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Abbrandstabilisierung für Raketentriebwerke Die Erfindung befaßt
sich mit der Äbbrandstabilisierung für Raketentriebwerke mit einem Feststoff-Treibsatz
vom Innenbrennertyp und mit einer in diesem koaxial angeordneten Stabilisierungs
stange.
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Von Raketentriebwerken wird im Hinblick auf ihre mechanische Beanspruchung,
konstante Brenndauer usw. gefordert, daß sie während der gesamten Brennzeit möglichst
stabil, d.h. schwingungsfrei abbrennen. Triebwerke mit Feststoff-Treibsätzen, insbesondere
die sogenannten Innenbrenner mit einer von innen radial nach außen abbrennenden
Treibstoffoberfläche, neigen Jedoch zu Abbrandinstabilitäten, die sich beispielsweise
in Form von Brenndruck- und Schubschwankungen auswirken. Die Ursachen hierfür sind
vielfältiger Natur und noch nicht in allen Einzelheiten erforscht.
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Zur Dämpfung dieser unerwünschten Abbrandinstabilitäten werden in
der Praxis verschiedene Hilfsmittel angewandt, die jedoch trotz spezieller Abstimmung
auf das betreffende Triebwerk nur sehr bedingt wirksam sind. So werden beispielsweise
Aluminiumzusätze im Treibstoff verwendet, um dessen Abbrandverhalten zu verbessern.
Am häufigsten jedoch wird von der sogenannten Stabilisierungsstange Gebrauch gemacht,
indem eine Stange mit kreisformigem Querschnitt im freien Innenraum des Treibsatzes
koaxial angeordnet wird. Zum Schutz gegen die Einwirkung der heißen Treibgas kann
die Stange aus beispielsweise Stahl gegebenenfalls noch mit einer isolierenden Schutzschicht,
z.B.
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einem mit Asbestfasern gefüllten Phenolharz, versehen werden.
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Die optimalen Werte fUr Durchmesser und Länge dieser Stabilisierungsstange
werden experimentell ermittelt. Dabei ist zu berücksichtigen,
daß
die Abmessungen der Stabilisierungsstange im Hinblick auf ein möglichst geringes
Zusatzgewicht und einen größtmöglichen Fu'llungsfaktor unter Einhaltung der zuiässigen
inneren Klemmung - worunter das Verhältnis der brennenden Treibsatzoberfläche zum
Austrittsquerschnitt des Treibsatzes zu verstehen ist - grundsätzlich so klein wie
irgend möglich sein sollen. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, ist damit jedoch
nur ein unvollkommener Stabilisierungseffekt zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, di e sen Nachteil zu vermeiden,
d.h. die bekannte Stabilisierungsstange so weiter zu entwickeln, daß eine besonders
wirkungsvolle Stabilisierung 'des-Abbrandes erzielt wird. Wie nun mit der Erfindung
erkannt wurde, ist die unzureichende Wirkung der bekannten Stabilisierungsstange
im wesentlichen darin begründet, daß diese aufgrund ihrer kreisrunden Form die Treibgasströmung
nicht oder nur sehr unvollkommen daran hindern kann, im freien Innenraum des Treibsatzes
eine Rotationsbewegung zu vollführen. Zu einer s chen Rotation der Gassäule im Innenbrenner
kommt es dadurch, daß die von der brennenden Treibstoffoberfläche ausgehenden Treibgase
nicht nur in Längsrichtung des Treibsatzes strömen, sondern auch quer dazu, wobei
nicht alle Kräfte der Querströmung durch die Längsachse des Treibsatzes verlaufen
und auch nicht miteinander im Gleichgewicht stehen. Da zudem die Masse der querströmenden
Treibgase gewissen Schwankungen unterliegt,.
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kommt es zu einer mehr oder weniger pulsierenden Rotation der Gassäule
im Innenbrenner, welche die Abbrandbedingungen auf der Treibsatzoberfläche ungünstig
beeinflußt und damit die unerwünschtai Abbrandinstabilitäten hervorruft Zur Beseitigung
dieser Nachteile wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Stabilisierungsstange mit
einem nichtrotationssymmetrischen zwei oder mehrere äußere Enden aufweisenden Querschnitt
auszubilden. Beispielsweise kann es sich dabei um einen elliptischen, linsenförmigen,
rechteckigen, dreieckigen od. dgl.
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Querschnitt handeln. Die im jeweiligen Einzelfall optimalen Abmessungen
des Querschnitts und die Länge der Stabilisierungs
stange werden
auch hier wieder experimentell ermittelt. Da der von der brennenden Treibsatzoberfläche
und der erfindungsgemäßen Stabilisierungsstange gebildete Kanal an seiner innenliegenden
Begrenzungswand nicht mehr rotationssymmetrisch ausgebildet ist, wird eine Rotationsbewegung
in diesem Kanal in vorteilhafter Weise gedämpft, und zwar um so mehr, je geringer
der Abstand zwischen den äußeren Enden des Stangenquerschnitts und der Treibsatzoberfläche
ist.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Querschnitt
der Stabilisierungsstange sternförmig auszubilden, womit eine besonders wirkungsvolle
Stabilisierung beim Abbrand erzielt wird, da damit nicht nur die Rotationsströmung
schon weitgehendst im Ansatz unterbunden wird, sondern auch das Aufeinandertreffen
der einzelnen querströmenden Gasmassen - welches zusätzliche Instabilitäten zur
Folge hätte - wesentlich reduziert wird.
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Zwecks Erzielung eines möglichst geringen Gewichtes der Stabilisierungsstange
und eines möglichst großen Füllungsfaktors des Triebwerks bei Einhaltung der vom
Treibstoff abhängigen zulässigen inneren Klemmung des Treibsatzes ist gemäß einem
weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen, die Zacken des Sternprofils der Stabilisierungsstange
m&t einer über ihre Höhe konstanten Breite bzw. Dicke auszubilden. Die Breite
bzw. Dicke der Zacken kann dabei relativ gering gehalten werden, da das Sternprofil
aufgrund seines günstigen Widerstandsmomentes auch dann noch die geforderte Steifigkeit
aufweist.
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Besonders günstige Verhältnisse liegen vor, wenn bei einem Raketentriebwerk
mit innenverzahntem Feststoff-Treibsatz gemäß einem anderen Vorschlag der Erfindung
die Stabilisierungsstange mit ihren äußeren Enden in die Nuten, Kerben, Einschnitte
od.
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dgl. des Feststoff-Treibsatzes hineinragend ausgebildet ist.
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Im diesem Falle ergibt sich nämlich ein Strömungskanal, der außen
von der Innenverzahnung des Treibsatzes und innen von der Oberfläche der Stabilisierungsstange
so begrenzt wird, daß in der
ersten Brennphase des Treibsatzes ein
außen und innen sich überlappend verzahnter Strömungsquerschnitt gegeben ist.
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Je nach den Erfordernissen des Einzelfalles kann es vorteilhaft sein,
gemäß einem anderen Vorschlag der Erfindung die Stabilisierungsstange mit ihren
äußeren Enden in den Feststoff-Treibsatz hineinragend auszubilden, um die Gasströmung
im freien Innenraum des Treibsatzes in mehrere voneinander über einen gewissen Teil
der Brenndauer-und Lange des Treibsatzes getrennte Teilströmungen zu zerlegen. Sofern
es zweckmäßig sein sollte, kann dabei der Querschnitt der Stabilisierungsstange
auch so groß bemessen werden, daß die äußeren Enden der Stabilisierungsstange an
der Anbrandschutzisolierung, welche auf der Außenfläche des Treibsatzes aufgebracht
ist, anliegen und sich gleichsam an dieser abstützen. Zum Ausgleich eventueller
unzulässiger Druckunterschiede zwischen den einzelnen Teilströmungen sind dann gegebenenfalls
einzelne Durchbrechnungen in den die Gasströmung aufteilenden Wänden der Stabilisierungsstange
vorzusehen. Wird die Stabilisierungsstange in den Treibsatz eingegossen oder nachträglich
eingeklebt, so ist selbst-.
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verständlich darauf zu achten, daß die Werkstoffe der zusammengefügten
Teile wenigstens annähernd gleiche Wärmeausdehnung haben, um Riß- oder Spaltbildungen
und unzulässige Spannungen bei Temperaturänderungen zu vermeiden.
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Die erfindungsgemäße Stabilisierungsstange kann aus Metall, z.B.
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Stahl, hergestellt und gegebenenfalls auch mit einer Schutzschicht
überzogen werden. Im Hinblick auf ein möglichst geringes Zusatzgewicht und ein günstigesthermisches
Verhalten während der Brenndauer des TriéE=weres ist erfindungsgemäß jedoch vorgesehen,
die Stabilisierungsstange aus hinreichend wärmebeständigen duroplastischen Kunststoffen
mit einer verstärkenden Einlage aus anorganischen Faserstoffen, insbesondere Asbest-oder
Graphitfasern, herzustellen. An Stelle einzelner Fasern kann dabei selbstverständlich
auch ein Gewebe aus diesen Fasern verwendet werden. Als geeignete Kunststoffe können
beispielsweise wärmehärtbare Phenolharze verwendet werden, wie sie
etwa
unter der Handelsbezeichnung Durestos von der Marx ton Excelsior Ltd Wolverhampton,
Großbritannien, vertrieben werden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispielen gezeigt
und wird anhand dieser nachstehend noch näher erläutert. Es eigen Fig. 1 ein Raketentriebwerk
mit Stern-Innenbrenner und Stabilisierungsstange im Querschnitt, Fig. 2 dasselbe
Triebwerk teilweise im Längsschnitt und Fig. 3 ein Triebwerk mit Stern-Innenbrenner
und in diesem eingebetteter Stabilisierungsstange im Querschnitt.
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Gemäß Fig. 1 ist die Stabilisierungsstange 1 koaxial im freien Innenraum
des mit einem Sechszack-Innenprofil versehenen Feststoff-Treibsatzes2angeordnet.
Die Stabilisierungsstange 1 weist einen -sternförmigen Querschnitt auf und ist so
angeordnetfund bemessen, daß ihre äußeren Enden 3 in den Zwischenraum 4 zwischen
benachbarten Zacken 5 des Treibsatzes 2 hineinragen. Die Stabilisierungsstange 1
bildet zusammen mit der inneren Oberfläche des Treibsatzes 2 einen innen und außen
zackenförmig-begrenzten Strömungskanal, wobei sich die Zacken 5 des Treibsatzes
2 mit den "Zacken" der Stabilisierungdstange 1 in der ereten Brennphase über-lappen.
Bei Brennbeginn, bei dem die durch die Pfeile 6 an nur zwei Stellen gekennzeichnete
Querströmung der Treibgase noch stark ausgeprägt ist, verhindert das verhältnismäßig
weit ausladende Sternprofil der Stabilisierungsstange 1 das Aufeinandertreffen der
nicht immer konstant bleibenden Gasmassen mit ebenfalls nicht gleichbleibender Strömungsrichtung
und die dadurch bedingten instabilen Strömungs- und Abbrandverhältnisse.
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In einer spätere Brennphase, wenn das Innenprofil des Treibsatzes
2 etwa auf die durch die gestrichelte Linie dargestellte Zahnform 7 abgebrannt ist,
verringert sich zwar die Wirkung der aufeinandertreffenden Gasströmungen, es erhöht
sich jedoch die Möglichkeit zur Rotation der Gassäule. Hier wirkt dann das ausladende
Sternprofil der Stabilisierungsstange 1 in Verbindung mit den Zahnresten des Treibsatzes
2 bremsend auf die Gassäule und unterbindet deren Rotation bereitsim Ansatz.
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Der Treibsatz 2 ist auf seiner Außenfläche mit einer den Anbrand verhindernden
Schutzisolierung 8 versehen und in der zylindrischen Brennkammer 9 untergebracht.
Die Schutzisolierung 8, die mit dem Treibstoff verträglich sein muß und ein möglichst
gleiches Wärmeausdehnungsv@rhalten haben soll, kann in bekannter Weise auf Kunststoffbasis
wie Äthylcellulose, Polyester oder Polyurethan hergestellt werden.
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In der Fig. 2 ist die Stabilisierungsstange 1 in der Ansicht gezeigt,
während der Treibsatz 2 mit der Schutzisolierung 8 und die Brennkammer 9 mit ihrer
Düse 10 im Längs schnitt gezeigt sind. Aus Platzgründen ist dabei der mittlere Teil
des Raketentriebwerkes herausgeschnitten. Die Stabilisierungsstange 1 ist in bekannter
Weise am düsengegenseitigen Ende an der Brennkammer 9 durch Schrauben, Kleben od.
dgl. befestigt. Sie erstreckt sich über einen experimentell bestimmten Teil der
Treibsatzlänge und kann an ihrem düsenseiten Ende in ebenfalls bekennter Weise zur
Vermeidung unerwünschter Vibrationen z.B. während des Transportes des Triebwerkes
mit einem nichtgezeigten Stopf@@ aus weichem Material wie Filz, Kunststoffschaum
od. dgl. abg@ stürzt werden der nach erfolgter Zündung des Treibsatzes 2 durch die
Düse 10 hinausgetrieben wird. Der Treibsatz 2 ist in gleichfalls bekannter Weise
am düsengegenseitigen Ende an der Brennkammer 9 befestigt und im Hinblick auf unterschiedli
che Wärmeausdehnung mit etwas radialem Spiel in dieser angeordnet@
Bei
der Ausführungsform entsprechend Fig. 3 ist die Stabillsierungsstange 1 mit ihren
äußeren Enden 3 im Treibsatz 2 eingebettet. Im übrigen sind die Verhältnisse die
gleichen wie bei den'Fig. 1 und 2.
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Stabilisierungsstange ist in keiner
Weise auf die gezeigten Innenbrenner mit Sechszack-Innenprofil beschränkt. Vielmehr
kann sie mit Vorteil auch bei einem Innenprofil mit anderer Sternzackenzahl wie
auch bei den zahlreichen anderen bekannten Innenprofilformen verwendet werden.