DE2949522C2 - Gekühlte Schubdüse für ein Raketentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Schubdüse für ein Raketentriebwerk mit zwei voneinander unabhängigen Kühlkreisiäufen, wobei der stromabwärlige Schubdüsenteil durch flüssigen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, in einem offenen Kühlkreis gekühlt wird und wobei Kühlmittel des offenen Kühlkreises dampfförmig unter Schuberzeugung am stromabwärtigen Rand der Schubdüse ins Freie ausströmt.

Nach der US-PS 32 67 664, Fig. 5, ist eine Raketenbrennkammer mit Schubdüse bekannt, mit zwei voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen, einem vorderen regenerativen, dem vorderen Teil der Schubdüse sowie der Brennkammer zugeordneten, zum Einspritzkopf führenden Kühlkreislauf und einem im hinteren Schubdüsenteil strömenden, am Ende der Schubdüse offenen Kühlkreislauf mit einer gegenüber dem regenerativen Kühlkreislauf sehr geringen Durchflußmenge, die innerhalb der hinteren Schubdüsenwand verdampft und unter Schuberzeugung ins Freie strömt.

Weiter ist es nach der Fachzeitschrift »Jet Propulsion«, ]uni 1957, Seiten 650 bis 656 bekannt, bei Brennkammern von Raketentriebwerken zur Erzeugung einer Filmkühlung in der Brennkammerwand mehrere, im Abstand voneinander angeordnete Reihen von Ausströmöffnungen für ein flüssiges Kühlmittel vorzusehen, das dann an der Innenseite der Wand verdampft.

Ferner zeigt die Fig. 6 der bereits genannten US-PS 32 67 664 eine Raketenbrennkammer mit Schubdüse, wobei die Brennkammer und die Schubdüse doppelwandig ausgeführt sind und von einem Kühlmittel durchströmt werden, das dort verdampft und am Ende der Schubdüse über eine Ringdüse ausströmt. Zusätzlich zu dieser Art der Wandkühlung ist für den Brennkammer- und vorderen Schubdüsenbereich eine Filmkühlung vorgesehen, wozu in der Brennkammerwand und bis unmittelbar hinter dem Schubdüsenhals mehrere Reihen von Ausströmbohrungen für einen Teil des innerhalb der Wandstruktur strömenden flüssigen Kühlmittels vorgesehen sind, das an der Wandinnenseite einen Kühlschleier erzeugt.

Ein Vergleich der vorbeschriebenen bekannten Kühlmöglichkeiten läßt erkennen, daß bei allen positiven Momenten die reine Schubdüsen-Dampfkühlung als auch die Filmschleierkühlung besondere Nachteile aufweisen. So bringt die Dampfkühlung

κι schwere Düsenkonstrukiionen mit sich, die entweder doppelwandig mit gegenseitiger Abstützung der Innen- und Außenwand ausgeführt oder aus nebeneinanderliegenden einzelnen Röhrchen ausgebildet sein müssen. Außerdem sind die für die Dampfkühlung vorgesehenen

υ hinteren Schubdüsenteile durch komplizierten konstruktiven Aufbau sehr teuer, da sie, wie bereits erwähnt, vielfach aus einzelnen Röhrchen bestehen, die für sich teuer sind und deren feste gegenseitige Verbindung einen hohen manuellen Arbeitsaufwand erfordert.

-'" Wenn auch durch die Dampfkühlung infolge der großen Wärmemengen verbrauchenden Verdampfung ein hoher Kühlwirkungsgrad erreicht wird, so ist mit dieser Kühlart impulstechnisch ein Verlust verbunden, da die Dampfmenge nicht am Reaktionsprozeß mit seiner

-1 hohen spezifischen Impulserzeugung teilnimmt.

Der Vorteil der reinen Filmkühlung liegt zwar in einer leichten Düsenstruktur, doch wird für diese Kühlart eine große Menge an Medium bzw. Treibstoff benötigt, weil die Vermischungsrate zwischen dem Filmschleier und

«ι der radial benachbarten äußerst heißen Schubdüsenströmur.g sehr groß ist, so daß laufend Kühlmittel verloren geht. Dabei ist nicht immer gewährleistet, daß das sich beimischende Kühlmittel auch an der Reaktion teilnimmt, weil der radiale Außenbereich der Schubdü-

i'i senströmurig mit der Kühlkomponente angereichert ist. Dieser Reaktionsverlust führt wiederum insgesamt zu einem prozessualen Leistungsverlust. Wird ein inertes Kühlmittel verwendet, so geht dies voll auf Kosten des spezifischen Impulses.

So haften den vorbeschriebenen Kühlverfahren neben gewissen Vorteilen auch nicht zu übersehende Nachieile an, die sich bei der Dampfkiihlung noch in der Weise auswirken und eine funktionell Begrenzung nach sich ziehen, als eine Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Kühlkanäle wegen der auftretenden hohen Druckverluste und durch Erreichen der Schallgeschwindigkeit nicht mehr möglich ist.

Eine Dampfkühlung ergänzt durch eine nur bis hinter den Schubdüsenhals reichende Filmkühlung, wie gemäß

ro Fig. 6 der US-PS 32 67 664, ist ebenfalls ungenügend, da eine solche zusätzliche Filmkühlung kühltechnisch sich rasch verbraucht und für den mittleren und hinteren Schubdüsenbereich keine Wirkung mehr nach sich zieht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, für ein Raketentriebwerk eine Schubdüsenkühiung zu schaffen, welche die bisherigen Kühlverhältnisse verbessert und gleichzeitig die spezifische Triebwerksleistung steigert.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Raketentriebwerk der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch, daß in bekannter Weise der stromabwärtige Schubdüsenteil noch zusätzlich durch eine an der Innenseite der Schubdüsenwand anliegende Filmkühlung gekühlt ist, wozu in der Innenwand dieses Schubdüsenteiles mehrere, im Abstand hintereinander angeordnete Reihen von Ausströmöffnungen vorgeseher: sind und im Bereich einer jeden Reihe außen an der äußeren Wand Zulaufringe zur Beschickung des hinteren offenen Kühlkreises mit flüssigem Treibstoff

kreis nach innen austretende Menge für die Filmkühlung durch eine frische Kühlmenge von außen ersetzt, so daß für den Dampfkühlkreis eine verlustarme Kontinuität der Strömung erreicht wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung anhand eines Längsschnitts durch die Brennkammer-Schubdüse eines Raketentriebwerks dargestellt.

Wie die Figur erkennen läßt, ist die Brennkammer 1 und de: vordere Teil 2a der Schubdüse 2 regenerativ gekühlt und das hier zur Kühlung verwendete Medium, nämlich insbesondere flüssiger Wasserstoff, gelangt zum Einspritzkopf und wird in die Brennkammer 1 eingespritzt. Eine geringere Teilmenge des flüssigen Wasserstoffs bildet innerhalb der Wand des hinteren Schubdüsenteils 2b einen hinteren offenen Kühlkreis, eine sogenannte Dampfkühlung, wobei das Kühlmittel Wärme aufnimmt, innerhalb der Wand des Schubdüsendie Zulaufringe — in Strömungsrichtung betrachtet — jeweils kurz hinter den einzelnen Reihen der Ausströmöffnungen für die Filmkühlung liegen. Durch einen solchen Zulauf wird nämlich die aus dem Dampfkühlangeordnet sind.

Durch die Erfindung wird sowohl der offene Dampfkiihlkreis als auch der offene Film-Kühlkreis stufenweise aufgefrischt, wodurch im Dampfkühlkreis die Strömungsverhältnisse verbessert und der Film-Kühlkreis regeneriert und im besonderen Maße intensiviert wird. Außerdem werden durch die Erfindung ausgewogene Verhältnisse zwischen den Leistungen der Dampfkühlung und der Filmkühlung ermöglicht. Es wird dabei für den hinteren Schubdüsenteil die Gesamtkühlleistung optimiert und maximiert, insofern, als die erforderliche Dampfkühlung in ihrer Menge minimiert, in ihrer Leistung jedoch intensiviert wird, während bei der Filmkühlung dafür Sorge getragen wird, daß diese einerseits in ihrer Kühlleistung eine Steigerung erfährt und andererseits mit ihrer ganzen Menge am Brennkammerreaktionsprozeß teilnimmt.

Diese positiven Erscheinungen erfahren eine weitere Steigerung dann, wenn in Ausgestaltung der Erfindung teils 2b verdampft und am hinteren Ende über Schubdüsen, sofern e ne Röhrchenbauweise Verwendung findet, oder über eine Ringdüse 3, bei Doppelwandausführung, unter Scliuberzeugung ins Freie strömt.

An der Innenwand 4a des hinteren Schubdüsenteils 2b sind mehrere, in Strömungsrichtung hintereinander liegende Reihen von Ausströmöffnungen 5 vorgesehen, über die ein Teil des innerhalb ti^r Wand des hinteren

.ir Schubdüsenteils 2b strömenden Kühlmittels ausströmt und entlang der Innenwand Aa einen Kühlschleier bildet. Dabei wird jeweils soviel Kühlmittel für die Filmkühlung F abgeleitet, daß einerseits für die innerhalb der Wand des hinteren Schubdüsenteils 2b verbleibende

r Kühlmittelmenge (Dampfkühlung) keine zu hohen schädlichen Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden und daß andererseits von Reihe zu Reihe der Öffnungen 5 eine ausreichende Filmkühlung garantiert ist. Dadurch ist ferner eine völlige Vermischung der ι abgestuften Schleierkühlung mit der Gasströmung (Schubströmung) gewährleistet und es wird mit geringstem kühltechnischem Aufwand ein Maximum an Kühlleistung sowie ein Optimum an Wirtschaftlichkeit für den Gesainiprozeß erreicht.

Die Zufuhr für den hinteren offenen Kühlkreis erfolgt über mehrere, in Strömungsrichtung hintereinander liegende Zulaufringe 6, 6a, 6b ... an der Außenwand Ab des hinteren Schubcüsenteils 2b. Die Zulaufringe 6, 6a hb ... sind dabei jeweils kurz hinter den Reihen der

i» Ausströmöffnungen :> angeordnet.

Durch die abgestufte Zufuhr von jeweils frischem Kühlmedium wird einerseits die Aufheizung vermieden und damit die Strömungsgeschwindigkeit des offenen Dampfkreislaufs >n günstigen Grenzen gehalten und

'■"· andererseits die Filmkühlung F in bezug auf die Sireckeneinteilung und Versorgung mit frischen Kühlmittelmengen optimiert.

Durch sein niedriges Molekulargewicht wirkt sich die Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Kühlmittel

'" besonders günstig aus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gekühlte Schubdüse für ein Raketentriebwerk mit zwei voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen, wobei der stromabwärtige Schubdüsenteil durch flüssigen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, in einem offenen Kühlkreis gekühlt wird und wobei Kühlmittel des offenen Kühlkreises dampfförmig unter Schuberzeugung am stromabwärtigen Rand der Schubdüse ins Freie ausströmt, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise der stromabwärtige Schubdüsenteil (2b) noch zusätzlich durch eine an der Innenseite der Schubdüsenwand anliegende Filmkühlung (F) gekühlt ist, wozu in der Innenwand (4a) dieses Schubdüsenteils mehrere, im Abstand hintereinander angeordnete Reihen von Ausströmöffnungen (5) vorgesehen sind und im Bereich einer jeden Reihe außen an der äußeren Wand (4b) Zulaufringe (6, 6a, 6b) zur Beschickung des hinteren offenen Kühlkreises mit flüssigem Treibstoff angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufringe (6, 6a, 6b) — in Strömungsrichtung betrachtet — jeweils kurz hinter den einzelnen Reihen der Ausströmöffnungen (5) für die Filmkühlung (F) liegen.