DE3014465A1

DE3014465A1 - Hydrazin-kleintriebwerk und verfahren zum betreiben eines hydrazin-kleintriebwerkes

Info

Publication number: DE3014465A1
Application number: DE19803014465
Authority: DE
Inventors: Max E Ellion
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1979-04-23
Filing date: 1980-04-15
Publication date: 1980-11-06
Also published as: US4324096A; IN154001B; JPS55160181A; GB2051245A; JPS6364623B2; FR2455184A1; GB2051245B; FR2455184B1

Description

301446S

Anmelderin; Stuttgart, IJ4.. April 1980

Hughes Aircraft Company P 3814-5 S/Zr

Centinela Avenue and Teale Street Culver City, Calif.
Ver. Staaten von Amerika

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße Ij. 1
7000 Stuttgart 1

Hydrazin-Kleintriebwerk und Verfahren zum Betreiben eines Hydrazin-Kleintriebwerkes

Die Erfindung betrifft ein Hydrazin-Kleintriebwerk mit einer Injektionseinrichtung für flüssiges Hydrazin, einer Schubkammer mit einem darin angeordneten Katalysatorbett und mit einer Düse zum Ausstoßen der durch katalytisch ind_uzierte Dissoziation von in das Katalysatorbett injizierten Hydrazins erzeugten heißen Gase.

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Bei bekannten Hydrazin-Rleintriebwerken dieser Art haben sich Probleme ergeben, wenn sie mit wiederholten Einzelimpulsen betrieben wurden. Beim Betrieb mit einzelnen Impulsen, die mit großem zeitlichem Abstand aufeinanderfolgen, arbeiteten die bekannten Triebwerke nur bei wenigen Impulsen normal, und ergaben danach eine weit verminderte Leistung. Intensive Untersuchungen haben ergeben, daß ein einwandfreies Arbeiten bei allen möglichen Kombinationen von Impulsdauer und Impulsabstand erzielt werden könnte, wenn das Katalysatorbett bei einer Temperatur von mehr als 200⁰C (Ij-OO⁰F) gehalten wurde. Eine solche Lösung des Problems der Leistungsverminderung ist wegen des Leistungsbedarfs einer Heizungseinrichtung unerwünscht. Darüberhinaus ist diese Lösung auch deshalb kaum brauchbar, weil die Heizeinrichtung an der Wandung des Katalysatorbettes angeordnet, sein muß und während des Betriebes des Kleintriebwerkes eine Temperatur von nahezu 1100⁰C (2000⁰P) annimmt. Heizelemente, die in einer solchen Umgebung arbeiten, sind schwierig herzustellen und nicht betriebssicher. Es wurde weiter festgestellt, daß durch die Anwendung von Hydrazin, höchster Reinheit das Problem der Schubverminderung bei aufeinanderfolgenden Impulsen vermindert oder sogar in manchen Fällen gänzlich beseitigt werden konnte. Aufgrund dieser Feststellung wurde angenommen, daß die kleinen Anilinmengen, die sich in dem Hydrazin mit der für militärische Zwecke angewendeten Qualität befinden, auf dem die Dissoziation induzierenden Katalysator bei Temperaturen unterhalb von 100⁰C (300⁰F) abscheiden. Es wurde angenommen, daß dieser Niederschlag den Katalysator vergiftet und infolgedessen eine effektive Dissoziation des Hydrazins verhindert. Obwohl diese Annahme nicht allgemein akzeptiert wurde,ist es andererseits bisher auch nicht gelungen, die Schubabnahme bei einem Impulsbetrieb mit langen Pausen zwischen den einzelnen Impulsen zu ver-

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hindern.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Hydrazin-Kleintriebwerk so auszubilden, daß die vorstehend beschriebene Verminderung des Schubes bei Impulsbetrieb nicht mehr auftritt, bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kleintriebwerkes anzugeben, welches ebenfalls eine solche Schubverminderung verhindert.

Bei einem Hydrazin-Kleintriebwerk nach der Erfindung, bei dem die Injektionseinrichtung zum Injizieren des Hydrazins in Form von mehreren aufeinanderfolgenden Impulsen ausgebildet ist, sind die Injektionseinrichtung und der Katalysator in der Schubkammer derart angeordnet, daß die im Katalysatorbett gespeicherte Restmenge an Hydrazin zu gering ist, um ein Absinken der Temperatur des Katalysatorbettes vom Zeitpunkt des Auslösens eines Impulses bis zum Auslösen des nächsten Impulses zu verursachen. Zu diesem Zweck kann die Injektionseinrichtung das Hydrazin in einem Abschnitt des Katalysatorbettes konzentrieren, um die Menge des am Ende eines jeden Injektion-Impulses im Katalysatorbett verbleibenden Hydrazins möglichst klein zu halten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines solchen Hydrazin-KleintriebweVkes besteht darin, daß das Hydrazin in die Schubkammer in Form von mehreren aufeinanderfolgenden Impulsen injiziert wird, die eine Dauer von jeweils mindestens 10ms haben und bei denen das Verhältnis von Impulsdauer zu Impulsabstand ausreichend groß ist, um eine Abkühlung des Katalysatorbettes durch verdampfte Restmengen von Hydrazin insoweit zu verhindern, daß die Temperatur des Katalysatorbettes zu Beginn aufeinanderfolgender Impulse nicht absinkt. Darüberhinaus kann zur weiteren Steuerung

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der Temperatur des Katalysatorbettes die Konzentration des Hydrazins in der Schubkammer durch Einstellen der Richtung der Hydrazin-Injektion gesteuert, die Einlaßtemperatur des Hydrazins geregelt und/oder ein Katalysator mit geringer Teilchengröße verwendet werden.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, kann in zusammenfassender Weise festgestellt werden, daß die Erfindung ein Hydrazin-Kleintriebwerk zum Gegenstand hat, bei dem die Reaktionsfähigkeit des Hydrazins in Bezug auf den Katalysator erhöht wird, indem das Hydrazin vorgewärmt oder ein Katalysator mit geringerer Teilchengröße verwendet oder das injizierte Hydrazin auf einem kleineren Bereich konzentriert wird, um durch die freigesetzte Wärme die Zersetzung einer größeren Menge des injizierten Hydrazins zu unterstützen. Durch diese Maßnahmen kann die Schubabnahme bei einem Impulsbetrieb auf ein Minimum vermindert werden.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht eines teilweise aufgebrochenen Hydrazin-Kleintriebwerkes nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Düsenkörper der Hydrazin-Injektionseinrichtung des Triebwerkes nach Fig. 1 längs der Linie 2-2 in Fig. 3 in vergrößertem Maßstab,

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Pig. 3 eine Draufsicht auf den Düsenkörper nach Fig. 2,

Fig. Ι+ ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Verhältnisse, bei denen eine Schubverminderung auftreten kann,

Fig. 5 einen Schnitt durch ein typisches Katalysatorteilchen und

Fig. 6 ein Diagramm, das den funktioneilen Zusammenhang zwischen der geringsten Impulsdauer und dem Durchmesser der Katalysatorteilchen veranschaulicht.

Die Erfindung bernht auf der Entdeckung der Gründe für die Verschlechterung der Schubleistung beim Impulsbetrieb eines Hydrazin-Kleintriebwerkes und hat die daraus resultierenden Maßnahmen zum Gegenstand, die es ermöglichen, einen Impulsbetrieb in den gewünschten zeitlichen Verhältnissen ohne eine Verminderung des bei jedem Impuls auftretenden Schubes zu realisieren. Ein Impulsbetrieb liegt dann vor, wenn das Triebwerk während einer kurzen Impulsdauer eingeschaltet ist und danach eine lange Pause folgt, bevor der nächste kurze Impuls ausgelöst wird. Unter diesen Umständen reagieren nur etwa 50% des für den ersten Impuls injizierten Hydrazins mit dem Katalysator, wenn sowohl der Katalysator als auch das Hydrazin eine Ausgangstemperatur von weniger als 20 C (70 F) haben. Die restlichen 50% des Hydrazins werden infolge der Oberflächenspannung von den sehr porösen Katalysatorteilchen festgehalten (s. Fig. 5)· Wenn das Triebwerk dem Vakuum des Weltraumes oder einer Testkammer ausgesetzt ist, verdampft das nicht umgesetzte, restliche Hydrazin. Wenn der erste Impuls kurz ist, so daß die Temperatur des Katalysators durch die Zersetzungstemperatur des Hydrazins nicht wesentlich er-

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höht worden ist, dann hat das Verdampfen des restlichen Hydrazins im Laufe der Zeit zur Folge, daß die Temperatur des Katalysators unter den Ausgangswert von 2O⁰C (7O⁰P) abfällt. Wenn dann das Hydrazin für den zweiten Impuls injiziert wird, werden wegen des kälteren Katalysatorbettes weniger als 50% des Hydrazins zersetzt, da der Katalysator wegen seiner geringeren Temperatur weniger reaktionsfreudig ist. Infolgedessen ist der Schub des zweiten Impulses geringer. Nach einer gewissen Zeit wird durch das Verdampfen der noch größeren Menge des zurückgebliebenen, nicht umgesetzten Hydrazins die Katalysatortemperatur sogar noch weiter vermindert. Nach jedem der aufeinanderfolgenden Impulse sinkt die Temperatur des Katalysatorbettes mehr und mehr ab und es werden die Schubimpulse fortlaufend geringer, bis überhaupt keine Zersetzung des Hydrazins mehr stattfindet und das Triebwerk seine Tätigkeit einstellt. Dieser Zustand existiert solange, bis die Katalysatortemperatur durch Zufuhr von Wärme von äußeren Quellen ansteigt und einen Wert erreicht, bei dem eine Reaktion stattfindet. Diese Art des Betriebes wurde nachgewiesen, indem ein Triebwerk in einer Vakuumkammer impulsmäßig betrieben und dabei die Abnahme des bei jedem Impuls erzeugten Schubes beobachtet wurde. Das gleiche Triebwerk wurde in einer Kammer mit Atmosphärendruck betrieben, ohne daß eine Verminderung des Schubimpulses stattfand, da keine Kühlung durch Verdampfen des Hydrazins erfolgte.

Fig. i| zeigt den Zeitbereich, in dem eine Verminderung des Schubimpulses für spezielle Hydrazin-Triebwerke erfolgte. In dem Diagramm nach Fig. k ist auf der Abszisse die Zeit aufgetragen, während der das Treibmittelventil geöffnet ist, während die Ordinate die Zeit angibt, während der das Ventil zwischen den Impulsen geschlossen ist. Die Kurven 10 und 12

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geben die untere und die obere Grenze der Verschlechterung des Betriebsverhaltens eines bekannten Hydrazin-Kleintriebwerkes an, nämlich des Triebwerkes HE-021 der Anmelderin mit einem Nennschub von 0,9N (0,2 lbs). Die Kurve 10 gibt die Zeit an, die der Katalysator benötigt, um auf die Ausgangstemperatur abzukühlen. Sie gibt die Tatsache wieder, daß die Zeit zum Abkühlen des Katalysators auf einen Wert, der geringer ist als die Temperatur unmittelbar vor dem Auslösen eines Impulses, um so größer ist, je größer die Impulsdauer ist, weil eine längere Brenndauer zu einer höheren Katalysatortemperatur führt und infolgedessen eine größere Zeit benötigt wird, um auf die Ausgangstemperatur zurückzukehren. Es gibt eine Brenndauer, bei der soviel Hydrazin zersetzt wird, daß der Rest an nicht zersetztem flüssigen Hydrazin unzureichend ist, um den heißen Katalysator durch Verdampfen bis unter die Umgebungstemperatur abzukühlen. Diese Zeit ist durch die vertikale Asymptote an die Kurve 10 definiert. Die Kurve 12 veranschaulicht die Zeit, die erforderlich ist, um das gesamte, zurückgebliebene Hydrazin zu verdampfen und danach durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebung den Katalysator auf die vor dem Auslösen des Impulses herrschende Temperatur anzuheben. Die Kurve passiert den Nullpunkt, da bei einer Einschaltzeit Null auch die zum Verdampfen des gesamten Hydrazins erforderliche Zeit Null ist. Weiterhin ist für sehr lange Impulse die Zeit, die zum Verbrauch des gesamten Hydrazins benötigt wird, genau gleich der Impulszeit. Zwischen diesen beiden Extremen erreicht die Kurve 12 ein Maximum, bei dem sich die größte Menge an nicht umgesetztem Hydrazin in den Poren des Katalysators befindet und in diesem Fall die längste Zwischenzeit benötigt wird, um das gesamte restliche Hydra; zin zu verdampfen. Jenseits des Schnittpunktes 1lj. zwischen den Kurven 10 und 12 findet keine Schubverminderung bei

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Pulsbetrieb statt, da das gesamte Hydrazin verdampft ist, bevor die Katalysatortemperatur auf die Temperatur vor dem Impuls absinkt. Zwischen den Kurven 10 und 12 stellt die Kurve 11 die Zeit dar, die erforderlich ist, um das gesamte Hydrazin zu verdampfen und dadurch die Mindesttemperatur zu erreichen. Im Bereich unterhalb der Kurve 10 bleibt der Katalysator über seiner Ausgangstemperatur. Der Bereich oberhalb der Kurve 12 repräsentiert einen Katalysator bei oder über der Ausgangstemperatur.

Der Bereich zwischen den Kurven 10 und 12 ist derjenige, in dem eine Schubverminderung bei Impulsbetrieb auftreten kann. Als spezielles Beispiel für das angegebene Triebwerk unter Anwendung eines Einlaßdruckes von 70 N/cm (100 psi), benötigt der Katalysator nach einer Impulszeit von 0,050 s eine Zeit von 100 s, um auf die Temperatur zur Zeit der Auslösung des Impulses abzukühlen, und bleibt unterhalb dieser Temperatur für eine Zeit von 100 min. Wenn demnach der nächste Impuls in einer Zeit zwischen 100 s und 100 min ausgelöst wird, hat dieser Impuls einen verminderten Schub zur Folge. Der Katalysator ist sehr porös. Es 'handelt sich um einen Schell-Katalysator hfiS ABSG, dessen Teilchen bei einem Durchmesser von 0,75 mm (0,030 inch) eine Oberfläche von etwa

0,8 m (1 square yard) aufweist. Die Zeit, die zum Abkühlen auf die Ausgangstemperatur erforderlich ist, beträgt (Kurve 10 in Fig. I4.):

T_c = f_x(W, p, I, t).

Die Zeit, die erforderlich ist, um den Katalysator bis auf die Ausgangstemperatur zu erwärmen, beträgt (Kurve 12 in Fig. k):

^Tw ^{= f}2^(W' ^D' Ι ^τ» ^t}·

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In diesen Gleichungen bedeuten

W = Gewicht des injizierten Hydrazins D = Durchmesser der Katalysatorteilchen 1 = Lange (Tiefe) einer typischen Pore d = Durchmesser einer typischen Pore I = Injektionsfaktor, der von der Art der

Konzentration des Hydrazins abhängt, t = Temperatur des injizierten Hydrazins

Durch die Erfindung werden Maßnahmen angegeben, um das Triebwerk so auszubilden, daß die Größe der Zone, in der bei Impulsbetrieb eine Verminderung des Schubes in Abhängigkeit von der Impulsdauer und des Impulsabstandes stattfindet, vermindert wird. Die in Fig. " )\ dargestellten Kurven 16 und 18 stellen die unteren und oberen Grenzen des Bereiches dar, in dem ein Impulsbetrieb eine Schubverminderung auch noch bei dem verbesserten Triebwerk zur Folge hat. Wie Fig. Ij. zeigt, ist dieser Bereichdeutlich kleiner. Von größerer Wichtigkeit ist jedoch die Tatsache, daß der Schnittpunkt 20 der Kurven 16 und 18 bei einem Wert der Impulsdauer liegt, der unter dem kleinsten Wert der im Betrieb gewünschten Impulsdauer liegt. Demgemäß wird das Triebwerk nicht mit Impulsen betrieben, deren Dauer geringer ist als 10 ms, so daß in dem ganzen gewünschten Betriebsbereich keine Schubverminderung bei aufeinanderfolgenden Impulsen stattfindet. Dieser Minimalwert für die Impulsdauer wurde durch Qualifikationsprüfungen an dem genannten Triebwerk bestätigt. Diese Daten zeigen eine starke Abhängigkeit der zulässigen kleinsten Impulsdauer vom Durchmesser der Katalysatorteilchen auf. Diese Daten haben den in Fig. 6 veranschaulichten Verlauf. Ein anderes experimentell bestimmtes Merkmal dieses speziellen Triebwerkes besteht darin, daß ein Schubimpuls (Produkt aus Schub und Zeit) einen

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Mindestwert von 20 mN.s (0,00i|-5 pound sec) aufweisen muß, um eine Schubverminderung bei Pulsbetrieb zu vermeiden. Das Diagramm nach Fig. Ij. gilt bei einem bestimmten Einlaßdruck (70 N/cm ) und für das genannte, spezielle Triebwerk. Das Kriterium des Schubimpulses ist jedoch vom Einlaßdruck unabhängig. So erhält man bei einer Impulsdauer von 0,010 s und einem Einlaßdruck von 210 N/cm (300 psia) einen größeren Schubimpuls als bei einem Einlaßdruck von ΤθΝ/em (100 psia). Als Ergebnis könnte die Impulsdauer bei dem höheren Einlaßdruck auf etwa 0,005 s reduziert werden, ohne daß der Schubimpuls auf unter 20 mN.s (0,00ij.5 pound sec) absinkt und ohne daß eine Schubverminderung stattfindet.

Ein nach der Erfindung ausgebildetes Hydrazin-Kleintriebwerk 30 ist in Fig. 1 dargestellt. Flüssiges Hydrazin wird dem Triebwerk von einem geeigneten Druckbehälter über eine Leitung 32 zugeführt. Ein in der Leitung angeordnetes, elektrisch gesteuertes Ventil 36 gestattet den Zufluß flüssigen Hydrazins zu dem Injektor des Triebwerkes. Ein Befestigungsfliansch 38 dient zur Verbindung mit dem Körper eines Raumfahrzeuges, und es wird das gesamte Triebwerk von diesem Flansch getragen. Ein Heizelement 3^ ist entweder im Ventil 36 oder am Flansch 38 angeordnet, um das Ventil zu erwärmen und zu gewährleisten, daß das injizierte Hydrazin eine Mindesttemperatur von über 27°c (8O⁰F) besitzt. Das Heizelement 3k- i⁸^ elektrisch gesteuert und gespeist. Drei Stützen aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit, von denen zwei Stützen J4.O und I4.2 in Fig. 1 dargestellt sind, tragen eine Schubkammer I4J4-, indem sie mit einem Flansch k-6 der Schubkammer verbunden sind. Diese Anordnung begrenzt die Wärme, die von der Schubkammer auf den Körper des Raumfahrzeuges übertragen wird. Ein hinteres Zusatzventil 36 erhöht die Betriebssicherheit im Fall eines Versagens des

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Ventils 36.

Die Schubkammer i\l\- weist einen Boden \\S> auf, der einen Düsenkörper 50 zum Injizieren des Hydrazins trägt, einen ringförmigen Wandabschnitt 52, der den Plansch Ιμβ trägt, ein Kammergehäuse Sh und eine Düse 56. Innerhalb der Schubkammer sind ein Trenngitter 58 und ein Abschlußgitter 60 angeordnet, die eine innere und eine äußere Katalysatorkammer 62 bzw. 6I4- begrenzen.Diese Kammern enthalten Katalysatormassen 66 bzw. 68. Das Trenngitter 58 teilt die Schubkammer in die innere und die äußere Katalysatorkammer und besteht aus einer doppelten Schicht eines domförmigen Netzes. Jedes Netz besteht aus einem Gewebe aus Platin-Iridium-Draht, das in eine in die Kammerwand eingedrehte Nut eingeschweißt ist. Das Absöhlußgitter 60 besteht aus einer kreisrunden Scheibe, die mehrere Löcher aufweist, und einem Netz aus MchromPV, das auf der inneren Seite der Scheibe aufgeschweißt ist. Die Düse 56 bildet einen geradlinigen Kegel mit einem halben Öffnungswinkel von 15° und einem Expansionsverhältnis von 100:1. Bei den beiden Katalysatormassen 66 und 68 handelt es sich um den Shell-Katalysator I4.05 ABSG in Form eines feinen Granulats. Der Katalysator wurde gesiebt, um eine gleichförmige Körnung zu haben, und hatte in beiden Katalysatorbetten eine Teilchengröße von etwa 0,25 mm (0,010 inch). Es sei erwähnt, daß im bekannten Triebwerk ein Katalysator mit einer Teilchengröße von 0,50 mm und mehr verwendet wurde.

Der Durchmesser der inneren oder stromaufgelegenen Katalysatorkammer 62 ist größer als der Durchmesser der äußeren stromabgelegenen Katalysatorkammer 6J4.. Der Grund besteht darin, eine größere Oberfläche zur Ablagerung nicht flüchtiger Rückstände zur Verfügung zu stellen, die in dem

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Hydrazin üblicher militärischer Qualität enthalten sind. Die größere Querschnittsfläche des inneren Katalysatorbettes ermöglicht es, daß eine größere Menge an Hydrazin das Triebwerk durchfließt, bevor die Ablagerungen an nichtflüchtigen Rückständen so stark werden, daß sie die katalytische Wirkung begrenzen oder den Durchfluß behindern, was zu einer Schubverminderung führt. Das äußere Katalysatorbett ist kleiner gemacht, um das Kammervolumen zu vermindern und ein schnelles Ansprechen zu gewährleisten. Die nichtflüchtigen Bestandteile werden in dem inneren Bett abgeschieden, so daß sie nicht das äußere Katalysatorbett in der Kammer βλμ vergiften oder blockieren.

Eine weitere Verbesserung, durch welche eine Schubverminderung bei Impulsbetrieb reduziert wird, besteht in der speziellen Ausbildung des Hydrazin-Injektors ζθ. Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, weist der Hydrazin-Injektor 50 einen Düsenkörper 70 auf, der an seiner Außenseite drei ebene Flächenabschnitte 72, 71}- und J6 aufweist. Jeder dieser Flächenabschnitte ist mit einer Nut 78, bzw. 80 oder 82 versehen. Diese Nuten sind jeweils mit einer Platte 8I4. bzw. 86 oder 88 abgedeckt, so daß die Nuten jeweils einen Injektionskanal bilden. Diesen Injektionskanälen wird Hydrazin unter Druck durch eine Bohrung 89 und einen Satz Verteilungsöffnungen bzw. 92 oder 9^ zugeführt. Es ist zu beachten, daß die Düsenöffnungen parallel zueinander angeordnet und parallel zur Schubachse gerichtet sind, bei der es sich um die Mittellinie handelt, die sich von dem Injektor 50 durch die Schubkammer und die Düse 56 erstreckt. Weiterhin ist das Volumen des Innenraumes des Injektors vermindert. Da die einzelnen Kanäle der Injektordüse parallel zueinander gerichtet sind, wird das injizierte Hydrazin in einem kleineren Volumen des Katalysators konzentriert, s.o daß dieses beschränkte VoIu-

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men während einer kurzen Impulszeit auf eine höhere Temperatur aufgeheizt werden kann, so daß als Ergebnis ein© größere Menge des Hydrazins zersetzt wird und zu einem höheren, lokalen Temperaturanstieg führt. Durch Anwendung dieser Konstruktionsmerkmale und einer Stabilisierung der Temperatur des Ventils 3& auf einen Wert zwischen 27 und 85°C (8o und 185°P) werden die zeitlichen Betriebsverhältnisse, bei denen eine Verminderung des Schubs bei Impulsbetrieb stattfindet, auf den Bereich im Diagramm nach Fig. Ιμ beschränkt, der links vom Punkt 20 und zwischen den Kurven 16 und 18 liegt. Demgemäß findet keine Schubverminderung bei Impulsbetrieb statt, wenn das Triebwerk 30 in der gewünschten Weise betrieben wird, d.h. mit einer Mindest-Impulszeit von mehr als 10 ms. Das beschriebene Triebwerk wurde getestet und hat seine Fähigkeit bewiesen, seine guten Betriebseigenschaften unvermindert beizubehalten. Es lieferte Schubimpulse mit einem in engen Toleranzen liegenden, vorhersagbaren Schub bei einem annehmbaren Kammerdruck, und hatte unter Verwendung von Hydrazin mit Militärqualität eine lange Lebensdauer.

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Claims

Patentansprüche

Hydrazin-Kleintriebwerk mit einer Injektionseinrichtung für flüssiges Hydrazin, einer Schubkammer mit einem darin angeordneten Katalysatorbett und mit einer Düse zum Ausstoßen der durch katalytisch induzierte Dissoziation von in das Katalysatorbett injizierten Hydrazins erzeugten heißen Gase , dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtung (%0) zum Injizieren des Hydrazins in Form von mehreren aufeinanderfolgenden Impulsen ausgebildet ist und die Injektionseinrichtung und der Katalysator (66, 68) in der Schubkammer (ijil·) derart angeordnet sind, daß die im Katalysatorbett gespeicherte Restmenge an Hydrazin zu gering ist, um ein Absinken der Temperatur des Katalysatorbettes vom Zeitpunkt des Auslösens eines Impulses bis zum Auslösen des nächsten Impulses zu verursachen.

Hydrazin-Kleintriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtung (50) das Hydrazin in einem Abschnitt des Katalysatorbettes (60, 68) konzentriert, um die Menge des am Ende eines jeden Injektions-Impulses im Katalysatorbett verbleibenden Hydrazins möglichst klein zu halten.

Hydrazin-Kleintriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubkammer (I1.I4.) eine Mittellinie aufweist und das Hydrazin im wesentlichen längs der Mittellinie der Schubkammer injiziert wird.

Hydrazin-Kleintriebwerk nach einem der vorhergehenden

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Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Schubimpuls, bei dem es sich um das Zeitintegral des Schubes handelt, wenigstens 20 mN.s beträgt.

5>. Hydrazin-Kleintriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Injizieren von Hydrazin mehrere Auslässe aufweist, die im Abstand parallel zur Mittellinie der Schubkammer (Ιμ6) angeordnet sind, so daß das Hydrazin in mehreren, im wesentlichen zur Mittellinie parallelen Ströme injiziert und längs der Mittellinie konzentriert wird.

6. Hydrazin-Kleintriebwerk nach Anspruch St dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtung (50) einen Düsenkörper (70) mit mindestens zwei Nuten (78,80,82) aufweist, die mit je einer Platte (81|,86,88) abgedeckt, jedoch in Axialrichtung offen und an eine innere Hydrazin-Zufuhrleitung (89) angeschlossen sind.

7. Hydrazin-Kleintriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubkammer (I]Ij.) in zwei in Strömungsrichtung des Hydrazins hintereinander angeordnete Katalysatorkammern (62,61}.) unterteilt ist, zwischen denen ein Trenngitter (58) angeordnet ist.

8. Hydrazin-Kleintriebwerk nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die innere Katalysatorkammer (62) einen größeren Querschnitt aufweist als die äußere Katalysatorkammer (61}.).

9. Hydrazin-Kleintriebwerk nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mittellinie der Schub-

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kammer (I4.6) von der Injektionseinrichtung (50) bis zur Düse (56) erstreckt.

10. Hydrazin-Kleintriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator, bei unterteilter Schubkammer (I4I4.) wenigstens in der inneren Katalysatorkammer (62), aus einem Granulat mit einer Korngröße von weniger als 0,5 nun Durchmesser besteht.

11. Hydrazin-Kleintriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtung mit einem Heizelement (3JU-) versehen ist, welches die Temperatur des in die Schubkammer injizierten, flüssigen Hydrazins auf wenigstens 27⁰Chält.

12. Verfahren zum Betreiben eines Hydrazin-Kleintriebwerkes mit einer ein Katalysatorbett enthaltenden Schubkammer, eine Einrichtung zum Injizieren von flüssigem Hydrazin in die Schubkammer und mit einem Schubkammerauslaß, der den Austritt heißer Gase aus der Schubkammer gestattet, welche durch die katalytisch induzierte Dissoziation von in die Schubkammer injiziertem Hydrazin entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrazin in die Schubkammer in Form von mehreren aufeinanderfolgenden Impulsen injiziert wird, die eine Dauer von jeweils mindestens 10 ms haben und bei denen das Verhältnis von Impulsdauer zu Impulsabstand ausreichend groß ist, um eine Abkühlung des Katalysatorbettes durch verdampfte Restmengen von Hydrazin insoweit zu verhindern, daß die Temperatur des Katalysatorbettes zu Beginn aufeinanderfolgender Impulse nicht absinkt.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzelehnet* daß zur weiteren Steuerung der Temperatur des Katalyaatorbettes die Konzentration des Hydrazins in der Schubkammer durch Einstellen der Richtung der HydrazinInjektion gesteuert, die Ξinlaßtemperatur des Hydrazins geregelt und/oder ein Katalysator mit geringer Teilchengröße verwendet wird.

1I4.. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13» dadurch gekennzeichnet, daß die zu Beginn jedes Impulses herrschende Temperatur des Katalysatorbettes durch-Einstellen, des · ^Verhältnisses von Impulsdauer zu Impulsabstand auf _v mehr als 2O⁰O gehalten wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 1i}., dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator verwendet wird, dessen Teilchen einen Durchmesser von weniger als 0,5mm haben.

16. Verfahren n$ch einem der Ansprüche 12 bis Λ$, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion des Hydrazins so ein* gestellt wird, daß während jedes Impulses das Zeitintegral des Schubes wenigstens 20 mN.s beträgt.

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