daß es im sich anschließenden Rohrabschnitt
-wie bereits angedeutet - zur Bildung von Kavitatiorlshohlräumen kommt. In diesen
Kavitationshohlräumen werden kontinuierlich zugeführte gasförmige und/oder flüssige
Brennstoffe mit Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen verbrannt. Daraus resultiert
ein beträchtlicher Druck an stieg im darauffolgenden Rohrabschnitt. Letzterer wirkt
infolge seines divergierenden Querschnittsverlaufs gleichzeitig verbrennungsstabilisierend.
Schließlich wird im auslaßnahen konvergierenden Rohrabschnitt die auf den vorerwähnten
Verbrennungsvorgang zurückgehende hohe Druckenergie in der Kanal strömung teilweise
in kinetische Energie umgewandelt.
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Zu den Nachteilen des bekannten Wasserstrahltriebwerks zählen u.a.
die große Schubkanallänge und die durch die vorgesehene Verbrennung in den Kavitationshohlräumen
mit ihrer verbrennungsfeindlichen Umgebung wesentlich erschwerte Brennstoffwahl.
Als weiterer Nachteil kommen die Zündschwierigkeiten in den Kavitationshohlräumen
hinzu, deren Beseitigung im Aufbau komplizierte und somit störanfällige Zündermechanismen
erforderlich macht. Darüber hinaus besteht wegen des hohen Verbrennungsdruckes im
Schubkanal stets die Gefahr einer zum Kanaleinlaß gerichteten Gegenströmung, wenn
zwischen Kanaleinlaß und kavitationsbildendem Rohrabschnitt keine entsprechende
Regeleinrichtug vorgesehen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile
ein vielseitig verwendbares, in der Wahl der Brennstoffe für die Druckgaserzeugung
unabhängiges
Wasserstrahltriebwerk der eingangs genannten Gattung
mit hoher spezifischer Leistung und ausgezeichneter Anpassungsfähigkeit an verschiedene
Betriebs- bzw.
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Reaktionsbedingungen zu entwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Schubkanal
mindestens ein Gasgenerator mit in Strömungsrichtung divergierender Außenkontur
angeordnet ist und der Gasgenerator derart bemessen ist, daß sich stromabwärts seiner
dem Kanaleinlaß abgewandten Basis in der Kanal strömung ein Kavitationshohlraum
bildet, in den eine oder mehrere, in der Gasgeneratorbasis vorgesehene Auslaßdüsen
für die im Gasgenerator erzeugten Druckgase einmünden.
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Beim erfindungsgemäßen Wasserstrahltriebwerk findet im Gegensatz zum
bekannten die Druckgaserzeugung nicht in Kavitationshohlräumen der Kanal strömung
statt sondern in vorgeordneten Gasgeneratoren, in deren zu den Kavitationshohlräumen
führenden Gasauslaßdüsen die Druckenergie der erzeugten Zerfall- bzw. Brenngase
zum überwiegenden Teil in kinetische Energie umgewandelt wird. Aus vorgenannter
Tatsache resultieren mehrere Vorteile: Einmal werden die bei der Druckgaserzeugung
auftretenden Druck- und Temperaturspitzen von der Schubkanalwandung ferngehalten,
was in geringen Kanalwandstärken und geringen Wärmeverlusten seinen positiven Niederschlag
findet. Zum anderen werden zum Kanal einlaß gerichtete Gegenströmungen im Schubkanal
unterbunden, ohne daß es hierzu komplizierter Regeleinrichtungen bedarf. Außerdem
treten die beim bekannten Wasserstrahltriebwerk vorhandenen Schwierigkeiten bei
der Brennstoffwahl und Zündung nicht mehr in Erscheinung, da die Druckgaserzeugung
nicht in einer verbrennungsfeindlichen Umgebung sondern in vollwertigen
Gasgeneratoren
erfolgt. Aus diesem Grunde erübrigt sich auch der beim bekannten Wasserstrahltriebwerk
zum Zwecke einer Stabilisierung des Verbrennungsvorgangs zwischen kavitationsbildendem
Rohrabschnitt und auslaßnahem konvergierendem Rohrabschnitt angeordnete Rohrabschnitt
mit divergierendem Querschnittsverlauf, so daß der Schubkanal wesentlich kürzer
ausfällt, Schließlich ist noch die wirkungsgradmäßig günstige Beschleunigung des
in den Schubkanal einströmenden Wassers zu erwähnen, das auf dem Wege vom Kanaleinlaß
zum Kanalauslaß durch die Kavitationsbildung stromabwärts des oder der Gasgeneratoren
in eine oder mehrere Wasserschichten mit im Vergleich zum örtlichen Kanalquerschnitt
geringem Querschnitt bzw. Gesamtquerschnitt aufgegliedert wird. Letztgenannter Vorteil
beruht auf der Tatsache, daß die erzeugten Zerfall- bzw.
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Brenngase mit hohen Geschwindigkeiten in den oder die Kavitationshohlräume
einströmen und auf ihren definierten Bahnen zum Kanalauslaß von einer oder beiden
Breitseiten her in die Wasserschicht oder -schichten eindringen. Diese Art der Beschleunigung
ermöglicht ohne besonderen Aufwand eine Variierung der Rückstoßkräfte in weiten
Grenzen, was in Verbindung mit einer - bei entsprechender Treibstoffwahl - unauffälligen
Antriebs spur und dem ebenfalls ortungserschwerenden multispektralen Geräuschpegel
vor allem für Wasserfahrzeuge militärischer Art wie U-Boote, Torpedos, waffenbestückte
Unterwassersilos mit eigenem Antrieb oder dergleichen von großem Nutzen ist.
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Die Querschnittsformen des oder der Kavitationshohlräume und der durch
die Kavitationsbildung in der Kanal strömung entstehenden Wasserschicht bzw. -schichten
hängen im wesentlichen von den Querschnitten des Schubkanals und des oder der darin
angeordneten Gasgeneratoren ab. Letztere sind in Ausgestaltung der Erfindung bei
a)
kreisringförmigem Schubkanal im Querschnitt kreis- oder kreisringförmig, wobei die
in ihren Basen vorgesehenen Gasauslaßdüsen bei kreisförmiger Basisgestalt als zentrale
kreisrunde und/oder periphere kreisringförmige Düsen ausgebildet sind, während sie
bei kreisringErmiger Basisgestalt sowohl bei zentraler als auch bei peripherer Anordnung
im Querschnitt kreisringförmig sind und b) bei rechteckigem Schubkanal im Querschnitt
ebenfalls rechteckig, was auch für die im Zentrum und/oder an der Peripherie ihrer
Basen vorgesehenen Gasauslaßdüsen gilt.
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Die vorerwähnte querschnittsmäßige Anpassung des oder der Gasgeneratoren
an den zugeordneten Schubkanal ist sowohl konstruktiv als auch strömungstechnisch
von Vorteil. Einmal vereinfacht sich auf diese Weise die Gasgeneratorabstützung
im Schubkanal. Zum anderen lassen sich dadurch ohne besonderem Aufwand zur Kanallängsachse
symmetrische Kavitationshohlräume und Wasserschichten verwirklichen.
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Wasserschichten kreisringförmigen Querschnitts entstehen beispielsweise
bei derjenigen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Mantelfläche eines in
Strömungsrichtung divergierenden Gasgenerators kreis- oder kreisringBrmigen Querschnitts,
die konisch, konvex oder konkav ausgebildet sein kann, mit dem koaxialen Mantel
eines kreisförmigen Schubkanals bzw. benachbarten Gasgenerators kreisringförmigen
Querschnitts einen in Strömungsrichtung konvergierenden Ringspalt bildet. Wasserschichten
rechteckigen Querschnitts ergeben sich dagegen bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, bei der ein in Strömungsrichtung divergierender Gasgenerator rechteckigen
Querschnitts mit seinen Stirnflächen an den Schmal- bzw. Breitseiten eines rechteckigen
Schubkanals anliegt; während seine beispielsweise
konischen, konvexen
oder konkaven Seitenflächen mit den Schubkanalbreitseiten bzw. -schmal seiten oder
den Seitenflächen benachbarter Gasgeneratoren gleichen Aufbaus jeweils in Strömungsrichtung
konvergierende Spalte rechteckigen Quer schnitts bilden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der engste Querschnitt
jedes in Strömungsrichtung konvergierenden und einerseits von der Schubkanalwandung,
andererseits von einem Gasgenerator bzw. beiderseits von einem Gasgenerator begrenzten
Ring spaltes bzw. Spaltes rechteckiger Querschnittsform jeweils durch axiales Verschieben
von Schubkanal und Gasgenerator bzw. beider Gasgeneratoren gegeneinander in der
Größe veränderbar, und zwar zwischen Null und einem Maximalwert. Diese Maßnahme
ermöglicht einen einwandfreien Triebwerksanlauf und während des Betriebs eine Anpassung
der den Schubkanal passierenden Wassermengen an wechselnde hydrostatische und hydrodynamische
Drücke in der Triebwerksumgebung.
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Bei hohen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit empfiehlt es sich
mitunter, das erfindungsgemäße Wasserstrahltriebwerk zwei- oder mehrstufig auszubilden,
d.h. in seinem Schubkanal zwei oder mehrere, in Strömungsrichtung hintereinander
angeordnete Gruppen aus einem oder mehreren parallelgeschalteten Gasgeneratoren
bereits erwähnter Art vorzusehen und die Gasgeneratoren der jeweils nachgeordneten
Gruppe gegenüber den Gasgeneratoren der jeweils vorgeordneten Gruppe seitlich zu
versetzen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der stromabwärts des
oder der Gasgeneratoren gelegene Schubkanalabschnitt durch eine oder mehrere Trennwände
in zwei oder mehrere, in Strömungsrichtung konvergierende Strömungsräume
unterteilt.
Trennwände der vorerwähnten Art, deren primäre Aufgabe es ist, den Wirkungsgrad
beeinträchtigende Wirbelbildungen in der Kanal strömung zu unterbinden, können zur
zusätzlichen Abstützung des bzw. der vorzugsweise mittels seitlicher Streben im
Schubkanal abgestützten Gasgeneratoren herangezogen werden. Darüberhinaus kommen
sie - ebenso wie die seitlichen Stützstreben - für die Durchführung der Treibstoffleitungen
in Betracht.
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Für die Druckgaserzeugung finden zweckmäßigerweise solche Treibstoffe
Verwendung, die st Wasser hypergol reagieren, wie Natrium- Kalium-Verbindungen,
Metallalkyle oder Alanate. Ermöglicht wird die Verwendung derartiger Treibstoffe,
die wegen ihrer leichten Verfügbarkeit, ihres Energiereichtums, des Fortfalls von
Zündeinrichtungen und der sich erübrigenden Mitführung von Oxydatoren äußerst interessant
sind, erst durch die erfindungsgemäße Verlegung der Druckgaserzeugung aus dem oder
den wasserumspülten Kavitationshohlräumen in den bzw. die Gasgeneratoren.
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Diese Verlegung gestattet nämlich eine Zufuhr definierter Wassermengen
in den Reaktionsraum, was für die Aufrechterhaltung der gaserzeugenden Reaktion,
für eine gezielte Beeinflussung der Reaktionstemperatur und für eine Variierung
der Strömungsgeschwindigkeiten in der oder den Gasauslaßdüsen von Bedeutung ist.
In Ausgestaltung der Erfindung wird diese Wasserzufuhr jeweils mittels eines Stellglieds
in Abhängigkeit vom Staudruck und hydrostatischen Druck in der Triebwerksumgebung
geregelt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung können den in den Zeichnungen schematisch
dargestellten und nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen entnommen
werden. Es zeigen:
Fig. la im Längsschnitt eine Ausführung des erfindungsgemäßen
Wasserstrahltriebwerks, Fig. Fig. lb einen Querschnitt durch das Wasserstrahltriebwerk
gemäß Fig. 2a, und zwar entlang der Linie Ib-Ib und Fig. 2a im Längsschnitt eine
andere Ausführung des erfindungsgemäßen Wasserstrahltriebwerks und Fig. 2b einen
Querschnitt durch das Wasserstrahlbiebwerk gemäß Fig. 2a, und zwar entlang der Linie
IIb-IIb.
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In Fig. la und Ib ist ein im Querschnitt kreisförmiger Schubkanal
1 eines Wasserstrahltriebwerks gemäß der Erfindung dargestellt0 Der Schubkanal 1,
dessen Einlaß mit 2 und dessen Auslaß mit 3 bezeichnet ist, setzt sich aus zwei
Abschnitten 42 5 zusammen. Von den beiden Abschnitten weist der den Kanaleinlaß
2 bildende (4) einen konstanten und der den Kanalauslaß 3 bildende (5) einen in
Strömungsrichtung konvergierenden Querschnittsverlauf auf. Im erstgenannten Schubkanalabschnitt
4 befinden sich zwei Gasgeneratoren 6, 7 mit in Strömungsrichtung divergierender
Außenkontur, und zwar im Zentrum ein Gasgenerator 6 kreisförmigen Querschnitts und
ein hierzu koaxialer Gasgenerator 7 kreisringförmigen Querschnitts im Randbereich.
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Der zentrale Gasgenerator 6, dessen konischer Mantel mit 8 bezeichnet
ist, ist durch vier gleichmäßig über seinen Umfang verteilte, seitliche Streben
9a bis d im einlaßnahen Schubkanalabschnitt 4 abgestützt und zentriert. Durch eine
(9c) der Stützstreben 9a bis d verlaufen zwei Leitungen lOa, lOb für die Zufuhr
von Oxydator (lOa) und Brennstoff (laub) vom entsprechenden Behälter lla bzw0 lib
zum Einspritzkopf
12. An die mit 13 bezeichnete Brennkammer schließt
sich eine divergierende Öffnung 14 an. Letztere (14) bildet zusammen mit einem von
der Gasgeneratorbasis 15 her teilweise in sie hineinragenden Verdrängerkörper 16
eine ringförmige Gasauslaßdüse 17, deren Austrittsquerschnitt an der Peripherie
der Gasgeneratorbasis 15 liegt. Am Verdrängerkörper 16 ist eine in Kanallängsrichtung
verlaufende Trennwand 18 befestigt, die den zum Kanalauslaß 3 hin konvergierenden
Schubkanalabschnitt 5 in zwei gleichgroße Strömungsräume Oa, l9b unterteilt. Hauptzweck
dieser Trennwand 18 ist es; Wirbelbildungen in der Kanal strömung zu unterbinden.
Gleichzeitig kann sie aber auch zur Abstützung des zentralen Gasgenerators 6 herangezogen
werden.
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Der periphere Gasgenerator 7 stützt sich über seine radial außenliegende
zylindrische Mantelfläche 20 an der Wand des einlaßnahen Schubkanalabschnitts 4
ab. Seine radial innenliegende konische Mantelfläche 21 bildet mit dem konischen
Mantel 8 des zentralen Gasgenerators 6 einen in Strömungsrichtung konvergierenden
Ringspalt 22. Der engste Querschnitt dieses Ringspaltes 22 ist infolge der vorgesehenen
axialen Beweglichkeit des peripheren Gasgenerators 7 in der Größe veränderbar, und
zwar zwischen Null und dem aus der Zeichnung ersichtlichen Maximalwert. Bewegt wird
der periphere Gasgenerator 7 beispielsweise mittels eines außen am Schubkanal 1
angebrachten Stellmotors 23, welcher auf Änderungen des Staudrucks und hydrostatischen
Drucks in der Triebwerksumgebung anspricht.
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Die mit 24 bezeichnete Kolbenstange des Stellmotors 23 greift bei
dieser Ausführung an einem radialen Gasgeneratorvorsprung 25 an, der in einem Längsschlitz
26 der Schubkanalwand geführt ist. Durch solch einen Gasgeneratorvorsprung 27 verlaufen
auch die mit 28a und 28b bezeichneten Leitungen für Oxydator bzw. Brennstoff zum
Einspritzkopf 29 des peripheren Gasgenerators 7, dessen Brennkammer das
Bezugszeichen
30 trägt. An die Brennkammer 30 schließt sich wiederum eine divergierende Öffnung
31 an. Letztere (31) bildet mit einem von der Gasgeneratorbasis 32 her teilweise
in sie hineinragenden Verdrängerkörper 33 eine ringförmige Gasauslaßdüse 34, deren
Austrittsquerschnitt im inneren radialen Randbereich der Gasgeneratorbasis 32 liegt,
Das während des Betriebs des vorbeschriebenen Wasserstrahltriebwerks über den Einlaß
2 in den Schubkanal 1 gelangende Wasser erfährt auf dem Wege durch den in Strömungsrichtung
konvergierenden Ring spalt 22 eine solche Druckabsenkung, daß sich stromabwärts
der beiden Gasgeneratoren 6, 7 an deren Querschnitte angepaßte Kavitationshohlräume
bilden, zwischen denen eine Wasserschicht fließt. In diese Wasserschicht dringen
die in den Gasgeneratoren 6, 7 erzeugten und rtit hohen Geschwindigkeiten in die
Kavitationshohlräume einströmenden Gase auf ihrem Weg zum Kanal aus laß 3 von beiden
Breitseiten her ein. Daraus resultiert eine wirkungsgradmäßig günstige Beschleunigung
der Wasserschicht, was einen äußerst wirksamen Rückstoß zur Folge hat.
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In Fig. 2a und 2b ist eine zweistufige Ausführung des erfindungsgemäßen
Wasserstrahltriebwerks dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Schubkanal
rechteckigen Querschnitts 51 und fünf im Querschnitt ebenfalls rechteckigen Gasgeneratoren
56a bis e mit in Strömungsrichtung divergierender Außenkontur. Der Schubkanal 51,
dessen Einlaß mit 52 und dessen Auslaß mit 53 bezeichnet ist, setzt sich wiederum
aus einem den Einlaß 52 bildenden Abschnitt 54 konstanten Querschnittsverlaufs und
aus einem den Auslaß 53 bildenden Abschnitt 55 mit in Strömungsrichtung konvergierenden
Querschnittsverlauf zusammen. Sämtliche Gasgeneratoren 56a bis e sind im erstgenannten
Schubkanalabschnitt
54 untergebracht, und zwar derart, daß ihre
Basen 58a bis e jeweils zum Kanalauslaß 53 zeigen. Die Einspritzköpfe der Gasgeneratoren
56a bis e, die allesamt mit ihren Stirnflächen 59a bis e an den Kanalschmalseiten
60 anliegen, tragen die Bezugszeichen 61a bis e. Ihre Brennkammern sind mit 62a
bis e und die sich daran anschließenden, zu den Kanalbreitseiten 64 parallelen Gasauslaßdüsen
an der Peripherie der Gasgeneratorbasen 58a bis e mit 63a bis e bezeichnet. Gebildet
werden die peripheren spaltförmigen Gasauslaßdüsen 63a bis e jeweils von einer divergent-konvergenten
Öffnung 65a bis e, die sich vom hinteren Brennkammerende bis zur Gasgeneratorbasis
58a bis e erstreckt, und von einem in die Gasgeneratoröffnung 65a bis e teilweise
hineinragenden Verdrängerkörper, der beispielsweise die Form eines Doppelkeils 66a
bis e aufweist.
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Drei (56a bis c) der insgesamt fünf Gasgeneratoren 56a bis e sind
in unmittelbarer Nähe des Kanaleinlasses 52 angeordnet (1. Stufe). Dort bilden sie
mit ihren sich gegenüberliegenden, beispielsweise konkaven Seitenflächen 67a bis
c zwei in Strömungsrichtung konvergierende Spalten 68a, b gleicher Größe, die von
den benachbarten Kanalbreitseiten 64 jeweils gleichweit entfernt sind wie von der
zu den letzteren (64) parallelen Symmetrieebene des betreffenden Schubkanalabschnitts
54. Durch eine in dieser Symmetrieebene liegende Wand 69 ist der stromabwärts der
drei vorerwähnten Gasgeneratoren 56a bis c befindliche Bereich des im Querschnitt
konstanten Schubkanalabschnitts 54 in zwei gleichgroße, achsparallele Strömungsräume
70a, 70b unterteilt. In die dem Kanalauslaß 53 zugewandten Teile dieser Strömungsräume
70a, 70b ragt jeweils einer der beiden restlichen Gasgeneratoren 56d, 56e (2. Stufe),
deren Basen 58d, 58e am Übergang der beiden Schubkanalabschnitte 54, 55 liegen,
hinein, und zwar derart,
daß die zwischen den Kanalbreitseiten
64 bzw. der Trennwand 69 einerseits und den beispielsweise konvexen Seitenflächen
67d, 67e der Gasgeneratoren 56d, 56e andererseits verbleibenden Spalte 71a bis d
gleiche Abmessungen besitzen. Die letztgenannten, in Strömungsrichtung ebenfalls
konvergierenden Spalte 71a bis d stehen über ihre engsten Querschnitte mit dem auslaßnahen
Schubkanalabschnitt 55 in Verbindung, der durch zwei Trennwände 72a und 72b in drei
zum Kanalauslaß 53 hin konvergierende Strömungsräume 73a bis c unterteilt ist. Die
Wirbelbildungen verhindernde Trennwand 69 im einlaßnahen Schubkanalabschnitt 54
ist an demjenigen Verdrängerkörper 66b befestigt, der dem mittleren Gasgenerator
56b der ersten Stufe zugeordnet ist, und zwar an dem aus der Gasgeneratoröffnung
65b herausragenden Keil. Dieser hat gleichzeitig die Funktion eines Leit- und Ablenkkörpers.
Die beiden Trennwände 72a, 72b im auslaßnahen Schubkanalabschnitt 55 sind in der
gleichen Weise an den Verdrängerkörpern 66d und 66e der die zweite Stufe bildenden
Gasgeneratoren 56d und 56e befestigt.
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Bei der vorbeschriebenen zweistufigen Triebwerksausführung sind die
fünf Gasgeneratoren 56a bis e beispielsweise für den Betrieb mit solchen Treibstoffen
ausgelegt, die mit Wasser hypergol reagieren, wie Natrium-Kalium-Verbindungen, Metallalkyle
oder Alanate. Treibstoff und Wasser gelangen hierbei - wie bei einem (56d) der Gasgeneratoren
56a bis e zu sehen ist - von Behältern 74 bzw. 75 durch Leitungen 76 bzw. 77, welche
den Schubkanal 51 von der Schmalseite her duchdringen, zu den entsprechenden Kammern
des Einspritzkopfes 61d. Zu erwähnen ist noch, daß der wasserführenden Versorgungsleitung
77 ein auf Änderungen des Staudrucks und des hydrostatischen Druckes in der Triebwerksumgebung
ansprechender Mengenregler 78 zugeordnet ist.
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Infolge der Dimensionierung und getroffenen Anordnung der fünf Gasgeneratoren
ia bis e kommt es beim Durchströmen von Wasser im Schubkanal 51 stromabwärts der
Gasgeneratoren 56a bis e jeweils zur Bildung von im Querschnitt im wesentlichen
rechteckigen Kavitationshohlräumen und dazwischen befindlichen Wasserschichten gleicher
Querschnittsform. Letztere erfahren auf ihrem Wege zum Kanalauslaß 53 durch die
st hohen Geschwindigkeiten aus den Gasauslaßdüsen 63a bis e in die Kavitationshohlräume
überströmenden und von dort seitlich in sie eindringenden Gase eine große Beschleunigung,
was zu einem äußerst wirksamen Rückstoß führt.
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Patentansprüche: