DE3213161C2 - - Google Patents

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 h_o 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 h_o 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 h_o 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.