DE2124225A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Schubbeendigung eines Raketentriebwerkes - Google Patents

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PATENTANWÄLTE 8902 augsburg-göggingen, den H. 5.1971

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Vorrichtung und Verfahren zur Schubbeendigung eines Raketentriebwerks

Die Erfindung betrifft Feststoff-Raketentriebwerke und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beendigung ihres Schubes.

Aufgabe der Erfindung ist, ein sehr rasches Löschen des Treibstoffabbrandes in einem Raketentriebwerk zu ermöglichen.

Das Festtreibstoffkorn in Raketentriebwerk-Brennkammern wird gewöhnlich durch eine Zündeinrichtung gezündet, wobei der Treibstoff normalerweise abbrennt, bis er völlig verbraucht ist. Die durch die Verbrennung entstehenden Gase treten durch eine Ausströmdüse aus, die an der Raketentriebwerk-Brennkammer angebracht ist, um den Schub

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des Triebwerks zu erzeugen·

Unter manchen Bedingungen ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, den Abbrand und den Schub des Raketentriebwerks zu einem gewünschten Zeitpunkt zu beenden. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, den Treibstoffabbrand bei einem solchen Triebwerk durch Löschen mit einem geeigneten Löschmittel, wie Wasser, zu beenden· Hierdurch ist ein grosser Löschmittelbehälter ausserhalb der Triebwerkkammer notwendig geworden sowie ein kompliziertes Hochdruck-Einspritzsystem für das Löschmittel in die Triebwerkkammer gegen den in dieser herrschenden hohen Druck.

Die Erfindung ermöglicht das Vermeiden eines solchen grossen und komplizierten Löschsystems dadurch, daß das Löschmittel innerhalb der Triebwerkskammer selbst enthalten ist und zu dem Zeitpunkt freigegeben wird, an welchem der Abbrand beendet werden soll.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist das Löschmittel in einem Behälter enthalten, innerhalb welchem sich ein ein Hochdruckgas erzeugendes pyrotechnisches Material befindet, das beim Abbrennen das Löschmittel unter Druck setzt, den Behälter sprengt und das Löschmittel in die Kammer und gegen die brennende Treibstoffoberfläche fördert. Das mit hoher Geschwindigkeit durch den Druck des pyrotechnischen Materials getriebene Löschmittel kann den brennenden Treibstoff innerhalb Millisekunden nach einem Löschbefehl löschen·

Die Erfindimg wird vorsugsweis« durch die Verwendung eines innen abbrennenden Treibstoffkorns ausgeführt, innerhalb der Bohrung von welcher der Löschmittelbehälter und das pyrotechnisch« Material für diesen angeordnet sind,

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Abschrift d. Eing. v. I5.05.7I 2124225

Das pyrotechnische Material ist vorzugsweise in einer Hülse innerhalb des Löschmittelbehälters enthalten.

Die vorstehenden und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Längsansicht eines erfindungsgemäßen Raketentriebwerks, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt mch der Linie 2-2 in Fig. 1 und

Fig. 3 in graphischer Darstellung die Wirkung des Löschvorgangs auf den Abbrand.

Das in der Zeichnung dargestellte Triebwerk 10 besitzt eine Kammer, die durch einen im wesentlichen zylindrischen Körper bzw. durch ein Gehäuse 11 gewöhnlich aus einem geeigneten Metall, wie Stahl, gebildet wird, das mit einer Außenhülle 34- versehen ist und an seinem vorderen Nasenteil 12 verschlossen ist, jedoch.eine Ausströmdüse 13 aufweist, die sich vom hinteren Teil des Gehäuses aus erstreckt und die übliche Venturidüsenform hat, durch welche die Abgase durch den Abbrand des Treibstoffes in der Triebwerkskammer mit hoher Geschwindigkeit austreten, um den Schub des Triebwerks zu erzeugen. Innerhalb des zylindrischen Gehäuses 11 befindet sich ein Treibstoffsatz 14, der von an sich bekannter Art sein kann und durch ein Gemisch aus Brennstoffträger und Sauerstoffträger in Form eines

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Ringkörpers von "beträchtlicher Dicke gebildet wird, dessen Außenumfang von einer Verkleidung 15 aus einem Material, wie Gummi, umhüllt oder bedeckt ist, welches den Abbrand an dieser äußeren Treibstoffläche verhindert oder beschränkt. Der Abbrand erfolgt an der zylindrischen Innenwand 16 des Treibstoffkorns und für die Zwecke der Zündung dieser inneren Kornfläche ist eine Anzahl Zündeinrichtungen 17 in Form von Längen oder Kapseln eines Zündmaterials, wie Pellets aus Borkaliumnitrat, vorgesehen, welche in Vinkelabständen um die Innenfläche des Korns herum angeordnet sind. In Fig. 1 ist die Zündeinrichtung 17 für die Zwecke der Erläuterung um 45° aus ' ihrer tatsächlichen Stellung gedreht dargestellt. Diese Zündeinrichtungen können in beliebiger geeigneter "Weise gezündet werden, beispielsweise mit Hilfe einer Hitz^drahtzündeinrichtung, deren Zuleitungsdräh'te entweder durch den Nasenteil oder die Ausströmdüse, wenn gewünscht, herausgeführt werden können. Die Zündeinrichtungen, die an sich bekannt sind, und hier keine nähere Beschreibung erfordern, können in beliebiger geeigneter Weise in ihrer Lage benachbart dem Treibstoffkorn gehalten werden, beispielsweise durch einen Epoxyklebstoff oder -Band od. dgl..

Die Arbeitsweise des vorangehend beschriebenen Triebwerks ist leicht erkennbar. Durch das Zünden der Zündeinrichtung wird der Abbrand der ganzen zylindrischen Innenfläche des Treibstoffkorns eingeleitet und der Abbrand nimmt seinen Fortgang radial nach außen zur Außenfläche des Korns^ bis dies völlig verbraucht, ist, sofern keine Löschung vor seinem völligen Verbrauch stattfindet. Die Abgase aus der Verbrennung treten mit hoher Geschwindigkeit aus der Ausströmdüse aus, um den Schub zu erzeugen.

Zur Beendigung der Verbrennung zu einem gewünschten Zeitpunkt ist eine Abbrandlöschvorrichtung vorgesehen. Diese wird durch ein thermisch isoliertes zylindrisches Rohr

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gebildet, das aus Metall, wie Aluminium, oder aus einem Phenolharz sein kann, innerhalb welchem eine rohrförmige Hülse 21 von viel kleinerem Durchmesser als das Rohr konzentrisch angeordnet ist. Die Hülse 21 enthält einen Brennstoff bzw. eine'pyrotechnische Ladung 22, welche durch einen geeigneten Zünder- (nicht gezeigt) gezündet werden kann, der durch eine geeignete Verdrahtung 22a betätigt wird, welche durch einen Stopfen 19» der eine öffnung 18 in der Nase verschließt, und durch das Rohr sowie durch die Hülse 21 zu dem pyrotechnischen Material geführt ist. Der Ringraum 23 zwischen der Hülse 21 und dem Rohr 20 ist mit einer Löschflüssigkeit, gewöhnlich Wasser, oder eine wässrige Lösung, gefüllt. Die Enden des Rohres 20 und der Hülse 21 sind durch geeignete Stopfen oder Verschlüsse 50 dichtend so abgeschlossen, daß weder die pyrotechnische Ladung 22 noch das Löschmaterial aus den jeweiligen Behältern ausfließen kann. Die Hülse 21 wird in ihrer konzentrischen Stellung innerhalb des Rohres durch geeignete Abstandsstücke (nicht gezeigt) gehalten, die in dem Raum zwischen der Hülse und dent Rohr angeordnet sind. Das Rohr 20 wird in seiner konzentrischen Lage innerhalb des zylindrischen Triebwerkgehäuses 11 dadurch gehalten, daß es in die vordere Nabe des Triebwerkgehäuses eingeschraubt ist, wie gezeigt, oder gegebenenfalls dadurch, daß es am hinteren Ende des Gehäuses durch den Düsenbefestigungsflansch befestigt wird.

TJm ein Zusammendrücken des Rohres 20 beim Abbrand des Treibstoffes im normalen Betrieb zur Erzeugung von Kammerdruck und Schub zu verhindern, ist es zweckmäßig, innerhalb des Rohres 20 innere Spanten anzuordnen· Diese können Schienen 55 aus Metall sein, die sich in der Längsrichtung durch das Rohr und in Kontakt mit seiner Innenfläche ecstrecken und an den Enden gtelten werden.

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Die Gefahr, daß das Rohr unter dem Kammerdruck zusammenbricht, wird daher dadurch beseitigt, daß die Innenfläche des Rohres durch die erwähnten Spanten abgestützt wird.

Beim Zünden des Treibstoffkorns werden alle Zünderteile, die Zündungsverdrahtung und die Styrofoam-Blocks, die unverbraucht geblieben sind, durch die Ausströmdüse ausgeblasen.

Wenn der Raketentriebwa?k-Schub beendet werden soll, wird h die pyrotechnische Ladung abgebrannt, wodurch das Rohr zu Bruch geht,, so daß das Kühlmittel 23 unter Druck gesetzt wird, wodurch wiederum der Zylinder 20 gesprengt wird und dadurch das Kühlmittel zur Brennkammer und zur Kornoberfläche freigegeben wird. Zur Steuerung der Löschmittelverteilung beim Zünden des Sprengstoffes ist das Rohr in Abständen um seinen Umfang herum eingekerbt, um die Steuerung der Verteilung des Löschmittels entsprechend der Treibstoffkorngestaltung zu steuern. Dies hat einen gleichmäßigen Bruch an den Kerblinien um das Rohr herum zur Folge. Die starren Schienen 25» die sich in der Längsrichtung erstrecken und an ihren Enden in Katakt mit der Außenfläche des Rohres 20 in der Mitte zwischen die- * sen eingekerbten Bruchlinien gehalten werden, wirken als Gelenke, um welche sich die aufgebrochenen Seiten des Rohres öffnen, wodurch das Löschmittel mit hoher Geschwindigkeit . radial um das Rohr herum und in die Brennkammer zur Abbrandfläche des Treibstoffkorns freigegeben wird.

Für beste Löschergebnisse ist es wünschenswert, daß das pyrotechnische Material 22 hinsichtlich ^nge und Leistung so gewählt wird, daß Druck auf das Löschmittel durch das pyrotechnische Material mit ausreichender Stärke und

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während einer ausreichenden Zeit ausgeübt,wird, um das Löschmittel aus seinem Rohr heraus und auf die abbrennende Treibstoffläche zu treiben. Es wurde festgestellt, daß ein Gemisch aus vier Gewichtsteilen eines 4FG-Dupont-Schwarzpulvers und 3 Gewichtsteilen eines FG Dupont-Schwarzpulvers, das von der Firma E.I. Dupont DeNeymoures & Company, Villmington, Delaware, USA, erhältlich ist, ein zufriedenstellendes Gemisch für das pyrotechnische Material ist. Die Menge dieses Materials hängt natürlich von der Menge des Löschmittels im Rohr ab, die ihrerseits entsprechend den Abmessungen des Raketentriebwerks gewählt wird. Die optimale Menge Löschmittel, beispielsweise Wasser, kann im Verhältnis zum Betrag der Abbrandoberfläche und der Temperatur des abbrennenden Treibstoffes so errechnet werden, daß sie ausreicht, die Temperatur innerhalb der TrS£bwerkkammer auf einen Punkt herabzusetzen, der unterhalb der Temperatur liegt, die zur Unterhaltung der Verbrennung erforderlich ist.

Ein durchgeführter Versuch geechah unter Verwendung eines Raketentriebwerks mit einem zylindrischen Kammergehäuse von etwa 240 Milometer (etwa 9 1/2 ") im Durchmesser und 110 cm (43 ") in der Länge bei einem hohlen zylindrischen Treibstoffkorn von ähnlicher Länge mit öinem Innendurchmesser von etwa 160 mm (etwa 6 1/4 "), das ein mittiges Löschmittelrohr mit einer Länge von etwa 105 cm (etwa 4-1 ") bei einem Außendurchmesser von 70 mm (2 3/4 ") enthielt, während die Innenhülse für den Sprengstoff einen Durchmesser von etwa 16 mm (etwa 5/8 ") "und die gleiche Länge wie das Rohr hatte. Die Löschwassermenge im Rohr "betrug etwa 3 Liter (etwa 3 quarts), während die Menge des pyrotechnischen Materials in der Hülse aus etwa 40 g 4FG-Dupont-Schwarzpulver gemischt mit 30 g FG-Dupont-Schwarzpulver betrug.

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Fig. 3 zeigt die Ergebnisse des Versuches· In der graphischen Darstellung der Fig. 3 ist in der Abszisse die Zeit in Sekunden aufgetragen und von den beiden Ordinaten ist auf der einen der Brennkammerdruck in kp/cm (psi) und auf der anderen der Schub des Triebwerks in kp (lbs) angegeben. Die Kurve A stellt den Kammerdruck dar und die Kurve B den Schub. Wie dargestellt, wurde der Treibstoff unmittelbar vor dem Ablauf von 0,1 Sekunden gezündet und unmittelbar nach dem Ablauf von 0,4 Sekunden wurde das pyrotechnische Material im Löschmittelrohr gezündet. Der Kammerdruck stieg steil auf seinen Höchstwert etwasunter 70 kp/cm (1000 psi) bei 0,1 Sekunden an und blieb im wesentlichen gleichmäßig bis zum Ab- brand des pyrotechnischen Materials, worauf der Druck fast auf KuIl innerhalb Millisekunden abfiel und nach Ablauf von 0,6 Sekunden Null wurde. Der Schub entwickelte sich mit einem ähnlichen Verlauf und fiel beim Abbrand des pyrotechnischen Materials noch abrupter als <fa? Kammerdruck ab.

Patentansprüche t 209811/1059

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Raketentriebwerk mit einer Brennkammer, die mit einer Ausströmdüse versehen ist und in der sich ein Fest« treibstoffkern "befindet, durch welches eine öffnung vorgesehen ist, die eine Innenfläche für den Abbrand "bildet, gekennzeichnet durch einen sprengbaren ersten Behälter innerhalb der erwähnten öffnung, der ein Löschmittel enthält, einen zweiten Behälter innerhalb des ersten Behälters, der ein pyrotechnisches Material enthält, und eine Einrichtung zum Zünden des pyrotechnischen Materials, dessen Druck beim Abbrennen auf das Löschmittel wirkt, so daß dieses den ersten Behälter sprengt und in die Brennkammer ausgetrieben wird, so daß der Abbrand durch Warmeabsorption und raschen Druckabfall beendet wird·

   2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer «ine Längsachse hat und die öffnung im Korn zu dieser Längsachse gleichachsig ist·

   3. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Behälter ein Rohr ist, das sich gleichachsig zu der erwähnten Längsach·· erstreckt·

   4« Triebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweit· Behälter eine Hüls· ist, die sich längs der Längsachse innerhalb dos Rohres erstreckt·

   5· Triebwerk nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, das das Rohr in Abständen mit Einkerbungen zum geregelten Sprengen an den Sinkerbungtn versehen •ist.

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   6. Triebwerk nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß Spanten innerhalb des Rohres angeordnet sind, um ein Zusammendrücken desselben zu verhindern, wenn die Kammer durch den Abbrand des Treibstoffkorns unter Druck gesetzt wird.

   7» Triebwak nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß sich Begrenzungsschienen in der Längsrichtung längs der Außenseite des Rohres an Stellen zwischen den Einkerbungen erstrecken, um die Ausdehnung des Rohres an den Schienen, wenn das Löschmittel unter Druck gesetzt wird, zu begrenzen, wobei sie als Gelenke wirken, die das Offnen des Rohres an den Einkerbungen erleichtern, wenn das Löschmittel unter Druck gesetzt wird.

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