DE2347893C3 - Außenbrennertreibsatz Tür Raketentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung tetrifft einen Außenbrennertreibsatz für Raketentncbi« srke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Es ist bereits ein Außentrennertreibsau für Raketentriebwerk« bekanr-; (vgl. FR-PS 1Γ 12 621), der eine im wesentlichen konstante Brennfläche aufweist und dessen Außenfläche mit einem Zylinder einbeschrieben ist, der eine Punktsymmetrieachse mindestens der Ordnung cwei hat und dessen Querschnitt mehrere gleiche nach außi η verlaufende Lappen bzw. Arme aufweist, wobei die Arme an ihrem Fuß im wesentlichen unmittelbar in die jeweils benachbarten Arme übergehen, da sie jeweils durch einen Halbkreis mit kleinem Radius verbunden üind. Das Profil jedes Arms besteht jeweils au:* zwei Kreisbögen, deren Radius gleich der Brenndick': des Tidbsatzes ist und die jeweils durch einen zwischenlieg enden Kreisbogen miteinander verbunden sird, der it bezug auf den Zylindermittelpunkt einein öffn jngswin ι »I von 2 γ aufweist und einen Radius gleich dem halben Ilylinderradius hat, so daß der mittige Kreisbogen und d·.· unmittelbar an ihn angrenzende Abschnitt der beide ι äußeren Kreisbögen den Zylinder durchgehend beruh en. Auch wenn dabei der Winkel y klein gewühlt weni;n soll, kommt es zur Entstehung eines mittlren Abbmndrestes besonderer Form, dessen Arme zurächst ein Visleck mit konkaven Seiten, symmetrisch zur Achse des Zylinders, bilden, wobei sich aber jeder Abbramlrest-Arm radial nach außen in eine zweite Armhälfte fortsetzt, die sehr ähnlich einem Spiegelbild der ers'cn Armhälfte ist (es sind also η + 1 Abbrandreste bei n'!'reibsatzarmen vorhanden).

Dieser bekannte Außenbrennertreibsatz hat verschiedene Nachteile

Das Verhältnis von Brenndicke zu Zylinder-Radius läßt sich nur unstetig ändern, nämlich durch Änderung der,' rm-Anzahl;
womit auch zu üimmenhängt, daß dieses Verhältnis nur relativ schwierig klein gemacht werden kann, da zu diesem ;: veck die Anzahl der Arme erhöht werde ι muß, ν is auch die mechanische Festigkeit des Treibsatzes verringert;
das Verhältnis des mittigen Abbrandrestes bei Brennschluß zur Treibstoffmenge bei Brennbeginn ist. verhältnismäßig hoch, so daß relativ viel S Treibstoff bei Brennschluß verlorengeht;

der Füllkoeffizient, d.h. das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des Treibstoffs und der Querschnittsfläche des Zylinders, ist verhältnismäßig gering und

ίο die zwar weitgehend konstante Brennfläche ist ebenfalls verhältnismäßig klein, so daß der vom

Treibsatz erzeugte Schub entsprechend gering ist Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung,

ausgehend von dem aus der FR-PS 10 12 621 bekannten

is Außenbrennertreibsatz zu erreichen, daß die Brenndikke stetig geändert und ohne Schwierigkeiten klein gemacht werden kann, ferner den Anteil des mittigen

Abbrandrestes zu verringern sowie den Füllkoeffizient

und die Abbrandfläche zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs.

Der erfindungsgemäße Außenbrennertreibsatz ermöglicht nicht nur große Füllkoeffizienten und Brennflächen sowie kleine relative Brenndicken, die zudem in sehr weiten Grenze.ni ohne weiteres stelig veränderlich sind, sondern zeichnet sich auch durch einen verhältnismäßig kleinen mittigen einteiligen Abbrandrest aus.

Vorzugsweise beträgt die Brenndicke e des Treibsatzes im wesentlichen etwa 0,05 R< e< R/3 mit R als dem Zylinderradius. Diese geringen relativen Brenndicken können ohne größere Arm-Anzahl erzielt werden, was die Herstellung beträchtlich erschweren oder sogar unmöglich machen würde. So sind bei den bekannten Treibsätzen (vgl. FR-PS 10 12 621) sechs Arme für eine relative Brenndicke e/R von 0,31 nötig, während erfindungsgemäß für dieselbe relative Brenndicke nur drei Arme genügen.

Demgegenüber war es bisher lediglich noch bekannt

(vgl. DE-AS 12 78 795), bei Außenbrennertreibsätzen einseitig gekrümmte Arme vorzusehen, und zwar mit einem spiralförmigen Querschnitt, so daß sich im

Abstand gegenüberliegende gekrümmte Oberflächen

parallel zur Zylinder-Achse und radial nach außen erstrecken, wobei jeweils die eine der beiden gekrümmten Oberflächen auf einen größeren Abschnitt ihrer

Länge am Zylinder anliegt

An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 schematisch den Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Treibsatzes und

F i g. 2—4 Teilschnitte durch andere Ausführungsbeispiele.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausfuhrungsform ist der

ss Querschnitt des erfindungsgemäßen Treibsatzes eine

Fläche mit fünf Armen 1, 2, 3, 4 und 5; die zur

Zeichenebene senkrechte, durch 0 gehende Achse ist eine Symmetrieachse der Ordnung 5.

Der von 0 am weitesten entfernte Teil der Arme 1,2, 3, 4 und S ist rückwärts in geschwungenem Profil gebogen, das einen Halbkreis A]B], A₂B₂... oder Ai B-, enthält, dessen Endpunkt A\, Aj oder Ai den Berührungspunkt des Halbkreises mit dem umschriebenen Kreis 6 vom Radius R entspricht. Der Halbkreis A₁ B], A-i Bi... oder Ai Bi hat als Radius die Strecke e, die gleich der Brenndicke des Treibsatzes ist.

Die genannten Halbkreise sind miteinander durch Kreisbögen A\ Q, Ai Q... oder Ai Cj, die sowohl die

Halbkreise als auch den umschriebenen Kreis 6 berühren und deren Mittelpunkte in Bi Bi oder B% liegen, und durch Kreisbögen Q B₂, C₂ B₃...oder C₅ Bu deren Mittelpunkte in Ci, C₃ oder C₅ liegen, verbunden.

In Fig. 1 ist ferner durch eine mittlere schraffierte Fläche die Lage des einzigen Abbrandrests 7 dargestellt; dessen Außenprofil liegt in einem Abstand e von dem Außenprofil jedes Arms.

In F i g. 1 ist auch gezeigt, daß das Außenprofil 8 des Treibsatzes diejenige Hüllkurve ist, die durch einen Kreis mit dem Radius e erzeugt ist, dessen Mittelpunkt eine geschlossene Kurve beschreibt, welche eine Punktsymmetrieachse der Ordnung n, die in F i g. 1 gleich fünf ist, hat und durch die Außenprofile 9 des Abbrandrests 7 gebildet wird. Die genannte geschlossene Kurve enthält ebenfalls zurückgebogene Doppel-Linien 9a, 9b... 9e, welche jeden Scheitelpunkt des Abbrandrestprofils fortsetzen und sich bis zu den Punkten M\, Mi ■ ■ ■ Ms erstrecken, die im Abstand R-e von 0 liegen.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform sind die Düppel-Linien im wesentlichen durch Doppel-Kreisbögen mit den Mittelpunkten B\, Bi... Bs gebildet, die sich in Stücken von Doppel-Geraden bis zu den Scheitelpunkten des Abbrandrestprofils 7 fortsetzt

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Treibsatzes ist wie folgt:

Nach dem Zünden der Außenfläche 8 des Treibsatzes schreitet die Brennfläche (auch Flammenfront genannt) zum Inneren des Treibsatzes hin vor. Diese Brennfläche bleibt stets parallel zur Außenfläche 8 (der Anfangs-Brennfläche), bis die gesamte Brenndicke e verbraucht ist, wie das z. B. die Brennfläche 8a zeigt, die sich ergibt, wenn die Brenndicke e/2 verbraucht ist

Die Entwicklung der Brennfläche 8 ist eine lineare, nur wenig fallende Funktion der verbrauchten Treibstoffdicke.

Wenn Hie gesamte Dicke e verbraucht ist fällt die erreichte Brennfläche mit der Außenfläche 9 des Abbrandrests zusammen, jenseits dieser Grenze nimmt die Brennfläche sehr schnell ab.

Nun seien im einzelnen verschiedene — keineswegs alle möglichen — Ausführungsbeispiele von Treibsätzen beschrieben.

Der Einfachheit halber sei der Querschnitt nur eines einzigen Arms des erfindungsgemäßen Treibsatzes beschrieben; die übrigen ergeben sich durch eine gleiche Drehung um 2 π/π urr< die Treibsatzachse, wobei π die Symmetrie-Ordnungszahl dieser Achse ist.

Bei alien diesen Beispielen enthält das Außenprofil Fi Fj des Arms einen Halbkreis Q B\, der den Radius e hat und in C\ den umschriebenen Kreis von Radius R berührt Dieser Halbkreis setzt sich an einem seiner Rnden in einem Kreisbogen, der ihn berührt und dann in manchen Fällen in einem Stück einer Geraden, die ihn berührt, und am anderen Ende in einem anderen Kreisbogen, der ihn berührt, oder in einem Kreisbogen und einem den Bogen berührenden Geraden-Stück fort je nach der gewünschten relativen Brenndickc el R.

Beispiel 1
(siehe Fig. 2)

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Außenprofil Fi Fi durch einen Halbkreis C\ B\ mit dem Radius e und dem Mittelpunkt M₁ fibildet, der den umschriebenen Kreis mit dem Radius R und dem Mittelpunkt 0 in Ci berührt Das Ende C_t des Halbkreises C\ B\ setzt sich in einem Kreisbogen Ci ^p, mit dem Radius 2 e und dem

Mittelpunkt Bt fort

Das Ende fl| des Halbkreises C₍ B| setzt sich in einem Kreisbogen B) Fi mit Radius 2eund dem Mittelpunkt Fi fort, wobei der Punkt Fi der Schnittpunkt des Kreisbogens Ci Fi mit dem entsprechenden (nicht gezeichneten) Kreisbogen B₁ F₂ des Nachbararms ist

Der zwischen OFi und OFi eingeschlossene Winkel ist a = 2jr/n, worin η gleich der Anzahl der Arme des Treibsatzes ist

Dieses Ausführungsbeispiel, welches besonders einfach ist eignet sich für verhältnismäßig große Brenndicken, im wesentlichen etwa für

0,23Ä<e<031 R,

wobei die Arm-Anzahl zwischen 2 und 5 beträgt

Die diesen Merkmalen entsprechenden Treibsätze

haben in allen Fällen eine nur seH- wenig abnehmende Brennfläche, hohen Füllkoeffizier¹? und geringes Abbrandrestvolumen.

Der Abstand d zwischen dem Kreisbogen Ci Bi und

dem Kreisbogen F₂ C₂ (der dem Bogen Fi Ci entspricht) ist vorzugsweise etwa

0,03Ä<</<0,06R,

worin der untere Grenzwert 0,03 R durch die Möglichkeiten der Treibsatzherstellung gegeben und der obere Grenzwert 0,06 R durch das Bemühen bestimmt ist, einen richtigen Füllkoeffizient zu erhalten.

Wenn man bei zeichnerischem Entwurf eines Treibsatzes mit gegebenem Wert e/R und gegebener Arm-Anzahl η feststellt daß der Abstand d kleiner als der gewählte untere Grenzwert wird, muß man den Entwurf mit der Arm-Anzahl π + 1 wiederholen.

Wenn beim Entwurf d größer als der gewählte Grenzwert wird, empfiehlt es sich, den Entwurf mit der Arm-Anzahl π — 1 zu wiederholen oder aber den Treibsatz nach den folgenden Beispielen 2 und 3 zu restalten.

Beispiel 2
(siehe F i g. 3)

Bei diesem Ausführungsbeispiel is«, das Außenprofil des Arms Fi F₂ ein Halbkreis Ci Bi mit dem Radius eund dem Mittelpunkt M\, der den mit dem Radius R und dem Mittelpunkt 0 umschriebenen Kreis berührt. Das Ende Ci des Halbkreises Ci Bi setzt sich in einem Kreisbogen Ci Fi fort dessen Mittelpunkt Ni auf der Linie Bi 0 liegt und dessen Radius der höchste Wert ist welcher bei dem nach den obengenannten Kriterien gewänlte Abstand d zulässig ist Das Ende Si des Halbkreises Ci Bi setzt sich in einem Kreisbogen Bi F₂ fort, der den Halbkreis Ci Bi in Bi berührt und den Mittelpunkt N₁ hat

Der Winkel a zwischen Ni F₂ und F₂ N₂ (N₂ entspricht Ni) ist kleiner als 2 π/π, worin π die Anzahl der Arme ist. Dieses Ausfü' rungsbeispiel eignet sich für Brenndik-

ken e, die kleiner ais diejenigen des vorhergehenden

Beispiels sind, im wesentlichen nur etwa

0,15/?:Se<0,23/?,

worin die Arm-Anzahl η zwischen 5 und 8 liegen kann.
Die Treibsätze, die diesen Merkmalen entsprechen, bieten praktisch konstante Brennfläche, guten Füllkoeflizient und geringes Abbrandrestvolumen, jedoch ist dieses Kroßer als beim vorher beschriebenen Beispiel

23 5 7

Beispiel 3
(siehe F i g. 4)

Bei diesem Ausführungsbeispiei ist das AuQenprofi F] Fi des Arms ein Halbkreis Q B] mit dem Radius e un< ; dem Mittelpunkt M\, der den mit dem Radius R um der Mittelpunkt M] umschriebenen Kreis in Ci berührt. Da: Ende Q des Halbkreises Q B₁ setzt sich in einen Kreisbogen Q D- fort, dessen Mittelpunkt N] auf de; Linie B₁O liegt und dessen Radius gleich dem höchste! Wert ist, der bei dem nach den oben beschriebenei Kriterien gewählten Abstand dzulässig ist. Das. Ende B des Halbkreises Q B\ setzt sich in einem Kreisbogei ßi A\ fort, der den Halbkreis Q B\ in Si berührt und der Mittelpunkt N\ hat. Der Kreisbogen Si A\ setzt sich ir ι₅ einem Geraden-Stück A\ Fi fort, das den Bogen B\ A\\\ A] berührt und parallel zum Geraden-Stück OHi ist weiches ucii iu (Jen Bügen S\ A] und Ci D\ äqüiijiätänici Bogen M] H\ in H₁ berührt. Der Kreisbogen Ci D₁ setz sich in einem Geraden-Stück D] F] fort, das den Boger Ci D] in Di berührt und parallel zum Geradsn-Stück OWi ist. Es bezeichnen F₂' die Schnittpunkte dei Fortsetzungen der Kreisbögen B\ A] und Ci D.< und dei Kreisbögen Bi Ai und Ci Di usw. ferner Fj den derr Punkt Fj' entsprechenden Punkt des benachbarter Anns Fi Fy, der zwischen N] F₂' und Fi N2 eingeschlossene Winkel a ist größer als 2 n/n, wenn π die Anzafv der Arme ist.

Dieses Ausführungsbeispie! eignet sich für sehr geringe Brenndicken e, im wesentlichen für etwa

0,05Ä<e<0,15/?,

worin die Arm-Anzahl /»zwischen 7 und 15 liegt.

Die Außenprofile der in den Beispielen 1—: 3·; beschriebenen Ausführungsformen können abgewandelt werden.

Zum Beispiel kann das Außenprofil Fi Fi der in F i g. A gezeigten Ausführungsform durch die Hüllkurve dargestellt werden, die von einem Kreis vom Radius < beschrieben wird, dessen Mittelpunkt das Profil de; Abbrandrests (die schraffierte Fläche) beschreibt, derer Scheitelpunkte sich in Doppel-Geraden-Stücki:n und ir Doppel-Kreisbögen fortsetzen, deren Endpunkt M] unc deren Mittelpunkt N] ist »5

Die Treibsätze, die den beschriebenen Mrrkmaler entsprechen, bieten eine Brennfläche, die man ah konstant bezeichnen kann, ferner einen guten Füllkoef fizient und ein Abbrandrestvolumen, das meisten: niedriger als 10% \Λ — ein noci annehmbarsr Wert ferner läßt sich das Volumen des Abbrandrestes noch mehr verringern, wenn man eine: Verankerungsstangc von ausreichendem Außendurchmesser verwerdet

Die in diesen Beispielen beschriebenen T-e'ibsätzc

weisen also relative Brenndicken auf, die man innerhalb sehr weiter Grenzen stetig verändern kann, indem man die Form der Arme und i;gf. die Anzahl der Arme ändert.

Zum Beispiel ist bei geringen Brenndicken von etwa 0,1 /?die Anzahl der Armt; 11, was nicht sehr viel ist;dies bietet keine Herstellungsschwierigkeiten.

Zur besseren Beschreibung der Parameter des erfindungsgemäßen Außenbrennertreibsatzes seien folgende Größen eingeführt:

k — Verhältnis zwischen Umfang Po der Anfangs-Brennfläche (Umfang des Treibsatz-Querschnitts) zum Umfang des Zylinders mit dem Radius Sl,

Pf - Umfang des Treibsatzes bei Brennschluß, wenn die Brenndicke eaufgezehrt ist;

r_m — uniiuii.;

UClIi /-lUgciluiiv-K, Wenn die häibc Brenndicke eil aufgezehrt ist;

P₀IP,- ki(k-e/R)

Po/P_n,- k/(k-e/2Rl·

ρ = Füllungskoeffizient des Treibsatzes; er ist gleich dem mit 100 multiplizierten Verhältnis des um das Abt-ranclrestvolumen verminderten Treibsatzvolumens zu dem Volumen des umschreibenden Zylinders; weshalb ρ folgendermaßen ausgedrückt werden kann:

p= 100(2 ke/R-<*/#).

Umfangreiche experimentelle Untersuchungen haber für erfindungs|;emäße Außenbrennertreibsätze folgendes gezeigt:

Die Verhältnisse Po/P, und P₀ZP_n, betragen ziemlich genau l,d. h„die Brennfläche nimmt nur sehr wenig ab;

der Füllkoeffizient ρ beträgt mehr als 63%, d. h. isl ziemlich hoch;

der relative Abbrandrest beträgt bei einer relativer Brenndicke von 0,20-0,10 höchstens gleich 10% und isl auch für eine relative Brenndicke von 0,31—0,20 sehi klein.

Diese Parameter-Werte sind beträchnlich günstigei als bei den bekannten Außenbrennertreibsätzen.

Hinzu kommt, daß eine relative Brenndicke von O₁K unschwer erreicht werden kann, was bisher nich möglich war.

Die erfindungsgemäßen Treibsätze lassen sich ohn( Schwierigkeiten aus bekannten Treibstoff-Zusaminin Setzungen nach den bekannten Verfahren von Formgul und Strangpressen herstellen, und zwar wird Formgul bei dicken Treibsätzen und Strangpressen bei dünner Treibsätzen angewendet

Hierzu 2 El i t Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Außenbrenn ^treibsatz für Raketentriebwerke, der eine im wesentlichen konstante Brennfläche aufweist und dessen Außenfläche in einem Zylinder einbeschrieben ist, der eine Punktsymmetrieachse mindestens der Ordnung zwei hat und dessen Querschnitt mehrere gleiche nach außen verlaufende Arme aufweist, wobei die Arme an ihrem Fuß unmittelbar in die jeweils benachbarten Arme übergehen, wobei die Arme in einem Halbkreis nach außen hin auslaufen, dessen Radius gleich der Brenndicke des Treibsatzes ist und der den Zylinder tangential in einem Punkt berührt, wobei der mittige Abbrandrest bei Brennschluß ein Vieleck mit konkaven Seilen, symmetrisch zur Achse des Zylinders, ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibsatz den Zylinder an einem Endpunkt des Halbkreises berührt und daß der einseitig gekrümmte Arm sich über diesen Endpunkt hinaus knickfrei in einen Kreisbogen fortsetzt, dessen Radius mindestens gleich der doppelten Brenndicke des Treibsatzes ist