DE3037773C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein regeneratives Treibstoffinjektionssystem zum Injizieren von Treibstoff in die Brennkammer eines Raketen­ motors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der DE-OS P 30 01 270 ist bereits ein derartiges Treibstoffinjektionssystem be­ schrieben. Dabei wird ein Treibstoff einer Treibstoffquelle, die unter relativ niedrigem Druck steht, mit hohem Druck in die Brennkammer injiziert, und zwar mittels einer regenerativen Anord­ nung, die den Druck in der Brennkammer ausnutzt, um den Injektionsmechanismus anzutreiben.

Der Erfin­ dung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Injektionsmechanismus zu schaffen, mit dem eine wesentlich prä­ zisere Steuerung der injizierten Treibstoffmenge sowie eine wesentlich präzisere Steuerung des Zeit­ intervalls, während dessen der Treibstoff injiziert wird, möglich ist, um auf diese Weise ein Antriebssystem mit einer we­ sentlich treibstoffeffizienteren Betriebsweise zu erhalten.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein regeneratives Treibstoffinjek­ tionssystem für Raketenmotoren erhalten, bei dem der Treibstoff in die Brennkammer des Raketenmotors injiziert wird, und zwar in einer Abfolge von präzise dosierten Men­ gen. Es wird ein Multi-Impuls-Motor mit zwei Treibstoffen geschaffen, bei dem der Start eines jeden regenerativen Impulszyklus extern zeitlich festgelegt und gesteuert wird. Man kann dabei durch Steuerung der Rate und der Anzahl der Injektionszyklen innerhalb einer Reihe ein äußerst genaues und wiederholbares Raketenbetriebsverhalten erzielen.

Kurz gesagt erreicht man dieses Ziel dadurch, daß man einen zylindrischen Raum in einem Motorblock vorsieht, welcher an einem Ende geschlossen ist und welcher sich am anderen En­ de in die Brennkammer des Raketenmotors öffnet. Ein Kolben ist in dem zylindrischen Raum frei bewegbar. Er bildet in Kombination mit dem verschlossenen Ende des zylindrischen Raums eine Injektionskammer, in die der Treibstoff unter relativ niedrigem Druck eingespeist wird. Öffnungen in dem Kolben führen den Treibstoff von der Injektionskammer in die Brennkammer. Ventile im Kolben verschließen diese Öff­ nungen normalerweise, so daß der Druck des Treibstoffs in der Injektionskammer den Kolben zur Brennkammer hin bewegt. Eine Antriebseinrichtung ist vorzugsweise in Form eines pneumatischen Kolbens vorgesehen, Diese Antriebseinrich­ tung öffnet die Ventile und führt eine Zwangsbewegung des Kolbens von der Brennkammer weg herbei. Hierdurch wird der Treibstoff aus der Injektionskammer in die Brennkammer ge­ drückt, in der er gezündet wird. Durch den Druckanstieg aufgrund des gezündeten Treibstoffs in der Brennkammer wird der Kolben von der Brennkammer wegbewegt, so daß der ge­ samte Treibstoff aus der Injektionskammer durch die Öff­ nung getrieben wird. Die Fläche des Kolbens, welche zum Treibstoff in der Injektionskammer hin freiliegt, ist ge­ ringer als die Fläche, welche zur Brennkammer hin frei­ liegt. Dies führt zu einer Druckvervielfachung, durch die der Treibstoff durch die Öffnungen gedrückt wird. Die Ventile sind normalerweise durch Federeinrichtungen ge­ schlossen. Sie werden jedoch durch die Antriebsein­ richtung in die Öffnungsstellung gebracht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert, welche einen Längsschnitt durch eine be­ vorzugte Ausführungsform des Injektions­ systems darstellt.

Die Figur zeigt einen Längsschnitt eines Raketenmotors 10. Dieser umfaßt einen Hauptmotorblock 12 mit einer zylindri­ schen Bohrung 14, welche in eine Brennkammer 16 führt. Ein Kolben 18 ist bewegbar in der zylindrischen Bohrung 14 ge­ lagert, und die Außenfläche 20 des Kolbens 18 bildet die Endwandung der Brennkammer 16. Ein Kolben- oder Dichtungs­ ring 22 bildet eine Gleitdichtung zwischen dem Kolben und der zylindrischen Bohrung 14. Der Kolben 18 umfaßt einen hoh­ len, zylindrischen oder ringförmigen Bereich 24, welcher sich von der Rückseite des Kolbens nach hinten erstreckt. Der Bereich 24 ist an seinem hinteren, äußeren Ende mit einem Flanschbauteil 26 verbunden, welches vorzugsweise aus einem gesonderten Werkstück besteht, um den Zusammen­ bau zu erleichtern. Das Flanschbauteil 26 ist auf das hintere, mit Außengewinde versehene Ende des Ringbereichs 24 des Kolbens 18 aufgeschraubt. Eine äußere, zylindri­ sche Fläche 25 des Flanschbauteils 26 steht in Gleitkon­ takt und in Führungsbeziehung zu einer zylindrischen Boh­ rung 28 des Hauptmotorblocks 12, welche koaxial zur zylin­ drischen Bohrung 14 angeordnet ist, jedoch einen größeren Durchmesser aufweist. Zur Er­ leichterung des Zusammenbaus besteht der Hauptmotorblock 12 aus mehreren, gesondert hergestellten Abschnitten, die mit Bolzen oder dergl. aneinander befestigt werden. Der Hauptmotorblock 12 umfaßt einen Endabschnitt 30, welcher das Ende der zylindrischen Bohrung 28 verschließt. Der Endabschnitt 30 umfaßt einen Plunger oder Tauchkolben 32, welcher in den Innenraum innerhalb des hohlen, zylindri­ schen oder ringförmigen Bereichs 24 des Kolbens 18 ragt.

Eine äußere, zylindrische Hülse 34 ist verschiebbar auf der Außenseite des Ringbereichs 24 des Kolbens gelagert, während eine innere, zylindrische Hülse 36 verschiebbar auf der Innenseite des Ringbereichs 24 des Kolbens gela­ gert ist. Die äußere, zylindrische Fläche der äußeren Hül­ se 34 steht in Gleitkontakt mit einer zylindrischen Boh­ rung 38 des Hauptmotorblocks 12, welche zwischen den Boh­ rungen 14 und 28 liegt und koaxial zu diesen, jedoch ei­ nen Durchmesser aufweist, der geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der zylindrischen Bohrung 14. Die innere, zylindrische Fläche der inneren, zylindrischen Hülse 36 steht im Gleitkontakt mit dem Tauchkolben 32. Ringdich­ tungen, z. B. mit 40 bezeichnet, sorgen für eine Druckdich­ tung an den Grenzflächen zwischen den verschiedenen Gleit­ flächen der äußeren und inneren Hülsen.

Die äußere Hülse 34 wirkt als Ventil zur Steuerung der Strömung des Brennstoffs aus einer ringförmigen Brennstoff­ injektionskammer 42 in die Brennkammer 16, und zwar durch eine Öffnung 44, welche sich in Form eines engen Kanals durch den Kolben erstreckt. Die Hülse 34 weist einen sich nach außen erstreckenden Flanschbereich 46 auf, welcher eine Ringdichtung 48 trägt, die wiederum die Innenfläche oder rückwärtige Fläche des Kolbens 18 berührt, und zwar in einem radialen Abstand von der Öffnung 44 auf der Außen­ seite derselben. Hierdurch wird die Öffnung 44 von der In­ jektionskammer 42 getrennt. Somit bildet die äußere Hülse 34 ein Ventil, welches durch die Relativbewegung zwischen der äußeren Hülse 34 und dem Kolben 18 geöffnet und ge­ schlossen wird. Der Brennstoff gelangt in die Brennstoff­ injektionskammer 42 über eine Brennstoffleitung 78.

In ähnlicher Weise läuft die Innenhülse 36 in einen nach innen gerichteten Flanschbereich 50 aus, welcher einen Dichtungsring 52 trägt, dessen Radius derart gewählt ist, daß der Dichtungsring 52 radial einwärts von einer Öffnung 54 liegt, welche sich in Form eines engen Kanals durch den Kolben erstreckt. Somit wirkt die Innenhülse 36 als ein Ventil zum Öffnen und Schließen der Öffnung 54 durch Rela­ tivbewegung zwischen der Innenhülse 36 und dem Kolben 18. Die Region zwischen der Innenfläche oder hinteren Fläche des Kolbens und der Stirnfläche des Tauchkolbens 32 bildet eine Injektionskammer 56 für den Oxidierstoff oder das Oxi­ dationsmittel. Das Oxidationsmittel gelangt in die Injek­ tionskammer 56 über Kanäle 60, die sich durch den Tauchkol­ ben 32 erstrecken.

Die äußere Hülse 34 wird durch eine Gruppe von Druckfedern, de­ ren eine bei 62 gezeigt ist, normalerweise zur Rückseite des Kolbens 18 hin gedrückt. Die Druckfedern sitzen in je einer Senkbohrung im Flanschbauteil 26 des Kolbens 18. Die Druckfedern drücken ein becherförmiges Bauteil 64 gegen das Ende der äußeren Hülse 34 und eines zugeordneten Flansch­ bauteils 66, so daß diese vom Flanschbauteil 26 weggedrückt werden. Somit wird das durch die Außenhülse 34 gebildete Ventil in Schließposition gedrückt. Das ringförmige Flansch­ bauteil 66 ist auf das Ende der äußeren Hülse 34 aufge­ schraubt. Die äußere Zylinderfläche 67 des Flanschbauteils 66 steht in Gleitkontakt mit einer inneren, zylindrischen Fläche 68 einer Lippe am Flanschbauteil 26 des Kolbens 18.

Die innere Hülse 36 wird ebenfalls durch eine Gruppe von Druckfedern, deren eine mit 70 bezeichnet ist, in die Schließ­ position gedrückt. Ein Ende der Federn 70 greift am Kopf eines Bolzens 72 an. Dieser erstreckt sich durch eine Boh­ rung in einem Flanschbereich 74, der sich radial vom hin­ teren Ende der Innenhülse 36 nach außen erstreckt. Der Bol­ zen 72 ist in den Flanschbereich 26 des Kolbens 18 einge­ schraubt. In der Zeichnung sind nur eine Feder 62 und nur eine Feder 70 dargestellt. Es muß jedoch betont werden, daß eine Gruppe solcher Federn vorgesehen sein kann, die in Umfangsrichtung rund um die jeweiligen Flansche mit gleichem Winkelabstand verteilt sein können.

Der vorstehend beschriebene Raketenmotor arbeitet folger­ maßen. Als Raketentreibstoff dienender Brennstoff wird un­ ter relativ niedrigem Druck in die Brennstoffinjektions­ kammer 42 eingespeist, und zwar über die Brennstoffeinlaß­ leitung 78, welche mit einer nichtgezeigten Flüssigtreib­ stoffquelle verbunden ist. Gleichzeitig wird der flüssige Oxidierstoff unter Druck durch die Kanäle 60 in die Oxi­ dierstoff-Injektionskammer 56 eingespeist. Unter dem Druck des Brennstoffs und des Oxidierstoffs wird der Kolben ge­ mäß der Figur nach rechts bewegt. Hierdurch gelangt die Lippe des Flanschbauteils l2 in Anschlag an eine Schulter 80 des Hauptmotorblocks 12. Solange die beiden durch die Hülsen 34 und 36 gebildeten Ventile geschlossen sind, ge­ langt weder Brennstoff noch Oxidierstoff in die Brenn­ kammer 16.

Zum Initiieren des Brennvorgangs wird ein inertes Steuer­ gas unter Druck durch einen Kanal 82 in eine Ringkammer 84 zwischen der Schulter 80 und dem Flanschbauteil 66 einge­ führt. Der Druck des Steuergases bewegt die äußere Hülse 34 nach links (in der Figur), wodurch das Ventil geöffnet wird und der Brennstoff aus der Brennstoffinjektionskam­ mer 42 durch die Öffnung 44 in die Brennkammer 16 ent­ weicht. Die Bewegung des Flanschbauteils 66 führt auch zu einer zwangsmäßigen Bewegung des Becherbauteils 64 nach links, und zwar unter Kompression der Feder 62. Gleichzei­ tig wird eine Mittelstange 88 des Becherbauteils gegen den Flanschbereich 74 der inneren Hülse 36 gedrückt, so daß auch die Innenhülse 36 relativ zum Kolben 18 nach links be­ wegt wird. Somit wird auch das Ventil zwischen der Oxi­ dierstoff-Injektionskammer 56 und der Öffnung 54 geöffnet. Sobald einmal die Ventile voll geöffnet sind, wird auch der Kolben durch den Druck des Steuergases nach links bewegt. Hierdurch wird der Brennstoff und der Oxidierstoff in die Brennkammer 16 injiziert. Die Flächendifferenz der einzel­ nen Ventile sorgt im Öffnungszustand dafür, daß die Ventile unter dem Druck innerhalb der Injektionskammer 56 in Öffnungs­ stellung verbleiben, und zwar gegen den Druck der Federn.

Sobald der Brennstoff und der Oxidierstoff in der Brennkam­ mer 16 vermischt werden, findet die Verbrennung des Gemisches statt, und der Druck in der Brennkammer 16 steigt rasch an. Da die wirksame Fläche der Vorderseite 20 des Kolbens 18 größer ist als die Fläche auf der Rückseite des Kolbens 18 (Differenzbetrag aufgund der Querschnittsfläche des Ring­ bereichs 24), kommt es zu einer Druckverstärkung, welche zu einer Bewegung des Kolbens 18 nach links führt. Hierdurch wird der Brennstoff und der Oxidierstoff aus der jeweili­ gen Injektionskammer 42 und 56 in die Brennkammer getrie­ ben. In den Leitungen zum Brennstoffeinlaßkanal 78 und zum Oxidierstoffeinlaßkanal 60 sind zur Verhinderung eines Rück­ stroms des Brennstoffs und des Oxidierstoffs aus den je­ weiligen Injektionskammern zurück Rückschlagventile (nicht gezeigt) vorgesehen. Die Ventile bleiben geöffnet, bis die Bewegung des Kolbens 20 durch Zusammenwirken mit dem Ende des Tauchkolbens 32 unterbrochen wird. Hierdurch wird die Injektion des Brennstoffs in die Brennkammer 16 unterbrochen.

Da nun mit dem Verlust der Brennstoffzufuhr der Druck in der Brennkammer 16 rasch abfällt, führen die Federn 62 und 70 ein Verschließen der Ventile herbei. Nach Unterbrechung der Steuergaszufuhr unter nach Entlastung der Ringkammer 84 kehrt der Kolben 18 in seine Startposition zurück, und zwar durch das Einströmen einer neuen Ladung Brennstoff und Oxidierstoff in die jeweilige Injektionskammer 42 bzw. 56. Nunmehr ist der Raketenmotor für einen weiteren Be­ triebszyklus bereit.

Man erkennt aus obiger Beschreibung, daß die Menge des in die Brennkammer injizierten Brennstoffs und Oxidierstoffs äußerst präzise gesteuert werden kann durch das Volumen, welches durch die Bewegung des Kolbens 18 zwischen dessen beiden Endlagen verdrängt wird. Die federbeaufschlagten Hülsenventile gewährleisten, daß weder der Brennstoff noch der Oxidierstoff in die Brennkammer 16 eintreten können, wäh­ rend die Injektionskammern 42 und 56 beladen werden. Es muß bemerkt werden, daß bei Schließposition der Ventile der Druck des Oxidierstoffs und des Brennstoffs in den In­ jektionskammern 56, 42 auf die Flanschbereiche 46 und 50 der Hül­ sen 34 bzw. 36 einwirkt und die Ventile in Schließposition hält, da der Kolben 18 nicht nach rechts bewegt werden kann, sobald der Flansch 26 einmal die Schulter 80 berührt. Sobald die Ventile durch das Steuergas geöffnet werden, wirkt der Druck der Strömungsmedien im Gesamteffekt in die entgegengesetzte Richtung und versucht somit, die Ventile in Offenstellung zu halten, und zwar gegen die Kraft der Federn 62 und 70. Der Druck in der Injektionskammer 56 steigt während der Verbrennungsperiode rasch an, da der Verbren­ nungskolben 18 nach links getrieben wird. Der Differential­ druck über die Flanschenden der Hülsenventile 34 und 36 reicht aus, um die Ventile gegen die Kraft der Federn 62, 70 in der Offenstellung zu halten. Wenn der Druck in der Ver­ brennungskammer 16 nachläßt und der Kolben 18 das linke Ende seines Hubes erreicht, so fällt der Druck des Brennstoffs und des Oxidierstoffs wiederum ab, und zwar bis zu dem re­ lativ niedrigen Druckwert, welcher durch die Quelle des Oxidierstoffs und des Brennstoffs induziert wrd. Bei die­ sem Druckpegel ist die Federkraft der Federn 62, 70 ausreichend groß, um die Ventile in Schließposition zu bewegen, worauf dann der Druck des Oxidierstoffs und des Brennstoffs den Kolben 18 in die rechte Position bringt, so daß der Ver­ brennungszyklus wiederholt werden kann.

Es muß bemerkt werden, daß nicht nur Gas zur Steuerung und zur Einleitung des Verbrennungszyklus verwendet werden kann, sondern auch jede andere mechanische oder hydrauli­ sche Einrichtung vorgesehen sein kann, um die Öffnung der Ventile herbeizuführen, insbesondere kann auch ein elek­ trisches Solenoid verwendet werden.

Claims (9)

1. Regeneratives Treibstoffinjektionssystem zum Inji­ zieren von Treibstoff in die Brennkammer eines Flüssigrake­ tenmotors, mit:

• - einer Einrichtung (12) mit einem zylindrischen Innenraum (14), welcher an einem Ende durch einen Verschluß (30) verschlossen ist und sich am anderen Ende in eine Brenn­ kammer (16) öffnet,
• - einem Kolben (18), welcher in dem zylindrischen Innenraum (14) bewegbar ist, wobei der Kolben (18) und der Ver­ schluß (30) des Innenraums (14) eine Injektionskammer (56) bilden und der Verschluß (30) einen Tauchkolben (32) aufweist, der sich ins Innere des Kolbens (18) hineiner­ streckt, um die wirksame Fläche der Injektionskammer (56) zu reduzieren,
• - einer Einrichtung zur Bildung einer Öffnung (54) im Kol­ ben (18), die die Injektionskammer (56) mit der Brennkam­ mer (16) verbindet, und
• - einer Ventileinrichtung (50, 52) zur Steuerung der Strö­ mung eines Strömungsmediums durch die Öffnung (54) hin­ durch,

gekennzeichnet durch

• - eine Einrichtung (72, 70, 74, 36), welche die Ventilein­ richtung (50, 52) geschlossen hält, wenn der Druck des Strömungsmediums in der Injektionskammer (56) höher ist als in der Brennkammer (16), und
• - eine Steuereinrichtung (82, 84, 66, 88, 74, 36) zur mo­ mentanen Öffnung der Ventileinrichtung (50, 52) gegen den Druck des Strömungsmediums in der Injektionskammer (56) zwecks Abgabe des Strömungsmediums in die Brennkammer (16).

2. Regeneratives Treibstoffinjektionssystem nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein erstes Bauteil (36, 74) aufweist, welches parallel zur Achse der Bewegung des Kolbens (18) bewegbar gelagert ist, sowie eine Einrichtung zur Verbindung dieses Bauteils (36, 74) mit der Ventileinrichtung (50, 52) zur Öffnung der Ven­ tileinrichtung (50, 52), wobei das erste Bauteil (36, 74) am Kolben (18) anliegt, wenn die Ventileinrichtung (50, 52) geschlossen ist, und daß die Steuereinrichtung ferner eine Antriebseinrichtung (66, 88) aufweist, die zur Abgabe des Strömungsmediums aus der Injektionskammer (56) in die Brennkammer (16) das erste Bauteil (36, 74) vom Kolben (18) entfernt, wenn Kolben (18) und Antriebseinrichtung (66, 88) sich gemeinsam von der Brennkammer (16) entfernen.

3. Regeneratives Treibstoffinjektionssystem nach An­ spruch 2, gekennzeichnet durch ein zweites Bauteil (34), welches parallel zur Achse der Bewegung des Kolbens (18) bewegbar ist, sowie durch eine Einrichtung zur Verbindung des zweiten Bauteils (34) mit einer zusätzlichen Ventilein­ richtung (46, 48), wobei das zweite Bauteil (34) durch die Antriebseinrichtung (66, 88) zur Öffnung der zusätzlichen Ventileinrichtung (46, 48) antreibbar ist.

4. Regeneratives Treibstoffinjektionssystem nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkolben (32) so in den zylindrischen Innenraum (12) hineinragt, daß ein den Tauchkolben (32) umgebender, ringförmiger Raum erhalten wird, in den ein rohrförmiger Teil (24) des Kolbens (18) hineinragt, das erste Bauteil (36, 74) eine zylindrische Hülse (36) aufweist, die konzentrisch und in gleitendem Kontakt zwischen dem rohrförmigen Teil (24) des Kolbens (18) und dem Tauchkolben (32) liegt, die Ventileinrichtung (50, 52) ferner einen Flansch (50) an einem Ende der zylin­ drischen Hülse (36) besitzt, um die Öffnung (54) verschlie­ ßen zu können, und Mittel (60) im Tauchkolben (32) vorhan­ den sind, um das Strömungsmedium in die Injektionskammer (56) zu leiten.

5. Regeneratives Treibstoffinjektionssystem nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (70) vor­ handen ist, die normalerweise den Flansch (50) der Ventil­ einrichtung (50, 52) gegen den Kolben (18) drückt, um die Öffnung (54) zu verschließen.

6. Regeneratives Treibstoffinjektionssystem nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrich­ tung (66, 88) als pneumatisch antreibbarer Kolben ausgebil­ det ist, der das erste Bauteil (36, 74) vom Kolben (18) wegbewegt, und daß eine Begrenzereinrichtung (74) vorhanden ist, die die Bewegung der Hülse (36) relativ zum Kolben (18) begrenzt, wenn diese gegen den Kolben (18) schlägt, wobei die Begrenzereinrichtung (74) dafür sorgt, daß Kolben (18) und Hülse (36) durch die Antriebseinrichtung (66, 88) gemeinsam als Einheit bewegt werden.

7. Regeneratives Treibstoffinjektionssystem nach An­ spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (18) einen zusätzlichen Durchgang (44) aufweist, der durch einen Flansch (46) der zusätzlichen Ventileinrichtung (46, 48) verschließbar ist, daß das zweite Bauteil (34) als Hülse ausgebildet ist, die den rohrförmigen Teil (24) des Kolbens (18) außen gleitend umgibt, und diese Hülse (34) einen kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des zy­ lindrischen Innenraums (14) aufweist, um einen Ringraum (42) zwischen dieser Hülse (34) und der Innenwand des In­ nenraums (14) zu erhalten, wobei in den Ringraum (42) Brennstoff eingespeist werden kann.

8. Regeneratives Treibstoffinjektionssystem nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (62) vor­ handen ist, die normalerweise den Flansch (46) der zusätz­ lichen Ventileinrichtung (46, 48) gegen den Kolben (18) drückt, um den zusätzlichen Durchgang (44) zu verschließen.