DE3213161A1

DE3213161A1 - Brennkammer fuer raketentriebwerk

Info

Publication number: DE3213161A1
Application number: DE19823213161
Authority: DE
Inventors: Georges Jean 27510 Tourny Dorville; George Sanderson 89103 Las Vegas Nev. Gill; Alain Georges 78270 Bonniers sur Seine Souchier
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Priority date: 1981-04-13
Filing date: 1982-04-08
Publication date: 1982-11-25
Also published as: SE8202303L; FR2503794B1; SE450787B; DE3213161C2; US4434614A; FR2503794A1

Description

Brennkammer für Raketentriebwerk

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für Raketentriebwerke mit mehrfachem Divergenzstück, bestehend aus einem Verbrennungsraum, in den Treibstoffe einführbar sind, aus einer Düse für den Ausstoß der im Verbrennungsraum erzeugten Gase, aus einem äußeren Divergenzstück der Düse und aus wenigstens einem inneren Divergenzstück, dessen Austrittsquerschnitt kleiner als derjenige des äußeren DivergenzStücks ist, wobei das innere Divergenzstück in das äußere Divergenzstück eingepasst und mit diesem durch Verbindungsmittel und zerstörbare Befestigungsmittel derart verbunden ist, daß eine Trennung und Ablösung des inneren Divergenzstücks zu einem Zeitpunkt möglich ist, der seinerseits von dem bei Erreichen einer bestimmten Steighöhe des Triebwerks vorherrschenden Funktionsweise der Verbrennungskammer abhängt.

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Es sind Brennkammern dieser Art bekannt, bei denen die Geometrie des DivergenzStücks, welches den Hals der
Düse verlängert, variabel ist, um auf diese Weise eine Anpassung des Divergenzstückes an unterschiedliche Umgebungsbedingun^en während des Fluges der Rakete zu
realisieren. Eine optimale Adaptierung ist dann erreicht, wenn der Auslaßdruck des Divergenzstückes gleich dem Umgebungsdruck ist. Bei einer vom Erdboden startenden Rakete verringert sich der Umgebungsdruck, welcher anfänglich dem atmosphärischen Druck von 1 Bar entspricht, ständig in dem Maße, wie die Rakete an Steighöhe gewinnt. Um eine Anpassung des Ausgangsdruckes am Divergenzstück an den Umgebungsdruck zu erhalten, ist
es also erforderlich, den Auslaßquerschnitt des Divergenzstücks zu vergrößern, wenn sich der Umgebungsdruck verringert.

Eine solche Modifizierung der Geometrie des Divergenzstücks der Düse eines Raketentriebwerks wurde bereits
dadurch verwirklicht, daß man auseinanderfaltbare Divergenzstücke benutzte, die aus gelenkig miteinander
verbundenen Platten bestanden. Im Verlauf des Fluges
ermöglicht es die Auseinanderfaltung der Plattengesamtheit, einen Kegelstumpf zu erzeugen, dessen Läng j und
Austrittsquerschnitt größer als diejenigen des ursprünglichen Kegelstumpfes sind. Eine derartige Anordnung hat jedoch zahlreiche Nachteile. Insbesondere ist es schwierig, Scharniere für die untereinander gelenkig verbundenen Platten zu schaffen, die in der Lage sind, den heißen Gasen der Düse zu widerstehen. Die Steuerung

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der Entfaltung ist als solche verhältnismäßig kompliziert und die erreichbaren Variationen der Geometrie des DivergenzStücks sind begrenzt. Insbesondere ist es schwierig, den Austrittswinkel des Divergenzstücks wirklich zu modifizieren. Schließlich eignen sich die bekannten System zur Variation der Geometrie von Düsen wenig für Brennkammern mit sehr hoher Leistung, wie sie beispielsweise in den ersten Raketenstufen eingesetzt werden, die dazu bestimmt sind, sich vom Boden bis zu einer Höhe von etwa 4o km zu erheben, wo bereits praktisch Vakuum herrscht.

Es sind weiterhin Brennkammern für Raketentriebwerke bekannt, bei denen mehrere konzentrische Divergenzstücke mit unterschiedlichen Querschnitten ineinander eingesetzt und mit dem selben Düsenhals verbunden sind, so daß sich ein mehrfaches Divergenzstück ergibt. Das oder die inneren Divergenzstücke, die ii* Inneren eines äußeren Divergenzstückes angeordnet sind, sind am Düsenhals, wo die Gase aus der Brennkammer ausgestoßen werden, befestigt und werden nacheinander gelöst, wobei mit dem Divergenzstück begonnen wird, welches den kleinsten Auslaßguerschnitt hat. Die Ablösung der Divergenzstücke erfolgt in vorgegebenen Zeitpunkten, um auf diese Weise den Austrittsquerschnitt des Divergenzstückes zu vergrößern und auf diese Weise den Wert des Ausgangsdruckes der Gase am Auslaß des Divergenzstücks der Düse an den äußeren, atmosphärischen Druck anzupassen. Die Tatsache, daß die verschiedenen Divergenzstücke miteinander, beispiels-

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weise durch Klebung, im Bereich des Düsenhalses verbunden sind, macht ihre Ablösung zu einem delikaten Vorgang. Der Ausstoß des inneren DivergenzStückes ist häufig deswegen problematisch, weil die Druckkräfte, welche auf das -nnere Divergenzstück einwirken, die Tendenz haben, das Divergenzstück gegen den Düsenhals zu drücken und es somit am Platze festzuhalten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den geschilderten Mängeln abzuhelfen und eine Brennkammer für ein Raketentriebwerk vorzuschlagen, welches mit einem Divergenzstück ausgerüstet ist, das seinerseits leicht an Änderungen des Umgebungsdrucks anpassbar ist, und zwar insbesondere dann, wenn diese Druckänderungen von beträchtlicher Größe sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die das innere Divergenzstück in seiner Position im Innern des äußeren DivergenzStücks haltenden Verbindungsmittel einerseits am unteren Teil des inneren Divergenz-Stückes und andererseits am unteren Teil des äußeren Divergenzstücks angreifen, daß der obere Teil des inneren Divergenzstücks am Ausgang des Düsenhalses seitlich in den oberen Teil des äußeren Divergenzsti cks verkeilt ist, und daß im inneren Divergenzstück Druckausgleichsöffnungen ausgespart sind, so daß sich ein Gegendruck auf die Außenfläche des inneren Divergenzstückes erzielen lässt.

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Diese Ausbildung und Anordnung erleichtert den Ausstoß des inneren Divergenzstückes ganz erheblich.

Die Mittel zur wahlweisen Zerstörung der Verbindungsmittel, die das innere Divergenzstück am äußeren Divergenzstück halten, bestehen vorteilhafterweise aus einfachen pyrotechnischen Ladungen, die auf die Basis des äußeren Divergenzstücks einwirken. Sobald die Lösung der Verbindung zwischen einem äußeren und einem inneren Divergenzstück stattgefunden hat, wird das innere Divergenzstück automatisch abgestoßen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Raum zwischen dem inneren und äußeren Divergenzstück durch ein kranzartiges Ringstück verschlossen, welches mit dem unteren Teil des inneren Divergenzstücks verbunden ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Druckausgleichsöffnungen so angeordnet, daß sie im Raum zwischen dem inneren und äußeren Divergenzstück einen Druck von etwa 3 Bar erzeugen.

Ablenkglieder können am inneren Divergenzstück in der Nähe der Druckausgleichsöffnungen vorgesehen werden, um das Auftreffen von Gasstrahlen auf das äußere Divergenzstück zu begrenzen.

In diesem Fall ist es vorteilhaft, den zwischen dem inneren und äußeren Divergenzstück gelegenen Raum

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mit einem Kühlmedium zu füllen.

Um die Risiken einer Knickung des inneren Divergenzstücks herabzusetzen, können diesem Versteifungsscheiben zugeordnet werden.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für Brennkammern, bei denen die Kühlmittel für die Wände der Kammer aus einem Flüssigkeitsfilm bestehen, der entlang der Innenwände der Brennkammer, der Düse und somit auch entlang dem Divergenzstück dieser Düse nach unten zirkuliert. In diesem Fall erfordert die erfindungsgemäße Anwendung eines mehrfachen Divergenzstückes keine besondere Anpassung des Kühlsystems an die verschiedenen Formen des Divergenzstückes, die ihrerseits durch die Gestalt des jeweils inneren oder des äußeren DivergenzStücks bestimmt sind.

Die Verkeilung oder Einpassung des oberen Teils eines inneren Divergenzstücks im Bereich des oberen Teils des äußeren Divergenzstücks kann auf mehrere, verschiedene Arten verwirklicht werden.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform isi vorgesehen, daß in der Verbindungszone des inneren Divergenzstückes mit dem äußeren Divergenzstück am Ausgang des Düsenhalses das äußere Divergenzstück an seinem unteren Abstützteil für den Düsenhals einen Absatz aufweist, der eine plötzliche und begrenzte Erweiterung

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des Querschnitts des äußeren Divergenzstücks bildet, und daß das obere Ende des inneren Divergenzstücks einen Anschlagsrand bildet und u nter dem Absatz eingepasst ist.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß in der Verbindungszone des inneren Divergenzstücks mit dem äußeren Divergenzstück am Ausgang des Düsenhalses das äußere Divergenzstück keinerlei Diskontinuität aufweist, während das obere Ende des inneren Divergenzstücks, welches einen Anschlagrand bildet, zur Anlage an der Wand des äußeren Divergenzstücks gelangt und eine plötzliche und begrenzte Einschnürung des Querschnitts des Divergenzstücks bildet, das vom oberen Teil des äußeren Divergenzstücks gebildet ist, wobei das äußere Divergenzstück eine Abstützung für den Düsenhals und für das innere Divergenzstück bildet.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Axialschnittansicht einer Raketen-Brennkammer;

Fig. 2 und .

Fig. 3 axiale Halbschnittansichten zweier Ausführungsformen einer Raketen-Brennkammer mit doppeltem Divergenzstück;

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Fig. 4 bis

Fig. 6 Einzelansichten im Axialschnitt

mit einer Darstellung der Verbindung der oberen Teile eines inneren und e.^r ies äußeren Divergenzstückes.

Die Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Raketenmotor loo, beispielsweise entsprechend der Viking-Bauart mit einer Brennkammer Io, in die durch Einspritzvorrichtungen Ho, 12o Treibstoffe eingeführt werden, welcher über Speiseleitungen 11, 12 zugeführt werden. Bei den Treibstoffen kann es sich beispielsweise um einen Sauerstoffträger und einen ηicht-kryogenen Brennstoff handeln,beispielsweise um Wasserstoffperoxyd und UDMH. Die in der Brennkammer Io stattfindende Verbrennung erzeugt Auspuffgase, welche durch eine Düse 14 ■ ausgestoßen werden. Das Profil des konvergierenden Teils 13 und vor allem des divergierenden Teils 15, die ihrerseits zu beiden Seiten eines Halsabschnittes der Düse 14 gelegen sind, bestimmen die Druckentwicklung der Verbrennungsgase im Innern der Düse und die Flächenschubkraft, wodurch wiederum die Leistung des Raketenmotors bestimmt ist. Die Kühlung der Brennkammer Io des Motors loo und der Düse 14- zusammen mit dem divergierenden Teil oder Divergenzstück 15 ex folgt durch die Zirkulation eines dünnen Flüssigkeitsfilmes 2o entlang den Innenwänden der Brennkammer Io. Der Flüssigkeitsfilm 2o kann in einfacher Weise durch einen Teil der Brennflüssigkeit gebildet sein, welcher durch zusätzliche Einspritzeinrichtungen 121 eingeführt

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wird, die ihrerseits zur Wand der Brennkammer Io und nicht zum Feuerraum dieser Kammer hin gerichtet sind. Das Kühlsystem ist in diesem Falle besonders einfach, da es keine Einbettung von Kühlrohren in der Brennkammer oder andere Einrichtungen erfordert, die geeignet sein könnten, die Motorkonstruktion zu komplizieren und weniger leicht anpassbar zu machen.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht das Divergenzstück 15 nicht aus einem einzigen Teil wie bei den klassischen Ausführungsformen, sondern umfasst demgegenüber außer einem äußeren Divergenzstück 151, welches am Hals der Düse 14 in an sich bekannter Weise befestigt sein kann, ein zusätzliches inneres Divergenzstück 152, dessen Geometrie von derjenigen des äußeren Divergenzstücks 151 verschieden ist. Außerdem besitzt das innere Divergenzstück einen kleineren Austrittsquerschnitt, der durch einen Radius r₂ bestimmt ist. Dieser Radius r- ist kleiner als der Radius r^ des Austrittsquerschnitts des äußeren Divergenzstücks 151. Das innere Divergenzstück 152 ist durch einen Ring oder Kranz 15 3, der wie ein Flansch mit dem unteren Teil des inneren Divergenzstücks einstückig ist, mit dem unteren Teil des äußeren Divergenzstücks 151 verbunden. Ablöserr.ittel, insbesondere in Form von Explosivbolzen 19 ermöglichen es dennoch, in einem vorgegebenen Augenblick eine Lösung der Verbindung des inneren Divergenzstücks 152 vom äußeren Divergenzstück hervorzurufen. Auf diese Weise lässt sich die Ausstoßung des inneren Divergenzstücks 152 in dem Maße erzielen, in dem Druckaus-

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gleichsöffnungen 17, welche in der Wand des inneren
DivergenzStücks 152 ausgespart sind, die Ausübung eines Druckes im Raum 18 zwischen den Divergenzstücken
151 und 152 sowie eines Gegendrucks auf die Außenseite des inneren DivergenzStückes 152 ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Anordnung mehrerer Divergenzstücke 152, 151 mit jeweils wachsendem Austrittsquerschnitt, welche ineinander eingesetzt sind und Mittel aufweisen, die ein nacheinander erfolgendes Ausstoßen der jeweils innen liegenden Divergenzstücke zu vorgegebenen Zeitpunkten ermöglichen, wobei mit dem innersten Divergenzstück begonnen wird, welches den kleinsten Austrittsguerschnitt besitzt, gestattet es eine
einfache und wirksame Änderung der Geometrie des jeweils wirksamen Divergenzstücks zu verwirklichen.
Hierdurch wird die Entwicklung des Drucks in der Düse hinter dem Düsenhals bestimmt, wodurch sich wiederum
ehe Anpassung des Divergenzstücks der Düse an die Umgebungsbedingungen des Fluges erzielen lässt. Diese
Umgebungsbedingungen sind ihrerseits wieder variabel, sobald die von dem Triebwerk betriebene Rakete an Höhe gewinnt. Indem man nacheinander verschiedene wirksame Austrittsguerschnitte, die immer größer werden, benutzt, ist es möglich, ständig an der optimalen Anpassung zu bleiben, bei welcher der Austrittsdruck des Divergenzstücks gleich dem Umgebungsdruck ist.

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Im Falle eines doppelten DivergenzStücks 15 mit einem äußeren und einem einzigen inneren Divergenzstück 151 bzw. 152 (vgl. insbesondere Fig. 2 und 3) können die verschiedenen Parameter/ welche durch die nutzbare/ vom Hals der Düse 14 aus gemessene Länge h., h_, den Durchmesser r,, r₂ des Austrittsquerschnitts und den auf die Düsenachse bezogenen Austrittswinkel gebildet sind, so optimiert werden, daß sich eine maximale Adaptierung an die Umgebungsbedingungen in jeder Flugphase erzielen lässt. Diese Flugphasen sind zunächst durch eine Konfiguration bestimmt, in welcher das wirksame Divergenzstück von dem inneren Divergenzstück 15 2 mit kleinem Austrittsquerschnitt gebildet ist. Dieses Divergenzstück eignet sich für einen Flug bei geringer Höhe. Anschließend kommt diejenige Konfiguration ins Spiel, bei welcher das wirksame Divergenzstück von der. äußeren Divergenzstück 151 mit größerem Austrittsquerschnitt bestimmt ist. Dieses Divergenzstück ist für einen Flug bei großer Höhe geeignet, nachdem das kleine innere Divergenzstück 152 ausgestoßen ist. Der Augenblick der Ausstoßung des inneren Divergenzstücks 152, welcher den übergang von einer Flugphase in die andere bestimmt, wird natürlich so bestimmt, daß er einer vorgegebenen Flughöhe entspricht. Dabei trägt man dem betreffenden Gesetz Rechnung, welches die gewonnene Höhe in Abhängigkeit von der Zeit setzt.

Die Länge des inneren Divergenzstücks 152 kann so bestimmt werden, daß die nutzbare Höhe h₂ zwischen Düsenhals und Austrittsquerschnitt des inneren Divergenz-

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Stücks 152 deutlich kleiner als die nutzbare Höhe h, zwischen Düsenhals und Austrittsquerschnitt des äußeren Divergenzstücks 151 (Fig. 2 und 3) ist. Dennoch können bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung (Fig. 1) die wirksamen Längen h₂ und h, der Divergenzstücke 152 bzw. 151 "auch in der Weise identisch miteinander ausgebildet werden, daß die Austrittsquerschnitte der beiden Divergenzstücke 151 und 152 in derselben Ebene liegen.

Die Anordnung eines kleinen, ausstoßbaren inneren Divergenzstücks 152 im Inneren eines großen, ortsfesten äußeren Divergenzstücks 151 wird im einzelnen im Zusammenhang mit Fig. 2 bis 6 beschrieben, auf denen einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 1.

Das innere Divergenzstück 152 gemäß Fig. 2 und 3 wird an seiner Basis mit Hilfe von Verbindungsstücken 155 und 156 festgehalten, die durch Bolzen 158 zusammengehalten sind.. Das Stück 155 hat die Gestalt eines Ringes oder Kreisringes und ist in der Wand des inneren DivergenzStücks 152 verankert. Es erstreckt sich radial bis zur Innenwand des äußeren Divergenzstü ks 151 und verschließt den zwischen den Divergenzstücken 151 und 152 gelegenen Raum 18. In einer Aussparung kann eine Dichtung angeordnet werden, die eine Abdichtung zwischen dem Kranz 155 und der Wand des äußeren Divergenzstücks 151 sicherstellt. Ein oder mehrere

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Verbindungsstücke 156, die beispielsweise die Querschnittsform eines "Ζ" haben können, sind einerseits am Kranz 155 durch die Bolzen 158 befestigt und andererseits an der Basis des äußeren DivergenzStücks 151 mit Hilfe von Explosionsbolzen 19. Hierbei handelt es sich um Verbindungsmittel, denen pyrotechnische, zündbare Ladungen zugeordnet sind, die eine totale Ablösung der Teile 156 vom äußeren Divergenzstück 151 gestatten, sobald diese Ladungen gezündet sind.

Das kleine innere Divergenzstück 15 2, das nach unten in der beschriebenen Weise gehalten ist, ist an seinem oberen Teil einfach seitlich in das große, ortsfeste äußere Divergenzstück 151 eingepasst oder eingekeilt. Bei Abwesenheit eines auf dem kleinen Divergenzstück lastenden, äußeren Gegendrucks drückt die innere Druckverteilung im Innenraum 16 das innere Divergenzstück 152 nach oben. Um eine zuverlässige Ausstoßung des inneren Divergenzstücks 152 bei Ablösung der Explosivbolzen 19 zu ermöglichen, wird in den Raun 18 zwischen den beiden Divergenzstücken 151 und 152, der durch den mit dem inneren Divergenzstück 152 (vorzugsweise einstückig) verbundenen Kranz 155 verschlossen ist, ein Druck eingeleitet. Der in diesen Raum 18 durch die Druckausgleichsöffnungen 17 eingeleitete Gegendruck geht vom Innenraum 16 des kleinen Divergenzstücks 152 aus und wirkt gleichzeitig auf die Außenseite des inneren Divergenzstücks 152 und die Oberseite des Kranzes 155. Der in den Raum 18 einaeleitete

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Gegendruck wird über die Öffnungen 17 bei einem Niveau h der Wand des kleinen DivergenzStücks bezüglich des Halses der Düse 14 abgenommen, wo der Druck, der im Raum 16 nach unten hin wächst, ausreicht, um eine resultierende Kraft zu erzeugen, die nach unten gerichtet ist und auf die aus dem Divergenzstück 152 und dem Kranz 155 bestehende Einheit einwirkt. Beim Zerbrechen der Explosionsbolzen 19, welche die Verbindungsstücke 156, 155 des kleinen Divergenzstücks 152 festhalten, wird letzteres in sicherer Weise ausgestoßen. Die Verbindungsöffnungen 17, welche den Druck in den Raum 18 einleiten, können ausreichend groß ausgebildet werden, so daß Leckstellen im unteren Teil des Raumes 18 oder eintretendes Gas, welches durch die Spalten eintreten kann, die ihrerseits zwischen dem oberen Teil des inneren Divergenzstücks, der einen Anschlagrand aufweist, und der Innenwand des äußeren Divergenzstücks 151 vorliegen, vernachlässigbar sind. Eine Zerstörung der Dichtungen in den Aussparungen 15 7 an der Basis des Raumes 18 zwischen Kranz 155 und der Wand des äußeren Divergenzstückes 151 kann also ebensowenig wie eine Zerstörung der Dichtungen 21 (Fig. 4 bis 6) zwischen den oberen Teilen der Divergenzstücke 152 und 151 das gute Funktionieren der Anordnung nachteilig beeinflussen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ergab sich diejenige Schubkraft, welche auf die Verkeilung der Strahldrücke auf das kleine Divergenzstück zurückgeht, zu

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2,15 ΙΟ⁵ N (21,5 T). In diesem Wert ist die axial gerichtete Kraft des atmosphärischen Drucks auf die Kreisringscheibe 155 eingeschlossen.

Bei 3 Bar (absolut) Druck im Raum 18, die dadurch bestimmbar sind, daß man die öffnungen 17, welche den Raum 18 mit dem Düsenraum 16 in Verbindung setzen, in einer Entfernung h von der Ebene des Düsenhalses 14 (minimale Querschnittsfläche) anordnet, beträgt die nach unten ausgeübte Kraft 3,74 10 N, was 1,59 10⁵ N (15,9 T) für die Extraktionskraft übrig lässt, wodurch eine automatische Ablösung des inneren Divergenzstücks 152 nach dem Bruch der Bolzen 19 gewährleistet ist.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind am inneren Divergenzstück 152 oberhalb der öffnungen 17 Ablenkmittel 171 befestigt, die so angeordnet werden können, daß sie Abschirmungen vor den Löchern 17 bilden und ein Auftreffen zu heftiger Gasstrahlen auf die Wand des äußeren Divergenzstückes 151 vermeiden.

Was die Kühlung der Divergenzstücke 151, 152 anbelangt, so ist keinerlei Anpassung des allgemeinen Kühlsystems aufgrund des Flüssigkeitsfilms 2o erforderlich, um den Geometrie-Variationen des wirksamen Divergenzstücks Rechnung zu tragen. In der ersten Betriebsphase, im Verlauf welcher das innere Divergenzstück 152 die Schubkraft unter der Wirkung der Gase aus dem Raum 16 bestimmt, wobei diese Gase Druckkräfte auf die Innenwand

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des inneren Divergenzstückes 152 ausüben, breitet sich der dünne Flüssigkeitsfiliti 2o, der entlang den Wänden der Kammer Io und des Halses der Düse 14 vorliegt, entlang der inneren Wand des inneren Divergenzstücks 152 aus. In der zweiten Betriebsphase und nach Abstoßung des kleinen inneren Divergenzstücks 152 kann der Flüssigkeitsfilm 2o in klassischer Weise auf der Innenwand des äußeren Divergenzstücks 151 zirkulieren, welches allein zurückbleibt und zum wirksamen Divergenzstück wird, das seinerseits dem direkten Druck der Verbrennungsgase unterworfen ist.

Um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß das kleine innere Divergenzstück 15 2 im Innern des großen, ortsfesten äußeren DivergenzStücks 151 durch Abstrahlung nach außen relativ schlecht gekühlt ist, können zusätzliche Kühlmittel verwendet werden. Daher ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 der Raum 18 zwischen den beiden Divergenzstücken 151 und 152 mit einem Kühlmedium 181 gefüllt, das beispielsweise in einfacher Weise Wasser sein kann. Der erzeugte Dampf tritt durch die Druckausgleichsöffnungen 17 aus. Auf diese Weise ist ein zusätzlicher Schutz des inneren Divergenzstücks 152 durch einen Flüssigkeitsfilm rea isiert. Bei dieser Ausführungsform lässt sich die Rolle des Kühlmediums 181 noch verbessern, wenn der Wärmeaustausch aufgrund von Konvektion dank einer Zirkulation von Düsengasen im Medium 181 verstärkt wird. Dies lässt sich durch zusätzliche Öffnungen 17' verwirklichen,

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welche in der Wand des inneren Divergenzstücks 152 an einem Niveau h ausgebildet werden, welches mit Bezug auf den Hals der Düse 14 verhältnismäßig tief liegt, d.h. im unteren Teil des Raumes 18. Um ein Austreten von Kühlmedium zu verhindern, können diese Verbindungs· öffnungen 17' durch Rohre 172 mit der Dampftasche verbunden werden, die im oberen Teil des Raumes 18 liegt.

Das innere Divergenzstück 152 lässt sich aus einem feuerfesten, metallischen Material herstellen, wenn seine Betriebszeit nicht zu lange sein soll. Vorzugsweise besteht das innere Divergenzstück 152 jedoch aus einem zusammengesetzten, wärmeableitenden, nichtmetallischen Werkstoff, der eine gute mechanische Widerstandskraft besitzt. Ein solcher Werkstoff ist beispielsweise ein Gewebe aus Siliziumdioxyd-oder Kohlenstoffasern, welches mit Phenolharz imprägniert ist. Ein anderer geeigneter Werkstoff ist ein Kohlenstoff gewebe, welches mit Kohlenstoff imprägniert ist. Die Dicke des inneren Divergenzstückes sollte im übrigen relativ stark sein, um einen Widerstand gegenüber Knickkräften hervorzurufen, die an der Basis des Divergenzstückes aufgrund der Tatsache eingeführt werden, daß der externe Druck des Raumes 18, der für die Ausstoßung erforderlich ist, höher als der interne Druck des Raumes 16 ist. Das innere Divergenzstück 152 kann bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weiterhin auch mit Versteifungsplatten oder -ringen versehen werden, die einer Knickung des Divergenzstückes

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einen Widerstand entgegensetzen. Das äußere Divergenzstück 151 wird vorteilhafterweise aus einem feuerfesten, metallischen Werkstoff hergestellt.

Die Verbindung ai* der oberen Seite, d.h. am Auslaß des Halses der. Düse 14, zwischen dem kleinen Divergenzstück 152 und dem großen Divergenzstück 151 erfolgt, wie bereits angedeutet, ohne feste Verbindung durch einfache Einpassung oder Verkeilung des inneren Divergenzstücks 152 auf der Innenseite des äußeren DivergenzStücks 151. In den Figuren 4 bis 6 sind drei verschiedene Ausführungsformen für diese Verbindungsweise zwischen äußerem und innerem Divergenzstück 152 bzw. 151 dargestellt.

Die Figuren 4 und 5 zeigen den oberen Teil 15o des äußeren DivergenzStücks 151, welcher einen Abstützring für den Hals der Düse 14 bildet. Der Hals kann dabei aas einem anderen Werkstoff als das äußere Divergenzstück 151 hergestellt werden. Dieser obere Teil 15o umfasst eine Schulter l£l, die eine plötzliche Verbreiterung des äußeren Divergenzstücks 151 darstellt, in ihrer Breite jedoch begrenzt ist. Eine solche begrenzte Erweiterung beeinflusst nach der Ablösung des inneren DivergenzStücks 152 den Betrieb des äußer an DivergenzStückes nicht spürbar und ermöglicht es? daß sich der einen Anschlagrand bildende, obere Teil des inneren Divergenzstücks unter den Absatz 141 derart einfügt, daß zwischen dem oberen Teil 15o des äußeren Divergenzstücks 151 und dem Anschlagrand des inneren DivergenzStücks 152 nur eine sehr begrenzte Diskon-

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tinuität vorliegt, und zwar trotz der Dicke, die dieser Anschlagrand aufweisen muß, um dem Fluß der heißen Gase aus der Düse zu widerstehen.

Die Fig. 4 zeigt ein inneres Divergenzstück 152, das aus einem einheitlichen, nicht-metallischen Material besteht, beispielsweise aus einem Siliziumdioxyd- oder Kohlenstoffgewebe, welches mit Kunstharz imprägniert i st. Die Fig. 5 zeigt hingegen ein inneres Divergenzstück 152, dessen größter Teil ebenfalls aus einem nicht-metallischen Material der oben erwähnten Art besteht. Dieses Divergenzstück umfasst jedoch außerdem einen Anschlagrand, der von einem Einsatz 154 gebildet wird. Dieser Anschlagrand besteht aus einem anderen Material als der Hauptteil des inneren Divergenzstücks 152, beispielsweise aus einem feuerfesten Metallwerkstoff. Um im letzteren Fall den verschiedenen Wärmedehnungskoeffizienten der Materialien Rechnung zu tragen, die einerseits den Hauptteil des Divergenzstücks 152 und andererseits den Einsatz 15 4 mit dem Anschlagrand bilden, empfiehlt es sich, am Anschlagrand eine stark progressive Dickenentwicklung vorzusehen.

Die Fig. -6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbindung der oberen Teile der beiden Divergenzstücke 152 und 151. In diesem Falle weist das äußere Divergenzstück 151 keinerlei Diskontinuität, Absatz oder Vorsprung auf, wodurch die progressive Entwicklung des Querschnitts dieses Divergenzstücks beeinflusst werden könnte. Auf diese Weise ist eine optimale Betriebsweise

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der Brennkammer loo in der zweiten Flugphase nach Ausstoßung des inneren DivergenzStücks 152 gewährleistet. Bei dieser Ausführungsform bildet das innere Divergenzstück 152, welches nötigenfalls einen Einsatz mit Anschlagranu aus einem anderen Werkstoff wie der übrige Körper des DivergenzStücks 152 aufweisen kann, einen kleinen Vorsprung 1^-2 für das Ausströmen der Gase, die aus dem Hals der Düse 14 stammen und zum Raum 16 hin gerichtet sind, und zwar während der ersten Flugphase, in welcher das innere Divergenzstück 152 das wirksame oder aktive Divergenzstück ist.

Die Auswahl der einzelnen Varianten gemäß Fig. 4, 5 oder 6 kann insbesondere von der relativen Bedeutung abhängen, welche den beiden Flugphasen gegeben wird.

Allgemein führt die Ausbildung der Brennkammern gemäß der Erfindung außer zu einem Leistungsgewinn bei der überführung in eine Umlaufbahn aufgrund der besseren Anpassung an sich verändernde Umgebungsbedingungen auch zu einer Verminderung der thermischen Beanspruchungen, welchen die beiden Divergenzstücke 151 und unterworfen sind, weil die Dauer des aktiven Betriebes im Vergleich mit Systemen mit einem einzigen, gejebenenfalls auffaltbaren Divergenzstück vermindert ist.

Im übrigen ist die erfindungsgemäße Verwirklichung der Ausstoßanordnung besonders einfach und die verschiedenen, miteinander verschachtelten Divergenzstücke, die

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Divergenz stücke, die mehrere, -unterschiedliche Betriebsphasen gewährleisten, in gleicher Weise eine sanftere Zündung und Verbrennung.

Die voranstellend* Beschreibung bezieht sich insbesondere auf solche Ausführungsformen, bei denen doppelte Divergenzstücke Verwendung finden. Das erfindungsgemäße Konzept bleibt natürlich auch für beispielsweise dreifache Divergenzstücke ähnlich. Im letzteren Fall besteht der Unterschied im wesentlichen in der Anwendung von geeigneten Verbindungsmitteln an jedem inneren Divergenzstück, wobei diese Verbindungsmittel die einzelnen Divergenzstücke individuell miteinander verbinden, und zwar sowohl mit dem unmittelbar benachbarten, einen größeren Querschnitt aufweisenden Verbindungsstück als auch direkt mit dem ortsfesten, am weitesten außen gelegenen Divergenzstück. Die Verbindung der Divergenzstücke wird dabei so vorgenommen, daß der Bruch der richtigen Verbindungsmittel an jedem inneren Divergenzstück sich in individueller Weise im Rahmen einer wohl bestimmten Abfolge vollziehen kann. Diese Abfolge umfasst zwei aufeinanderfolgende Brüche der Verbindungsmittel eines ersten inneren DivergenzStückes und hierauf eines zweiten inneren Divergenzstückes. Dabei vollzieht sich jedesmal eine Ausstoßung des betreffenden inneren D.,_vergenzstückes, und man erhält auf diese Weise im Falle eines dreifachen Divergenzstückes drei Betriebsphasen. Der Vorgang ist der gleiche bei η aufeinanderfolgender. Brüchen, an die sich η Ausstoßungen anschließen, um auf diese Weise η + 1 Betriebsweisen im Falle eines

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mehrfachen DivergenzStückes mit η elementaren Divergenzstücken zu definieren. In all diesen Fällen sind die Verbindungsmittel am unteren Teil der elementaren Divergenzstücke vorgesehen, während die oberen Teile dieser elementaren Divergenzstücke gegeneinander verkeilt bleiben.

Claims

HOEGER₁ STELLRECHt-<& F?ARTrNEFi ) nachqereicht

PATENTANWÄLT
UHLANDSTRASSE McD 70O0 STUTTGART 1

A 45 139 m Anmelder: SOCIETE EUROPEENNE DE m - 176 PROPULSION

5. April 198 2 3, Avenue du General de Gaulle

F-928OO Puteaux

Patentansprüche

Brennkammer für Raketentriebwerk mit mehrfachem Divergenzstück bestehend aus einem Verbrennungsraum, in den Treibstoffe einführbar sind, aus einer Düse für den Auslaß der im Verbrennungsraum erzeugten Gase, aus einem äußeren Divergenzstück der Düse und aus wenigstens einem inneren Divergenzstück, dessen Austrittsquerschnitt kleiner als diejenige des äußeren Divergenzstücks ist, wobei das innere Divergenzstück in das äußere Divergenzstück eingepasst und mit diesem durch Verbindungsmittel und zerstörbare Befestigungsmittel derart verbunden ist, daß eine Trennung und Ablösung des inneren Divergenzstücks zu einem Zeitpunkt möglich ist, der seinerseits von der bei Erreichen einer bestimmten Steighöhe des Triebwerks vorherrschenden Funktionsweise der Verbrennungskammer abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die das Innere Divergenzstück (152) in seiner Position im Inneren des äußeren Divergenzstücks (151) haltenden Verbindungsmittel (15 3, 155, 156, 158) einerseits am unteren Teil des inneren DivergenzStücks (152) und anderer-

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seits am unteren Teil des äußeren DivergenzStücks (151) angreifen, daß der obere Teil des inneren Divergenzstücks (152) am Ausgang des Düsenhalses seitlich gegen den oberen Teil des äußeren Divergenzstücks (151) verkeilt ist, und daß im inneren Divergenzstück (152) Druckausgleichsöffnungen (17) ausgespart sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Divergenzstücken (151, 152) gelegene Raum durch einen Kranz (153, 155) verschlossen ist, der mit dem unteren Teil des inneren DivergenzStücks (15 2) verbunden ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (19) zur wahlweisen Zerstörung der Verbindungsmittel, die das innere Divergenzstück (152) mit dem äußeren Divergenzstück (151) verbinden, aus pyrotechnischen Ladungen bestehen, die auf die Basis des äußeren DivergenzStücks einwirken.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsöffnungen (7o) derart angeordnet sind, daß sie im Raum (18) zwischen den Divergenzstücken (151, 152) einen Druck von etwa 3 Bar erzeugen.

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5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Divergenzstück (152) in der Nähe der Druckausgleichsöffnungen Ablenkmittel (171) angeordnet sind, welche die Aus-' breitung von Gasstrahlen gegen das äußere Divergenzstück (151) begrenzen.

6. Brennkammer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Divergenzstücken (151, 152) mit einem Kühlmedium angefüllt ist.

7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil des inneren Divergenzstückes zusätzliche Öffnungen (17') ausgespart und durch Rohre (172) verlängert sind, die im

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Raum (18) angeordnet,und im oberen Teil des Raumes (18) oberhalb des Kühlmediums austreten.

8. Brennkammer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem inneren Divergenzstück (152) Versteifungsplatten zugeordnet sind.

9. Brennkammer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Kühlung der Wände der Brennkammer in Form eines Flüssigkeitsfilms (2o) vorgesehen sind, der entlang der Innenwand der Kammer nach unten zirkuliert.

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10. Brennkammer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungszone des inneren Divergenzstückes (152) mit dem äußeren Divergenzstück (151) am Ausgang des Düsenhalses das äußere Divergenzstück (151) an seinem unteren Abstützteil für den Düsenhals einen Absatz (141) aufweist, der eine plötzliche und begrenzte Erweiterung des Querschnitts des äußeren DivergenzStücks (151) bildet, und daß das obere Ende des inneren DivergenzStücks (152) einen Anschlagsrand bildet und unter dem Absatz (141) eingepasst ist.

11. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungszone des inneren DivergenzStücks (152) mit den äußeren Divergenzstück (151) am Ausgang des Düsenhalses das äußere Divergenzstück (151) keinerlei Diskontinuität aufweist, während das obere Ende des inneren Divergenzstücks, welches einen Anschlagrand bildet, zur Anlage an der Wand des äußeren Divergenzstücks (151) gelangt und eine plötzliche und begrenzte Einschnürung des Querschnitts des Divergenzstücks bildet, das vom oberen Teil (15o) des äußeren Divergenzstücks (151) gebildet ist, wobei das äußere Divergenzstück eine Abstützung für den Düsenhals und für das innere Divergenzstück (152) bildet.

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12. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Divergenzstück (152) aus einem zusammengesetzten, nicht metallischen Material besteht.

13. Brennkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Divergenzstück (152) an seinem oberen Teil, der einen Anschlagrand bildet, einen Einsatz aus einem feuerfesten, metallischen Material umfasst.

14. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Divergenzstück (152) vollständig aus einem feuerfesten, metallischen Material besteht.