DE2347895B2

DE2347895B2 - Aussenbrennertreibsatz fuer raketentriebwerke

Info

Publication number: DE2347895B2
Application number: DE19732347895
Authority: DE
Inventors: Pierre Louis Sevres Portalier (Frankreich)
Original assignee: Societe Nationale Des Poudres Et Explosifs, Paris
Priority date: 1972-09-26
Filing date: 1973-09-24
Publication date: 1977-09-01
Also published as: FR2201271A1; IT996737B; DE2347895C3; FR2201271B1; DE2347895A1; GB1402818A

Description

Die Erfindung betrifft einen Außenbrennertreibsatz für Raketentriebwerke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Außenbrennertreibsatz für Raketentriebwerke ist bereits bekannt (vgl. FR-PS 10 12 621, Fig. 2). Das Profil jedes Armes besteht jeweils aus zwei Kreisbögen, deren Radius gleich der Brenndicke des Treibsatzes ist und die jeweils durch einen zwischenüegenden Kreisbogen miteinander verbunden sind, der in bezug auf den Zylindermittelpunkt einen öffnungswinkel von 2 γ aufweist und einen Radius gleich dem halben Zylinderradius hat, so daß der mittige Kreisbogen und der unmittelbar an ihn angrenzende Abschnitt der beiden äußeren Kreisbögen den Zylinder durchgehend berühren. Selbst wenn dabei der Winkel γ klein gewählt werden soll, kommt es zur Entstehung eines vierarmigen mittigen Abbrandrestes besonderer Form, dessen Arme zunächst ein Vieleck mit konkaven Seiten, symmetrisch zur Achse des Zylinders, bilden, wobei sich aber jeder Abbrandrest-Arm radial nach außen in eine zweite Armhälfte fortsetzt, die ähnlich einem Spiegelbild der ersten Armhälfte ist.

Dieser bekannte Außenbrennertreibsatz hat ver- <><> schiedenc Nachteile:

Das Verhältnis von Brenndicke zu Zylinderradius läßt sich nur unstetig ändern, nämlich durch Änderung der Arm-Anzahl; ds

womit auch zusammenhängt, daß dieses Verhältnis nur relativ schwierig klein gemacht werden kann, da zu diesem Zweck die Anzahl der Arme erhöht werden muß, was 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 Treibstoff bei Brennschluß verlorengeht;
der Füllkoeffizient, d. h. das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des Treibstoffes und der Querschnittsfläche des Zylinders, ist verhältnismäßig gering und

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 bekannten AußenHrennertreibsatz zu erreichen, daß die Brenndicke 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 1.

Der erfindungsgemäße Außenbrennertreibsatz ermöglicht nicht nur große Füllkoeffizienten und Brennflächen sowie kleine relative Brenndicken, die zudem in sehr weiten Grenzen ohne weiteres stetig veränderlich sind, sondern zeichnet sich auch durch einen verhältnismäßig kleinen mittigen Abbrandrest aus, der nur zwei Abbrandrest-Arme gegenüber vier Abbrandrest-Armen wie nach dem erwähnten bekannten Stund der Technik aufweist, wobei hinzukommt, daß bereits jeder Abbrandrest-Arm des bekannten Außenbrennertreibsatzes für sich ungefähr doppelt so groß wie jeder Abbrandrest-Arm beim erfindungsgemäßen Außenbrennertreibsatz ist. Die Verringerung der Zahl der Abbrandrest-Arme hat den weiteren Vorteil, daß im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik im Bedarfsfall keine größere Anzahl von Verankerungsstangen zur Befestigung des Außenbrennertreibsatzes in der Brennkammer des Raketentriebwerks notwendig ist, wobei diese Verankerungsstangen ein Herausschleudern des Abbrandrestes aus der Düse der Brennkammer verhindern.

Außerdem kann die Änderung der eben erwähnten Treibsatzparameter ohne weiteres vorgenommen werden, ohne die Anzahl der Arme verändern zu müssen und ohne das Auftreten von Herstellungsschwierigkeiten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen erfindungsgemäßen Treibsatz im schematischen Querschnitt und

Fig.2-9 schematische Teilquerschnitte verschiedener Ausführungsl'ormen des erfindunsgemäßen Treibsatzes.

Bei der in Fig. I dargestellten Ausführungsform ist der Querschnitt des erfindungsgemäßen Treibsatzes eine Fläche, die vier einander ähnliche Arme 1, 2, 3, 4 aufweist, welche paarweise zum Mittelpunkt O des umschriebenen Kreises 5 vom Radius R symmetrisch sind. Das Außenprofil jedes Armes 1, 2, 3 oder 4 enthält einen Kreisbogen AF, A\F\ ... oder A₁Fu der den Kreis 5 tangiert und einen Radius e hat, welcher gleich der Brenndicke des Treibsatzes ist und dessen Mittelpunkte M.M\.. .M) im Abstand /?-evon Olicgen.

Ll

ij)ie Kreisbögen AF, A\F^ ... oder A,Fi sind niteinander verbunden durch zwei einander gleiche jeknickte Kreisbögen FGFj und FiGiF₂, die aus Kreisbögen vom Radius 2e bestehei., welche die votgenannten Kreisbögen berühren, sowie durch zwei s Geraden AAi und A2A1.

Die äußere Oberfläche dieses Treibsatzes besteht bei fortschreitendem Abbrand aus zunehmenden und abnehmenden Flächen, die es ermöglichen, die Brennfläche wesentlich gleich zu halten. ,0

In dieser F i g. 1 ist ferner durch gestrichelte Bereiche

die Lage der Abbrandreste 6 und 7 gezeigt, deren

Außenprofil 9 in einem Abstand e von der Profilachse

ede« Armes liegt. Die Anzahl der Abbrandreste ist 2; sie

iind symmetrisch zum Punkt O.

Der Abbrandvorgang des beschriebenen Treibsatzes

^IS Nach dem Zünden der äußeren Oberfläche 8 des Treibsatzes schreitet die Brennfläche zum Inneren des Treibsatzes hin fort. Diese Brennfläche bleibt wesentlich »0 parallel zu sich selbst, bis die Brenndicke e aufgezehrt t Fig.! ze'?^{1 z}· ^B· d'^e Brennfläche 8a, die erreicht wird wenn die Brenndicke e/2 verbraucht ist.

Dank der Form der äußeren Oberfläche des Treibsatzes nimmt die Brennfläche, während die ^ Brenndicke aufgezehrt wird, nur sehr wenig ab.

Wenn die ganze Brenndicke e aufgezehrt ist, dann vereinigt sich die erreichte Brennfläche mit der Außenfläche der Abbrandreste 6 und 7. Jenseits dieser Grenze nimmt die Brennfläche sehr schnell ab. κ

Nun werden im einzelnen verschiedene Ausführungsbeispiele des Treibsatzes beschrieben.

Dabei wird der Einfachheit halber der Querschnitt nur eines einzigen der vier Arme des erfindungsgemäßen Treibsatzes beschrieben, denn die drei anderen sind ;, symmetrisch.

In den Ausführungsbeispielen der F i g. 2 - 9 ist jeder Arm AG durch zwei zueinander senkrechte Achsen OX und OYbegrenzt, wobei O den Schnittpunkt der Achse des Zylinders vom Radius R mit der Zeichenebene j

knallen diesen Beispielen enthält das Außenprofil des Armes AG einen Kreisbogen AG oder AF, der den Readius e hat und den umschriebenen Kreis mit dem Radius R berührt. Das eine der Enden dieses Kreisbogens ist in gewissen Fällen durch einen anderen Kreisbogen verlängert, während das andere Ende gegebenenfalls durch eine Gerade oder durch einen Kreisbogen und je nach der gewünschten relativen Brenndicke fe//?jdurch einen Bogen verlängert ist.

Beispiel 1 (s. F ig. 2)

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Außenprofil AG des Armes durch einen Kreisbogen gebildet, der den mit dem Radius Rum den Mittelpunkt Ogezogenen Kreis berührt. Dieser Kreisbogen hat als Radius die Strecke e welche gleich der Brenndicke des Treibsatzes ist und als Mittelpunkt einen Punkt M, der im Abstand /?1 evon CMiegt. Der Endpunkt A des Kreisbogens liegt

im Abstand evon O. .

_Dicscs _ besonders einfache - Ausführungsbcispiel eignet sich für verhältnismäßig große Brenndicken wie R/2<c<2R/3.

Wenn e größer als 2 R/3 ist, dann nimmt erfahrungsgemäß die Brennfläche zu sehr ab.

Füre
form:

R/2 kommt man zur folgenden Ausführungs-

Beispiei 2

(s. F ig. 3)

In diesem Fall ist der Kreisbogen ein Halbkreis, dessen Mittelpunkt M im Abstand e von O liegt und dessen Zentriwinkel zwischen OM und OA gleich 60° ist.

Beispiel 3
(s. F ig. 4)

Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält das Außenprofil AG des Armes einen Halbkreis AF, der den mit dem Radius R um den Mittelpunkt O gezogenen Kreis berührt. Der Halbkreis AF hat als Radius e, der gleich der Brenndicke des Treibsatzes ist, und sein Mittelpunkt /Wliegt im Abstand R- e von O.

Das Ende A des Halbkreises AF liegt im Abstand e von O. Das andere Ende Fdes Halbkreises AFist durch einen Kreisbogen FG verlängert, der als Radius die Strecke 2e und als Mittelpunkt das Ende \ des Halbkreises .AFhat.

Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich für mittlere Brenndicken e wie z. B.:

R/{\+l/2)<e<R/2.

Die Treibsätze, die diesen genannten Merkmalen ) entsprechen, haben im allgemeinen Brennflächen, die noch weniger abnehmen als die vorher (in den Beispielen 1 und 2) genannten Ausführungsformen.

Der Fall, in welchem c = R/2 ist, ist derjenige, in welchem Fund G zusammenfallen (s. Beispiel 2). Wenn se= R/(\ +\ft) ist, dann kommt man zum

Beispiel 4 (s. F ig. 5)

In diesem Fall berührt der Kreis M die Gerade OY und OXin A.

Beispiel 5 (s. F ig. 6)

Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält das Außenprofil AG des Armes einen Halbkreis CF, der den mit dem Radius R um den Mittelpunkt O gezogenen Kreis berührt und dessen Radius gleich c ist und dessen Mittelpunkt M im Abstand R- e von O liegt. Der Halbkreis CFberührt eine Gerade, die parallel zu OX ist so und den Abstand d von OX hat. Der Endpunkt C des Halbkreises CFist durch ein Stück einer Geraden CA verbunden, die parallel zu OTist und den Abstund e von OVhat. Das andere Ende Fdes Halbkreises CFist durch einen Kreisbogen FG verlängert, dessen Radius gleich ss 2e und dessen Mittelpunkt der Endpunkt des Halbkreises CFist.

Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich für Brenndikken e, im wesentlichen wie

0,3 Λ<e< K/U+y'?).

Der Abstand d wird je nach der Art und Weise, in der der Treibsatz hergestellt wird, gewählt, und zwar vorzugsweise größer als 0,03 R. damit nicht die Verbrennung in dem Bereich, der zwischen zwei ds einander benachbarten Armen des Treibsatzes liegt, allzu sehr erosiv wirkt, und vorzugsweise kleiner als 0,06 R. damit nicht der Füllkoeffizicnt des Treibsatzes allzu sehr beschränkt wird.

Mit Treibsätzen, die den genannten Merkmalen entsprechen, erhält man die besten Brenneigenschaften; sie bieten insbesondere eine nur sehr wenig abnehmende Brennfläche, einen großen Füllkoeffizienten und einen nur geringen Abbrandrest.

Beispiel 6
(s. F ig. 7)

Dieses Beispiel entspricht im wesentlichen einem Grenzfall der vorhergehenden Ausführungsform

e = 0,3 R,
hier fallen die Geraden CFund OMzusammen.

Beispiel 7
(s. Fig.8)

In diesem Ausführungsbeispiel enthält das Außenprofil AG des Armes einen Halbkreis CF, der den mit dem Radius R um den Mittelpunkt O gezogenen Kreis berührt und dessen Radius gleich c ist und dessen Mittelpunkt M den Abstand R-e von O hat. C und F sind die Endpunkte des Durchmessers, der mit OM fluchtet. Der Halbkreis CF berührt eine Gerade, die parallel OX ist und den Abstand d von OX hat. Der Endpunkt C des Halbkreises CF ist durch einen Kreisbogen CB verlängert, dessen Mittelpunkt der Punkt N ist, der auf der Geraden OM liegt.

Der Kreisbogen CB ist durch ein Stück einer Geraden BA verlängert, die parallel zu OVund um die Strecke c von OVentfernt ist. Dieses Geradenstück BA kann eine Tangente an dem Kreisbogen CB (Fig.8) sein. Das andere Ende F des Halbkreises CF ist durch einen Kreisbogen FG verlängert, der den Punkt N zum Mittelpunkt hat.

Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich für geringe Brenndicken c. im wesentlichen 0,10 R<c<0,3 R, vorzugsweise0,15 R<c<0,3 R.

Diese Treibsätze ermöglichen ebenfalls Brennflachen, die nur wenig abnehmen, und geringe Abbrandrestvolumina, aber ihr Rillkoeffizient ist größer als bei den vorherigen Ausführungsformen.

Beispiel 8 (s. F i g. 9)

Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom vorhergehenden dadurch, daß der Mittelpunkt N' der Kreisbögen CB' und FG auf dem Gcradenstück B'A liegt. Der Kreisbogen FG um den Mittelpunkt N' ίο schließt sich in dem von OYum die Strecke eentfernten G an einen anderen Kreisbogen an, der mit dem Radius 2eum den Punkt ß'als Mittelpunkt gezogen ist.

Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich ebenfalls für geringe Brenndicken c. und zwar im wesentlichen für is 0,10 Ä<e<0,3 Λ und insbesondere für 0,2 /?<e<0,3 R.

Die nachstehende Tabelle zeigt einige Brenneigenschaften der Treibsätze, die den oben beschriebenen Beispielen entsprechen.

In dieser Tabelle bezeichnen

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

Pf = Umfang des Treibsatzes bei Brennschluß, wenn die Brenndicke e aufgezehrt ist;

Pm = Umfang in dem Augenblick, wenn die halbe Brenndicke c/2 aufgezehrt ist; mit:

P₀ZP₁= k/(k-e/R)
und
P₀ZP_n, = k/(k-e/Z R):

ρ = Füllkoeffizient des Treibsatzes; er ist gleich dem mit 100 multiplizierten Verhältnis des um das Abbrandrcstvolumcn verminderten Trcibsai/.volumens zu dem Volumen des umschreibenden Zylinders, weshalb ρ folgendermaßen ausgedrückt werden kann:

p= 100(2 k c/R- c-V/?·').

	Nummer der	0,45	Beispick·	0,40	5	0,35	7	0,31	«	0,275	8	0,25
	3	1,045	5	1,12	1,233	1.43	1,45	1.5
elR	1,75	I₁ ¹Jf)	1,395	1,272	1,235	1,2
k	1,265	1,218	1.165	1,121	1,105	1,09
PiJPf	73,8	73.7	75,9	78,7	72,1	68,7
/VP„>	2,8	2,5	2	U	1,5	1,4
ρ (ohne Abbrandrest)	2	2	2	2	2	2
% (des Abbrandrcsts)
Anzahl der Abbranclreste

DaU die Verhältnisse Py₁ZPi um! Po/P,,, verhältnismäßig nahe bei 1 sind, zeigt, daß die Brennflüche der erfindungsgeinüßen Trcibslitzc wenig abnimmt. Diese Verhältnisse sind besonders interessant, wenn die Trcibsnt/.o eine mittlere oder geringe Brenndicke hüben.

Die für /> angegebenen Werte zeigen, dull in allen Füllen der nutzbare Füllkoeffizient beträchtlich ist, wobei der beste l'üllkoeifizicnt ρ allerdings bei mittleren Worten von c erreicht wird. Die Abbrumlrcslc bleiben auch sehr gering.

Die Brennoigcnsehuften sind deutlich günstiger uls diejenigen der bekannten Treibsülze mit // einander !•!eichen, zu einer Achse von der Ordnung ti

symmetrischen Armen.

Wie ferner aus den beschriebenen Ausfühnmgsbeispielcn ersichtlich, bieten die erfindungsgemUßen TrcibsUt/c außerdem den Vorteil, daß ihre Eigenschaft ten stetig veränderlich sind, ohne daß die Anzahl der Arme gelindert werden müßte.

Man kann insbesondere das Verhältnis v/R in so weiten Grenzen wie 0.10 R und 2 W/3 lindern und dabei doch die Arm-Anzahl 4 beibehalten.

Die erfindungsgeinaßcn Treibsätze lassen sich ohne Schwierigkeiten nach den bekannten Formguß und Striingpreüverfuhren aus bekannten Trabstoffzusammensetzungen herstellen; Formguß wird bei dicken

Treibsätzen, Strangpressen bei dünnen Treibsätzen angewendet.

Die Ausführungsbeispiele können in verschiedener Weise abgewandelt werden. Insbesondere kann der Querschnitt der Treibsätze geändert werden. Die Bögen

FG und BC können anders als Kreisbögen, aber diesen ziemlich ähnlich, ausgeführt sein, vorausge; daß sie den Kreisbogen CF berühren und eina äquidistant mit einem Abstand 2esind.

Hicr/u 3 Blut! /cichnunuen

Claims

Patentansprüche:

1. Außenbrennertreibsatz für Raketentriebwerke, der eine im wesentlichen konstante Brennfläche > aufweist und dessen Außenfläche in einen Zylinder vom Radius R einbeschrieben ist, der zwei aufeinander senkrecht stehende Symmetrieebenen hat und dessen Querschnittsfläche vier einander ähnliche Arme aufweist, wobei das Außenprofil jedes Armes einen Kreisbogen enthält, der den Zylinder vom Radius R berührt, einen Radius e gleich der Brenndicke d<;s Treibsatzes hat und mit seinem Mittelpunkt im Abstand R— e von der Zylinderachse liegt, dadurch gekennzeich- is net, daß der Treibsatz nur zwei Symmetrieebenen aufweist, wobei die einzelnen Arme (1, 2, 3, 4) unsymmetrische Querschnittsformen aufweisen, und daß zwei Punkte (A) der Querschnittsfläche des A lßenprofils (8) im Abstand e vom in derselben :o Querschnittsfläche befindlichen Schnittpunkt (O)der beiden Symmetrieebenen liegen.

2. Außenbrennertreibsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Brenndicke e des Treibsatzes im wesentlichen gilt: :_s

R/\0<e<2 R/3.

3. Außenbrennertreibsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand d zwischen zwei einander benachbarten Armen (i, 2; ^o 3,4) im wesentlichen beträgt:

0,03 R<d< 0,06/?.