DE3903602A1

DE3903602A1 - Anwendung von magnetfeldern in raketenmotoren

Info

Publication number: DE3903602A1
Application number: DE19893903602
Authority: DE
Inventors: Christian Dr Schmidt-Harms
Original assignee: Erno Raumfahrttechnik GmbH
Current assignee: Airbus DS GmbH
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1989-02-08
Publication date: 1990-08-09
Also published as: DE3903602C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Raketenmotor mit einer Brennkammer und einer angeschlossenen Expansionsdüse.

Die Leistungsfähigkeit eines Raketenmotors wird we sentlich durch seinen spezifischen Impuls (Isp) be stimmt. Angesichts des Bedarfs nach Erhöhung der Nutz last sind zahlreiche Entwicklungen, zur Steigerung der Leistungsfähigkeit bekannt geworden. Diese Entwick lungen zielen im wesentlichen darauf ab, den Brennkam merdruck zu erhöhen, die Wirtschaftlichkeit der Ver brennung zu verbessern und das Expansionsverhältnis zu erhöhen. Kritisch ist nach wie vor die hohe Wärmeüber tragung zu den Kammerwänden sowie der Umstand, daß die Materialgrenzen nahezu erreicht sind. Hierdurch ist auch Raum für weitere Optimierungen gegeben.

Es besteht demgemäß ein überaus starkes Bedürfnis nach neuen Lösungen, die eine weitere Optimierung von Raketenmotoren im Hinblick auf eine weitere Steigerung ihrer Leistungsfähigkeit ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rake tenmotor der eingangs genannten Gattung im Hinblick auf die Steigerung seiner Leistungsfähigkeit auf einfache Weise weiterzubilden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Pa tentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Be vorzugte Merkmale, die die Erfindung vorteilhaft wei terbilden, sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Rake tenmotors wird es in vorteilhafter Weise ermöglicht, seine Gasdynamik und Thermodynamik von außen zu beein flussen. Hierdurch werden die Vorraussetzungen dafür geschaffen, daß während des Fluges das Expansionsver hältnis verändert und die Wärmeübertragung zu den Brennkammer- und Expansionsdüsenwänden verringert wer den kann. Dabei wird die Verbrennungseffizienz erhöht und durch Bereitstellen zusätzlicher Freiheitsgrade kann das Design weiter optimiert werden.

Die Spulenanordnung ist vorzugsweise nicht nur im Aus trittsbereich der Verbrennungsgase aus der Brennkammer sondern im unmittelbaren Umgebungsbereich und/oder vorzugsweise im unmittelbaren Umgebungsbereich der Ex pansionsdüse vorgesehen, um die entsprechenden Beein flussungsmöglichkeiten wahrzunehmen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Spulenanordnung supraleitende Windungen auf, die mittels des flüssigen Raketentreibstoffes, insbe sondere flüssigem Sauerstoff oder flüssigem Wasserstoff, umspült sind. Zusammen mit der entspre chenden Anordnung der supraleitenden Windungen lassen sich wesentliche Vorteile erzielen:

a) durch Verringerung der Wärmeübertragung an den Dü senwänden wird Kühlflüssigkeit eingespart und somit der spezifische Impuls erhöht;
b) durch Änderung des gasdynamischen Widerstandes innerhalb der Expansions- bzw. Intervalldüse wäh rend des Fluges besteht die günstige Möglichkeit, das Expansionsverhältnis zu regeln;
c) die Verbrennungsvorgänge werden günstig durch Ver ringerung von Turbulenzen beeinflußt.

Die genannten Vorteile sind im wesentlichen auf den physikalischen Effekt zurückzuführen, daß einschaltbare starke Magnetfelder das Verhalten elektrisch leitfä higer Gase insbesondere deren Wärmeleitfähigkeit und deren Strömungsverhalten, zu beeinflussen vermögen. Die Verbrennungsgase in typischen Brennkammern sind teil weise ionisiert und damit elektrisch leitfähig. Auf grund der bevorzugten Ausgestaltung mit einer Spulen anordnung mit supraleitenden Windungen, die von dem ohnehin vorhandenen flüssigen Raketentreibstoff umspült sind, lassen sich vorteilhaft ohne großen Aufwand sehr starke Magnetfelder in unmittelbarer Nähe der Brenn kammer und/oder der Expansionsdüse erzeugen.

Als Material für die supraleitenden Windungen ist eine Materialklasse vorgesehen, deren kritische Temperaturen höher sind als die Siedepunkte des flüssigen Raketen treibstoffes, insbesondere von Wasserstoff.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.In dieser Schnitt darstellung ist ein Raketenmotor 10 gezeigt. Der Rake tenmotor 10 besitzt eine Brennkammer 11, eine Expansi onsdüse 12 und eine nicht näher dargestellte Stromver sorgung, die zu einer Spulenanordnung 20 geführt ist.

Der Brennkammer 11 werden mittels einer Injektionsein richtung 13 flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauer stoff als Raketentreibstoff zugeführt. Der flüssige Wasserstoff gelangt über eine Leitung 14 und der flüs sige Sauerstoff über eine Leitung 15 zu einer Injekti onseinrichtung 13. Mit den Leitungen 14 und 15 sind ferner jeweils eine Leitung 16 und eine Leitung 17 verbunden, für die gezielte Zusetzung von entsprechen den Materialien mit niedriger Ionisationsschwelle (z.B. Na, K, Rb, Cs) zur gezielten Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Verbrennungsgase in der Brennkammer 11 zugeführt werden kann.

Die Brennkammer 11 und die sich daran anschließende Expansionsdüse 12 sind von einem gemeinsamen Mantelraum 18 umgeben, wobei eine Kühlung der Brennkammer 11 und der Expansionsdüse 12 durch Transpiration von Wasser stoff erzeugt, der über eine Zuführung 19 in den Man telraum 18 eingeführt wird.

Unmittelbar im Austrittsbereich der Verbrennungsgase aus der Brennkammer 11 und im unmittelbaren Umgebungs bereich der Expansionsdüse 12 ist die Spulenanordnung 20 vorgesehen, die Windungen aus einem supraleitenden Material besitzt, dessen kritische Temperatur höher als die Siedepunkte von flüssigem Sauerstoff und Wasser stoff ist. Die Windungen der Spulenanordnung 20 stehen mit einer Gleichstromversorgung des Raketenmotors in Verbindung und sorgen für ein elektromagnetisches Feld, das in der Figur durch Feldlinien 21 angedeutet ist. Die Windungen der Spulenanordnung 20 sind dabei so ausgerichtet, daß das erzeugte Magnetfeld den Anforde rungen entsprechend optimiert ist.

Durch die Spulenanordnung 20 läßt sich der Austritts bereich des Verbrennungsgases aus der Brennkammer 11 sowie die Expansionsdüse 12 mit einem starken Magnet feld derart beaufschlagen, daß das Verhalten der elek trisch leitfähigen und gegebenenfalls durch Zusatz von entsprechenden Materialien in ihrer Leitfähigkeit er höhten Verbrennungsgase beeinflußt wird. Dabei wird ohne großen zusätzlichen Aufwand die Kühlwirkung des bereits vorhandenen flüssigen Raketentreibstoffes aus genutzt, um mit relativ niedriger Energie der Supra leitung durch supraleitende Werkstoffe der Windungen der Spulenanordnung 20 starke Magnetfelder zu erzeugen.

Claims

1. Raketenmotor mit einer Brennkammer und einer ange schlossenen Expansionsdüse, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens im Austrittsbereich der Verbren nungsgase aus der Brennkammer (11) eine elektrisch versorgbare Spulenanordnung (20) zur Erzeugung ei nes elektromagnetischen Feldes angeordnet ist.

2. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Spulenanordnung (20) im unmittelbaren Umgebungsbereich des Brennkammeraustritts vorgese hen ist.

3. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Spulenanordnung (20) im unmittelbarer Umgebungsbereich der Expansionsdüse (12) vorgesehen ist.

4. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Spulenanordnung (20) im unmittelbaren Umgebungsbereich des Brennkammeraustritts und der Expansionsdüse (12) vorgesehen ist.

5. Raketenmotor nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanord nung (20) Windungen aus einem supraleitenden Ma terial aufweist, dessen kritische Temperatur höher ist, als die Siedepunkttemperaturen von flüssigem Raketentreibstoffen sind, wobei die der Spulenan ordnung (20) mittels des flüssigen Raketentreib stoffes kühlbar sind.

6. Raketenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Spulenanordnung (20) von flüssigem Raketentreibstoff umspült angeordnet ist.

7. Raketenmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Spulenanordnung (20) in einem Mantelraum (18) zur Zuführung von flüssigem Rake tentreibstoff angeordnet ist.

8. Raketenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Wirkung des elektromagnetischen Feldes (21) eine Einrich tung (16, 17) zum Zusetzen eines die elektrische Leitfähigkeit der Verbrennungsgase erhöhenden Ma terials in die Brennkammer (11) vorgesehen ist.