DE3213161C2 - - Google Patents
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für ein Raketentrieb
werk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Brennkammer dieser Art ist aus der US-PS 30 79 752 bekannt.
Dabei ist die Geometrie des Divergenzstückes, welches den Halt
der Düse verlängert, variabel, um auf diese Weise eine Anpas
sung des Divergenzstückes an unterschiedliche Umgebungsbedin
gungen während des Fluges der Rakete zu realisieren. Eine opti
male 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 ent
spricht, ständig in dem Maße, wie die Rakete an Steighöhe ge
winnt. Um eine Anpassung des Ausgangsdruckes am Divergenzstück
an den Umgebungsdruck zu erhalten, ist es also erforderlich,
den Auslaßquerschnitt des Divergenzstückes zu vergrößern, wenn
sich der Umgebungsdruck verringert.
Bei der bekannten Brennkammer sind mehrere konzentrische Diver
genzstücke mit unterschiedlichen Querschnitten ineinander ein
gesetzt und mit demselben Düsenhals verbunden, so daß sich ein
mehrfaches Divergenzstück ergibt. Das oder die inneren Diver
genzstücke, die im Inneren eines äußeren Divergenzstückes ange
ordnet 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 klein
sten Auslaßquerschnitt hat. Die Ablösung der Divergenzstücke er
folgt zu vorgegebenen Zeitpunkten, um auf diese Weise den Aus
trittsquerschnitt 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, beispielsweise durch Klebung, im Bereich des Dü
senhalses verbunden sind, macht ihre Ablösung zu einem delika
ten Vorgang. Der Ausstoß des inneren Divergenzstückes ist häu
fig deswegen problematisch, weil die Druckkräfte, welche auf
das innere Divergenzstück einwirken, die Tendenz haben, das in
nere Divergenzstück gegen den Düsenhals zu drücken und es somit
am Platze festzuhalten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den geschilderten Mängeln abzu
helfen und eine gattungsgemäße Brennkammer derart mit einem in
neren Divergenzstück auszurüsten, daß es zur Anpassung an Ände
rungen des Umgebungsdrucks leicht und sicher vom äußeren Diver
genzstück ablösbar ist, und zwar auch dann, wenn Druckänderun
gen von beträchtlicher Größe vorliegen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Diese Ausbildung und Anordnung erleichtert den Ausstoß
des inneren Divergenzstückes ganz erheblich.
Die Mittel zur wahlweisen Zerstörung der Verbindungs
mittel, die das innere Divergenzstück am äußeren Di
vergenzstück halten, bestehen vorteilhafterweise aus
einfachen pyrotechnischen Ladungen, die auf die Basis
des äußeren Divergenzstücks einwirken. Sobald die Lö
sung 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 Diver
genzstück durch ein kranzartiges Ringstück verschlos
sen, welches mit dem unteren Teil des inneren Diver
genzstücks verbunden ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Druckausgleichsöffnungen so angeordnet, daß sie
im Raum zwischen dem inneren und äußeren Divergenz
stück 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 Di
vergenzstück zu begrenzen.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, den zwischen dem
inneren und äußeren Divergenzstück gelegenen Raum
mit einem Kühlmedium zu füllen.
Um die Risiken einer Knickung des inneren Divergenz
stücks herabzusetzen, können diesem Versteifungsschei
ben zugeordnet werden.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Brenn
kammern, bei denen die Kühlmittel für die Wände der
Kammer aus einem Flüssigkeitsfilm bestehen, der ent
lang der Innenwände der Brennkammer, der Düse und so
mit auch entlang dem Divergenzstück dieser Düse nach
unten zirkuliert. In diesem Fall erfordert die erfin
dungsgemäße Anwendung eines mehrfachen Divergenzstückes
keine besondere Anpassung des Kühlsystems an die ver
schiedenen Formen des Divergenzstückes, die ihrerseits
durch die Gestalt des jeweils inneren oder des äuße
ren Divergenzstücks bestimmt sind.
Die Verkeilung oder Einpassung des oberen Teils eines
inneren Divergenzstücks im Bereich des oberen Teils
des äußeren Divergenzstücks kann auf mehrere, ver
schiedene Arten verwirklicht werden.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vor
gesehen, daß in der Verbindungszone des inneren Diver
genzstückes mit dem äußeren Divergenzstück am Ausgang
des Düsenhalses das äußere Divergenzstück an seinem
unteren Abstützteil für den Düsenhals einen Absatz auf
weist, der eine plötzliche und begrenzte Erweiterung
des Querschnitts des äußeren Divergenzstücks bildet,
und daß das obere Ende des inneren Divergenzstücks
einen Anschlagrand bildet und unter dem Absatz ein
gepaßt ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vor
gesehen, daß in der Verbindungszone des inneren Diver
genzstücks 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 Divergenz
stücks gelangt und eine plötzliche und begrenzte Ein
schnürung des Querschnitts des Divergenzstücks bildet,
das vom oberen Teil des äußeren Divergenzstücks ge
bildet ist, wobei das äußere Divergenzstück eine Ab
stützung für den Düsenhals und für das innere Diver
genzstück bildet.
Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungs
formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit bei
liegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es
zeigt
Fig. 1 eine schematische Axialschnittansicht
einer Raketen-Brennkammer;
Fig. 2 und Fig. 3 axiale Halbschnittansichten zweier Aus
führungsformen einer Raketen-Brennkammer
mit doppeltem Divergenzstück;
Fig. 4 bis Fig. 6 Einzelansichten im Axialschnitt
mit einer Darstellung der Verbindung
der oberen Teile eines inneren und
eines äußeren Divergenzstückes.
Die Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Ra
ketenmotor 100, beispielsweise entsprechend der Viking-
Bauart mit einer Brennkammer 10, in die durch Ein
spritzvorrichtungen 110, 120 Treibstoffe eingeführt
werden, welcher über Speiseleitungen 11, 12 zugeführt
werden. Bei den Treibstoffen kann es sich beispielswei
se um einen Sauerstoffträger und einen nicht-kryogenen Brenn
stoff handeln, beispielsweise um Wasserstoffperoxyd und
UDMH. Die in der Brennkammer 10 stattfindende Verbren
nung 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 Druckent
wicklung der Verbrennungsgase im Innern der Düse und
die Flächenschubkraft, wodurch wiederum die Leistung
des Raketenmotors bestimmt ist. Die Kühlung der Brenn
kammer 10 des Motors 100 und der Düse 14 zusammen mit
dem divergierenden Teil oder Divergenzstück 15 er
folgt durch die Zirkulation eines dünnen Flüssigkeits
filmes 20 entlang den Innenwänden der Brennkammer 10.
Der Flüssigkeitsfilm 20 kann in einfacher Weise durch
einen Teil der Brennflüssigkeit gebildet sein, welcher
durch zusätzliche Einspritzeinrichtungen 121 eingeführt
wird, die ihrerseits zur Wand der Brennkammer 10 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 Brenn
kammer oder anderer Einrichtungen erfordert, die geeig
net sein könnten, die Motorkonstruktion zu komplizie
ren und weniger leicht anpaßbar zu machen.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht das Divergenzstück
15 nicht aus einem einzigen Teil wie bei den klassi
schen 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 Geomtrie von derjenigen des äußeren Divergenz
stück 151 verschieden ist. Außerdem besitzt das inne
re Divergenzstück einen kleineren Austrittsquerschnitt,
der durch einen Radius r2 bestimmt ist. Dieser Radius
r2 ist kleiner als der Radius r1 des Austrittsquer
schnitts des äußeren Divergenzstücks 151. Das innere
Divergenzstück 152 ist durch einen Ring oder Kranz 153,
der wie ein Flansch mit dem unteren Teil des inneren
Divergenzstücks einstückig ist, mit dem unteren Teil
des äußeren Divergenzstücks 151 verbunden. Ablösemit
tel, insbesondere in Form von Explosivbolzen 19 ermög
lichen es dennoch, in einem vorgegebenen Augenblick ei
ne Lösung der Verbindung des inneren Divergenzstücks
152 vom äußeren Divergenzstück hervorrufen. Auf die
se Weise läßt sich die Ausstoßung des inneren Diver
genzstücks 152 in dem Maße erzielen, in dem Druckaus
gleichsöffnungen 17, welche in der Wand des inneren
Divergenzstücks 152 ausgespart sind, die Ausübung ei
nes Druckes im Raum 18 zwischen den Divergenzstücken
151 und 152 sowie eines Gegendrucks auf die Außensei
te des inneren Divergenzstückes 152 ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Anordnung mehrerer Divergenz
stücke 152, 151 mit jeweils wachsendem Austrittsquer
schnitt, welche ineinander eingesetzt sind und Mittel
aufweisen, die ein nacheinander erfolgendes Ausstoßen
der jeweils innen liegenden Divergenzstücke zu vorge
gebenen Zeitpunkten ermöglichen, wobei mit dem inner
sten Divergenzstück begonnen wird, welches den klein
sten Austrittsquerschnitt besitzt, gestattet es eine
einfache und wirksame Änderung der Geometrie des je
weils wirksamen Divergenzstücks zu verwirklichen.
Hierdurch wird die Entwicklung des Drucks in der Düse
hinter dem Düsenhals bestimmt, wodurch sich wiederum
eine Anpassung des Divergenzstücks der Düse an die Um
gebungsbedingungen 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
Austrittsquerschnitte, die immer größer werden, benutzt,
ist es möglich, ständig an der optimalen Anpassung zu
bleiben, bei welcher der Austrittsdruck des Divergenz
stücks gleich dem Umgebungsdruck ist.
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 h1, h2, den
Durchmesser r1, 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 Flug
phase erzielen läßt. Diese Flugphasen sind zunächst
durch eine Konfiguration bestimmt, in welcher das wirk
same Divergenzstück von dem inneren Divergenzstück 152
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 dem
äußeren Divergenzstück 151 mit größeren Austrittsquer
schnitt bestimmt ist. Dieses Divergenzstück ist für
einen Flug bei großer Höhe geeignet, nachdem das kleine
innere Divergenzstück 152 ausgestoßen ist. Der Augen
blick der Ausstoßung des inneren Divergenzstücks 152,
welcher den Übergang von einer Flugphase in die andere
bestimmt, wird natürlich so bestimmt, daß er einer vor
gegebenen Flughöhe entspricht. Dabei trägt man dem be
treffenden Gesetz Rechnung, welches die gewonnene Höhe
in Abhängigkeit von der Zeit setzt.
Die Länge des inneren Divergenzstücks 152 kann so be
stimmt werden, daß die nutzbare Höhe h2 zwischen Düsen
hals und Austrittsquerschnitt des inneren Divergenz
stücks 152 deutlich kleiner als die nutzbare Höhe h1
zwischen Düsenhals und Austrittsquerschnitt des äuße
ren Divergenzstücks 151 (Fig. 2 und 3) ist. Dennoch
können bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung
(Fig. 1) die wirksamen Längen h2 und h1 die Divergenz
stücke 152 bzw. 151 auch in der Weise identisch mit
einander ausgebildet werden, daß die Austrittsquer
schnitte der beiden Divergenzstücke 151 und 152 in der
selben Ebene liegen.
Die Anordnung eines kleinen, ausstoßbaren inneren Di
vergenzstücks 152 im Inneren eines großen, ortsfesten
äußeren Divergenzstücks 151 wird im einzelnen im Zusam
menhang mit Fig. 2 bis 6 beschrieben, auf denen einan
der 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 zusammen
gehalten sind. Das Stück 155 hat die Gestalt eines
Ringes oder Kreisringes und ist in der Wand des inne
ren Divergenzstücks 152 verankert. Es erstreckt sich
radial bis zur Innenwand des äußeren Divergenzstücks
151 und verschließt den zwischen den Divergenzstücken
151 und 152 gelegenen Raum 18. In einer Aussparung 157
kann eine Dichtung angeordnet werden, die eine Abdich
tung zwischen dem Kranz 155 und der Wand des äußeren
Divergenzstücks 151 sicherstellt. Ein oder mehrere
Verbindungsstücke 156, die beispielsweise die Quer
schnittsform eines "Z" haben können, sind einerseits
am Kranz 155 durch die Bolzen 158 befestigt und an
dererseits an der Basis des äußeren Divergenzstücks
151 mit Hilfe von Explosionsbolzen 19. Hierbei han
delt es sich um Verbindungsmittel, denen pyrotechni
sche, zündbare Ladungen zugeordnet sind, die eine to
tale Ablösung der Teile 156 vom äußeren Divergenzstück
151 gestatten, sobald diese Ladungen gezündet sind.
Das kleine innere Divergenzstück 152, das nach unten
in der beschriebenen Weise gehalten ist, ist an sei
nem oberen Teil einfach seitlich in das große, orts
feste äußere Divergenzstück 151 eingepaßt oder einge
keilt. Bei Abwesenheit eines auf dem kleinen Divergenz
stück lastenden, äußeren Gegendrucks drückt die innere
Druckverteilung im Innenraum 16 das innere Divergenz
stück 152 nach oben. Um eine zuverlässige Ausstoßung
des inneren Divergenzstücks 152 bei Ablösung der Ex
plosivbolzen 19 zu ermöglichen, wird in den Raum 18
zwischen den beiden Divergenzstücken 151 und 152, der
durch den mit dem inneren Divergenzstück 152 (vorzugs
weise 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 Diver
genzstückes 152 aus und wirkt gleichzeitig auf die Au
ßenseite des inneren Divergenzstücks 152 und die Ober
seite des Kranzes 155. Der in den Raum 18 eingeleitete
Gegendruck wird über die Öffnungen 17 bei einem Niveau
ho 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 re
sultierende Kraft zu erzeugen, die nach unten gerich
tet 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 Ver
bindungsöffnungen 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 in
neren Divergenzstücks, der einen Anschlagrand aufweist,
und der Innenwand des äußeren Divergenzstücks 151 vor
liegen, vernachlässigbar sind. Eine Zerstörung der
Dichtungen in den Aussparungen 157 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 beeinflus
sen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ergab sich die
jenige Schubkraft, welche auf die Verkeilung der Strahl
drücke auf das kleine Divergenzstück zurückgeht, zu
2,15 105 N (21,5 T). In diesem Wert ist die axial ge
richtete Kraft des atmosphärischen Drucks auf die
Kreisringscheibe 155 eingeschlossen.
Bei 3 Bar (absolut) Druck im Raum 18, die dadurch be
stimmbar sind, daß man die Öffnungen 17, welche den
Raum 18 mit dem Düsenraum 16 in Verbindung setzen,
in einer Entfernung ho von der Ebene des Düsenhalses
14 (minimale Querschnittsfläche) angeordnet, beträgt
die nach unten ausgeübte Kraft 3,74 105 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 ge
währleistet ist.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind am inneren Divergenz
stück 152 oberhalb der Öffnungen 17 Ablenkmittel 171
befestigt, die so angeordnet werden können, daß sie
Abschirmungen vor den Löchern 17 bilden und ein Auf
treffen zu heftiger Gasstrahlen auf die Wand des äuße
ren Divergenzstückes 151 vermeiden.
Was die Kühlung der Divergenzstücke 151, 152 anbelangt,
so ist keinerlei Anpassung des allgemeinen Kühlsystems
aufgrund des Flüssigkeitsfilms 20 erforderlich, um den
Geometrie-Variationen des wirksamen Divergenzstücks
Rechnung zu tragen. In der ersten Betriebsphase, im Ver
lauf welcher das innere Divergenzstück 152 die Schub
kraft
unter der Wirkung der Gase aus dem Raum 16 be
stimmt, wobei diese Gase Druckkräfte auf die Innenwand
des inneren Divergenzstückes 152 ausüben, breitet sich
der dünne Flüssigkeitsfilm 20, der entlang den Wänden
der Kammer 10 und des Halses der Düse 14 vorliegt,
entlang der inneren Wand des inneren Divergenzstücks
152 aus. In der zweiten Betriebsphase und nach Absto
ßung des kleinen inneren Divergenzstücks 152 kann der
Flüssigkeitsfilm 20 in klassischer Weise auf der Innen
wand des äußeren Divergenzstückes 151 zirkulieren, wel
ches allein zurückbleibt und zum wirksamen Divergenz
stück wird, das seinerseits dem direkten Druck der
Verbrennungsgase unterworfen ist.
Um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß das kleine
innere Divergenzstück 152 im Innern des großen, orts
festen äußeren Divergenzstücks 151 durch Abstrahlung
nach außen relativ schlecht gekühlt ist, können zu
sätzliche 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 einfa
cher Weise Wasser sein kann. Der erzeugte Dampf tritt
durch die Druckausgleichsöffnungen 17 aus. Auf diese
Weise ist ein zusätzlicher Schutz des inneren Diver
genzstücks 152 durch einen Flüssigkeitsfilm realisiert.
Bei dieser Ausführungsform läßt sich die Rolle des
Kühlmediums 181 noch verbessern, wenn der Wärmeaus
tausch aufgrund von Konvektion dank einer Zirkulation
von Düsengasen im Medium 181 verstärkt wird. Dies läßt
sich durch zusätzliche Öffnungen 17′ verwirklichen,
welche in der Wand des inneren Divergenzstücks 152 an
einem Niveau ho 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 ver
bunden 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. Vorzugs
weise besteht das innere Divergenzstück 152 jedoch aus
einem zusammengesetzten, wärmeableitenden, nicht-
metallischen 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 Kohlen
stoffgewebe, welches mit Kohlenstoff imprägniert ist.
Die Dicke des inneren Divergenzstückes sollte im übri
gen relativ stark sein, um einen Widerstand gegenüber
Knickkräften hervorzurufen, die an der Basis des Diver
genzstückes aufgrund der Tatsache eingeführt werden,
daß der externe Druck des Raumes 18, der für die Aus
stoßung erforderlich ist, höher als der interne Druck
des Raumes 16 ist. Das innere Divergenzstück 152 kann
bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wei
terhin auch mit Versteifungsplatten oder -ringen ver
sehen werden, die einer Knickung des Divergenzstückes
einen Widerstand entgegensetzen. Das äußere Divergenz
stück 151 wird vorteilhafterweise aus einem feuerfesten,
metallischen Werkstoff hergestellt.
Die Verbindung an der oberen Seite, d. h. am Auslaß des
Halses der Düse 14, zwischen dem kleinen Divergenzstück
152 und dem großen Divergenzstück 151 erfolgt, wie be
reits angedeutet, ohne feste Verbindung durch einfache
Einpassung oder Verkeilung des inneren Divergenzstücks
152 auf der Innenseite des äußeren Divergenzstücks 151.
In den Fig. 4 bis 6 sind drei verschiedene Ausführungs
formen für diese Verbindungsweise zwischen äußerem und
innerem Divergenzstück 152 bzw. 151 dargestellt.
Die Fig. 4 und 5 zeigen den oberen Teil 150 des äu
ßeren Divergenzstücks 151, welcher einen Abstützring
für den Hals der Düse 14 bildet. Der Hals kann dabei
aus einem anderen Werkstoff als das äußere Divergenz
stück 151 hergestellt werden. Dieser obere Teil 150
umfaßt eine Schulter 141, die eine plötzliche Ver
breiterung des äußeren Divergenzstücks 151 darstellt,
in ihrer Breite jedoch begrenzt ist. Eine solche be
grenzte Erweiterung beeinflußt nach der Ablösung des
inneren Divergenzstücks 152 den Betrieb des äußeren
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 150 des äußeren
Divergenzstücks 151 und dem Anschlagrand des inneren
Divergezstücks 152 nur eine sehr begrenzte Diskon
tinuität vorliegt, und zwar trotz der Dicke, die die
ser 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
ist. Die Fig. 5 zeigt hingegen ein inneres Divergenz
stück 152, dessen größter Teil ebenfalls aus einem
nicht-metallischen Material der obenerwähnten 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 Metallwerk
stoff. Um im letzteren Fall den verschiedenen Wärme
dehnungskoeffizienten der Materialien Rechnung zu tra
gen, die einerseits den Hauptteil des Divergenzstücks
152 und andererseits den Einsatz 154 mit dem Anschlag
rand bilden, empfiehlt es sich, am Anschlagrand
eine stark progressive Dickenentwicklung vorzusehen.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Ver
bindung der oberen Teile der beiden Divergenzstücke
152 und 151. In diesem Falle weist das äußere Diver
genzstück 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
der Brennkammer 100 in der zweiten Flugphase nach Aus
stoßung des inneren Divergenzstücks 152 gewährleistet.
Bei dieser Ausführungsform bildet das innere Diver
genzstück 152, welches nötigenfalls einen Einsatz 154
mit Anschlagrand aus einem anderen Werkstoff wie der
übrige Körper des Divergenzstücks 152 aufweisen kann,
einen kleinen Vorsprung 142 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 Flug
phase, 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 Beanspru
chungen, welche die beiden Divergenzstücke 151 und 152
unterworfen sind, weil die Dauer des aktiven Betriebes
im Vergleich mit Systemen mit einem einzigen, gegebenen
falls auffaltbaren Divergenzstück vermindert ist.
Im übrigen ist die erfindungsgemäße Verwirklichung der
Ausstoßanordnung besonders einfach und die verschiede
nen, miteinander verschachtelten Divergenzstücke, die
nacheinander in Betrieb genommen werden, erfordern kei
ne besondere Anpassung. So kann jedes der elementaren
Divergenzstücke 151, 152 des mehrfachen Divergenz
stückes 15 in einfacher Weise aus einem Divergenz
stück gebildet werden, dessen Profil im Rahmen einer
Brennkammer mit einzigem Divergenzstück eingestellt
wurde. Die bausteinartige Betriebsweise, gemäß welcher
man sukzessive Substitutionen einer Reihe von elemen
taren Divergenzstücken vornimmt, die ineinander und
koaxial zueinander verschachtelt sind, ermöglicht
in der Tat in jeder Etappe, wobei das aktive Divergenz
stück in Betrieb ist, welches das innerste Divergenz
stück ist, eine Betriebsweise, die durch das alleinige
Profil dieses aktiven Divergenzstücks bestimmt ist, wel
ches so betrachtet ist, als sei es allein vorhanden.
Die Einstellung oder Justierung ist somit stark er
leichtert im Vergleich zu Anordnungen, in denen man
eine progressive, nicht stufenhafte Veränderung der Geo
metrie eines Divergenzstücks vornahm.
Es ist ferner beispielsweise erkennbar, daß bei dem
gleichen Raketenabschuß der Leistungsgewinn, welcher
durch das Vorhandensein eines doppelten Divergenz
stückes anstatt eines einfachen Divergenzstücks mit
optimiertem Profil erzielbar ist, bis zu 100 kg in
eine Umlaufbahn überführbarer Nutzlast ansteigen kann.
Dieser Nutzlastgewinn ist demjenigen äquivalent, der
sich durch eine Steigerung in der Größenordnung von
mehreren Bar des Drucks in der Brennkammer erzielen
läßt. Außerdem erlaubt die Verwendung mehrfacher
Divergenzstücke, die mehrere, unterschiedliche Betriebs
phasen gewährleisten, in gleicher Weise eine sanftere
Zündung und Verbrennung.
Die voranstehende Beschreibung bezieht sich insbesondere
auf solche Ausführungsformen, bei denen doppelte Diver
genzstücke Verwendung finden. Das erfindungsgemäße Kon
zept bleibt natürlich auch für beispielsweise dreifache
Divergenzstücke ähnlich. Im letzteren Fall besteht der
Unterschied im wesentlichen in der Anwendung von geeig
neten Verbindungsmitteln an jedem inneren Divergenzstück,
wobei diese Verbindungsmittel die einzelnen Divergenz
stücke individuell miteinander verbinden, und zwar so
wohl mit dem unmittelbar benachbarten, einen größeren
Querschnitt aufweisenden Verbindungsstück als auch direkt
mit dem ortsfesten, am weitesten außen gelegenen Diver
genzstück. Die Verbindung der Divergenzstücke wird da
bei so vorgenommen, daß der Bruch der richtigen Ver
bindungsmittel an jedem inneren Divergenzstück sich in
individueller Weise im Rahmen einer wohl bestimmten Ab
folge vollziehen kann. Diese Abfolge umfaßt zwei auf
einanderfolgende Brüche der Verbindungsmittel eines
ersten inneren Divergenzstückes und hierauf eines zwei
ten inneren Divergenzstückes. Dabei vollzieht sich je
desmal eine Ausstoßung des betreffenden inneren Diver
genzstückes, und man erhält auf diese Weise im Falle
eines dreifachen Divergenzstückes drei Betriebsphasen.
Der Vorgang ist der gleiche bein aufeinanderfolgenden
Brüchen, an die sich n Ausstoßungen anschließen, um
auf diese Weise n + 1 Betriebsweisen im Falle eines
mehrfachen Divergenzstückes mit n elementaren Diver
genzstücken zu definieren. In all diesen Fällen sind
die Verbindungsmittel am unteren Teil der elementaren
Divergenzstücke vorgesehen, während die oberen Teile
dieser elementaren Divergenzstücke gegeneinander ver
keilt bleiben.
Claims (14)
1. Brennkammer für Raketentriebwerk mit mehrfachem Divergenz
stück bestehend aus einem Verbrennungsraum, in den Treib
stoffe 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
derjenige des inneren Divergenzstücks ist, wobei das inne
re Divergenzstück in das äußere Divergenzstück eingepaßt
und mit diesem durch Verbindungsmittel und zerstörbare
Befestigungsmittel lösbar verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die das innere Divergenzstück (152) in seiner Position im
Inneren des äußeren Divergenzstücks (151) haltenden Ver
bindungsmittel (153, 155, 156, 158) einerseits am unteren
Teil des inneren Divergenzstücks (152) und anderer
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 Diver
genzstücks (151) verkeilt ist, und daß im inneren
Divergenzstück (152) Druckausgleichsöffnungen (17)
ausgespart sind.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der zwischen den Divergenzstücken (151,
152) gelegene Raum durch einen Kranz (153, 155)
verschlossen ist, der mit dem unteren Teil des
inneren Divergenzstücks (152) verbunden ist.
3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Mittel (19) zur wahlweisen
Zerstörung der Verbindungsmittel, die das innere
Divergenzstück (152) mit dem äußeren Divergenz
stück (151) verbinden, aus pyrotechnischen La
dungen bestehen, die auf die Basis des äußeren
Divergenzstücks einwirken.
4. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Druckausgleichsöffnungen
(70) derart angeordnet sind, daß sie im Raum (18)
zwischen den Divergenzstücken (151, 152) einen
Druck von etwa 3 Bar erzeugen.
5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß am inneren Divergenz
stück (152) in der Nähe der Druckausgleichsöffnungen
Ablenkmittel (171) angeordnet sind, welche die Aus
breitung von Gasstrahlen gegen das äußere Diver
genzstück (151) begrenzen.
6. Brennkammer nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen
den Divergenzstücken (151, 152) mit einem Kühlme
dium angefüllt ist.
7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß im unteren Teil des inneren Divergenz
stückes zusätzliche Öffnungen (17′) ausgespart
und durch Rohre (172) verlängert sind, die im
Raum (18) angeordnet sind und im oberen Teil des Rau
mes (18) oberhalb des Kühlmediums austreten.
8. Brennkammer nach einem der voranstehenden Ansprü
chen, dadurch gekennzeichnet, daß dem inneren Di
vergenzstück (152) Versteifungsplatten zugeordnet
sind.
9. Brennkammer nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Küh
lung der Wände der Brennkammer in Form eines
Flüssigkeitsfilms (20) vorgesehen sind, der ent
lang der Innenwand der Kammer nach unten zirku
liert.
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 Erwei
terung 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, da
durch gekennzeichnet, daß in der Verbindungszone
des inneren Divergenzstücks (152) mit dem äußeren
Divergenzstück (151) am Ausgang des Düsenhalses
das äußere Divergenzstück (151) keinerlei Diskon
tinuität aufweist, während das obere Ende des in
neren Divergenzstücks, welches einen Anschlagrand
bildet, zur Anlage an der Wand des äußeren Diver
genzstücks (151) gelangt und eine plötzliche und
begrenzte Einschnürung des Querschnitts des Di
vergenzstücks bildet, das vom oberen Teil (150)
des äußeren Divergenzstücks (151) gebildet ist,
wobei das äußere Divergenzstück eine Abstützung
für den Düsenhals und für das innere Divergenz
stück (152) bildet.
12. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß das innere Divergenz
stück (152) aus einem zusammengesetzten, nicht-
metallischen Material besteht.
13. Brennkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, daß das innere Divergenzstück (152) an seinem
oberen Teil, der einen Anschlagrand bildet, einen
Einsatz aus einem feuerfesten, metallischen Ma
terial umfaßt.
14. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß das innere Divergenz
stück (152) vollständig aus einem feuerfesten, me
tallischen Material besteht.
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