DE3109269C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Düsen-/Ventilanordnung der im
Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Art zum Einstellen des
Durchflusses von Verbrennungsteilnehmern von einem Treib
stoffgenerator zu einer Sekundärbrennkammer eines Raketen
triebwerks.
Eine derartige Düsen-/Ventilanordnung ist aus der US 29 68 919
bekannt. Die Regelung der Ventilkolbenstellung bei dieser
bekannten Anordnung erfolgt durch eine Schraubenfeder, die
den Ventilkolben beaufschlagt, und deren Federkonstante so
gewählt ist, daß Druckschwankungen des das Ventil durchset
zenden Treibstoffs ausgeglichen werden, indem der Querschnitt
des Ventildurchtritts entsprechend nachgeregelt wird. Er
reicht werden soll durch diese Ventilkolbenregelung eine Kom
pensation der Temperaturabhängigkeit des im Treibstoffgenera
tor als Festtreibstoff vorliegenden Brennstoffs. Nicht er
reichbar ist jedoch mit dieser bekannten Düsen-/Ventilan
ordnung ein Nachlassen der Raketenantriebsleistung in großen
Höhen oder bei Treibstofftemperaturen, die von den Bedin
gungen am Erdboden stark abweichen. Damit aber eignet sich
diese bekannte Düsen-/Ventilanordnung nicht zur Erreichung
eines optimalen Luft-/Treibstoffverhältnisses in Abhängigkeit
von der Flugbahn einer Rakete.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Düsen-/Ven
tilanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit
welcher ein optimales Luft-/Treibstoffverhältnis in Abhän
gigkeit von der Flugbahn einer Rakete erzielbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs.
Die Erfindung besteht also darin, den im Treibstoffgenerator
herrschenden Istdruck kontinuierlich zu überwachen und in Ab
hängigkeit von abgespeicherten Soll-Druckwerten nachzusteu
ern, wobei die Soll-Druckwerte den Verhältnissen während der
Flugbahn einer Rakete Rechnung tragen.
Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Düsen-/Ven
tilanordnung im Schnitt;
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1;
Fig. 3 eine Seitenansicht im Schnitt eines mit der Dü
sen-/Ventilanordnung von Fig. 1 versehenen Rake
tentriebwerks;
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Zwischenabschnitt
eines mit zwei erfindungsgemäßen Düsen-/Ventilan
ordnungen versehenen Raketentriebwerks;
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 von Fig. 4;
Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 von Fig. 4;
Fig. 7 eine teilweise schematische Darstellung der in
einen Raketenantrieb eingesetzten erfindungsge
mäßen Düsen-/Ventilanordnung mit Betätigungsein
richtung;
Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 von Fig. 7;
Fig. 9 einen Teillängsschnitt längs der Linie 9-9 von
Fig. 8, und
Fig. 10 ein Blockdiagramm einer vorprogrammierten Steuer
schleife für die Steuerung der erfindungsgemäßen
Düsen-/Ventilanordnung.
Die in Fig. 1 dargestellte Düsen-/Ventilanordnung 10 umfaßt
ein Ventilgehäuse 12 mit einem Treibstoffdurchlaß 16, von dem
ein einen Ventilkolben aufnehmender Teil 14 abzweigt. Die Ge
häuseteile 14 und 16 sind tubusförmig ausgebildet und schnei
den einander unter rechtem Winkel. Der Gehäuseteil 16 weist
einander gegenüberstehende Öffnungen 18 und 20 auf, die je
noch Einbaurichtung Einlaß- und Auslaßöffnungen bzw. Auslaß-
und Einlaßöffnungen sind. In die Hohlräume 34, 36 der Gehäu
seteile 14 und 16 sind tubusförmige Isolatoren 30,32 einge
paßt, die mit ihren Außenflächen an den Innenflächen des Ven
tilgehäuses anliegen. Jeder Isolator 30, 32 ist mit einem
zentralen längserstreckten Hohlraum 38, 40 von kreisförmigem
Querschnitt versehen, der sich in Längsrichtung durch den
Isolator erstreckt. Die tubusförmigen Wände, die von dem zen
tralen Hohlraum 40 im Isolator 32 ausgebildet werden, begren
zen einen Strömungskanal 22 im Gehäuseteil 16, wie Fig. 3
zeigt. Die tubusförmigen Wände des Hohlraums 38 bilden eine
Führung für den Ventilkolben 42. Der Isolator 32 weist eine
Bohrung 46 kreisförmigem Querschnitts auf, die sich durch
seine Seitenwand in rechtem Winkel zum Strömungskanal 22 er
streckt und diesen schneidet. Die Bohrung 46 fluchtet mit dem
Hohlraum 38 und bildet dessen Verlängerung.
Der Kolben 42 weist drei Abschnitte auf: Ein Drosselstück 48,
einen Wärmeisolator 50 und ein Verbindungsstück 52. Der Kol
ben 42 ist in Längsrichtung zwischen einer geschlossenen
Stellung 54, die Fig. 1 zeigt, und einer voll geöffneten
Stellung (nicht dargestellt), in der das Drosselstück 48 ganz
aus dem Strömungskanal 22 herausgezogen ist, beweglich. Er
wird von einem Antrieb bewegt, der später noch detailliert
beschrieben wird.
In der Anordnung nach Fig. 1 weist der Isolator 32 einen
axial verlaufenden zylindrischen Hohlraum 56 auf, der den
Kreuzungsbereich des Gehäuseteils 14 mit dem Gehäuseteil 16
überbrückt. Der axial verlaufende Hohlraum 56 wird von einer
ringförmigen Schulter 57 und einer zylindrischen Seitenwand
58 begrenzt und erstreckt sich vom einen Ende des Isolators
32 über einen wesentlichen Teil der Länge desselben.
Diese Düsen-/Ventilanordnung wird in einem mit Luftführung
versehenen Raketentriebwerk verwendet mit dem die Anordnung
über Einschnürungsabschnitte 59 und 60 verbunden ist, wobei
O-Ringe 62 zur Abdichtung und Marmorklammern 61 zur Sicherung
der Verbindung vorgesehen sind. Die Einschnürungsabschnitte
59 und 60 enthalten Isolatoren 63, die in Größe und Gestalt
mit dem Isolator 32 übereinstimmen, der einen zylindrischen
Einsatz 64 enthält. Es können auch andere Einrichtungen zum
dichten Verbinden der Düsen-/Ventilanordnung mit dem Raketen
triebwerk verwendet werden. Der zylindrische Einsatz 64 be
steht aus einem erosionsfesten Material, vorzugsweise aus
einer Titan-Zirkon-Molybdän-Legierung und weist Abmessungen
auf, die ihn für den Einsatz in dem axialen Hohlraum 56 ge
eignet machen. Die Innenfläche, die von dem Isolator 32 und
dem zylindrischen Einsatz 64 im Hohlraum 56 gebildet wird,
ist glatt und im wesentlichen durchgehend mit Ausnahme eines
Durchbruches 65 im Einsatz 64, der sich durch seine Seiten
wand erstreckt und mit den Hohlraum 38 und der Bohrung 46 in
den Isolatoren 30 und 32 fluchtet.
Der Gehäuseteil 14 weist einen Kopf 84 auf, auf den ein Ver
schluß 86 aufgeschraubt ist. Ein Metallring 87 dient zur
Abdichtung von Kopf 84 und Verschluß 86. Andere kompressible
metallbelegte Dichtungen können anstelle eines Metallrings
87 verwendet werden, beispielsweise Kupfer-Asbest-
Quetschdichtungen. Der Verschluß 86 weist einen Kopf 88 auf,
der einen kleinen axialen Hohlraum 90 umschließt. In dem
Hohlraum 90 ist ein Nadellager 91 angeordnet. Dieses Nadella
ger dient der Lagerung des Ventilkolbens 42. Ein ringförmiger
Hohlraum 92 im Kopf 88 des Verschlusses 86 enthält einen ela
stomeren O-Ring 93, der den Kolben 42 am Verschluß abdichtet.
Der Isolator 30 kann als ein einziges Bauteil ausgeführt
sein, der sich durch die gesamte Länge des Hohlraums 34 im
Gehäuseteil 14 erstreckt. Er kann jedoch auch, wie Fig. 1
zeigt, aus zwei zylindrischen Stücken bestehen, die aneinan
derstoßen und eine im wesentlichen durchgehende Isolierfläche
bilden. Wenn der Isolator in dieser Weise ausgeführt ist,
kann man eine Scheuerdichtung 94 einsetzen, die gegen den
Kolben 42 abdichtet. Die Scheuerdichtung 94 kann aus einem
elastomeren Material, wie Gummi, hergestellt sein, oder aus
einem keramischen, faserdurchsetzten Material bestehen.
Fig. 3 zeigt die Lage der Düsen-/Ventilanordnung 10 in einem
mit Luftführung versehenen Raketentriebwerk 28 in bezug auf
die vordere Kammer 66 des Triebwerks, in der eine ein treib
stoffreiches Gas entwickelnder Feststoff 68 angeordnet ist,
und in bezug auf die Sekundärbrennkammer 70 am hinteren Ende
72 des Triebwerks 28. Ein Strömungskanal 22 verbindet die
vordere Kammer bzw. den Treibstoffgenerator 66 mit der Sekun
därbrennkammer 70. Ein ausblasbarer Verschlußstopfen 74 dient
dazu, den Kanal 22 zu verschließen. Damit Verbrennungsgase
nicht durch den Kanal 22 in die vordere Kammer 66 gelangen
können. Diese Verbrennungsgase entstehen bei der Verbrennung
eines Feststoffes (nicht dargestellt), der zur Anfangsstufe
des Raketentriebwerks gehört und der nach dem Abbrand einen
Hohlraum zurückläßt, der dann die Sekundärbrennkammer 70 ist.
Seine Verbrennungsgase würden ohne den Verschlußstopfen 74 zu
einer vorzeitigen Zündung im Gasgenerator 68 führen, was in
manchen Fällen unerwünscht ist.
Die Fig. 3 zeigt in Verbindung mit Fig. 4 die Zwischenstufe
76 zwischen der vorderen Kammer 66 und der Sekundärbrennkam
mer 70 des Raketentriebwerks 28. Die Zwischenstufe 76 enthält
einen Schutzschild und eine Zündeinrichtung 78 für den Brenn
stoff der Anfangsstufe (nicht dargestellt), einen Schutz
schild und eine Zündeinrichtung 80 für die Feststoffladung
68, einen Fühler 81 zum Messen des Druckes in der vorderen
Triebwerkskammer 66 und ein Linearpotentiometer 82 zum Messen
der Bewegung des Ventilkolbens 48 durch Überwachung der Bewe
gung von Verbindungsstangen 114 und 116 (Fig. 5).
In Fig. 4 ist eine Zwillingsanordnung von Düsen-/Ventilanord
nungen der in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Art in der
Zwischenstufe 76 eines mit Luftführung versehenen Raketen
triebwerks dargestellt. Eine Verbindungsstangenanordnung zum
Bewegen der Ventilkolben zwischen einer geschlossenen und
einer geöffneten Stellung ist teilweise in den Fig. 5 und
6 dargestellt. Die Zwillingsdüsen-/Ventilanordnungen 96 und
98 sind durch ein Joch 100 miteinander verbunden. Ventilkol
ben 102 und 104 verlaufen in den entsprechenden Düsen-/Ven
tilanordnungen 96 und 98 und sind an ihren oberen Enden 110
und 112 durch Schrauben 106 und 108 an den Querstangen 114
und 116 befestigt, zwischen welchen sie angeordnet sind. Eine
Betätigungseinrichtung 118 ist zwischen den Ventilanordnungen
96 und 98 gelegen und ein Betätigungskolben 120 derselben
verläuft durch das Joch 100 und ist durch eine Schraube 122
mit den Querstangen 114 und 116 verbunden. Die Betätigungs
einrichtung 118 arbeitet in Abhängigkeit eines elektrischen
Signals wie folgt. Wenn ein Signal als Folge eines Befehls
für das Raketengeschoß erzeugt wird, kann der Kolben 120 nach
oben oder unten bewegt, je nach Art des Signals, das davon
abhängt, wie das Geschoß programmiert oder kommandiert ist.
Die Bewegung der Ventilkolben 102 und 104 aus den Durchfluß
kanälen 124 und 126 beseitigt den Teilverschluß der Durch
flußkanäle 124 und 126. Ebenfalls kann in Abhängigkeit eines
Signals der Kolben 120 der Betätigungseinrichtung 118 sich
nach unten bewegen, wodurch die Ventilkolben 102 und 104 in
die Durchflußkanäle 124 und 126 eingetaucht werden, womit
sich deren freier Strömungsquerschnitt verringert.
Die Fig. 7, 8 und 9 zeigen eine einzelne Düsen-/Ventilan
ordnung 142 in einem Zwischenabschnitt eines mit Luftführung
versehenen Raketentriebwerks. Eine Betätigungseinrichtung 128
ist an einem Punkt an der Innenwand 130 des Zwischenab
schnitts des Raketenmotors mit Hilfe einer Konsole 132 befe
stigt. Ein Betätigungskolben 134 weist einen Hebelarm 136
auf, der schwenkbar mit dem Kolben 134 verbunden ist an einer
festen Konsole 138 schwenkbar gelagert ist. Das freie Ende
139 des Hebelarmes 136 ist gelenkig mit dem Ventilkolben 140
der Düsen-/Ventilanordnung 142 verbunden. Der Kolben 140 ist
im voll in den Strömungskanal 146 eingefahrenen Zustand dar
gestellt. Der Strömungskanal 146 endet in einer Verzweigungs
leitung 148. Die Verzweigungsleitung 148 weist zwei Ab
gaskanäle auf, die in Abgasöffnungen 150 und 152 enden, die
von Ausblasstopfen 154, 156 verschlossenen sind. Die Düsen-
/Ventilanordnung 142 unterscheidet sich von der Düsen-/Ven
tilanordnung 10 in der Hauptsache durch die verwendete Dich
tungsanordnung. Die Düsen-/Ventilanordnung 142 weist eine ge
schweißte Metallbalgdichtung 158 auf, die an der Stirnseite
160 des Verschlusses 162 des Abzweigs befestigt ist und das
Ende 164 des Kolbens 140 abdichtet. Die Balgdichtung 158 kann
sich ausdehnen und zusammenziehen, je nach Bewegung des Kol
bens 140 und ist besonders für hohe Temperaturen geeignet,
denen ein elastomerer O-Ring nicht widerstehen würde. Der
Ventilkolben 140 besteht aus zwei Teilen, einem erosionsfe
sten Teil 141, der in den Strömungskanal 146 vorgeschoben
wird und einem Wärmeisolator 143.
Fig. 10 zeigt einen typischen Steuerkreis für die Vorprogram
mierung der Betriebsweise der Düsen-/Ventilanordnung. Wie
dargestellt, erfaßt ein Druckwandler oder Fühler den Druck im
Gasgenerator und sendet ein dementsprechendes elektrisches
Signal an einen Verstärker. Das verstärkte Signal wird auf
einen Druckregler übertragen, in welchem der Druck mit einem
Signal verglichen wird, das von einem Kurvenfolger stammt,
der vorprogrammiert ist und der beim Abfeuern des Raketen
triebwerks aktiviert wird. Wenn die vom Druckregler empfange
nen Signale voneinander verschieden sind, erzeugt der Druck
regler ein Signal, das einem Steuergerät zugeführt wird, das
wiederum die Betätigungseinrichtung erregt, um die Düsen-
/Ventilanordnung zu öffnen oder zu schließen, wodurch der
Druck im Gasgenerator in Übereinstimmung mit dem vorprogram
mierten Druck gebracht wird. Andere Steuersysteme als das
soeben beschriebene können ebenfalls eingesetzt werden.
Die Düsen-/Ventilanordnung der vorstehend beschriebenen Art
bildet eine voll variable, multizyklische, reversible Düse,
in welcher der Düsenquerschnitt verändert werden kann. Diese
Düsen-/Ventilanordnung kann durch jede geeignete Einrichtung
betätigt werden, wie beispielsweise elektromechanische, pneu
matische oder hydraulische Betätigungseinrichtungen mit Rück
kopplungssteuerung. Diese Düsen-/Ventilanordnung kann inner
halb der Gasgeneratorkammer eines Raketentriebwerks angeord
net werden, in der Sekundärbrennkammer oder in einer Zwi
schenstufe zwischen den Kammern, wie in den Zeichnungen dar
gestellt. Die Installation in der Zwischenstufe ist besonders
vorteilhaft, weil die Düsen-/Ventilanordnung dort von den um
gebenden Verbrennungsvorgängen am besten isoliert ist.
Bei der in Rede stehenden Düsen-/Ventilanordnung wird der
Kolben quer zur Gasströmung bewegt. Ihre Konstruktion erlaubt
es, Dichtungen, Lager und die Betätigungseinrichtung vom di
rekten Kontakt mit den heißen Verbrennungsgasen zu isolieren
und ermöglicht es, den Einsatz von erosionsfesten Materialien
auf die wenigen kritischen Punkte innerhalb der Düsen-/Ven
tilanordnung zu beschränken. Die Isolation und der thermische
Schutz vieler Bauelemente wird durch die vorstehend beschrie
bene Düsen-/Ventilanordnung verbessert und es sind reprodu
zierbare Verhältnisse in der Steuerung veränderbarer
Treibstoffzuführmengen möglich.
Der in den Strömungskanal hineinragende Abschnitt des Ventil
kolbens und der Einsatz im Strömungskanal, der teilweise den
Strömungskanal für heiße kraftstoffreiche Fluide, die aus dem
Gasgenerator in die Sekundärbrennkammer strömen, müssen ero
sionsfest sein und hoher Temperatur widerstehen, sich dabei
aber nur wenig ausdehnen. Materialien, die hierfür geeignet
sind, d. h. bei Temperaturen um 1100°C und Drücken um 1000 bar
sind Legierungen aus Titan, Zirkon und Molybdän, Legierungen
aus Wolfram und Rhenium und Legierungen aus Tantal und Wolfram.
Die Isolatoren, die in der in Rede stehenden Düsen-/Ventil
anordnung vorzugsweise verwendet werden, bestehen beispiels
weise aus Kieselerde-Phenolen. Gegossene Isolatoren aus Kar
bon-Phenolen können ebenso verwendet werden.
Als Betätigungseinrichtung sind elektromechanisch wirkende
besonders vorteilhaft.
Dichtungen, die für die Verwendung in der vorstehend be
schriebenen Düsen-/Ventilanordnung in Frage kommen, müssen
aus solchen Materialien bestehen, die unter den Temperaturbe
dingungen des Raketentriebwerks geeignet sind. Elastomere O-
Ringe bestehen deshalb bevorzugt aus Materialien, wie Äthy
len-Propylen-Terpolymer oder Silikongummi sein. Stirndichtun
gen können aus festen Kupfergeweben, Kupferquetschgeweben
oder Metallringen bestehen, wobei Inconel X-750 mit Sil
ber- oder Nickelplattierung am besten geeignet sind.
Claims (1)
- Düsen-/Ventilanordnung zum Einstellen des Durchflusses von Verbrennungsteilnehmern von einem Treibstoffgenerator zu ei ner Sekundärbrennkammer eines Raketentriebwerks, mit einem Ventilgehäuse, dessen Einlaß an den Treibstoffgenerator und dessen Auslaß an die Sekundärbrennkammer angeschlossen ist, und mit einem Ventilkolben, dessen Stellung in Abhängigkeit vom Druck in dem Treibstoffgenerator geregelt ist, gekenn zeichnet durch,
einen Fühler (81) zum Erfassen des Drucks im Treibstoffgene rator (66) sowie zum Erzeugen eines diesem Druck entsprechen den Ausgangssignals,
eine erste Einrichtung, in welcher Soll-Druckwerte für den Treibstoffgenerator (66) abgespeichert sind, und die beim Ab feuern des Raketentriebwerks aktiviert wird, und dabei ein diesen Soll-Druckwerten entsprechendes Sollwertsignal abgibt, und
eine zweite Einrichtung, die aus dem Ausgangssignal des Füh lers (81) und dem Sollwertsignal durch Vergleich ein Steuer signal ermittelt, mit dem eine Betätigungseinrichtung (28) für den Ventilkolben (42, 102; 104, 140) beaufschlagt ist, um den Druck im Treibstoffgenerator (66) in Übereinstimmung mit den abgespeicherten Soll-Druckwerten zu bringen.
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