DE2241424A1

DE2241424A1 - Fluessigkeitsraketentriebwerk

Info

Publication number: DE2241424A1
Application number: DE19722241424
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Ing Seidel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1972-08-23
Filing date: 1972-08-23
Publication date: 1974-03-07
Also published as: GB1439368A; DE2241424C3; FR2197118A1; FR2197118B1; DE2241424B2

Description

Messerschmitt-Bölkow-Blohm Gesellschaft mit beschränkter Haftung München

Ottöbrunn, 9. August 1972 BS63 Jk/ml 7457 .

Flüssigkeitsraketentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkeitsraketentriebwerk, welches für Einstoff- und Zweistoffbetrieb ausgelegt ist.

Bei einem bekannten Triebwerk eingangs genannter Gattung sind der Raketenbrennkammer zwei mit ihr kommunizierende Gasgeneratoren vorgeordnet. Der eine Gasgenerator enthält

— 2—

A09Ö10/0124

224 H24

einen für die Zersetzung von Hydrazin bestimmten Katalysator. Der aridere Gasgenerator enthält einen für die Zersetzung von Wasserstoffperoxid bestimmten Katalysator. Bei Bedarf eines niedrigen Schubes tritt lediglich der letztgenannte Gasgenerator in Funktion. Mittlere Schübe resultieren aus einer ausschließlichen Inbetriebnahme des erstgenannten Gasgenerators. Ist ein hohes Schubniveau erwünscht, werden beide Gasgeneratoren gleichzeitig in Betrieb genommen. In diesem Fall kommt es zu einer hypergolen Reaktion zwischen den Hydrazin- und Wasserstoffperoxid-Zersetzungsprodukten in der Raketenbrennkammer·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im Aufbau einfaches, kompaktes Raketentriebwerk eingangs genannter Gattung zu entwickeln, das bedarfsweise auf einem niedrigen oder hohen Schubniveau arbeitet und sich in beiden Fällen durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch, daß im Einstoffbetrieb Hydrazin, Hydrazinderivate oder Gemische aus diesen und im Zweistoffbetrieb zusätzlich ein damit hypergol reagierender kryogener Oxydator, wie Fluor, Sauerstoffdifluorid oder Sauerstoff-Fluor-Gemisch, als Treibstoff verwendet wird, das Hydrazin, Hydrazinderivat oder Hydrazin-Hydrazinderivat-Gemisch in einem Gasgenerator vollständig katalytisch zersetzt wird und die Zersetzungsprodukte sowohl im Einstoff- als auch im Zweistoffbetrieb auf dem Wege zur Raketenbrennkammer einen Wärmetauscher passieren, wo sie lediglich während des Zweistoffbetriebes eine starke Abkühlung erfahren, und zwar im Wärmeaustausch mit dem der Raketenbrennkammer zuströmenden kryogenen Oxydator, der dabei vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergeht·

-3-

/»09810/0124

Beim erfindungsgemäßen Raketentriebwerk finden hochenergetische Treibstoffe Verwendung, deren große Dichte bzw. Gemischdichte sich in vergleichsweise kleinen Treibstoffbehältern positiv bemerkbar macht. Aufgrund der getroffenen Treibstoffwahl wird im Zweistoffbetrieb ein Schub erzielt, der etwa das Dreifache des im Einstoffbetrieb erreichten beträgt· Folglich ist das erfindungsgemäße Raketentriebwerk - vor allem dann, wenn ihm zum Erzeugen von Steuermomenten um mindestens eine der drei Triebwerks-, hauptachsen eine oder mehrere ,Steuerdüsen bzw. Steuerdüsengruppen zugeordnet sind - auch für solche Flugmissionen einsetzbar, wo die Leistungsanforderungen über die bloße Erteilung eines einzigen, genau definierten Antriebsimpulses hinausgehen.. Der Fall ist dies beispielsweise beim Einschuß geostationärer Satelliten in die 24 h - Bahn oder beim Einschuß von Raum- oder Planetensonden auf ihre interplanetare Bahn.

Die Tatsache, daß das erfindungsgemäße Raketentriebwerk wahlweise auf einem niedrigen und einem hohen Schubniveau arbeiten kann, bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich. Das Hydrazin, Hydrazinderivat oder Hydrazin-Hydrazinderivat-Gemisch sorgt nämlich im Einstoffbetrieb für eine Vorbeschleunigung des Fluggeräts, die ausreicht, um den kryogenen Oxydator an den Boden des entsprechenden Speicherbehälters zu drücken. Dadurch erübrigt es sich, . im Oxydatorbehälter zur gravitationsunabhängigen Gestaltung des ForderVorgangs einen Ausstoßbalg zu installieren, was infolge der Aggressivität des Oxydators mit einem Risiko behaftet wäre.

Merkliche Vereinfachungen konstruktiver Art sind aber nicht nur beim Fördersystem, sondern auch beim Einspritzsystem zu verzeichnen. Da im Wärmetauscher, der während

-4-40981-0/0124

224U2A

des Eins toffbetriebs - wie bereits erwähnt - oxydatorseitig abgeschaltet ist, während des Zweistoffbetriebs der kryogene Oxydator im Wärmeaustausch mit den katalytischen Zersetzungsprodukten des Hydrazins, Hydrazinderivats oder Hydrazin-Hydrazinderivat-Gemische-s vollständig verdampft und in diesem Aggregatszustand dem Einblasekopf zugeführt wird, entfällt die sonst erforderliche Vorkühlung des letzteren und der zu diesem führenden Oxydatorleitungen. Außerdem resultiert aus der gas- bzw. dampfförmigen Einförderung sämtlicher Treibstoffe in die Raketenbrennkammer eine leichtere Regelbarkeit und eine bessere Gemischaufbereitung im Zweistoffbetrieb· In Ausgestaltung der Erfindung werden die während des Zweistoffbetriebs im Wärmetauscher durch den verdampfenden kryogen Oxydator stark abgekühlten katalytischen Zersetzungsprodukte des Hydrazins, Hydrazinderivats oder Hydrazin-Hydrazinderivat-Gemisches zur Regenerativ- oder Filmkühlung des Triebwerks herangezogen. Da im Gasgenerator die vorerwähnten Monergole einwandfrei gesteuert auf katalytischem Wege vollständig in ihre Bestandteile zersetzt werden, ist die vorerwähnte, leicht zu verwirklichende Maßnahme mit keinerlei Risiko behaftet. Anders liegen dagegen die Verhältnisse bei der sonst gebräuchlichen direkten Verwendung flüssigen Hydrazins zu Kühlzwecken. In diesem Fall besteht unter bestimmten Umständen die Möglichkeit einer spontanen thermischen Hydrazinzersetzung in der Kühlzone und somit die Gefahr einer Explosion.

Sind dem Raketentriebwerk eine oder mehrere Steuerdüsen bzw. Steuerdüsengruppen zum Erzeugen von Steuermomenten um mindestens eine der drei Triebwerkshauptachsen zugeordnet, empfiehlt es sich aus Gründen der Einfachheit, für gegebenenfalls erforderliche Steuerschübe katalytische

-5-4098 10/012/»

Zersetzungsprodukte aus dem Gasgenerator abzuzapfen und in den Steuerdüsen bzw. Steuerdüsengruppen entsprechender Schubriehtung zu expandieren. Eine andere, wegen des zusätzlichen Bedarfs an Katalysatoren allerdings etwas aufwendigere Möglichkeit der Erzeugung von Steuerschüben besteht in der Zufuhr abgezweigten flüssigen Hydrazins, Hydrazinderivats oder Hydrazin-Hydrazinderivat-Gemisches zu den Steuerdüsen bzw. Steuerdüsengruppen und einer katalytischen Zersetzung desselben an Ort und Stelle»

Gemäß einem weiteren ausgestaltenden Erfindungsmerkmal bilden Gasgenerator und Wärmetauscher eine bauliche Einheit, was sich raum- und gewichtssparend auswirkt.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten und nachfolgend ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt in Form einer Prinzipsskizze ein u.a. beispielsweise für Raumflugmissionen hervorragend geeignetes Flüssigkeitsraketentriebwerk 1 mit integriertem. Lagekorrektorsystem 2 zum Erzeugen von Steuermomenten um Gier-, Nick- und Rollachse. Das Raketentriebwerk 1, dessen Brennkammer mit 3 und Schubdüse mit 4 bezeichnet ist, arbeitet bei Bedarf eines niedrigen Schubes im Einstoffbetrieb, beispielsweise mit katalytisch zersetztem Hydrazin, und bei Bedarf eines hohen Schubes im Zweistoffbetrieb, beispielsweise mit den letzterwähnten Zersetzungsprodukten und damit hypergol reagierendem dampfförmigen Fluor. Das Hydrazin wird mittels Druckgas aus seinem Speicherbehälter 5a in einen Gasgenerator 6 eingefördert, wo es katalytisch vollständig zu Wasserstoff und Stickstoff zersetzt wird. Die Hydrazinzersetzungsprodukte gelangen vom Gasgenerator 6 in einen nachgeschalteten Wärmetauscher 7.

409810/0124

224H2A

.Während des Zweistoffbetriebes gelangt auch flüssiges Fluor unter Druckgaseinwirkung vom entsprechenden Speicherbehälter 5b in den Wärmetauscher 7. Darin verdampft es im Wärmeaustausch mit den Hydrazinzersetzungsprodukten vollständig, die dabei eine starke Abkühlung erfahren. Das dampfförmige Fluor strömt vom Wärmetauscher 7 über eine Leitung 8 direkt der Raketenbrennkammer 3 zu· .Die stark abgekühlten Hydrazinzersetzungsprodukte werden nach Austritt aus dem Wärmetauscher 7 - wie der mit 9 bezeichnete Leitungszweig andeutet - zunächst zur regenerativen Triebwerkskühlung herangezogen, bevor sie in die Raketenbrennkammer 3 eingeblasen werden·

Während des Einstoffbetriebs ist der Wärmetauscher 7 oxydatorseitig abgeschaltet· Die Hydrazinzersetzungsprodukte passieren folglich den Wärmetauscher 7 ohne merkliche Abkühlung. Von ihm gelangen sie über eine direkte Leitung 10 in die Raketenbrennkammer 3·

Wie bereits an anderer Stelle erwähnt, erfolgt die Treibstoff-Förderung sowohl im Einstoff- als auch im Zweistoffbetrieb mittels inerten Druckgases, das in einem Druckbehältnis 11 gespeichert ist. Ein im Hydrazinbehälter 5a installierter Ausstoßbalg 12 gestaltet die Hydrazinförderung gravitationsunabhängig. Im Fluorbehälter 5b erübrigt sich die Installation solch eines Ausstoßbalges, da die im Einstoffbetrieb dem Raketentriebwerk 1 mitgeteilte Vorbeschleunigung ausreicht, um das Fluor an den Behälterboden zu drücken·

Zum Lagekorrektursystem gehören zwei Steuerdüsengruppen. Jede Steuerdüsengruppe weist eine Düse 13a, 14a mit dem Hauptschub gleichgerichteter Steuerschubrichtung, eine Düse 13c, 14c mit dem Hauptschub entgegengerichteter Steuerschubrichtung und eine Düse 13b, 14b mit tangen-

-7-409810/0124

tialer Steuerschubrichtung im Uhrseigersinn (13b) bzw. Gegenzeigersinn (14b) auf. Die wechselweise Beaufschlagung der Steuerdüsen 13a bis c und 14a bis c mit Steuermedium wird durch Ventile 15a bis c und 16a bis c oder dergleichen Absperrorgane geregelt. Als Steuermedium dienen beispielsweise vom Gasgenerator 6 über Leitungen 17, 18 abgezapfte Hydrazinzersetzungsprodukte. Es kommt aber auch abgezweigtes flüssiges-Hydrazin als Steuermedium in Frage. In diesem Fall bedarf es allerdings der Zuordnung von Katalysatoren zu den Steuerdüsen 13a bis c und 14a bis c.

Patentansprüche:

-8-

4 0 9 8 1 0/0124

Claims

Patentansprüche

Flüssigkeitsraketentriebwerk, welches für Einstoff- und Zweistoffbetrieb ausgelegt ist, dadurch ge

kennzeichnet

daß im Einstoffbetrieb

Hydrazin, Hydrazinderivate oder Gemische aus diesen und im Zweistoffbetrieb zusätzlich ein damit hypergol reagierender kryogener Oxydator, wie Fluor,
Sauerstoffdifluorid oder Sauerstoff-Fluor-Gemisch,
als Treibstoff verwendet wird, das Hydrazin, Hydrazinderivat oder Hydrazin-Hydrazinderivat-Gemisch in einem Gasgenerator (6) vollständig katalytisch zersetzt wird und die Zersetzungsprodukte sowohl im Einstoff- als auch im Zweistoffbetrieb auf dem Wege zur Raketenbrennkammer (3) einen Wärmetauscher (7) passieren, wo sie lediglich während des Zweistoffbetriebes eine starke Abkühlung erfahren,, und zwar im Wärmeaustausch mit dem der Raketenbrennkammer (3) zuströmenden kryogenen Oxydator, der dabei vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergeht·
2. Flüssigkeitsraketentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die während des
Zweistoffbetriebs im Wärmeaustauscher (7) durch den verdampfenden kryogenen Oxydator stark abgekühlten

-9-

409810/012U

katalytischen Zersetzungsprödukte des Hydrazinsy Hydrazinderivate bder Hydraziii-HydräziflderiVat-^ Gemisches sur RegenerativkUhluhg oder FümkÜhiüng des Triebwerks (15 herangezogen werden»

3* Flüssigkeitsraketentriebwerk' nach Anspruch \_i da» dureh geke η hae lehnet , daß der Gas* generator (6) üftd der diesem naehgeschäitete WHrffie« tauscher (7) eine bauliche Einheit bilden*

4* Flügäigkeitsraketentriebweirk häch Anspruch 1', mit einer öder ntehreirert Steiierdüsen. b2w\ Steuerdüsen^ gruppen aum Erzeugen Von äteuermömenten um mindestens eine der drei Triebwerkshauptachsen j dadurch ge« k e η η ζ e i e h η e t , daß die Steüerdüsen b!zW* Steuerdusengruppen (13a bis c und 14a bis e) mit vom Gasgenerator (6) abgezapften katälytischen 2er-» setziungsprodukten beaufschlagt werden»

409810/0124

Leerseite