DE3104680C2 - Staustrahl-Raketentriebwerk - Google Patents

Abstract

Bei einer Staustrahl-Rakete ist an einer Düse (11) am Ausgang einer ersten Brennkammer (12) ein Brenngas-Injektor (30) angebracht, der in eine zweite Brennkammer (13) ragt und so geformt ist, daß sich in seinem Inneren an die Düse (11) eine weitere Düse anschließt, die in einen axialen Gaskanal übergeht, der an seinem rückwärtigen Ende zur zweiten Brennkammer (13) hin geöffnet ist und der zudem durch eine Vielzahl seitlicher Öffnungen (35) mit der zweiten Brennkammer verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Staustrahl-Raketentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein derartiges Raketentriebwerk ist aus der US-PS 40 63 415 bekannt Nach diesem Stand der Technik ist in einer Nachbrennkammtr des "i riebwerks ein zylindrisches Flammrohr derart Sircmabwärts der Austrittsöff- nung der Hauptbrennkammer . .!geordnet, daß zwischen dieser Austrittsöffnung und dem Flammrohr ein ringförmiger Stauluft-Einlaß besteht. Die durch diesen Einlaß eintretende Staulufi vermischt sich mit den aus der Hauptbrennkammer austretenden Brenngasen in annähernd stöchiometrischem Verhältnis, so daß innerhalb des Flammrohres eine Nachverbrennung stattfindet. Damit die Brenngase möglichst vollständig verbrannt werden, sind stromabwärts in dem Flammrohr radiale öffnungen vorgesehen, durch die zur stufenweisen Erhöhung des Luftanteils in der Flamme zusätzliche Stauluft eintritt

Dieses Raketentriebwerk hat den Nachteil, daß die Stauluft und die Verbrennungsgase in dem Flammrohr nur unzureichend vermischt werden und daher die Nachverbrennung insbesondere während der Startphase nicht stabil ist Aus diesem Grund ist das Flammrohr mit einer Brennstoffbeschickung versehen. Durch den Abbrand dieser Brennstoffbeschickung wird während der Startphase die Nachverbrennung aufrechterhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Raketentriebwerk zu schaffen, bei dem eine zuverlässige Nachverbrennung auch ohne Brennstoffbeschickung des Flammrohres gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst

Erfindungsgemäß ist die Austrittsöffnung der Hauptbrennkammer über einen nach rückwärts stark erwei- _t terten Diffusor mit dem Flammrohr verbunden. Die '&' Stauluft tritt ausschließlich durch die radialen öffnungen in das Innere des Flammrohres ein. Die Erweiterung des Diffusors führt zu einer Ablösung der Brenngasströmung von der Wand des Diffusors, Innerhalb des Flammrohres liegt daher im äußeren, an die Wand des Flammrohres angrenzenden Bereich eine turbulente Strömung vor, die zu einer intensiven Vermischung der Brenngase mit der durch die radialen öffnungen eintretenden Luft führt Die Nachverbrennung des Breniigas-Luftgemisches findet im wesentlichen stromabwärts des Flammrohres in der Nachbrennkammer statt

Durch die intensive Vermischung von Luft und Brenngas aufgrund der turbulenten Strömung in dem Flammrohr ist eine hohe Stabilität der Flamme während der gesamten Dauer des Betriebes gewährleistet Insbesondere wird die Nachverbrennung auch während der Startphase zuverlässig aufrechterhalten, ohne daß eine Brennstoffbeschichtung des Flammrohres erforderlich wäre.

Das Flammrohr des erfindungsgemäßen Raketentriebwerks kann verhältnismäßig klein sein. Durch die Erfindung wird somit neben einer baulichen Vereinfachung auch eine Gewichtserleichterung des Raketentriebwerks erreicht.

Neben der turbulenten Strömung im äußeren Bereich des Flammrohres bleibt in dessen innerem Bereich eine auf die Austrittsdüse der Nachbrennkammer gerichtete strahlförmige Gasströmung erhalten. Wie bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Raketentriebwerk trägt daher die hohe Geschwindigkeit der aus der Hauptbrennkammer austretenden Brenngase in Axialrichtung zu einer Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit der Gase aus der Schubdüse der Nachbrennkammer und damit zu einer Erhöhung des Schubes bei.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 zeigt eine Staustrahl-Rakete mit einem erfindungsgemäßen Raketentriebwerk;

F i g. 2 ist ein vergrößerter Teillängsschnitt des Raketentriebwerks aus F i g. 1.

Eine Ausführungsform einer F'austrahl-Rakete mit einem erfindungsgemäßen Raketentriebwerk umfaßt gemäß Fig. 1 einen Raketen-Rumpf 10, der einen inneren Wandbereich 22 aufweist, in dem eine konvergierend-divergierende Düse 11 ausgespart ist. Der Rumpf 10 der erfindungsgemäßen Rakete umfaßt ferner zwei etwa zylindrische Wandbereiche 23, 24, die eine Hauptbrennkammer 12 bzw. eine Nachbrennkammer 13 bilden, die in Längsrichtung des Rumpfes 10 vor- bzw. hinter der Düse 11 angeordnet sind. Die Achsen der Düse 11 und der im Rumpf 10 befestigten Haupt- und Nachbrennkammern 12, 13 sind in Längsrichtung des Rumpfes 10 etwa auf einer Geraden angeordnet. Als Beispiel wird angenommen, daß es sich bei der in F i g. 1 gezeigten Staustrahl-Rakele um eine Feststoff-Rakete handelt Sie enthält daher einen zylinderförmigen Feststoff-Treibsatz 14, der in der Hauptbrennkammer 12 angebracht ist

Der Feststoff-Treibsatz :I4 ist so in der Hauptbrennkammer 12 befestigt, daß er von der Stirnseite her verbrennt. Er wird von einem als Hohlzylinder geformten verbrennungshemmenden Bauteil 25 aufgenommen. Das verbrennungshemmende Bauteil 25 ist seinerseits in den zylindrischen Wandbereich 23 eingepaßt, dessen Innenfläche die Hauptbrennkammer 12 begrenzt. Das verbrennungshemmende Bauteil 25, das die Mantelfläche des zylindrischen Feststoff-Treibsatzes 14 bedeckt, ist ein wirksames Mittel, um ein Übergreifen der stirnseitigen Verbrennung des Treib-

mittels 14 auf die Mantelflächen des Treibsatzes 14 zu verhindern.

Das verbrennungsbemmende Bauteil 25 ist durch einen koaxial zwischen diesem Bauteil 25 und dem Wandbereich 22 eingefügten ringförmigen Abstandhaiter 26 in Achsenrichtung nach vom von dem Trennwandsegment 22 abgerückt, Damiv ist auch der Treibsatz 14 in der Achsenrichtung nach vorn von dem Wandbereich 22 abgerückt und bildet mit diesem einen Hohlraum zwischen der rückwärtigen Stirnfläche des ι ο Treibsatzes 14 und dem Wandbereich 22. Dieser Hohlraum bildet den rückwärtigen Bereich der ersten Brennkammer 12 und geht strahlabwärts kontinuierlich in die in dem Wandbereich 22 ausgesparte Düse Il über. Ein Zünder 15 ragt in diesem rückwärtigen Bereich der ersten Brennkammer 12, so daß er den Treibsatz 14 an seiner rückwärtigen Stirnfläche entzünden kann, wenn die Rakete gestartet werden solL

Die in F i g. 1 gezeigte Rakete umfaßt ferner zwei am Rumpf 10 befestigte Diffusorrohre 16. Jedes der Diffusorrohre 16 verläuft zum Teil längs des Rumpfes 10 und enthält eine durchgehende Luftzuführung mit einer Luft-Einströmungsöffnung 17 an ihrem vorderen Ende und einer Austrittsöffnung 18, die in die Nachbrennkammer 13 im Rumpf 10 mündet Während des Fluges der Rakete strömt Außenluft durch die Einströmungsöffnungen 17 in die Zuführungen in den Diffusorrohren 16 und wird durch die Austrittsöffnungen 18 radial in die Nachbrennkammer 13 geleitet Die beiden Diffusorrohre 16 liegen einander auf dem Querschnitt des Rumpfes 10 diametral gegenüber, wie in F i g. 1 zu erkennen ist

In dem oben erwähnten rückwärtigen Bereich der ersten Brennkammer 12 befindet sich ein etwa halbkugelförmiges Filterelement 27, das mit seinem Rand fest auf dem die Düse 11 enthaltenden Wandbereich 22 verankert ist Das Filterelement 27 ragt vom Wandbereich 22 aus in den rückwärtigen Teil der ersten Brennkammer 12 und ist mit einigen öffnungen

28 versehen, durch die eine Verbindung zwischen der ersten Brennkammer 12 und der Düse 11 hergestellt wird.

Wie ferner in F i g. 1 gezeigt ist, besitzt der Rumpf 10 der Staustrahl-Rakete einen rückwärtigen Wandbereich

29 mit einer Schubdüse 19, durch die die Nachbrennkammer 13 zur Atmosphäre hin geöffnet ist.

Ein kegelstumpfförmiger Diffusor 31 ist fest mit dem mit der Düse 11 versehenen innereii Wandbereich 22 verbunden und ragt annähernd koaxial zu der Düse 11 in die Nachbrennkammer 13. An das stromabwärtige, erweiterte Ende des Diffusors 31 schließt sich axial ein zylindrisches Flammrohr 32 an. Im gezeigten Beispiel bilden der Diffusor 31 und das Flammrohr 32 ein einstückiges Bauteil, das im folgenden als Brenngas-Injektor 30 bezeichnet wird.

Der Diffusor 31 bildet eine übererweiterte Düse 33, d. h., eine Düse, deren Erweiterungswinkel so groß ist, daß eine Strömungsablösung auftritt. Die Düse 33 geht an ihrem stromaufwärts gelegenen verjüngten Ende kontinuierlich in die Düse 11 über.

Hinter der Düse 11 erweitert sich die Düse 33 konisch mit einem festgelegten Öffnungswinkel. Dagegen bildet der zylindrische Diffusor 32 des Injektors 30 einen axialen Gaskanal 34, der sich an die Düse 33 anschließt und am rückwärtigen Ende des Injektors 30 in die Nachbrennkammer 13 führt. Der zylindrische Diffusor 32 des Injektor? 30 weist zudem eine Vielzahl von Öffnungen 35 auf, die von der Achse des Injektors 30 aus Besehen radial nach auEi.n in die Nachbrennkammer 13 weisen.

In der Nachbrennkammer 13 der hier beschriebenen Staustrahl-Rakete befindet sich ein nicht gezeigter weiterer Treibsatz.

Wenn nun der in der Nechbrennkammer 13 befindliche Treibsatz von außen gezündet wird, so wird der Rakete eine gewisse Anfangsgeschwindigkeit erteilt, und durch den Rückstoß der bei der Verbrennung dieses Treibsatzes entstehenden Verbrennungsgase wird die Rakete gestartet Kurz nachdem die Rakete in dieser Weise gestartet wurde, wird der in den rückwärtigen Teil der ersten Brennkammer 12 ragende Zünder 15 ausgelöst und dadurch der Feststoff-Treibsatz 14 an seiner rückwärtigen Stirnfläche entzündet Infolgedessen entstehen im rückwärtigen Teil der ersten Brennkammer 12 durch die stirnseitige Verbrennung des Treibsatzes 14 Verbrennungsgase. Die noch weiter brennbaren Gase strömen mit hohem Druck und mit hoher Temperatur durch die öffnungen 28 im Filterelement 27 und weiter durch die Düse 11 in dem Brenngas-Injektor 30. Dabei werden Feststoffpartikel, die von den durch die öffnungen 28 iir< Filterelement 27 strömenden Gasen mitgerissen werden, a» der vorderen Halbkugeloberfläche des Filterelements 27 zurückgehalten. Die durch die Düse 11 in den Brenngas-Injektor 30 strömenden Gase werden in der Düse 33 des Injektors 30 beschleunigt

Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Zünder 15 automatisch ausgelöst wird, hat sich aufgrund der der Rakete erteilten Anfangsgeschwindigkeit an den Einströmungsöffnungen 17 der Diffusorrohre 16 ein Staudruck aufgebaut Daher tritt Außenluft durch die Einströmungsöffnungen 17 in die Luftzuführungen in den Diffusor 16 ein und strömt radial in die Nachbrennkammer 13. Durch den an den Einströmungsöffnungen 17 der Diffusorrohre 16 aufgebauten Staudruck wird die in die Nachbrennkammer 13 eingeleitete Außenluft in dieser Kammer verdichtet.

Die durch die Düse 11 in den Brenngas-Injektor 30 einströmenden heißen Brenngase können sich in der Düse 33 des Injektors 30 unter Verringerung ihres Druckes ausdehnen und Überschall-Geschwindigkeiten erreichen. Dadurch tritt an einer in Fig.2 mit P bezeichneten Stelle hinter dem Ausgang der Düse 11 eine Ablösung des Überschall-Gasstrahls von der Innenfläche des Diffusors 31 ein. Ein Teil der durch die Düse 33 strömenden Gase, der in F i g. 2 durch mit a bezeichnete Pfeile gekennzeichnet ist, bewegt sich in Form eines Gasstrahls geradlinig parallel zur Achse des Injektors 30 durch den axialen Gaskanal 34 in dem Flammrohr 32 und wird axial in die Nachbrennkammer 13 ausgestoßen. Ein äolcher Gasstrahl erzeugt einen Sog in seiner Umgebung und an den inneren Oberflächenabschnitten des Injektors 30, die unterhalb des Punktes P liegen.

Der andere Teil der mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse 33 des Injektors 30 strömenden Brenngase unterliegt dem auf die oben beschriebene Weise unterhalb der Position Pan den inneren Oberflächenabschnitten des Injektors 30 erzeugten Sog und wird daher, wie durch die mit b bezeichneten Pfeile in F i g. 3 angedeutet, in dem unterhalb des Punktes P den Gasstrahl umgebenden Raum heftig verwirbelt. Der im Inneren des durchlöcherten Flammrohrs 32 erzeugte Sog bewirkt ferner, daß das den Flammrohr 32 umgebende Mediun, durch die radialen öffnungen 35 in den axialen Gaskanal 34 einströmt. Die durch die Diffusorrohre 16 in die Nachbrennkammer 13 geführte

und dort verdichtete AuDenluft wird daher durch die öffnungen 35 des Diffusors 32 in den axialen Gaskanal 34 gedrängt, wie durch die mit c bezeichneten Pfeile in Fig. 3 angedeutet wird. Die in den Brenngas-Injektor gelangende Luft wird mit den turbulenten heißen Gasen > an den Innenflächen des Flammrohrs 32 vermischt und unterstützt so die Aufrechterhaltung der Verbrennung im Injektor 30. Die im Brenngas-Injektor 30 erhaltene Gasflamme wird durch den Gasstrahl der in die Nachbrennkammer 13 ausgestoßenen Gase teilweise mitgerissen und breitet sich dadurch in der Nachbrennkammer 13 aus, wo sie die Reaktion der Brenngase mit der in der Nachbrennkammer 13 enthaltenen Luft fördert. Auf diese Weise wirkt das durchlöcherte Flammrohr 32 des Brenngas-Injektors 30 nicht nur als π Flammrohr, sondern auch als Verstärker des Nachbrennvorgangs in der Nachbrennkammer 13.

Die als Reaktionsprodukt bei der Nachverbrennung der Brenngase in der Nachbrennkammer 13 entstehen rückwärts aus der Rakete ausgestoßen und erzeugen dadurch einen Rückstoß, der den größten Teil der auf die Rakete wirkenden Schubkraft liefert. Ein weiterer Teil der für den Flug der Rakete benötigten Schubkraft wird durch die Geschwindigkeit des oben erwähnten Anteils der Brenngase erzeugt, die in Form eines Gasstrahls durch das vollständig geöffnete rückwärtige Ende des axialen Kanals 34 im Flammrohr 32 in die Nachbrennkammer 13 ausgestoßen werden.

Die mit dem erfindungsgemäßen Triebwerk ausgestattete Staustrahl-Rakete wird also teilweise durch den Schub der aus der Schubdüse ausgestoßenen Verbrennungsgase angetrieben und teilweise durch den unidirektionalen Brenngas-Strahl im Brenngas-Injektor. Zudem wird eine einmal in dem durchlöcherten rückwärtigen Abschnitt des Brenngas-Injektors erzeugte Gasflamme durch die angesaugte Luft, die durch die radialen öffnungen in diesem Abschnitt in den Gaskanal eintritt, wirksam aufrechterhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Staustrahl-Raketentriebwerk mit einer koaxialen Anordnung

   a) einer Hauptbrennkammer zur Erzeugung eines unvollständig verbrannten Brenngases;

   b) einer als konvergent-divergente Düse ausgebildeten Austrittsöffnung der Hauptbrennkammer; ι ο

   c) einer mit Stauluft beaufschlagten Nachbrennkammer, an deren stromabwärtigem Ende eine konvergent-divergente Schubdüse vorgesehen ist; und

   d) einem in die Nachbrennkammer hineinragen-15 den zylindrischen Flammrohr, das an seinem stromaufwärtigen Ende das unvollständig verbrannte Brenngas aufnimmt und dessen Mantel mit Eintrittsöffnungen für Stauluft versehen ist,

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   dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr (32) an die Austrittsöffnung (1!) der Hauptbrennkammer (12) mittels eines Diffusors (31) angeschlossen ist, dessen Erweiterungswinkel so groß ist, daß eine Strömungsablösung auftritt

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