DE2458180A1

DE2458180A1 - Trennwand fuer raketentriebwerke

Info

Publication number: DE2458180A1
Application number: DE19742458180
Authority: DE
Inventors: Walter Helmut Dr Diesinger; Klaus Peter Kosiolek
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1974-12-09
Filing date: 1974-12-09
Publication date: 1976-06-10
Also published as: US4075832A; GB1532987A; FR2294334A1; SE7513787L; BE836373A; IT1052526B; GB1532988A

Description

DYNMIT NOBEL AKTIENGESELLSCHAFT Troisclorf Bez. Köln

Trennwand für Raketentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gegenstand.

Es ist für Raketentriebwerke mit wenigstens zwei voneinander unabhängigen Schubphasen aus der DT-OS 2.214.802 eine Trennwand mit mehreren Durchströmöffnungen und diese verschließenden Stopfen bekannt, um eine mit einem Festtreibstoff und wenigstens einer Düse versehenen Brennkammer von einem am düsengegenseitigen oder kopfseitigen Ende angeordneten zusätzlichen Raum, insbesondere einer weiteren Brennkammer mit Feststofftreibsatz, abzutrennen. In dem zusätzlichen Raum kann beispielsweise auch ein Staustrahltriebwerk mit Lufteinlauf und Treibstoffeinspritzung vorgesehen sein. Nach Abbrand des Treibsatzes in der düsenseitigen Brennkammer werden bei Anzündung des beispielsweise in der kop.fseitigen Brennkammer untergebrachten weiteren Treibsatzes die Stopfen in die düsenseitige Brennkammer hineingedrückt und durch die wenigstens eine Düse ausgestoßen. Dabei besteht aber die Gefahr, daß sich die Stopfen in der Düse verklemmen und damit das ungehinderte Abströmen der Treibgase beeinträchtigen, was beispielsweise eine Explosion des Feststoffraketentriebwerks zur Folge haben kann. Ein weiterer Nachteil ist die Gefahr einer Beschädigung des Düseneinlaufs bzw. des engsten Querschnitts der Düse durch die Stopfen, da diese mit großer Geschwindigkeit durch die Düse hindurchgeschleudert werden.

Es sind weiterhin aus der DT-OS 2.230.457 Trennwände mit wenigstens zwei Durchströmöffnungen bekannt, bei denen die Stopfen an einer Haltevorrichtung axial verschiebbar und nach erfolgtem

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Hinausschieben aus der Durchströmöffnung seitlich verschieb- oder verschwenkbar befestigt sind. Nachteile dieser Lösung sind die vergleichsweise örtlich hohe thermische Belastung der düsenseitigen Brennkammerwand durch den asymmetrischen Eintritt der Treibgase in die düsenseitige Brennkammer, sowie der verhältnismäßig kleine Querschnitt der Öffnungen in der Trennwand. Durch einen kleinen Öffnungsquerschnitt werden die Treibgase stark verwirbelt, was neben einer Erhöhung der Wärmeübertragung auf die düsenseitige Brennkammerwand zu einer Verminderung des gerätespezifischen Impulses führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Trennwand für Raketentriebwerke mit zwei oder mehreren voneinander unabhängigen Schubphasen die vorstehenden Nachteile zu vermeiden, d.h. die Trennwand so auszubilden, daß ungünstige mechanische und/oder thermische Beanspruchungen des Triebwerks und unerwünschte Verminderungen des gerätespezifischen Impulses möglichst weitgehend ausgeschlossen werden.

Diese Aufgabe wird mit der im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Erfindung gelöst. Diese vorzugsweise kreisförmige einzige und dementsprechend groß ausbildbare Durchströmöffnung der Trennwand oder des Verschlußelementes bestimmt das Einströmen der Treibgase in die düsenseitige Brennkammer und gewährleistet in vorteilhafter Weise, daß die Treibgase zentral und axial auf einem relativ großen Querschnitt in die düsenseitige Brennkammer einströmen. Diese einzige Einströmöffnung für die düsenseitige Brennkammer,bewirkt eine Konzentrierung bzw. Bündelung und damit ein relativ ungestörtes Einströmen der Treibgase, so daß örtlich überhöhte thermische Beanspruchungen vermieden und Energieverluste bedingende Verwirbelungen im Gasstrom weitge-.henst vermindert werden. Da das Verschlußelement nach Freigabe der Durchströmöffnung nicht aus dem Triebwerk ausgestoßen wird, sondern innerhalb der düsenseitigen Brennkammer gehalten ist, sind auch mechanische Beschädigungen des Triebwerks ausgeschlossen.

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Die Bezeichnungen "düsenseitig" bzw. "kopfseitig" sind dabei nicht auf die unmittelbar an die Düse bzw. den Kopf des Triebwerks angrenzenden Räume bzw. Treibsätze beschränkt, sondern beziehen sich bei einem Triebwerk mit drei, vier oder- mehreren sequentiell anzuzündenden Treibsätzen auch auf die dazwischenliegenden Treibsätze bzw. Brennkammern.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist die Trennwand nach Anspruch 2 ausgebildet. Die Trennwand hat dabei vorzugsweise, die Form einer kreisförmigen Ringscheibe mit einer einzigen zentralen Durchströmöffnung, die mittels der kreisscheibenförmigen Brechmembran auf ihrer Düsenseite verschlossen ist. Die Brechmembran ist mit einer Sollbruchlinie, vorzugsweise einer sie in zwei Hälften unterteilenden geradlinigen Kerbe, versehen, so daß das reproduzierbare Aufbrechen der Brechmembran sichergestellt ist. Wenn der Gasdruck im kopfseitigen Raum, beispielsweise nach Anzündung eines dort untergebrachten Feststofftreibsatzes, den vorgegebenen Brechdruck erreicht hat, bricht die Brechmembran auf und gibt damit die einzige zentrale große Durchströmöffnung der Trennwand frei. Die beiden Hälften der aufgebrochenen Membran sind beispielsweise über je eine drehbar gelagerte Halterung mit dem Gehäuse der düsenseitigen Brennkammer verbunden und werden unter der Wirkung der in diese Brennkammer einströmenden Treibgase nach außen geschwenkt, vorzugsweise in eine die einzige Durchströmöffnung völlig freigebende -Stellung. Je nach den Erfordernissen kann selbstverständlich die Unterteilung der Brechmembran durch Sollbruchlinien auch so vorgenommen werden, daß bei ihrem Aufbrechen drei oder mehrere Teilstücke entstehen, die je für sich mittels entsprechender Befestigungseinrichtungen gehalten sind. Als vorteilhaft erweist es sich hierbei auch, daß die Teilstücke der Brechmembran beim Wegschwenken nur eine Bewegung in axialer und radialer Richtung ausführen, nicht aber in Umfangsrichtung, wobei die Gefahr bestünde, daß es unter der Gasdruckbelastung zu Verklemmungen und damit zu einer Behinderung der Öffnungsbewegung der Teilstücke kömmt.

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Die Abdichtung zwischen der Trennwand und der an ihr anliegenden Brechmembran und gegebenenfalls auch zwischen der separat in das Triebwerksgehäuse eingesetzten Trennwand und dein Gehäuse gegenüber den Gasen aus der düsenseitigen Brennkammer erfolgt beispielsweise mittels in entsprechenden nutförmigen Vertiefungen eingelegter elastischer O-Ringe aus Perbunan, Buna S od.dgl.

Gemäß der im Anspruch 3 angegebenen erfindungsgemäßen Ausbildung erhält man eine bauliche Einheit von Trennwand und Brechmembran, wobei das Abdichtungselement zwischen diesen beiden Teilen zuverlässig fest eingespannt ist.

Eine andere Variante der Erfindung ist im Anspruch 4 angegeben. Gemäß dieser Ausführungsform liegt das Verschlußelement mit der einzigen zentralen großen Durchströmöffnung als axial verschiebbarer Verschlußring, der an seinem äußeren Umfang geführt ist, im geschlossenen Zustand· der Trennwand an dieser an und verschließt die in dieser ausgebildeten wenigstens zwei Durchströmöffnungen« Diese letzteren Durchströmöffnungen sind im äußeren Bereich der Trennwand, vorzugsweise gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt, angeordnet und insbesondere als entsprechend gekrümmte Langlöcher ausgebildet. Sie können jedoch auch als kreisförmige Bohrungen oder sonstige Durchbrüche ausgeführt sein, sofern damit ein genügend großer Öffnungsquerschnitt für die vom kopfseitigen Raum in die düsenseitige Brennkammer strömenden Treibgase erreicht wird.

Nach Abbrand des Treibsatzes in der düsenseitigen Brennkammer und nach Anzündung des beispielsweise im kopfseitigen Raum angeordneten weiteren Feststofftreibsatzes erfolgt durch den dabei entstehenden Gasdruck die Öffnung der Trennwand in der Weise, daß die ringförmige Verschlußscheibe axial zum düsenseitigen Ende des Triebwerks hin verschoben wird, bis sie sich an einem Anschlag festsetzt. Der axiale Verschiebungsweg ist dabei so groß bemessen, daß der Strömungsquerschnitt zwischen der Trennwand und dem am Anschlag befindlichen Verschlußring wenigstens gleich der Gesamtfläche aller Durchströmöffnungen der Trennwand

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ist, um unnötige zusätzliche Drosselverluste der strömenden Treibgase zu vermeiden.

Grundsätzlich ist es möglich, das ringscheibenförmige Verschlußelement an seiner äußeren Mantelfläche so schwer verschiebbar beispielsweise im Triebwerksgehäuse zu führen, daß es sich nicht unbeabsichtigt etwa durch Stoßbeanspruchungen beim Transport, dem Handhaben usw. des Triebwerks aus seiner an der Trennwand anliegenden Stellung verschieben kann» Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung entsprechend Anspruch 5 kann statt dessen jedoch vorgesehen werden, das Verschlußelement relativ leicht axial verschiebbar zu führen und es zusätzlich mittels bei einer vorgebbaren Druckbelastung auftrennbaren Verbindungselemente in seiner an der Trennwand anliegenden Geschlossen-Stellung zu halten. Beispielsweise kann dazu das Verschlußelement mittels Abreißschrauben oder Abreißnieten am Gehäuse, vorzugsweise aber an der Trennwand selbst, befestigt werden. Auch hier sind wieder zwischen der Trennwand und dem Verschlußelement sowie dem äußeren Gehäuse entsprechende Dichtungselemente vorzusehen, um ein unzulässiges Eindringen von Gasen aus der düsenseitigen Brennkammer in den kopfseitigen Raum zu verhindern.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispielen gezeigt und wird anhand dieser nachstehend noch näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 ein Peststoffraketentriebwerk mit zwei unabhängigen Schubphasen im Längsschnitt,

. Figur 2 die Trennwand mit Brechmembran im Längsschnitt, Figur 3 eine Ansicht hierzu gemäß Pfeil A in Figur 2,

Figur 4 die Trennwand mit Verschlußring im Längsschnitt und

Figur 5 eine Ansicht hierzu gemäß Pfeil B in Figur 4.

Gemäß Figur 1 weist das Feststoffraketentriebwerk mit dem Gehäuse 1 und der Düse 2 die düsenseitige Brennkammer 3 und die

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kopfseitige Brennkammer 4 auf. Beide Brennkammern sind durch die Trennwand 5 mit angedeutetem Verschlußelement 6 voneinander. getrennt. In der düsenseitigen Brennkammer 3 befindet sich der Treibsatz 7 mit Verdammung und Anzünder 8. In der kopfseitigen Brennkammer 4 sind der Treibsatz 9 und der Anzünder 10 untergebracht.

In der Figur 2 ist die Trennwand 5 mit Verschlußelement 6 als separates Bauteil gezeigt, das im Triebwerksgehäuse beispielsweise zwischen entsprechenden Absätzen, Anschlägen od.dgl. gehalten wird. Selbstverständlich kann die Trennwand 5 grundsätzlich aber auch einstückig mit dem Triebwerksgehäuse hergestellt werden. Die obere Hälfte der Figur zeigt den geschlossenen und die untere Hälfte den offenen Zustand der Trennwand. Die Trennwand 5 ist hier als Ringscheibe 11 aus vorzugsweise Stahl mit der großen zentralen einzigen kreisförmigen Durchströmöffnung 12 ausgebildet und innerhalb des Trennwandgehäuses 13 zwischen dem Absatz 14 und dem Sprengring 15 gehalten. Auf der der düsenseitigen Brennkammer 3 zugewandten Seite der Ringscheibe 11 ist das als Brechmembran 16 mit Halterungen 17 ausgebildete Verschlußelement 6 angeordnet. Die Brechmembran 16 ist vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, dessen Festigkeit sich in dem in Frage kommenden Temperaturbereich vergleichsweise wenig ändert. Die als Kerbe ausgebildete Sollbruchlinie 18 unterteilt die kreis scheibenförmige Brechmembran 16 nach Art eines Durchmessers in zwei Hälften, deren jede mittels einer Halterung 17 an der Ringscheibe 11 um die Achsen 19 schwenkbeweglich gehalten ist. Zwischen der Ringscheibe 11 und der Brechmembran 16 sowie dem Trennwandgehäuse 13 sind die ringförmigen Dichtungselemente 20 und 21 angeordnet, um im geschlossenen' Zustand der Trennwand ein Hinüberströmen von Treibgasen aus der Brennkammer 3 in die Brennkammer 4 auszuschließen. Im offenen Zustand der Trennwand ist die Brechmembran 16 bzw. deren Hälften in eine die Durchströmöffnung 12 völlig freigebende Stellung weggeklappt.

Die Figur 3 zeigt die Ansicht der Brechmembran 16 mit den beiden Halterungen 17 mit Schwenkachsen 19, der Sollbruchlinie 18, der

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Ringscheibe 11 und dem Trennwandgehäuse 13. Durch die Lage und Tiefe der Kerbe 18 ist das definierte und reproduzierbare Auf-• brechen der Brechmembran 16 gewährleistet.

Bei der in Figur 4 gezeigten Variante ist die Trennwand 5 als Schlitzscheibe 22 aus vorzugsweise Stahl mit - wie die Figur 5 zeigt - vier gleichmäßig im äußeren Bereich verteilt angeordneten Durchströmöffnungen 23 ausgebildet. Die Schlitzscheibe 22 ist wie die Ringscheibe 11 in Figur 2 im Trennwandgehäuse 13 zwischen dem Absatz 14 und dem Sprengring 15 gehalten, könnte aber ebenso wie diese beispielsweise auch in das Trennwandgehäuse 13 oder auch unmittelbar in das Triebwerksgehäuse 1 eingeschraubt sein. Im geschlossenen Zustand der Trennwand 5 ~ der in der oberen Hälfte der Figur 4 gezeigt ist - liegt das nur die einzige große zentrale Durchströmöffnung 24 aufweisende Verschlußelement, der Verschlußring 25 aus vorzugsweise Stahl, an der der düsenseitigen Brennkammer 3 zugewandten Seite der Schutzscheibe 22 an und verschließt die Längsschlitze 23. Der Verschlußring 25 ist an seiner äußeren Umfangsfläche 26 an der Innenwandung 27 des Triebwerksgehäuses 13 axial verschiebbar geführt und gegenüber diesem mittels der Ringdichtung 28 abgedichtet. Die axiale Verschiebbarkeit ist durch den Anschlag 29 des Trennwandgehäuses 13 begrenzt, der hier als Kreisring ausgebildet ist, dessen lichter Querschnitt 30 größer als die Durchströmöffnung 24 des Verschlußrings 25 ist.

. Der Verschlußring 25 ist an seiner inneren Umfangsfläche mit beispielsweise vier gleichmäßig verteilt angeordneten nasenartigen radialen Vorsprüngen 31 versehen, in deren Bereich kleine Abreißschrauben 32, hier nur durch die Mittellinie angedeutet, angebracht sind, welche den Verschlußring 25 mit der Schlitzscheibe 22 verbinden und damit in der Geschlossen-Stellung während des Transports, der Handhabung usw. halten. Die nach

• innen in die Durchströmöffnung 24 hineinragenden Vorsprünge 31 sind möglichst klein gehalten, um die einzige zentrale Durch-

' Strömöffnung. 24.nicht unnötig zu verkleinern. Zur Abdichtung : sind auch hier wieder Ringdichtungen 28, 33 und 34 vorgesehen.

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In der unteren Hälfte der Figur 4 ist die Trennwand im offenen Zustand gezeigt. Der Verschlußring 25 ist zum düsenseitigen Ende des Triebwerks hin bis zur Anlage am Anschlag 29 verschoben, wobei die Schrauben 32 abgerissen sind.

Die Figur 5 zeigt zur weiteren Verdeutlichung noch eine Ansicht der Schlitzscheibe 22 mit den vier als gekrümmte Langlöcher ausgebildeten Durchströmöffnungen 23, dem Sprengring 15 und dem Trennwandgehäuse 13.

Troisdorf,den 29.11.1974
OZ: 74 112 (2414) Sc/Rl.

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Claims

Patentansprüche:

rennwand für Raketentriebwerke mit zwei oder mehreren voneinander unabhängigen Schubphasen, die eine düsenseitige Brennkammer mit Feststofftreibsatz von einem weiteren kopfseitigen Raum, insbesondere einer v/eiteren Brennkammer mit Feststofftreibsatz, trennt und wenigstens eine Durchströmöffnung mit düsenseitig angeordnetem Verschlußelement aufweist, das nach Freigabe der Durchströmöffnung innerhalb der düsenseitigen Brennkammer gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (5, 11) oder das Verschlußelement (25) nur eine zumindest im wesentlichen koaxial angeordnete, die Treibgase nur zentral in die düsenseitige Brennkammer (3) eintreten lassende Durchströmöffnung (12, 24) aufweist.
2. Trennwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Durchströmöffnung (12) der Trennwand (11) mit einem Verschlußelement (6) versehen ist, das als an der Düsenseite der Trennwand (11) anliegende Brechmembran (16) ausgebildet ist, die mittels wenigstens einer Sollbruchlinie (18) versehen und deren jedes nach ihrem Aufbrechen entstehende Teilstück unter der Wirkung der in die düsenseitige Brennkammer (3) einströmenden Treibgase nach außen wegschwenkbar gehalten ist«
3. Trennwand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Schwenkhalterungen (17) der Brechinembran (16) mit der Trennwand (11) verbunden sind.
4. Trennwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei oder mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Durchströmöffnungen (23) aufweist, die von dem nur die eine Durchströmöffnung (24) aufweisenden an der Düsenseite der Trennwand (22) anliegenden ringförmigen Verschlußelement (25) überdeckt werden, und daß das an seiner äußeren Mantelfläche (26) geführte^Verschlußelement (25) unter der Wirkung

: der in die düsenseitige Brennkammer (3) einströmenden Treibgase in axialer Richtung bis zur Anlage an einem Anschlag (29)

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verschiebbar ist.

Trennwand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (25) in seiner die Durchströmö.ffnungen (23) der Trennwand (22) verschließenden Lage mittels bei einem vorgegebenen Druck abreißbarer, abscherbarer od.dgl. Verbindungselemente (32) gehalten ist.

Troisdorf, den 29.11.1974 Sc/Rl. OZ: 74 112 (2414)

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