DE2059683B1 - Treibstoffsystem,insbesondere fuer Raketentriebwerke - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Treibstoffsystem, insbesondere für Raketentriebwerke, wie Steuertriebwerke zur Lageregelung von Flugkörpern und Satelliten, bestehend mindestens aus einem Treibstoffvorratsbehälter für mindestens einen monergolen Treibstoff, mindestens einem Katalysator zum Zersetzen des oder der Treibstoffe und mindestens einem Zerfallgasbehälter.

Bei mit monergolen Treibstoffen betriebenen Gasgeneratoren, wird, wie z. B. die USA.-Patentschrift 926 492 offenbart, das Monergol in einem Katalysator in Zerfallgase zerlegt und dann einer Schubdüse, einer Turbine oder sonst einem Verbraucher zugeführt.

Ferner ist es nach dem AIAA-Bericht Nr. 68-556 bekannt, bei mit monergolen Treibstoffen betriebenen Steuertriebwerken zur Lageregelung von Flugkörpern und Satelliten den Treibstoff mit Hilfe eines inerten Druckmediums zum Katalysator zu fördern, in dem das Monergol in Zerfallgase zerlegt wird, welche die nachfolgenden Steuerdüsen beaufschlagen. Bei diesem Fördersystem wird es als Nachteil angesehen, daß bei Auslegung des Steuertriebwerks als Pulsotriebwerk die Frequenz der Pulsationen durch die Trägheit des Fördersystems und insbesondere durch die katalytisch bedingte Verzögerung der Zerfallgaserzeugung für Anwendungsfälle mit besonderen Erfordernissen zu niedrig ist. Um dies zu beseitigen, hat man zwischen dem Katalysator und den Steuerdüsen einen Zerfallgasentnahmebehälter installiert, dessen Solldruckhöhe von einem Regelkreis in der Weise gesteuert wird, daß bei Unterschreiten des Solldrucks, der den Betriebsdruck der Steuerdüsen markiert, solange Monergol in den Katalysator nachgefördert wird, bis der Solldruck im Zerfallgasentnahmebehälter wieder erreicht ist.

Aber auch diese als sogenanntes Plenumsystem bezeichnete Anlage weist verschiedene funktionell Probleme auf. Zum einen ist ein in bezug auf anfällige Druckregelsteuerelemente aufwendiger Regelkreis erforderlich und zum anderen ist nach wie vor ein Förderdruckmedium für das flüssige Monergol zum Katalysator, meist ein inertes Gas, erforderlich, das nicht nur kostbaren Einbauraum, sondern auch Behälterbaugewicht benötigt. Außerdem muß, um beim sogenannten Plenumsystem auch gegen Ende des Treibstoffvorrats noch eine höhere Pulsofrequenz zu erreichen, d. h. eine sehr rasche Nachförderung von Treibstoff zum Katalysator sicherzustellen, die Druckhöhe des Fördergases über die gesamte Betriebsdauer zumindest annähernd konstant gehalten werden, was durch zusätzliches Speichern oder Erzeugen von weiteren Druckgasen (aus Pulverladungen) und Nachfüllen der Förderbehälter geschieht. Dies ist jedoch konstruktiv aufwendig und vergrößert außerdem den Einbauraum und das Baugewicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Anlagen zu vermeiden und unter Verwendung kapillarer Treibstofförderung ein betriebssicher arbeitendes Treibstoffsystem mit einfachem Aufbau zu schaffen.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß zwischen dem Treibstoffvorratsbehälter und dem Katalysator ein mehrteiliger Kapillarkörper vorgesehen ist, von dem ein Teil zur Steuerung des Strömungsquerschnitts für den Treibstoff beweglich ausgeführt ist.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der bewegliche Kapillarkörperteil dem Katalysator zugeordnet und beide zusammen sind innerhalb eines Gehäuses mittels einer Steuermembrane aufgehängt, die einerseits unter dem jeweiligen Zerfallgasdruck (Soll-Druck bzw. Ist-Druck) und andererseits unter einer dem Soll-Druck entsprechenden Gegenkraft steht.

Um bei aufgehobenem Kontakt zwischen dem feststehenden Kontaktkörperteil und dem beweglichen Kontaktkörperteil die im letzteren verbleibende Monergolteilmenge, die noch zum Katalysator nachströmt, möglichst klein zu halten, wo in unerwünschter Weise weitere Zerfallgase erzeugt werden, ist in Ausgestaltung der Erfindung der dem Katalysator zugeordnete bewegliche Kapillarkörperteil (bezüglich seines Durchströmweges) sehr dünn gehalten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Katalysator und der bewegliche Kapillarkörperteil über eine weitere Membrane aufgehängt, wobei beide Membranen den Zerfallgasbehälter für die aus dem Katalysator austretenden Zerfallgase bilden.

Ferner isi in Ausgestaltung der Erfindung der den Strömungsquerschniu für den Treibstoff steuernde Teil des mehrteiligen Kapillarkörpers als Schieber ausgebildet.

Die Erfindung ermöglicht vorteilhafte Verwendungen der an sich bekannten kapillaren Förderung insofern, als diese durch einfache bauliche Maßnahmen in einen Steuer- oder Regelkreis mit einbezogen werden kann, wobei durch die Aufteilung des Kapillarkörpers in zueinander bewegliche bzw. voneinander trennbare Kapillarkörperteile in Verbindung mit einer Steuerung des beweglichen Kapillarkörperteils in Abhängigkeit von bestimmten Zustands- oder Funktionsgrößen oder durch ein vorgegebenes Betriebsprogramm baulieh einfache Steuer- bzw. Regelkreise mit betriebssicheren Schaltelementen und Steuerorganen geschaffen werden können.

Bei einer Antriebsanlage mit Steuertriebwerken, die aus einem mit katalytisch gewonnenen Zerfallgasen gefüllten Entnahmebehälter gespeist werden, wird die Höhe des Druckes bzw. der auftretende Differenzdruck zwischen Soll- und Ist-Druck dieses Behälters als Steuergröße für die Kontaktaufnahme oder die Unterbrechung zwischen dem beweglichen Kapillarkörperteil und dem unbeweglichen Kapillarkörperteil benutzt, wobei die erfindungsgemäße Aufteilung des Kapillarkörpers als Kontakteinrichtung verwendet wird, so daß ein besonderes Steuerventil für die Schaltung des Brennstoffflusses nicht erforderlich ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand zweier Antriebsanlagen dargestellt.

Die Antriebsanlagc nach Fig. 1 besteht aus einem Vorratsbehälter 1 für ein Treibstoffmonergol, der mit einem Kapillarkörper 2 ausgekleidet ist, der einen Fortsatz 2 α als Kapillarkörperteil aufweist, der in ein Gehäuse 3 hineinragt. In diesem ist über zwei Membranen 4 und 5 ein Kapillarkörperteil 2 b zusammen mit einem Katalysator 6 beweglich aufgehängt. Dabei fungiert die Membrane 5 als Steuermembrane. Sie wird auf ihrer zur Membrane 4 hin zeigenden Seite vom Zerfallgasdruck belastet, während auf ihrer Außenseite bzw. auf der hier bündig mit ihr verlaufenden äußeren Stirnseite des Katalysators 6 eine Druckausgleichsfeder 7 angreift, deren Kraft in der gezeichneten Stellung dem auf der anderen Seite der Steuermembrane 5 lastenden Soll-Druck entspricht, so daß an der Steuermembrane 5 Gleichgewicht vorherrscht, wobei ein freier Abstand α bzw. eine Unterbrechung zwischen dem feststehenden Kapillarkörperteil 2 α und dem beweglichen Kapillarkörperteil 2 b besteht. Der Raum 8 zwischen den beiden Membranen 4 und 5 wird als Sammelraum für die aus dem Katalysator 6 austretenden Zerfallgase benutzt. Vom Raum 8 führt eine Leitung 9, in der ein Rückschlagventil 10 eingebaut ist, zu einem Zeriallgasbehälter 11, an dem über Leitungen 12 mit eingebauten Steuerventilen 13 Steuerdüsen 14 angeschlossen sind.

Der Raum 15 vor der Membrane 4 ist mit dem Vorratsbehälter 1 über eine Druckausgleichsleitung ä6 verbunden. Außerdem besteht zwischen dem Federeinbauraum 17 und dem freien Außenraum eine Verbindung über Bohrungen 18.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anlage nach Fig. 1 ist folgende: Bei auf seine Soll-Druckhöhc mit Zerfallgasen aufgefülltem Zerfallgasbehälter 11 herrscht, wie bereits erwähnt, Kräfteausgleich an der Steuermembrane 5 vor, d. h. zwischen dem Kapillarkorperteil 2 α und dem Kapillarkörperteil 2 b besteht ein freier Abstand a, so daß der kapillare Durchströmweg für das flüssige Monergol zwischen dem Vorratsbehälter 1 und dem Katalysator 6 unterbrochen ist. Wird durch Inbetriebnahme der Steuerdüsen 14 eine solche Zerfallgasmenge verbraucht, daß im Zerfallgasbehälter 11 die festgelegte Soll-Druckhöhe unterschritten wird, so überwiegt der Druck der Feder 7, und der Kapillarkörperteil 2 b wird mit dem Kapillarkörperteil 2 a in Kontakt gebracht, worauf Monergol zum Katalysator 6 strömen kann. Durch die dortige weitere Erzeugung von Zerfallgasen steigt der Druck im Raum 8 bzw. im Zerfallgasbehälter 11 wieder an. Bei Erreichen des Soll-Drucks wird dann der Abstand α wieder hergestellt bzw. der Kontakt zwischen den beiden Kapillarkörperteilen 2 α und 2 b so weit verringert, daß keine weitere Zufuhr von Monergol zum Katalysator 6 mehr erfolgt. Um bei aufgehobenem Kontakt zwischen dem feststehenden Kontaktkörperteil 2 α und dem beweglichen Kontaktkörperteil 2 b die im letzteren verbleibende Monergolmenge möglichst klein zu halten, die zum Katalysator nachströmt, wo in unerwünschter Weise weitere Zerfallgase erzeugt werden, ist der bewegliche Kapillarkörperteil bezüglich seines Durchströmweges bzw. Volumens sehr kurz bzw. klein gehalten.

In F i g. 2 wird die Durchströmung von Monergol innerhalb des Kapillarkörpers 2 durch einen Schieber 19 aus Kapillarwerkstoff gesteuert bzw. in ihrer Menge variiert, wobei bei voll eingefahrenem Schieber 19 der volle Durchströmquerschnitt gegeben ist, während bei ganz ausgefahrenem Schieber 10 die Durchströmung im Kapillarkörper 2 voll unterbrochen ist. Die jeweils im Katalysator 6 erzeugten Zerfallgase der in den Vorrats behältern 1 gelagerten Monergole (Brennstoff- und Sauerstoffmonergol) strömen in eine Brennkammer 20 ein und reagieren dort miteinander. Mit Hilfe von Steuernocken 21 und Übersetzungshcbel 22 zum Stellen der Steuerschieber 19 können für den Brennkammerprozeß bestimmte Leistungsprogramme über die Betriebsdauer erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

BAD ORIGINAL

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Treibstoff system, insbesondere für Raketentriebwerke, wie Steuertriebwerke zur Lageregelung von Flugkörpern und Satelliten, bestehend mindestens aus einem Treibstoffvorratsbehälter für mindestens einen monergolen Treibstoff, mindestens einem Katalysator zum Zersetzen des oder der Treibstoffe und mindestens einem Zerfallgasbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Treibstoff vorratsbehälter (1) und dem Katalysator (6) ein mehrteiliger Kapillarkörper (2, 2 a, 2 b) vorgesehen ist, von dem ein Teil (2 b) zur Steuerung des Strömungsquerschnitts für den Treibstoff beweglich ausgeführt ist.

2. Treibstoff system nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Kapillarkörperteil (2 b) dem Katalysator (6) zugeordnet ist und beide zusammen innerhalb eines Gehäuses (3) mittels einer Steuermembrane (5) aufgehängt sind, die einerseits unter dem jeweiligen Zerfallgasdruck (Soll-Druck bzw. Ist-Druck) und andererseits unter einer dem Soll-Druck entsprechenden Gegenkraft steht.

3. Treibstoff system nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Katalysator (6) zugeordnete Kapillarkörperteil (2 b) sehr dünn ist.

4. Treibstoffsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (6) und der bewegliche Kapillarkörperteil (2 b) über eine weitere Membrane (4) aufgehängt sind, wobei beide Membranen (4 und 5) den Zerfallgasbehälter (8) für die aus dem Katalysator (6) austretenden Zerfallgase bilden.

5. Treibstoff system nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Strömungsquerschnitt des Treibstoffs steuernde Teil (2 b) des mehrteiligen Kapillarkörpers (2, 2 a, 2 b) ein Schieber (19) ist.