DE3908318C2 - Antrieb für ein Luft- und Raumfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für ein Luft- und Raumfahrzeug und insbesondere auf einen Antrieb jener Bauart, wie er in der GB 2 240 815 A beschrieben ist.

In der GB 2 240 815 A ist ein Antrieb für ein Luft- und Raumfahrzeug beschrieben, der geeignet ist, Luft- und Raumfahrzeuge mit sehr hohen Geschwindigkeiten anzutreiben, um entweder die Flugzeit über der Erde abzukürzen, oder um in den Raum eindringen zu können. Der Antrieb ermöglicht dieses Verhalten durch Anordnung eines Kompressors einer Verbrennungs­ vorrichtung und einer Schubdüse, welch letztere die Verbrennungs­ produkte empfängt und diese ausstößt, um einen Antriebsschub zu erzeugen. Die Verbrennungsvorrichtung empfängt entweder Brennstoff, z. B. flüssigen Wasserstoff und komprimierte Luft vom Kompressor, die vor der Kompression durch Wärmeaustausch mit dem flüssigen Wasserstoff abgekühlt wurde, oder die Ver­ brennungsvorrichtung wird mit Brennstoff und einem flüssigen Sauerstoffträger über geeignete Ventile gespeist, um die Strömungen von Luft, Wasserstoff und Sauerstoff zu steuern. Wichtig für die Wirkungsweise ist, daß der Antrieb unter Benu­ tzung von Luft und flüssigem Wasserstoff-Brennstoff arbeitet, während der Flugkörper in jenem Teil der Atmosphäre befindlich ist, in dem eine ausreichende Luftzuführung möglich ist, die den Bedarf des Antriebs deckt. Wenn die Luftzufuhr nicht mehr ausreicht, dann ändert der Antrieb seine Betriebsart, so daß flüssiger Sauerstoff von einer an Bord befindlichen Quelle anstelle der Luft zugeführt wird. Während der Antrieb in jenem Teil der Atmosphäre arbeitet, in dem eine ausreichende Luft­ zufuhr zur Verfügung steht, ist jener Teil des Antriebs, der den flüssigen Sauerstoff betrifft und die Pumpvorrichtung hierfür nicht in Betrieb.

Es hat sich gezeigt, daß in gewissen Teilen des Flugverhaltens des Antriebs eines Luft- und Raumfahrzeugs in der Atmosphäre eine zusätzliche Verdichtung durch den Kompressor des Antriebs erwünscht ist, um entweder den Druckverhältnisbedarf des Kompressors zu vermindern, oder um die Möglichkeit zu schaffen, daß der Kompressor mit einem vorher nicht erreichbaren festen Druckverhältnis arbeitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für ein Luft- und Raumfahrzeug zu schaffen, bei dem eine solche zusätzliche Verdichtung durch den Kompressor des Antriebs er­ möglicht wird.

Gemäß der Erfindung umfaßt ein Antrieb für ein Luft- und Raum­ fahrzeug einen Luftkompressor, eine Verbrennungsvorrichtung und eine Schubdüse, die die Verbrennungsprodukte empfängt und dadurch einen Vortriebsschub liefert, wobei die Verbrennungs­ einrichtung Brennstoff und in einer ersten Betriebsart wenigstens teilweise komprimierte Luft vom Kompressor und in einer zweiten Betriebsart flüssigen Sauerstoffträger empfängt, der durch eine Pumpe aus einem Flüssig-Sauerstoffträger-Reser­ voir herangepumpt wird, wobei der Kompressor durch eine Turbine angetrieben wird, die ihrerseits hydraulisch durch den flüssigen Sauerstoffträger angetrieben wird, welcher durch die Pumpe vom Reservoir herangepumpt wird, wobei die Pumpe in beiden Betriebs­ arten wirksam ist.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Antriebs für ein Luft- und Raum­ fahrzeug.

Ein Antrieb (10) für ein Luft- und Raumfahrzeug umfaßt einen Lufteinlaß (11), in dem ein Wärmeaustauscher (12) sitzt. Der Wärmeaustauscher (12) wird über ein Zuführungsrohr (13) mit flüssigem Wasserstoff gespeist. Der flüssige Wasserstoff dient zur Verminderung der Temperatur der in das Triebwerk eintreten­ den Luft auf einem Pegel, der aus thermodynamischen Gründen für einen wirksamen Betrieb erwünscht ist. Dann wird der Wasserstoff vom Wärmeaustauscher (12) über ein weiteres Rohr (14) nach einer Turbine (15) geleitet. Der Wasserstoff expan­ diert in der Turbine (15) und bewirkt, daß eine Antriebswelle (16) gedreht wird, bevor der Wasserstoff durch ein weiteres Rohr (17) abgeleitet wird. Das Rohr (17) liefert seinerseits den Wasserstoff der Brennkammer (18) des Antriebs (10).

Die Turbinenabtriebs (16) treibt eine Pumpe (19) an, die dazu dient, flüssigen Sauerstoff von einem Vorratstank (20) durch ein Rohr (21) zu pumpen. Der gepumpte flüssige Sauerstoff wird dann durch ein Rohr (22) nach einem Abzweigventil (23) geführt, das den flüssigen Sauerstoff entweder über ein Rohr (24) nach der Brennkammer (16) des Antriebs leitet, oder über ein Rohr (25) nach einer Turbine (26).

Die durch den flüssigen Sauerstoff angetriebene Turbine (26) liegt stromab des Lufteinlasses (11) des Triebwerks. Mehrere Statorschaufeln (27) erstrecken sich radial vom Gehäuse (28) des Antriebs nach innen. Die Turbine (26) treibt einen Fan (29), der dazu dient die Luft zu verdichten, die über den Luft­ einlaß (11) in das Triebwerk (10) eingetreten ist. Die Dreh­ zahl, mit der der Fan (29) angetrieben wird, wird durch ein Stellventil (31) eingestellt, das in das Rohr (25) einge­ schaltet ist. Es ist jedoch klar, daß statt dessen die Drehzahl des Fans auch durch Veränderung der Drehzahl der Flüssig-Sauer­ stoffpumpe (19) eingestellt werden könnte.

Flüssiger Sauerstoff wird aus der Turbine (26) über ein Rohr (30) abgeleitet, welches dazu dient den flüssigen Sauerstoff nach dem Vorratstank (20) zur weiteren Verwendung zurückzu­ führen. Nicht dargestellte Mittel sind vorzugsweise im Vorrats­ tank (20) vorgesehen, um ein Auskochen oder eine Trennung von gasförmigem Sauerstoff zuzulassen. Der Grund dafür liegt darin, daß Wärmeenergie beim Durchtritt durch die Turbine (26) auf den flüssigen Sauerstoff übertragen wird. Daher wird zur Auf­ rechterhaltung eines konstanten Druckes innerhalb des Tanks (20) ein gewisses Auskochen des Flüssig-Sauerstoffs, der nach dem Tank (20) zurückgeführt wird, zugelassen, um dadurch zu verhindern, daß die Temperatur des flüssigen Sauerstoffs im Tank (20) unzulässig ansteigt.

Wenn der Antrieb (10) in der Atmosphäre arbeitet, wird das Ventil (23) so eingestellt, daß flüssiger Sauerstoff durch die Pumpe (19) nach der Turbine (26) geliefert wird, so daß der Fan (29) dadurch angetrieben wird, um eine Luftverdichtung zu erreichen. Die durch den Wärmetauscher (12) abgekühlte Luft, die durch den Fan (29) komprimiert ist, wird dann durch die Statorschaufeln (27) in einen Axialströmungskompressor geleitet, von dem ein Teil bei (32) dargestellt ist, und der eine weitere Kompression der Luft bewirkt. Die verdichtete Luft wird dann in die Brennkammer (18) geleitet, wo sie mit Wasserstoff gemischt wird, der über das Rohr (17) zugeführt wird und hier findet die Verbrennung statt. Die resultierenden Verbrennungs­ produkte expandieren dann durch die Düse (33) stromab der Brennkammer (18), um einen Antriebsschub zu liefern.

Wenn der Antrieb (10) außerhalb der Atmosphäre arbeitet, dann wird das Ventil (23) so eingestellt, daß flüssiger Sauerstoff nicht nach der Turbine (26) gepumpt, sondern durch das Rohr (24) nach der Brennkammer (18) geleitet wird. Dort wird der Sauerstoff mit Wasserstoff gemischt, der über das Rohr (17) zugeführt wird, und dann findet eine Verbrennung statt. Dann expandieren, wie im Betrieb innerhalb der Atmosphäre die Ver­ brennungsprodukte durch die Düse (33) und liefern einen An­ triebsschub.

Die Pumpe (19) für flüssigen Sauerstoff arbeitet kontinuierlich, während der Antrieb läuft, um entweder den Fan (29) anzutreiben oder um Sauerstoff nach der Brennkammer (18) zu leiten.

Das Fan (29), das natürlich erforderlichenfalls mehr als eine Stufe aufweisen kann, wird daher so angetrieben, daß eine mechanische Verbindung mit anderen Teilen des Antriebs (10) vermieden ist. Insbesondere ist kein Getriebe erforderlich, um den Fan (29) anzutreiben. So wird ein sehr leichter Fanmecha­ nismus erhalten.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit der Benutzung flüssigen Sauerstoffs beschrieben. Es ist jedoch klar, daß auch andere geeignete flüssige Sauerstoffträger benutzt werden können.

Der Fan (29) bewirkt daher eine Luftverdichtung im Antrieb (10), die zusätzlich zu der Verdichtung vorhanden ist, die vom Kom­ pressor (32) bewirkt wird. Infolgedessen wird der Druckverhält­ nisbedarf des Kompressors (32) vermindert. Statt dessen könnte der Kompressor (32) wegen der Anordnung des Fans (29) auch mit einem festen Druckverhältnis bei Werten arbeiten, die vom Kompressor (32) allein nicht geliefert werden könnten.

Claims (8)

1. Antrieb für ein Luft- und Raumfahrzeug mit einem Luftkompressor, einer Verbrennungsvorrichtung und einer Schubdüse, die die Verbrennungsprodukte empfängt und die außerdem in einer ersten Betriebsart wenigstens teilweise vom Luftkompressor komprimierte Luft und in einer zweiten Betriebsart einen flüssigen Sauerstoffträger empfängt, der durch eine Pumpe aus einem Flüssig-Sauerstoffträger-Reservoir durch eine Pumpe herangefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkompressor (29) durch eine Turbine (26) angetrieben wird, die ihrerseits hydraulisch durch den flüssigen Sauerstoffträger angetrieben wird, der vom Reservoir (20) durch die Pumpe (19) gefördert wird und daß die Pumpe (19) während beider Betriebsarten wirksam ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff eine Turbine (15) antreibt, bevor er in die Verbrennungsvorrichtung (18) geleitet wird, und daß die Turbine (15) ihrerseits die Pumpe (19) für den flüssigen Sauerstoffträger treibt.

3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in Wärmeaustausch­ beziehung mit der Luft steht, die danach wenigstens teilweise durch den Kompressor (29) komprimiert wird.

4. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff flüssiger Wasserstoff ist.

5. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsdrehzahl des Luftkompressors (29) durch Änderung der Strömungsrate des flüssigen Sauerstoffträgers eingestellt wird, der nach der Turbine (26) gepumpt wird, die hierdurch hydraulisch angetrieben wird.

6. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Luftkompressor (32) stromab des Luftkompressors (29) angeordnet ist, und daß dieser weitere Luftkompressor (32) nicht durch die hydraulisch angetriebene Turbine (26) angetrieben wird.

7, Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkompressor (29), der von der hydraulisch angetriebenen Turbine (26) angetrieben wird, einen einstufigen Fan aufweist.

8. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Sauerstoffträger flüssiger Sauerstoff ist.