DE2122742A1 - Two-stage hydrazine rocket motor - Google Patents
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Description
patsntanwSlte
Dr. Ing. Waiter Abitz
Dr. Dietsr F. Morf
Dr. Hans-A. Braunspatsntanwlte
Dr. Ing.Waiter Abitz
Dr. Dietsr F. Morf
Dr. Hans-A. Browns
7. Mai I97I 35 858May 7, 1997I 35 858
ROCKET RESEARCH CORPORATIONROCKET RESEARCH CORPORATION
York Center, Willow Rd. at N.E. U6th Street, Redmond, Washington 98052, V.St.A.York Center, Willow Rd. At N.E. U6th Street, Redmond, Washington 98052, V.St.A.
Zweistufiger Hydrazin-RaketenmotorTwo-stage hydrazine rocket motor
Die vorliegende Erfindung betrifft Gasgeneratoren wie sie in Raketenantrieben verwendet werden und insbesondere ein zweistufiges Antriebssystem, in welchem die Reaktionsprodukte einer ersten Einstoffstufe sowohl als Treibmittel wie auch als Kühlmittel für eine zweite Zweistoffstufe verwendet werden. The present invention relates to gas generators as used in rocket propulsion systems, and more particularly to a two-stage one Propulsion system in which the reaction products of a first single-component stage are used both as propellants and can be used as a coolant for a second two-component stage.
Hydrazin wurde bisher in Raketenantrieben mit einem Zweistoff-Treibmittel infolge seiner hohen Leistung und seines günstigen Lager- und Transportverhaltens als vorteilhafter Treibstoff angesehen. Die HauptSchwierigkeiten, welche bisher bei der Verwendung von flüssigem Hydrazin in Zweistoff-Trlebwerken aufgetreten sind, liegen darin, dass das thermische Zersetzungsverhalten von Hydrazin seine Verwendung alsHydrazine was previously used in rocket engines with a two-fuel propellant due to its high performance and its favorable storage and transport behavior as more advantageous Viewed fuel. The main difficulties so far when using liquid hydrazine in two-fluid trleb plants occurred is that the thermal decomposition behavior of hydrazine is its use as a
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verlässliches regenerierendes Kühlmittel begrenzt haben, und dass das Einspritzen der Treibmittel als Flüssigkeit, beispielsweise von Hydrazin und Stickstofftetroxid häufig zu einem rauhen Anlaufbetrieb und einer Instabilität der Verbrennung führt. Ein Verfahren zur Verbesserung des ZundVerhaltens dieser Treibstoffe bestand darin, anstelle des Hydrazins ein anderes Treibmittel zu verwenden, wie beispielsweise *"* Aerozin 50 (HgH^/UDMH) oder MMH. Leider haben jedoch diese Hydrazinersatzstifte, einen geringeren spezifischen Impuls als Hydrazin. Dartiberhinaus wird Hydrazin bereits in grösserem Umfang als Einst'off-Treibmittel für Höhensteuersysteme und Druckgassysteme verwendet und es ist daher sehr erwünscht 3 die Verwendung eines Hydrazin-Ersatzstoffes zu vermeiden, um damit die Notwendigkeit für einen dritten Speicherraum in einem Raumfahrzeug zu vermeiden.have limited reliable regenerative coolant, and that the injection of the propellants as a liquid, such as hydrazine and nitrogen tetroxide, often results in rough start-up and combustion instability. One method to improve the ignition behavior of these fuels has been to use a different propellant in place of the hydrazine, such as * "* Aerozin 50 (HgH ^ / UDMH) or MMH. Unfortunately, however, these hydrazine replacement sticks have a lower specific impulse than hydrazine hydrazine is already used on a larger scale than Einst'off propellant for height control systems and compressed gas systems and it is 3 to avoid the use of a hydrazine substitute, to hence the need to avoid for a third memory space in a spacecraft, therefore, highly desirable.
Ein weiteres Verfahren für die Verwendung von Hydrazin als Hauptbrennstoff bestand darin, das Hydrazin zu zersetzen, um einen Schub einer ersten Stufe zu erzeugen und den Zersetzungsprodukten einen Sauerstoffträger zuzuführen, um einen zweiten höheren Schub einer sekundären Stufe zu erzeugen. In diesem Falle reagieren die Zersetzungsprodukte N2;,' H2, NH-* bereitwillig mit dem Sauerstoffträger, beispielsweise NpO2, oder Fp, um die gewünschte hohe Leistung zu ergeben und damit die Verwendung eines Hydrazinersatzes und des zugehörigen Lagerraums zu vermeiden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 149 beschrieben, die am 22. September 1964 an LaRocca erteilt wurde.Another method of using hydrazine as the main fuel has been to decompose the hydrazine to produce a first stage thrust and to oxygenate the decomposition products to produce a second higher secondary stage thrust. In this case, the decomposition products N 2 ;, 'H 2 , NH- * react readily with the oxygen carrier, for example NpO 2 , or Fp, in order to give the desired high performance and thus avoid the use of a hydrazine substitute and the associated storage room. Such a method is described, for example, in U.S. Patent 3,149, which issued September 22, 1964 to LaRocca.
Bei der Reaktion zwischen den Hydrazin-Zersetzungsprodukten und einem Sauerstoffträger wird eine gewaltige Wärmemenge erzeugt. Die Schubkammerwände und die Düse müssen zu ihremA tremendous amount of heat is generated in the reaction between the hydrazine decomposition products and an oxygen carrier generated. The thrust chamber walls and the nozzle must be theirs
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Schutz entweder aus wärmebeständigen Stoffen hergestellt sein, mit keramischen Materialien oder dergleichen beschichtet sein oder durch ein durch die Stoffe oder über sie fliessendes Kühlmittel gekühlt werden, oder aber durch eine Kombination dieser Massnahmen geschützt werden. Ein Verfahren zur Kühlung von Reaktionskammerwänden ist in der USA-Patentschrift 2 706 887 beschrieben, die am 26. April 1955 an Grow erteilt wurde, ßemäss dieser Patentschrift ist eine ringförmige Auskleidung in der Reaktionskammer vorgesehen und eines der Treibmittel wird innerhalb und ausserhalb der Auskleidung eingeführt. Das innerhalb der Auskleidung eingeführte Treibmittel wird mit einem zweiten Treibmittel zur Reaktion gebracht, wobei Reaktionsprodukte mit hoher Temperatur erzeugt werden. Das ausserhalb der ringförmigen Verkleidung zugefUhrte Treibmittel wird in einer derartigen äusseren Kammer zersetzt, um ein bewegtes Fluid rait niedrigerer Temperatur zu liefern.Protection can either be made of heat-resistant materials, coated with ceramic materials or the like or be cooled by a coolant flowing through the substances or over them, or else by a combination these measures are protected. One method for cooling reaction chamber walls is in the United States patent No. 2,706,887, issued April 26, 1955 to Grow, according to this patent specification is an annular one Liner is provided in the reaction chamber and one of the propellants is inside and outside the liner introduced. The propellant introduced within the liner reacts with a second propellant brought, generating reaction products with high temperature. That outside of the ring-shaped cladding Supplied propellant is in such an external Chamber decomposes to provide moving fluid at lower temperature.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen zweistufigen Raketenmotor, welcher eine primäre Reaktionskammer aufweist, in der Hydrazin katalytisch zersetzt wird sowie eine zweite Reaktionskammer, in welcher die Zersetzungsprodukte des Hydrazins mit einem Sauerstoffträger zur Reaktion gebracht werden können.The present invention relates to a two-stage rocket motor, which has a primary reaction chamber in which hydrazine is catalytically decomposed and a second Reaction chamber in which the hydrazine decomposition products are reacted with an oxygen carrier can be.
Gemäss der vorliegenden Erfindung können die Zersetzungsprodukte des Hydrazins allein für einen Antrieb niedriger Energie verwendet werden und mit dem Sauerstoffträger zur Lieferung eines Antriebs hoher Energie zur Reaktion gebracht werden. Ferner werden während der sekundären Reaktion einige der Zersetzungsprodukte des Hydrazins mit Vorteil als KUhI-film für die Seitenwände der sekundäre Reaktionskammer verwendet. According to the present invention, the decomposition products of hydrazine alone for a drive can be lower Energy can be used and used with the oxygen carrier Delivery of a drive of high energy to be made to react. Furthermore, some become during the secondary reaction the decomposition products of hydrazine with advantage as KUhI-film used for the side walls of the secondary reaction chamber.
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Die Erfindung wird anschliessend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten AusfUhrungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:The invention will then be described using an exemplary embodiment shown in the drawings. It demonstrate:
Fig. 1 eine Ansicht eines zweistufigen erfindungsgemassen Raketenmotors, teilweise in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt,Fig. 1 is a view of a two-stage rocket motor according to the invention, partly in side view and partly in longitudinal section,
Fig. 2 einen Querschnitt im wesentlichen längs der Linie II - II der Fig. 1, wobei ein Teil der Sauerstoffträger-Einspritζanordnung weggeschnitten ist undFIG. 2 shows a cross section essentially along the line II - II of FIG. 1, with part of the oxygen carrier injection arrangement is cut away and
Fig. 3 eine Teilansicht, ebenfalls zum Teil in Seitenansicht und zum Teil in einem Längsschnitt, einer abgeänderten Ausführungsform eines zweistufigen Raketenmotors.Fig. 3 is a partial view, also partially in side view and partly in a longitudinal section, a modified embodiment of a two-stage Rocket engine.
Die dargestellte AusfUhrungsform weist ein äusseres Rohr aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem Material auf, welches einen Innenraum begrenzt, der axial in eine primäre Reaktionskammer 14 und eine sekundäre Reaktionskammer 16 unterteilt ist. Das Rohr 12 ist mit einem umfangseitigen Flansch 18 versehen, an welchem eine Raketendüse 20 befestigt ist, die ebenfalls aus rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen Material besteht und die von bekannter Bauart sein kann.The embodiment shown has an outer tube made of stainless steel or similar material defining an interior space which axially into a primary reaction chamber 14 and a secondary reaction chamber 16 is divided. The tube 12 is provided with a peripheral flange 18, to which a rocket nozzle 20 is attached, which is also made of stainless steel or a similar material exists and which can be of a known type.
Eine Leitung 22 führt von einem Vorrat flüssigen Hydrazins an eine mit mehreren Düsen ausgestattete Einspritzanordnung, die in der stromaufwärts gelegenen Wand 26 der primären Reaktionskammer angeordnet ist. In der dargestellten Ausführung erstreckt sich eine Anzahl von Leitungen von einem Vorrat an Sauerstoffträger, beispielsweise Stickstofftetroxid, zur primären Reaktionskammer 14 und axial durch dieselbe.A line 22 leads from a supply of liquid hydrazine to an injection arrangement equipped with several nozzles, located in the upstream wall 26 of the primary reaction chamber. In the illustrated embodiment extend a number of lines from a supply of oxygen carrier, for example nitrogen tetroxide, to primary reaction chamber 14 and axially through the same.
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Die primäre Reaktionskammer 14 wLrd durch eine perforierte Platte 28 in zwei Teile unterteilt. Der stromaufwärts gelegene Teil enthält feine Katalysatorteilchen und der stromabwärts gelegene Teil enthält gröbere Katalysatorteilchen. Die Reaktionskammer 14 ist mit einem stromabwärts gelegenen perforierten Band 32 ausgestattet. Innerhalb der Wand 32 ist ein Sieb 30 angeordnet, um die Katalysatorteilchen in der Kammer 14 zurückzuhalten. Die Wand 32 ist mit einer Anzahl von zentralen öffnungen 31 versehen, mit einer Anzahl von Zwischenöffnungen 33 und einer Anzahl von äusseren öffnungen 34. Die äusseren öffnungen 34 sind derart angeordnet, dass die Strömung aus ihnen in der Nachbarschaft der Innenfläche des Rohrs 12 austritt.The primary reaction chamber 14 is perforated by a Plate 28 divided into two parts. The upstream part contains fine catalyst particles and the downstream part located part contains coarser catalyst particles. The reaction chamber 14 has a downstream one perforated belt 32. Inside the wall 32 is a sieve 30 arranged to keep the catalyst particles in the Hold back chamber 14. The wall 32 is with a number provided by central openings 31, with a number of Intermediate openings 33 and a number of outer openings 34. The outer openings 34 are arranged in such a way that the flow from them is in the vicinity of the inner surface of the pipe 12 exits.
Die sekundäre Reaktionskammer 16 kann eine ringförmige Auskleidung, beispielsweise aus feuerfestem Material aufweisen, welche radial nach innen gegenüber dem äusseren Rohr 12 versetzt ist, um einen ringförmigen Raum zwischen der Auskleidung 36 und dem Rohr 12 zu bilden. In anderen Ausführungsformen die nicht dargestellt sind, kann diese Auskleidung weggelassen werden.The secondary reaction chamber 16 can have an annular lining, for example made of refractory material, which is offset radially inward with respect to the outer tube 12 by an annular space between the liner 36 and the tube 12 to form. In other Embodiments that are not shown, this lining can be omitted.
Eine ringförmige Sauerstoffträger-Einspritzanordnung 37 ist mittig innerhalb der sekundären Reaktionskammer angeordnet, und ist mit den Leitungen 24 verbunden, die zum Vorrat an flüssigen Sauerstoffträger führen. In den Fig. 1 und 2 sind die Auslassöffnungen 39 der Einspritzanordnung 37 derart angeordnet, dass sie radial nach aussen in eine ringförmige Zone münden, welche die Einspritzanordnung 37 umgibt, um in dieser Zone eine Vermischung mit den Hydrazin-Zersetzungsprodukten hervorzurufen. In einer AusfUhrungsform ohne Auskleidung würden die Auslassöffnungen 39 wesentlichen axial verlaufen.An annular oxidizer injection assembly 37 is arranged centrally within the secondary reaction chamber, and is connected to lines 24 which lead to the supply of liquid oxygen carrier. In Fig. 1 and Fig. 2 are the outlet ports 39 of the injection assembly 37 arranged in such a way that they open radially outward into an annular zone which the injection arrangement 37 surrounds in order to mix with the hydrazine decomposition products in this zone to evoke. In one embodiment without a liner, the outlet openings 39 would run essentially axially.
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Beim Betrieb wird flüssiges Hydrazin in die primäre Reaktionskammer 14 abgegeben und dort zersetzt, wobei heisser, gasförmiger Stickstoff, Wasserstoff und Amonium entstehen, deren Temperatur etwa 8720 C (I6OO0 P) beträgt. Der Hauptteil dieser Gase tritt durch die öffnungen 31, 33 in der Wand 32. Bei einstufigem Betrieb strömt das gesamte zersetzte Hydrazin unmittelbar zur Düse 20. Wenn ein höherer Schub erforderlich ist, werden die aus den öffnungen 33 austretenden Gase mit dem Sauerstoffträger (beispielsweise Stickstoff, Tetroxid, NpOn) vermischt, welcher durch die Einspritzanordnung 37 zugeführt wird. Die sekundäre Reaktion zwischen den Hydrazingasen und den Säuerstoffträger liefert eine Erhöhung der Gastemperatur in der Brennkammer ab näherungsweise 2 76O. C (5OOO F) abhängig vom verwendeten Säuerstoffträger. Das zersetzte aber verhältnismässig kühle Hydrazin, welches beispielsweise eine Temperatur von 8720 C besitzt, fliesst durch die öffnungen 32^ in der Wand 32 und in den Raum zwischen der Auskleidung 36 und dem Rohr 12 und isoliert das äussere Rohr und die Düse 20 von der hohen Temperatur in. der zentralen Zone.In the operation of liquid hydrazine is discharged into the primary reaction chamber 14 and decomposed there, wherein hot, gaseous nitrogen, hydrogen and Amonium result, the temperature of about 872 0 C (0 I6OO P) is. The majority of these gases pass through the openings 31, 33 in the wall 32. In single-stage operation, all of the decomposed hydrazine flows directly to the nozzle 20. If a higher thrust is required, the gases emerging from the openings 33 are mixed with the oxygen carrier (e.g. nitrogen , Tetroxide, NpOn), which is supplied by the injection arrangement 37. The secondary reaction between the hydrazine gases and the oxygen carrier results in an increase in the gas temperature in the combustion chamber from approximately 2760. C (5OOO F) depending on the oxygen carrier used. However, the decomposed relatively cool hydrazine, which for example has a temperature of 872 0 C, flows through the openings 3 2 ^ in the wall 32 and into the space between the liner 36 and the tube 12 and insulates the outer tube and the nozzle 20 of the high temperature in. the central zone.
Während des Betriebs übt der Druckabfall der Gase innerhalb der Kammer 14 eine Kraft aus, welche das Bestreben hat, die Wand 32 nach aussen zu verformen. Vorzugsweise sind die Leitungen 24 an ihren Enden verankert, so dass sie eine Halterung für die Wand 32 bilden. In der Ausführungsform gemäss der Fig.3 ist der grundsätzliche Aufbau der gleiche wie bei der AusfUhrungsform nach Fig. 1 . Jedoch wird der Säuerstofftrager durch eine Leitung 24a, die seitlich durch das äussere Rohr 12 und die Auskleidung 36 verläuft, in eine Einspritzanordnung 37 eingegeben, die mit Abstand stromabwärts der Wand 32 angeordnet ist und anschliessend von der Einspritzanordnung in die sekundäre Reaktionskammer.During operation, the pressure drop of the gases within the chamber 14 exerts a force which tends to To deform wall 32 outwards. Preferably the lines are 24 anchored at their ends so that they form a holder for the wall 32. In the embodiment according to FIG the basic structure is the same as in the embodiment according to Fig. 1. However, the oxygen carrier becomes through conduit 24a running laterally through outer tube 12 and liner 36 into an injection assembly 37 entered, which is arranged at a distance downstream of the wall 32 and then from the injection assembly into the secondary reaction chamber.
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Bei vielen Raumfahrzeugen besteht die Forderung, dass der Antrieb nicht nur gleichförmig arbeitet sondern auch im Impulsbetrieb. Der abgegebene spezifische Impuls von üblichen Zweistoffantrieben ist im allgemeinen während des Impulsbetriebes niedrig, insbesondere bei kleinen Impulsgrössen. Bei " Anwendung des dualen Betriebs des zweistufigen Hydrazin-Raketenmotorkonzepts, kann die Schubanordnung während eines Impulsbetriebs als Einstoffantrieb verwendet werden und während eines gleichförmigen Betriebs als Zweistoffantrieb, wodurch bei beiden Betriebsarten ein verhältnismässig hoher spezifischer Impuls abgegeben wird. Das duale System ist beträchtlich leichter als übliche Zweistoff systeme, besonders bei einem Betrieb, welcher kleine Impulsgrössen während eines Impulsbetriebs erfordert.Many spacecraft require that the Drive not only works uniformly but also in pulse mode. The specific impulse emitted from usual Dual fuel propulsion is generally during the Impulse operation is low, especially with small impulse sizes. With "application of the dual operation of the two-stage Hydrazine rocket engine concept, the thrust assembly can be used as a single-fuel propulsion system during impulse operation and during uniform operation as a two-fuel drive, whereby a relatively high specific pulse is emitted in both operating modes. That dual system is considerably lighter than usual two-component systems, especially in a company that is small Requires pulse sizes during pulse operation.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist folgende Hauptvorteile auf:The device according to the invention has the following main advantages on:
1. Das Anlaufverhalten und das Verbrennungsverhalten sind zwangsläufig weicher, als Folge des Umstands, dass nur eine ; Zerstäubung' und Verdampfung des Säuerst off trägers für die Verbrennung erforderlich ist. Dieses Merkmal beseitigt das Problem gefährlicher ZUndübergänge als Folge der Ansammlung von unverbrannten oder teilweise in Reaktion getretenen Brennstoffbestandteilen.1. The start-up behavior and the combustion behavior are inevitably softer, as a result of the fact that only one ; Atomization 'and evaporation of the acid carrier is required for incineration. This feature eliminates the problem of dangerous ignition transitions as a result the accumulation of unburned or partially reacted fuel components.
2. Die verhältnismässig kühlen Zersetzungsprodukte (mit etwa 8720 C) können wirksam zur Kühlung der Druckkammer und der Schubdüse verwendet werden.2. The relatively cool decomposition products (about 872 0 C) can be effective for cooling the pressure chamber and the exhaust nozzle may be used.
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J5. Es besteht die Möglichkeit zum Betrieb entweder als Zweistoff- oder als Einstoffantrieb mit entsprechenden dualen Schubwerten. Diese Zweigleisigkeit bringt ferner eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Systems, da bei Auftreten eines Fehlers in der Zuführung des Sauerstoffträgers der Betrieb des Einstoffantriebs mit verringertem Schub und verringerten Gesamtimpulswerten aufrechterhalten werden kann. Bei Ventil-Modulation kann ein grosserer Drosselbereich mit grosserer Verlässlichkeit erhalten werden.J5. It is possible to operate either as a two-component or as a single-material drive with corresponding duals Thrust values. This dual track also brings an increase in the reliability of the system, since when it occurs an error in the supply of the oxygen carrier Operation of the single-fluid drive with reduced thrust and reduced total pulse values are maintained can. With valve modulation, a larger throttle area can be obtained with greater reliability.
4. Als Folge der Einkammeranordnung und der Möglichkeit der Düsenkühlung sowie der verhältnismässig einfachen Einspritzanordnung ist zu erwarten, dass Raketenantriebe innerhalb eines weiten Schubbereichs zu niedrigen Preisen entwickelt werden können.4. As a result of the single-chamber arrangement and the possibility of nozzle cooling and the relatively simple injection arrangement It is to be expected that rocket propulsion systems will be available within a wide thrust range at low prices can be developed.
5. Eine Anpassungsfähigkeit des Systems kann durch Verwendung gemeinsamer Hydrazin-Treibmittelbehälter sowohl für den Hauptantrieb und für ein Höhensteuersystem erreicht werden. Dies ist vom Standpunkt der Systemplanung von Interesse, da bedeutende Abänderungen gegenüber einem normalen Auftrag möglich sind, indem die Sauerstoffträgeranschlüsse für das Höhensteuersystem und den Hauptantrieb verändert werden.5. Adaptability of the system can be achieved by using common hydrazine propellant tanks for both the Main drive and for a height control system can be achieved. This is of interest from the point of view of system planning, as significant changes to a normal order are possible by changing the oxygen carrier connections for the Elevation control system and main drive can be changed.
Während zwei AusfUhrungsformen der Erfindung dargestellt wurden, ist es offensichtlich, dass weitere Abänderungen möglich sind und diese werden im Rahmen der anschliessenden Ansprüche von der Erfindung mitumfasst.While two embodiments of the invention have been shown, it is obvious that further changes are possible and these will be made within the scope of the subsequent claims encompassed by the invention.
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1971
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- 1971-05-07 DE DE19712122742 patent/DE2122742A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US3695041A (en) | 1972-10-03 |
| FR2093469A5 (en) | 1972-01-28 |
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