DE3320556A1

DE3320556A1 - Kuehlwand der verbundkuehlart fuer eine raketenbrennkammer und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3320556A1
Application number: DE19833320556
Authority: DE
Inventors: Hiromi Gomi; Terashi Miyagi Isago; Akinaga Souma Fukushima Kumakawa; Yoshimichi Masuda; Masayuki Sendai Miyagi Niino; Etsuo Sendai Miyagi Ohtsuki; Hiroshi Sakamoto; Masaki Miyagi Sasaki; Akio Suzuki; Jun Jiro Takekawa; Ryuzo Watanabe; Nobuyuki Miyagi Yatsuyanagi
Original assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Current assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Priority date: 1982-06-08
Filing date: 1983-06-07
Publication date: 1983-12-08
Also published as: JPS6132495B2; JPS58214652A; US4703620A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Kühlwandausbildung einer Raketenbrennkammer mit sehr hoher Kühlf ä'higkeit und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Wenn der Verbrennungsdruck eines Triebwerks einer Flüssigkeitsrakete sehr hoch ist, so stellt es keine Übertreibung dar, wenn man sagt, daß die Leistungsfähigkeit und Standzeit des Triebwerks dadurch bestimmt werden, ob die Kühlung, der Brennkammer gut oder schlecht ist. Es ist jedoch bekannt, daß das herkömmliche, mit Zwangskonvektion arbeitende Kühlsystem in seinem Kühlvermögen beschränkt ist. Insbesondere ist es bei der wiederverwendbaren Bauart eines Hochleistungsraketentriebwerks notwendig, das Küh!vermögen zu

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bemüht man sich jedoch, das Kühlvermögen unter Anwendung des herkömmlichen Systems zu steigern, so führt das zu einem vermehrten Druckverlust in den Kühlkanälsn sowie zu

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einem erhöhten Gewicht des gesamten Raketentriebwerks, was wiederum eine verminderte Leistungsfähigkeit des Triebwerks zum Ergebnis hat.

Die oben angesprochenen sowie andere Probleme werden gemäß der Erfindung gelöst, wonach ein Kühlsystem geschaffen wird, bei dem der verengte Bereich der Kühlwand einer mit Regenerativkühlung arbeitenden Raketenbrennkammer, in dem die Wärmebelastung am höchsten ist, aus einem porösen Material gebildet und somi.t durch ein schwitzendes Kühlsystem, d.h. ein Flüssigkeit durch Poren abgebendes Kühlsystem gekühlt wird, das eine viel höhere Kühlfähigkeit als ein Zwangskonvektionssystem hat, und bei dem der übrige Teil, in dem die Wärmebelastung relativ niedrig ist, durch die herkömmliche Zwangskonvektion gekühlt wird, so daß das gesamte Kühlsystem eine hohe Kühlwirkung hat, dabei noch einen niedrigen Druckverlust in den Kühlkanälen aufweist und ferner zugleich die Forderung nach geringem Gewicht sowie langer Standzeit oder Lebensdauer des Triebwerks erfüllt.

Die Erfindung zeigt auch ein Verfahren zur Herstellung der Kühlwand einer Brennkammer eines Raketentriebwerks gemäß obigem Aufbau auf, das die folgenden Schritte umfaßt:

Anfüllen eines dem verengten oder eingezogenen Bereich der Brennkammer entsprechenden Teils eines Raumes zwischen einem Kern von zur Innengestaltung der Brennkammer gleicher äußerer Gestaltung und einem Drucksack mit metallurgischem Pulver von grober Partikelgröße und Anfüllen des anderen Teils dieses Raumes mit metallurgischem Pulver von feiner Partikelgröße, Druckverformen des Pulvers von grober und des Pulvers von feiner Partikeigröße und Sintern des aus den druckverformen Pulvern gepreßten KörDsrs als Ganzes.

^co Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Raketenbrennkammer der Verbundkühlbauart; Fig. 2 einen lotrechten Querschnitt bzw. eine Frontansicht der Brennkammer von Fig. 1; Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Kühlwand für die Verbundkühlart;

Fig. 4 bis 6 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens für eine mit Verbundkühlung arbeitende Kühlwand in gekehlter Ausführung für eine Raketenbrennkammer.

In den Fig. 1 und 2 sind eine Kühlwand 1 mit Kehlen 2, die Kühlkanäle bilden, und ein Außenmantel oder -zylinder 3 zu erkennen. Die Kühlwand 1 weist einen Abschnitt 1' aus hoch wärmeleitfähigem Material, wie z.B. Kupfer, und einen aus porösem Material gebildeten schwitzenden Abschnitt 1", d.h. einen Flüssigkeit durch Poren abgebenden Abschnitt auf, und dieser Abschnitt ist der verengte oder eingezogene Bereich der Brennkammer.

Wenn ein Kühlmittel, wie flüssiger Brennstoff, in die Brennkammer von derartiger Ausbildung eingeführt wird, so wird das Kühlmittel vom porösen Material des eingezogenen Abschnitts 1" in den verengten Teil, in dem die Wärmebelastung hoch ist, extrahieren und dahin wirken, die latente Vergasungswärme aufzunehmen sowie eine direkte Berührung der Innenwand 1 der Einziehung durch die heißen Verbrennungsgase zu verhindern, wodurch die Wärmebelastung in diesem Abschnitt auf die Größenordnung von einigen Zehnteln bis zu einem Hundertstel derjenigen bei einem Kühlsystem nach dem Stand der Technik herabgesetzt wird.

Andererseits werrien dia ieben dem vc-rengien Abschnitt 1" ^öo liegende Abschnitte Γ durch die herkömmliche Zwangskonvektion gekühlt, und deshalb wird es, wenn bei dem Raketentriebwerk ein BrennstoffVersorgungssystem,wie ein zwei-

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ι stufiger Verbrennungszyklus oder ein Expansionszyklus, zur Anwendung kommen, möglich, dem Kühlmittel durch Einregein der wärmeaufnehmenden Fläche eine notwendige Wärmemenge zu übermitteln. Das bedeutet, daß die Raketenbrennkammer gemäß der Erfindung als eine solche bezeichnet werden kann, die sowohl den Vorzug der schwitzenden Kühlung ("Verdunstungskühlung") wie auch denjenigen der Zwangskonvektionskühlung bietet.

Wie bereits erwähnt wurde, kann die Siühlwand 1 „ die zum Teil unterschiedliche Beschaffenheiten aufweist, als Ganzes in der folgenden Weise hergestellt werden.

Gemäß Fig. 3 werden der Teil C des Raumes zwischen einem Kern 5, welcher eine der inneren Gestaltung der Brennkammer gleiche Außengestaltung hat, und einem Drucksack 6 mit Elektrolytkupferpulver von sehr feiner Partikelgröße - in der Größenordnung von 150 bis 400 Maschen - , der Teil B des Raumes, der dem schwitzenden Abschnitt 1" entsprichts.mit Elektrolytkupferpulver von grober Partikelgröße und der Teil A des Raumes mit Elektrolytkupferpulver von 150 bis 400 Maschen angefüllt. Diese Zusammenstellung wird beispielsweise nach einem hydrostatischen Druckverfahren druckverformt, worauf der Kern entfernt und der restliche Teil gesintert wird, um auf diese Weise die Kühlwand zu erhalten.

Die Partikeigröße des den Teil B, also den schwitzenden Abschnitt 1" anfüllenden Kupferpulvers ist entsprechend der konstruktiven Auslegung der Brennkammer variabel, und in manchen Fällen können mit dem KUpferpulver, um dessen Festigkeit zu erhöhen, Metallfasern vermischt werden.

Dia K.-jhiv/anu 1 wird zu einer vorbestimmten Gestalt f^rtig^jD bearbeitet, worauf, um Kehlen 2 trennende Stege oder Wände 4 zu bilden, der gesamte Raum zwischen der Kühlwand 1 sowie dem Drucksack 6 wieder mit KUpferpulver von 150 bis

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400 Maschen angefüllt wird, wie Fig. 4 zeigt, und die Kühlwand druckverformt sowie gesintert wird. Die äußere Schicht 7 der so ernaltenen Kühlwand wird dann mit Kehlen 2 mit geringfügig in die Kühlwand 1 einschneidender Tiefe, wie Fig. 5 zeigt, versehen, worauf die Innen- und Außenflächen des schwitzenden Abschnitts 1" geätzt werden, um die poröse Oberfläche freizulegen.

Anschließend werden, wie Fig. 6 zeigt, die Kehlen 2 mit einem Füllstoff 8, z.B. Paraffinwachs» angefüllt, worauf der Raum zwischen der äußeren Schicht der Kühlwand und dem Drucksack 6 wiederum mit feinem Kupferpulver 9 angefüllt wird; anschließend wird die Kühlwand in der vorher beschriebenen Weise preßverformt und gesintert. Während des Sintervorgangs verdampft das die Kehlen füllende Paraffinwachs, und es wird eine Brennkammer erhalten, bei der die die Kehlen trennenden Stege 4 fest mit dem Außenmantel 3 verbunden sind.

Das Verfahren zur Herstellung der Kühlwand 1 ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern der Abschnitt 1' aus hoch wärmeleitfähigem Material kann aus Kupfer oder Kupferlegierung durch herkömmliche maschinelle Bearbeitung, gefertigt und dann an vorbestimmter Stelle an einem Kern angebracht werden, welcher eine der Innenausgestaltung .-der Brennkammer gleiche äußere Gestalt hat, und es kann lediglich der eingezogene Teil B nach dem pulvermetallurgisehen Verfahren gebildet werden. Alternativ kann der getrennt geformte schwitzende Abschnitt 1" mit dem hoch wärnteleitf ähigen Abschnitt 1¹ verbunden werden, worauf die fehlen trennende Stege in der gleichen Weise, die eben ..beschrieben wurde, ausgebildet werden können und dann der Äußenrnantel beschichtet werden kann. Q';^ be-'ieiiüet, oaü :.;'■ Kühlwana rje-r:· 3ιπ?ή vv-ί v^.-'sch iv.ie-

^J'~ nen Herstellungsverfahren gefertigt werden kann.

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ι Das Herstellungsverfahren wurde in der Hauptsache unter Verwendung von Kupfer als poröses Material für den schwitzenden Abschnitt 1" beschrieben. Da jedoch KUpfer selbst ein Material mit relativ niedrigem Schmelzpunkt ist, ist die zum Schutz der Kühlwand erforderliche Menge an Feuchtigkeit (durch Schwitzen) relativ groß. Falls diese Feuchtigkeitsmenge zu groß ist, kann sie die Leistungsfähigkeit des Triebwerks benachteiligen. Deshalb wird, wenn ein Metall mit hohem Schmelzpunkt oder Keramikwerkstoff hauptsächlich als das den schwitzenden Abschnitt 1" bildende Material verwendet wird, obwohl das technisch mehr oder weniger hohe Anforderungen stellt, die Menge an Feuchtigkeit weitgehend vermindert. Ein solches Material mit hohem Schmelzpunkt ist üblicherweise sehr hart und schwierig maschinell zu bearbeiten. Jedoch wird dann, wenn auf die Pulvermetallurgie gemäß der Erfindung zurückgegriffen wird, der Vorteil, daß diese Schwierigkeit überhaupt keine Rolle spielt, erreicht.

Claims

Patentansprüche

/Kühlwand einer Brennkammer eines Raketentriebwerks, dadurch gekennzeichnet, daß der eingezogene Abschnitt (1") der Kühlwand (1) aus einem porösen Material mit Flüssigkeit durch Poren abgebender Kühlwirkung gebildet ist.
2. Kühlwand nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß andere Abschnitte (Γ) als der eingezogene Abschnitt (1") der Kühlwand (1) aus einem nicht-porösen Material gebildet und durch Zwangskonvektion gekühlt sind.
3. KühlwaTJ nach Anspruch 1, dadurch

-j ü kennzeichnet, -:iaß der eingezogene Anschnitt der Kühlwand ein Sintererzeugnis aus einem Pulver von grober Partikelgröße ist.
4. Kühlwand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintererzeugnis aus Elektrolytkupferpulver gebildet ist.
5. Kühlwand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintererzeugnis aus Elektrolytkupferpulver Metallfasern enthält.
6. Kühlwand nach Anspruch 3, dadurch

gekennzeichnet, daß das Sintererzeugnis aus einem Pulvermaterial mit hohem Schmelzpunkt gebildet ist.
7. Kühlwand nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, daß das Sintererzeugnis ein keramisches ist.
8. Kühlwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche der Kühlwand von einem Kühlmittel durchströmte Kehlen (2) ausgebildet sind und ein Außenmantel (3) mit dem Außenumfang der Kühlwand (1) verbunden ist.
9. Verfahren zur Herstellung der Kühlwand der Brennkammer eines Raketentriebwerks nach Anspruch 1, gekennzei chnet

- durch Anfüllen eines dem eingezogenen Abschnitt der Brennkammer entsprechenden Teils (B) eines zwischen einem Kern (5) von zur Innengestaltung der Brennkammer gleicher äußerer Gestaltung und einem Drucksack (6) bestimmten Raumes mit einem metallurgischen Pulver von grober Partikelgröße und Anfüllen des anderen Teils (A, C) dieses Raumes mit metallurgischem Pulver von fiina^ ?arti<eiqrö3e,

durch Druckverformen des Pulvers von grober und des Pulvers von feiner Partikelgröße und durch Sintern des aus den druckverformten Pulvern gepreßten Körpers als Ganzes.