DE3001270A1

DE3001270A1 - Raketen-triebwerk

Info

Publication number: DE3001270A1
Application number: DE19803001270
Authority: DE
Inventors: Harold Seay Stratton
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1979-01-15
Filing date: 1980-01-15
Publication date: 1980-07-24
Also published as: DE3001270C2; IT1120545B; FR2446385A1; JPS55109745A; GB2039619A; JPH0133660B2; IT7950115A0; FR2446385B1; US4258546A; GB2039619B

Description

- 3 Raketen-Triebwerk

Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeits-Raketen-Triebwerk und insbesondere Flüssigkeits-Raketen-Triebwerke für spinstabilisierte Fahrzeuge und andere kleine Fahrzeuge.

Raketen-Triebwerke für flüssige oder gasförmige Brennstoffe sind seit langem bekannt und werden in erster Linie in der Raumfahrt eingesetzt. Sie haben gegenüber Feststoffraketen den Vorzug, solange geringes Gewicht und hohe Zuverlässigkeit gefordert sind. Darüber hinaus können Flüssigkeitsraketen nach Wunsch gestartet und gestoppt werden, während Feststoff-Raketen gewöhnlich nur einmal gezündet werden können. Andererseits sind Flüssigkeitsraketen aber wesentlich raumaufwendiger als Feststoffraketen. Daher werden Feststoffraketen dort bevorzugt eingesetzt, wo der Raumbedarf ein wichtiger Faktor ist. Bei militärischen Anwendungen steht der Raumbedarf der Raketen gewöhnlich im Vordergrund, da Probleme des Transports und der unsichtbaren Unterbringung direkt mit dem Raumbedarf der Raketen in Verbindung stehen. Darüber hinaus führt ein erhöhter Raumbedarf bei Raketen, welche in erster Linie für den Flug in der Erdatmosphäre bestimmt sind, zu einer erhöhten Frontfläche und somit zu einem erhöhten Luftwiderstand und verringerter Leistung. Daher werden auf militärischem Gebiet Feststoffraketen im allgemeinen bevorzugt.

Ein weiterer Nachteil von Raketen mit flüssigem oder gasförmigem Treibstoff ist in deren Komplexität zu sehen. Es sind insbesondere Vorratstanks für den Brennstoff erforderlich, sowie Einrichtungen zur Förderung des Brennstoffs aus den Vorratstanks in die Brennkammer, z. B. Drucksysteme, Ausstoßsysteme oder dgl. Häufig sind Hochleistungspumpen, komplizierte Ventile und aufwendige Rohrleitungen für die Förderung der Brennstoffe erforderlich. Dies alles führt zu einer weiteren Erhöhung des Gewichts und des Raumbedarfs

030030/0814

- 4 der Flüssigkeits-Raketen-Triebwerke.

Die vorliegende Erfindung überwindet dieses Nachteile. Es wird ein Flüssigkeits-Raketen-Triebwerk geschaffen, welches einfach, kompakt und von geringem Gewicht ist. Das erfindungsgemäße Triebwerk kann als Einzeltreibstoff- oder Doppeltreibstoff-Triebwerk ausgebildet sein. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Triebwerk in Verbindung mit spinstabilisierten Fahrzeugen vorteilhaft, da die Spin-Kräfte zur Förderung des Treibstoffs aus den Vorratstanks in die Brennkammer genutzt werden können und zwar unabhängig von der Fluglage oder den g-Kräften.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise durch ein Raketentriebwerk für flüssige oder gasförmige Treibstoffe erzielt, welches eine Brennkammer aufweist, sowie einen Differentialkolben, der. die Brennkammer in eine Beschickungskammer und eine Verbrennungskammer unterteilt. Ferner sind Treibstofftanks vorgesehen, sowie Einrichtungen zur Ausnutzung der Spin-Kräfte des Fahrzeugs oder Treibstoffausstoßsysteme zur Zufuhr des Treibstoffs aus den Treibstofftanks in die Beschickungskammer. Ferner sind Einrichtungen vorgesehen, um den Treibstoff mit einem vorbestimmten Durchsatz von der Beschickungskammer in die Verbrennungskammer zu überführen, sowie Einrichtungen zur Initiierung der Bewegung des Kolbens zum Zwecke des Ausstoßens des Treibstoffs aus der Beschickungskammer in die Verbrennungskammer.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertos Raketen-Triebwerks-System für flüssige oder gasförmige Treibstoffe zu schaffen. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein einfaches, kompaktes und leichtes Raketen-Triebwerkssystem für flüssige oder gasförmige Treibstoffe zu schaffen. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Raketen-Triebwerks-System für flüssige oder gasförmige Treibstoffe zu schaffen, welches die Spin-Kräfte des Fahrzeugs für die Zwecke

BAD ORIGINAL Ö30030/08U

tSOiS""

der Förderung des Treibstoffs in die Brennkammer der Rakete auszunutzen gestattet.

Erfindungsgemäß wird ein Triebwerk für flüssige oder gasförmige Treibstoffe geschaffen, welches eine Brennkammer umfaßt sowie einen Differentialkolben, der die Brennkammer in eine Beschickungskammer und eine Verbrennungskammer unterteilt. Ferner sind Treibstofftanks vorgesehen, sowie Einrichtungen zur Ausnutzung der Spin-Kräfte des Fahrzeugs oder Treibstoff-Aus stoß systeme zur Förderung des Treibstoffs aus den Treibstofftanks in die Beschickungskammer sowie schließlich Einrichtungen zur überführung des Treibstoffs mit einem vorbestimmten Durchsatz aus der Beschickungskammer in die Verbrennungskammer und Einrichtungen zur Einleitung der Bewegung des Kolbens im Sinne eines Ausstoßens des Treibstoffs aus d.er Beschickungskammer in die Verbrennungskammer.

030030/0814 BAD ORIGINAL

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen

Raketentriebwerks und
Fig. 2 ein vertikaler Schnitt durch die Brennkammer des Triebwerks gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein allgemein mit 2 bezeichnetes Raketenantriebssystem für ein allgemein mit 4 bezeichnetes Fahrzeug. Dieses kann durch Rotation (Pfeile 6) um die Längsachse 8 des Fahrzeugs 4 spin-stabilisiert sein. Konzentrisch zur Achse 8 sind ein oder mehrere Treibstofftanks 10 angeordnet. Es handelt sich bei dem dargestellten System um ein Doppeltreibstoff system, welches somit einen Oxydiermitteltank 12 und einen Brennstofftank 13 umfaßt. Bei einem Einzelbrennstoffsystem ist nur ein einziger Tank vorgesehen. Die Tanks 10 können im wesentlichen jede gewünschte Konfiguration haben. Sie tragen jedoch an einem Ende ihrer Umfangsflache einen Auslaß 14. Die Rotation des Fahrzeugs 4 für die Spin-Stabilisierung erzeugt somit auch die Zentrifugalkräfte, welche die Treibmittel aus den Treibmitteltanks 10 herausdrücken. Die Treibmittel werden normalerweise in den Tanks 10 durch geeignete Rückhalteeinrichtungen, z. B. Berst-Diaphragmen 16, zurückgehalten, bis die Zentrifugalkräfte in den Treibmitteln die Grenzwerte des Berstdiaphragmas 16 überschreiten. Nach Freigabe durch die Berstdiaphragmen 16 oder dgl. werden die Treibmittel durch Zentrifugalkraft und/oder Druck über geeignete Leitungen 18 einer Brennkammer 20 zugeführt. Der Durchsatz der Treibmittel durch die Rohrleitungen 18 zur Brennkammer 20 kann durch Regelventile 22 oder dgl. geregelt werden.

Die Brennkammer 20 ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt. Sie umfaßt einen hohlen Körper 24, dessen Innenraum durch einen Differentialkolben 26 in eine Beschickungskammer und eine Verbrennungskammer 30 unterteilt. Die Stirnfläche 27 des

030030/0814

Kolbens 26, welche an die Verbrennungskammer 30 angrenzt, ist etwa doppelt so groß wie die Fläche 29 des Kolbens 26, welche an die Beschickungskammer 28 angrenzt. Die Verbrennungskammer 30 kommuniziert über eine Düse 34 und einen Düsenhals 32 mit dem Außenraum. Der Kolben 26 ist im wesentlichen becherförmig und über einen Plunger 36 gestülpt verschiebbar angeordnet. An seinem hinteren Ende trägt der Kolben 26 einen peripheren Flansch 38, welcher sich vom hinteren EJnde d_es Kolbens 26 nach außen erstreckt und mit einem Anschlag 40 zusammenwirkt, so daß die Vorwärtsbewegung des Kolbens 26 begrenzt ist. Eine Seitenwandung 42 des Kolbens 26 ist einstückig ausgebildet. Der Kolben 26 ist mit einer peripheren Lippe 44 versehen, so daß eine Ringkammer 46 zwischen der Innenwandung der Brennkammer 20 und der Außenwandung des Kolbens 26 gebildet wird. Durchgänge 48 und 50 erstrecken sich durch die Stirnwandung des Kolbens 26. In diesen Durchgängen 48 und 50 sind zweckentsprechende Ventileinrichtungen 49 und 51 angeordnet, welche die Flüssigkeitsströmung regeln. Die Durchgänge 48 stellen eine Verbindung zwischen der Beschickungskammer 28 und der Verbrennungskammer 30 her, während die Durchgänge 50 eine Verbindung zwischen der Ringkammer 46 und der Verbrennungskammer 30 herstellen. Falls erwünscht, können geeignete Ventile, ζ. B. Rückschlagventile, in den Durchgängen 48 und 50 vorgesehen sein. Im Falle eines Doppeltreibstoffsystems dienen Durchgänge 52 im Plunger 36 der Zufuhr von Sauerstoff in die Beschicktungskammer 26, während andereseits Durchgänge 54 der Zufuhr von Brennstoff in die Ringkammer 46 dienen.

Zur Initiierung des Betriebs des erfindungsgemäßen Triebwerks ist ein Tank 56 gemäß Fig. 1 vorgesehen. Dieser ist mit Druckgas gefüllt. Dieser Tank 56 ist über ein zweckentsprechendes elektrisch betätigbares Ventil 58 und eine Leitung 60 mit einer ringförmigen Ausnehmung 62 in der Stirnfläche des Anschlags 40 verbunden.

Q3QG30/Q814

BAD ORIGINAL

Die Rotation des Fahrzeugs 4 aufgrund des Spin-Stabilisierungssystems führt zu einer Zentrifugalkraft im Oxydationsmittel und im Brennstoff, welche in den Tanks 12 bzw. 13 enthalten sind. Diese Zentrifugalkraft treibt diese Flüssigkeiten durch die Diaphragmen 16, die Rohrleitungen 18 und die Rückschlagventile 22. Man erkennt aus Fig. 2, daß das Oxydationsmittel durch die Leitungen 52 im Plunger 36 in die Beschickungskammer 28 innerhalb des Kolbens 26 gelangt, während der Brennstoff über die Leitungen 54 in die Ringkammer 46 gelangt. Da der Brennstoff und das Oxydationsmittel aufgrund der Zentrifugalkraft unter Druck stehen, treiben sie den Kolben 26 vorwärts bis der Flansch 38 am Anschlag 40 angreift. Zur Zündung des Triebwerks wird das elektrisch betätigbare Ventil 58 betätigt, und Druckgas strömt vom Tank 56 über die Leitung 60 in die Ausnehmung 62 am Anschlag 40. Das Gas im Tank 56 muß einen ausreichenden Druck haben, um eine Rückwärtsbewegung des Kolbens 26 zu bewirken. Der Kolben 26 wird rückwärts bewegt und das flüssige Oxydationsmittel in der Beschickungskammer 28 strömt durch die Durchgänge 48 in die Verbrennungskammer 30. Gleichzeitig beginnt die Flüssigkeit in der Ringkammer 46 durch die Durchgänge in die Verbrennungskammer 30 zu strömen. Vorzugsweise sind das Oxydationsmittel und der Brennstoff hypergolisch, so daß sie sich beim Ejizieren in die Verbrennungskammer 30 spontan entzünden. Die Verbrennungs des Oxydationsmittels und des Brennstoffs erzeugen Kräfte innerhalb der Verbrennungskammer 30, welche die Rückwärtsbewegung des Kolbens 26 beschleunigen. Somit wird die Strömung des Oxydationsmittels und des Brennstoffs fortgesetzt, bis der Kolben 26 seine hintere Endlage erreicht. Nun werden der Brennstoff und das Oydationsmittel nicht mehr durch den Kolben 26 in die Verbrennungskammer 30 gepreßt. Die Verbrennungs wird daher unterbrochen. Die Zentrifugalkraft führt nun wiederum zu einer Zufuhr des Oxydationsmittels und des Brennstoffs aus den Vorratstanks 10 in die Beschickungskammer 28 und in die Ringkammer 46 und der Kolben 26 wird wieder vorwärts bewegt. Sodann ist das Triebwerk für die nächste Zündung bereit. Falls der

030Q30/08U

BAD ORIGINAL

— Q _

Brennstoff und das Oxydationsmittel nicht hypergolisch sind, müssen geeignete Zündeinrichtungen bei 64 vorgesehen sein.

Man erkennt, daß der Durchsatz der Flüssigkeiten aus den Vorratstanks 10 in die Beschickungskammer 28 und in die Ringkammer 46 eine Funktion des Drucks im Tank und der Zentrifugalkraft sind, d. h. des in der Flüssigkeit entwickelten Drucks, welcher durch Rotations des Fahrzeugs 4 aufgrund des Spin-Stabilisierungssystems zustandekommt. Ferner ist der Durchsatz auch eine Funktion der Betätigung der Wirkung der Ventile 22. Die Gestalt des Zündimpulses, welcher durch die Brennkammer 20 erzeugt wird, ist eine Funktion des Durchmessers der Düsen 32 der Differentialfläche der Stirnflächen 27 und 29 des Kolbens 26 und der Durchmesser der Durchgänge 48 und 50. Man erkennt aus Fig.1, daß die Brennkammer 20 radial zum Fahrzeug 4 angeordnet ist. Die Brennkammer 20 kann jedoch jede beliebige Orientierung einnehmen, ohne daß dies die Arbeitsweise des Triebwerks beeinflusst. Vorstehend wurde das erfindungsgemäße Triebwerk in Verbindung mit der Nutzung der durch das Spin-Stabilisierungssystem entwickelten Zentrifugalkräfte für die Einspeisung des Oxydationsmittels und des Brennstoffs aus den Vorrats tanks 10 in die Brennkammer beschrieben. Hierdurch kann man das Gewicht, die Komplexität und die Kosten eines Raketentriebwerks für flüssige oder gasförmige Betriebsmittel erheblich senken. Dennoch kann das Betriebsverhalten und das Mehrfachzündverhalten des Systems beibehalten werden. Im Falle von nicht-rotierenden Fahrzeugen kann man die Brennstoffe ausschließlich durch Druckbeaufschlagung fördern.

030030/0814

- 10 Zusammenfassung

Es wird ein Raketen-Triebwerk für flüssige Treibstoffe geschaffen, bei dem die Fahrzeug-Spin-Kräfte und/oder ein Treibstoffdruck zur Förderung des Treibstoffs dienen. Es wird jeweils eine spezifische Menge des Treibstoffs durch einen Differentialkolben gefördert, um einen hohen Kammerdruck aufzubauen.

030Q3Q/08U

BAD ORIGINAL

Claims

1A-2971
77R2

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, U.S.A.

Raketen-Triebwerk

PATENTANSPRÜCHE

1/ Raketentriebwerk für Luft- und Raumfahrzeuge, gekennzeichnet durch eine Brennkammer (20), einen innerhalb der Brennkammer (20) verschiebbar angeordneten Differentialkolben (26), welcher die Brennkammer (20) in eine Beschickungskammer (28) und eine Verbrennungskammer (30) unterteilt; Treibmittelbehälter (10); Einrichtungen zur Förderung der Treibmittel von den Behältern (10) in die Brennkammer (20); Steuereinrichtungen (49,51) zur Steuerung des Treibmitteldurchsatzes von der Beschickungskammer (28) in die Verbrennungskammer (30) und

Einrichtungen (56-62) zur Einleitung der Bewegung des Kolbens (26) zum Zwecke des Ausstoßes des Treibmittels aus der Beschickungskammer (28) in die Verbrennungskammer (30).

2. Raketentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug (4) spin-stabilisiert ist und daß die Konstruktion und Anordnung der Treibstoffbehälter (10) die Förderung des Treibstoffs durch Zentrifugalkraft unterstützen.

3. Raketentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorratstanks (10) koaxial zur Spin-Achse (8) des Fahrzeugs angeordnet sind.

ü30Q30/00i4

4. Raketentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Verbrennungskanuner (30) angrenzende Fläche (27) des Kolbens etwa doppelt so groß ist wie die an die Beschickungskammer (28) angrenzende Fläche (29) des Kolbens (26).

5. Raketentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ausstoßen der Treibmittel aus den Vorratstanks (10).

6. Raketentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (20) über einen Düsenhals (32) und eine Düse (34) an einem Ende mit dem Außenraum in Verbindung steht.

7. Raketentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (26) im wesentlichen becherförmig ausgebildet ist und an seinem hinteren Ende einen nach außen vorstehenden Flansch (38) aufweist, welcher mit einem von der Wandung der Innenkammer der Brennkammer (20) vorstehenden Anschlag (40) zusammenwirkt und der Vorwärtsbewegung des Kolbens (26) dient.

8. Raketentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einleitung der Bewegung des Kolbens (26) eine Druckmediumquelle (56) umfaßt sowie eine Ausnehmung (62) in der Fläche des Anschlags (40), welcher mit dem Flansch (38) so zusammenwirkt, sowie eine Leitung (60) für die Zufuhr eines Druckmediums von der Druckmediumquelle (56) zur Ausnehmung (62) und Steuereinrichtungen (58) bei deren Betätigung das Druckmedium durch die Leitung (60) einströmt und die Rückwärtsbewegung des Kolbens (26) einleitet.

030030/08U BAD ORIGINAL