DE3328117A1

DE3328117A1 - Verfahren zum betreiben eines nebenstrom-raketentriebwerkes

Info

Publication number: DE3328117A1
Application number: DE19833328117
Authority: DE
Inventors: Günther Dr. 8028 Taufkirchen Schmidt
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-08-04
Filing date: 1983-08-04
Publication date: 1985-02-14
Also published as: JPS6053650A; FR2550277B1; JPH0370108B2; FR2550277A1; DE3328117C2

Description

Verfahren zum Betreiben - eines Nebenstrom-Raketentriebwerkes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zaun Betreiben eines mit flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff laufenden Nebenstrom-Raketentriebwerkes, das sowohl als bodennahes Triebwerk als auch als Höhentriebwerk arbeitet, mit einer Hauptbrennkammer mit angesetzter Schubdüse und mit einer Vorbrennkammer, in der sauerstoffreiche Gase erzeugt werden, die in die nachfolgende Hauptbrennkammer einströmen, die während des bodennahen Betriebes mit Sauerstoff-Überschuß und während des Betriebes in großen Höhen mit geringem WasserstoffÜberschuß betrieben wird.

Nach der Bewegungslehre für Rückstoßtriebwerke zum Antrieb von Trägerfahrzeugen zur Beförderung von Nutzlasten in den Weltraum besteht, um sowohl im bodennahen Flugbetrieb als auch in großen Höhen bzw. im luftleeren Raum optimale Verhältnisse zu erhalten, die Forderung, für den bodennahen Betrieb Treibstoffpaarungen hoher Dichte, wie z..B. Sauerstoff und Kerosen, zu verwenden und für den Betrieb in großen Höhen Treibstoffpaarungen geringer Dichte, jedoch hoher spezifischer Leistung einzusetzen. Der Grund für diese Treibstoffauswahl liegt darin, daß . für den Start und den Aufstieg große Massendurchsätze bei relativ kleinen Tankvolumen für die Treibstoffe notwendig und günstig sind, während für den Betrieb im luftleeren Raum durch den nicht vorhandenen Luftwiderstand das Tankvolumen praktisch keine Rolle spielt und man hier den Vorteil des hohen spezifischen Impulses, den der Wasserstoff mit sich bringt, ohne Nachteil ausnutzen kann.

Um ein Raketentriebwerk sowohl als bodennahes Triebwerk als auch als Höhentriebwerk verwenden zu können, ist es, wie z.B. das AIAA/SAE 14 TH-Paper "Joint Propulsion Conference"vom 25. bis 27. Juli 1978, insbesondere Seite 3 zeigt, bekannt, ein solches Triebwerk in beiden Betriebsphasen mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff zu betreiben. Dieses Raketentriebwerk, das eine Hauptbrennkammer mit angesetzter Schubdüse und drei Vorbrennkammern aufweist, von denen zwei Vorbrennkammern sauerstoffreiche Treibgase und eine Vorbrennkammer wasserstoff-— reiche Treibgase erzeugen, arbeitet im bodennahen Bereich durch Einförderung der Treibgase aller drei Vorbrennkammern in die Hauptbrennkammer mit Sauerstoffüberschuß, wobei zwar der spezifische Impuls geringer ist, dafür aber die Treibstoffdichte höher ist, wodurch sich das Konstruktionsvolumen des Trägerfahrzeuges insgesamt verkleinert. In großen Höhen bzw. im luftleeren Raum arbeitet dieses Raketentriebwerk durch Abschalten einer sauerstoffreich betriebenen Vorbrennkammer in geringen Grenzen wasserstoffreich, d.h. impulsoptimal.

Das vorbeschriebene, bekannte Raketentriebwerk für beide Betriebsphasen ist baulich qualitativ und quantitativ aufwendig, dadurch wirtschaftlich teuer und bringt ein relativ hohes Startgewicht mit sich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Nebenstromraketentriebwerk der eingangs genannten Art zu schaffen, das konzeptionell einfacher und damit wirtschaftlich billiger sowie gewichtsmäßig leichter ist als die bekannten vergleichbaren Trxebwerksanlagen, dabei aber deren Nachteile vermeidet, ihre, bereits weiter vorne beschriebenen Vorteile jedoch beibehält.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem. ]S(eben,strom.-Raketentriebwerk nach dem. Oberbegriff durch ein Betriebsverfahren, das sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, daß der Hauptbrennkammer während des bod;ennaiien Betriebes und während des Betriebes in großen Höhen jeweils die gleichen Mengen an flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff direkt zugeführt werden, und zwar im Massenverhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff wie etwa 6:1 und daß nur während des bodennahen Betriebes die Hauptbrennkammer zusätzlich mit in der Vorbrennkammer erzeugten sauerstoffreichen Gasen in einem Massenverhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff wie etwa 20:1 beschielst.· wird, so daß während des bodennahen Betriebes die Hauptbrennkammer in einem. Massenverhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff wie etwa 13:1 arbeitet und7Tur den Betrieb in großen Höhen die Vorbrennkammer abgeschaltet wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen"Verfahrens wird bei einem Nebenstrom-Raketentriebwerk mit einer Sauerstoffpumpe, die den Sauerstoff aus einem Vorratsbehälter über eine Sauerstoffdruckleitung direkt zum Einspritzkopf der Hauptbrennkammer fördert und mit einer Wasserstoffpumpe, die den Wasserstoff aus einem Vorratsbehälter über eine Wasserstoffdruckleitung zur Schubdüse und innerhalb deren Wand und der Wand der Hauptbrennkammer zu deren Einspritzkopf fördert, vorgeschlagen, von der zum Einspritzkopf der Hauptbrennkammer verlaufenden Sauerstoffdruckleitung eine zur Vorbrennkemmer führende Sauerstoffnebenleitung und von der zur Schubdüsenwand verlaufenden Wasserstoffdruckleitung eine ebenfalls zur Vorbrennkammer führende Wasserstoffnebenleitung abzuzweigen und in diesen beiden Nebenleitungen jeweils ein Absperrventil vorzusehen, die beide während des bodennahen Betriebes offen und beide während des Betriebes in großen Höhen geschlossen sind.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch die zu dessen Druchführung verwendeten Einrichtungen wird ein herkömmliches Nebenstrom-Raketentriebwerk befähigt, sowohl als bodennahes Triebwerk als auch als Höhentriebwerk zu arbeiten. Dabei bleiben für das ursprüngliche Triebwerk bzw. das Basistriebwerk die Betriebsverhältnisse während der Bodenphase und der Höhenphase im Hinblick auf die Kühlverhältnisse und die Einspritzverhältnisse gleich, denn es werden der Hauptbrennkammer während der beiden vorgenannten Betriebsphasen jeweils die gleichen Mengen an flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff ■ zugeführt, und zwar in einem Massenverhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff wie etwa 6:1, so daß das Kühlsystem und das Einspritzsystem für-die Hauptbrennkammer über beide Betriebsbereiche optimal ausgelegt werden können. Außerdem garantiert das extrem hohe Kühlvermögen des Wässerstoffes auch eine ausreichende Kühlleistung für die Schubdüsen- und Brennkammerwand während des bodennahen Betriebes, wo in der Hauptbrennkammer die Maxiamileistung erzeugt wird und eine erhöhte Wärmeabgabe an die Schubdüsen -und Brennkammerwand stattfindet, obwohl nur die Hälfte des insgesamt in der Hauptbrennkammer verarbeiteten Wasserstoffes für die Kühlung zur Verfügung steht.

Um zu erreichen, daß während der bodennahen Betriebsphase und während der Betriebsphase in großen Höhen der Einspritzkopf unter gleichen konstruktiven Einspritzverhältnissen arbeiten kann, weist in Ausgestaltung der Erfindung der Einspritzkopf zum Einbringen der während des bodennahen Betriebes in der Vorbrennkammer erzeugten Gase in die Hauptbrennkammer eine besondere Einblaseinrichtung auf. Diese ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung im Einspritzkopf zentral angeordnet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 ein Nebenstrom-Raketentriebwerk während des bodennahen Betriebes-/- ■ -

Fig. 2 ein Einspritzkopf in vergrößertem Maßstab, ebenfalls während—des bodennahen Betriebes,

Fig. 3 das Nebenstrom-Raketentriebwerk während des Betriebes in großen Höhen und. die

Fig. 4 den Einspritzkopf in vergrößertem Maßstab, eben ■■ .^ —falls währ end-des_ Betriebes-in großen Höhen.

Das dargestellte Nebenstrom-Raketentriebwerk besteht im

........wesentlichen aus einer Hauptbrennkammer"4---mit-vorne befindlichem Einspritzkopf 2 und hinten angesetzter Schubdüse 3, einer Vorbrennkammer 4, einer Sauerstoffpumpe 5, einer Wasserstoffpumpe 6, einer Pumpenantriebsturbine 7, einem Sauerstoffvorratsbehälter 8, einem Wasserstoffvorratsbehälter 9, einer Nebenstromschubdüse 10, einer Sauerstoff- -- zulauf leitung 11, einer Wasserstoff zulauf leitung 1.2, einer Sauerstoffdruckleitung 13, einer Wasserstoffdruckleitung 14, einer von der Vorbrennkammer 4 zum Einspritzkopf 2 führenden Gasleitung 15, einer zur Vorbrennkammer 4 führenden Sauerstoffnebenleitung 16 mit einem Absperrventil 17, einer ebenfalls zur Vörbrennkammer 4 führenden Wasserstoffnebenleitung 18 mit einem Absperrventil 19, einer vom Ende der Schubdüse 3 zur Pumpenantriebsturbine 7 verlaufenden Nebenstromtreibgasleitung 20 und einer zur Nebenstromdüse 10 verlaufenden Turbinenabgasleitung 21.

Wie insbesondere die Figuren 2 und 4 zeigen, weist der Einspritzkopf 2 eine zentrale Einblaseinrichtung 22 für die in der Vorbrennkammer 4 erzeugten sauerstoffreichen Gase GV auf, ferner eine Sauerstoffverteilungskammer 23, - 5 von der der Sauerstoff OH über viele Einspritzdüsen 24 in die Hauptbrennkammer 1 gelangt, und schließlich eine WasserstoffVerteilungskammer 25, von der der Wasserstoff HH über viele Einspritzbohrungen 26 in die Hauptbrennkammer 1 eingespritzt wird.

Das erfindungsgemäße Nebenstrom-Raketentriebwerk funktioniert wie folgt:

Beim Start und während des bodennahen Betriebes ist, wie die Figuren 1 und 2 erkennen lassen, auch die Vorbrennkammer 4 in Betrieb, d.h. die beiden Absperrventile 17 und 19 sind geöffnet, so daß auch über die Nebenleitungen 16 und 18 jeweils eine Menge Sauerstoff OV^eine Menge Wasserstoff HV in die Vorbrennkammer 4 gelangen können, wo sie miteinander reagieren. Die dort produzierten sauerstoffreichen Gase GV strömen dann über die Einblaseinrichtung 22 in die Hauptbrennkammer 1. Dieser wird ferner Sauerstoff OH durch die Druckleitung 13 über die Verteilungskammer 23 und die Einspritzdüsen 24 direkt zugeführt, desgleichen Wasserstoff HH durch die Druckleitung 14 über die Verteilungskammer 25 und die Einspritzdüsen 26.

Die Druckleitung 14 mündet im divergenten Schubdüsenbereich in einen Ringkanal 27, von dem aus ein Teil des Wasserstoffes HHh nach : Hintan.· \■ strömt, dabei den rückwärtigen Schubdüsenwandteil kühlt und in einem hinteren Ringkanal 28 gesammelt wird, an dem die Treibgasleitung 20 angeschlossen ist. Der andere Teil des Wasserstoffes HHv durchströmt den vorderen Bereich der Wand der Schub-

düse 3 und die Wand der Brennkammer 1 und gelangt dann
in die Verteilungskammer 25.

Die Umschaltung des Nebenstrom-Raketentriebwerks in den Höhenbetrieb erfolgt durch Sperren der beiden Leitungen 16 und 18 mittels der Ventile 17 und 19. Diese.Betriebsphase demonstrieren die beiden Figuren 3 und 4. Hierbei ist die· Vorbrennkammer 4 außer Betrieb.

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Claims

Patentansprüche

.) Verfahren z.um. Betreiben eines mit flüssigem. Sauerstoff und Wasserstoff laufenden Nebenstrom.-Raketentriebwerkes, das sowohl als bodennahes Triebwerk als auch als Höhentriebwerk arbeitet, mit einer Hauptbrennkammer mit angesetzter Schubdüse und mit einer Vorbrennkammer, in der sauerstoffreiche Gase erzeugt werden, die in die nachfolgende Hauptbrennkammer einströmen, die während des bodennahen Betriebes mit Sauerstoffüberschuß und während des Betriebes in großen Höhen mit geringem Wasserstoff-Überschuß betrieben wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Hauptbrennkammer (1) während des bodennahen Betriebes und während des Betriebes in großen Höhen jeweils die gleichen Mengen an flüssigem Sauerstoff (OH) und Wasserstoff (HH) direkt zugeführt werden, und zwar im Massenverhältnis von Sauerstoff (OH) zu Wasserstoff (HH) wie etwa 6:1 und daß nur während des bodennahen Betriebes die Hauptbrennkammer (1) zusätzlich mit in der Vorbrennkammer (4) erzeugten sauerstoffreichen Gasen (GV) in einem Massenverhältnis von Sauer-

stoff (OV) zu Wasserstoff (HVJ wie etwa 20;T beschickt wird,, so daß während des badennahen Betriebes die Hauptbrennkammer (1) in einem. Massenverhältnis von Sauerstoff (OH plus OVJ zu Wasserstoff (HH plus HV)

daß
wie etwa 13:1 arbeitet und/für den Betrieb in großen Höhen die Vorbrennkammer (4) abgeschaltet wird.
2. Nebenstrom-Raketentriebwerk zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Sauerstoffpumpe, die den Sauerstoff aus einem Vorratsbehälter über eine Druckleitung direkt zum Einspritzkopf der Hauptbrennkammer fördert und mit einer Wasserstoffpumpe, die den Wasserstoff aus einem. Vorratsbehälter über eine Druckleitung zur Schubdüse und innerhalb deren Wand und der Wand der Hauptbrennkammer zu deren Einspritzkopf fördert, dadurch gekennzeichnet , daß von der zum Einspritzkopf (2) der Hauptbrennkammer (1) verlaufenden Sauerstoffdruckleitung (13) eine z.ur Vor brennkammer (4) führende Sauerstoffnebenleitung (16) und von der zur Schubdüsenwand verlaufenden Wasserstoffdruckleitung (14) eine ebenfalls zur Vorbrennkammer (4) führende Wasserstoffnebenleitung (18) abzweigt und in diesen beiden Nebenleitungen (16 und 18) jeweils ein Absperrventil (17 bzw. 19) vorgesehen ist, die beide während des bodennahen Betriebes offen und beide während des Betriebes in großen Höhen geschlossen sind.
3. Nebenstrom-Raketentriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Einspritzkopf (2) zum Einbringen der während des bodennahen Betriebes in der Vorbrennkammer (4) erzeugten Gase (GV) in die Hauptbrennkammer (1) eine besondere Einblaseinrichtung (22) aufweist.
4. Nebenstrom-Raketentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die besondere Einblaseinrichtung (223 für die in der Vorbrennkammer (4) erzeugten Gase (GV) im Einspritzkopf {2) zentral angeordnet ist.