DE3915148C2 - Beschleunigungstriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschleunigungstriebwerk der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Die Verwendung von Triebwerken ohne Düse mit einem einzigen Kanal ist insbesondere für die Beschleunigung von Stau­ strahl-Triebwerken mit integriertem Beschleuniger bekannt (vgl. US 3 535 881). Es handelt sich dabei um Triebwerke mit einer normierten Länge unter 6. Unter "normierter Länge" eines Zylinders wird das Verhältnis L/D seiner Länge L zu seinem Durchmesser D verstanden. Aus der EP 01 42 247 A ist ein Triebwerk mit einer Raketendüse bekannt, das einen Propergolblock mit mehreren peripheren Kanälen aufweist.

Die Verbrennungsgeschwindigkeiten von Verbund-Propergol­ blöcken sind zu gering, um in einem Kanal mit einer normier­ ten Länge unter 6 einen Schallquerschnitt aufzubauen. Da die normierte Länge des Kanals an die normierte Länge des Blocks gebunden ist, ist es schwierig, Propergolblöcke mit einer normierten Länge unter 6 zu verwenden. Bei einigen Anwen­ dungen jedoch verhindert der Raumbedarf die Verwendung von Blöcken mit einer normierten Länge über 6.

So benötigt beispielsweise die Verbrennungskammer eines mit Kerosin betriebenen Staustrahl-Triebwerks mit einem Durch­ messer von 350 mm nur eine Länge von 800 mm. D.h., daß die normierte Länge nur etwa 2,3 beträgt. Andererseits weist sie ein genügend großes Volumen auf, um das für die Beschleu­ nigung des so motorisierten Flugkörpers bis zur sog. Über­ gangsgeschwindigkeit notwendige Propergol unterzubringen, d. h. bis zu der Geschwindigkeit, bei der das Staustrahl- Triebwerk die Aufgabe des Beschleunigers übernimmt. Eine Verlängerung kommt daher nicht in Frage.

Gemäß dem aktuellen Stand der Technik würde man nun nicht einen Beschleuniger ohne Düse integrieren, sondern einen klassischen Beschleuniger mit einer auswerfbaren Düse, die in der Düse des Staustrahl-Triebwerks angebracht ist, da sie aus Gründen der Betriebsdrücke einen sehr viel geringeren Querschnitt hat, und beim Abschalten des Beschleunigers abgeworfen wird, was eine Gefahr insbesondere dann darstel­ len kann, wenn der Flugkörper vom Flugzeug abgeschossen wird.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Beschleunigungs­ triebwerk mit einer normierten Länge unter 6 anzugeben, das ohne Düse funktioniert.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Beschleunigungstriebwerk funktioniert ohne Düse, obwohl es einen Propergolblock mit einer normier­ ten Länge, d. h. einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser L/D, von 2,5-6 aufweist.

Jeder der einzelnen Kanäle hat eine ausreichende normierte Länge, damit die Gasgeschwindigkeit die Schallgeschwindig­ keit in einem Querschnitt nahe dem stromabwärts gelegenen Ende des Kanals erreicht, und weist stromabwärts von diesem Querschnitte einen sich ausweitenden Teil auf, in dem die Gase mit annehmbarem Wirkungsgrad entspannt werden können. Diese Kanäle münden in die Rückseite des Blocks so ein, daß die Resultierende der Schubvektoren durch die Achse des zu beschleunigenden Flugkörpers getragen wird.

Dadurch, daß alle Kanäle in den an der Stirnseite des Blocks gelegenen Freiraum einmünden, hat dieser Raum die Funktion einer Druckausgleichkammer; die Entwicklung des Drucks mit der Zeit ist in jedem Kanal so, daß zu jedem Zeitpunkt praktische gleiche Drücke herrschen. Um die Verbrennungs­ rückstände möglichst gering zu halten, sind die peripheren Kanäle auf ein oder zwei konzentrischen Kreisen angeordnet, wobei es sechs oder zwölf Kanäle sind. Gemäß einer bevor­ zugten Ausführungsform weist der Block 7 Kanäle auf, d. h. einen Axialkanal und sechs periphere Kanäle.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die sechs peripheren Kanäle zu dem Axialkanal parallel.

Außerdem befinden sich die peripheren Kanäle einer solchen Beladung in einem Abstand von der Außenfläche des Propergol­ blocks, der der Hälfte des Abstands entspricht, der die Kanäle untereinander trennt.

Der Mittelkanal kann einen runden oder hexagonalen Quer­ schnitt haben.

Die auf dem oder den konzentrischen Kreis(en) angeordneten peripheren Kanäle können einen Querschnitt haben, der einer­ seits an die Art des verwendeten Propergols angepaßt ist, um die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Kanälen zum Zeitpunkt der Verbrennung zu begrenzen, und andererseits den möglichen Anfall an Verbrennungsrückständen berücksichtigt. Diese Kanäle können daher als Querschnitt entweder einen Kreis, ein regelmäßiges Hexagon, ein Pentagon oder ein Tra­ pez haben, wobei die große Basis des Trapez gewellt oder gerade sein kann. Zweckmäßigerweise haben die peripheren Kanäle einen Querschnitt, der im wesentlichen ein gleich­ schenkliges Trapez ist. Die Bedeutung der Trapezform liegt darin, die Verbrennungsrückstände auf ein Minimum zu vermin­ dern und eine wirkungsvolle Verbrennung und somit einen wirkungsvollen Gasdurchsatz so lange wie möglich aufrechtzu­ erhalten.

Der Druckunterschied ΔP zwischen den beiden Endflächen des Propergolblocks wird durch die bedeutende normierte Länge der Kanäle vergrößert. Der so durchbohrte Propergolblock ist jedoch zerbrechlicher als ein Block mit nur einem einzigen Kanal und um so mehr als ein Block mit Frontalverbrennung.

Dem Fachmann ist die seitliche Verbindung des Propergol­ blocks mit dem Triebwerkskörper mit Hilfe eines Verbren­ nungsinhibitors bekannt. Im Fall des mehrfach durchbohrten Propergolblocks wurde festgestellt, daß diese Befestigung ungenügend ist.

Der Propergolblock des erfindungsgemäßen Triebwerks weist auf seiner Stirnseite Beschläge auf, die mit dem Triebwerks­ körper verbunden sind und einen Freiraum zwischen der Stirn­ seite des Propergolblocks und dem Boden des Triebwerks bil­ den, wobei der Axialkanal und die peripheren Kanäle in diesen Freiraum durch Öffnungen in den Beschlägen einmünden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Be­ schläge aus einer durchbohrten Platte, deren Öffnungen, in der gleichen Anzahl wie die Kanäle des Propergolblocks, sich vis-à-vis der peripheren Kanäle und des Axialkanals befin­ den. Die Platte ist an der Stirnseite des Propergolblocks mit Hilfe des Verbrennungsinhibitors befestigt.

Der so gebildete Freiraum zwischen den auf der Stirnseite des Propergolblocks angebrachten Beschlägen und dem Boden des Triebwerks bildet eine Ausgleichskammer für den inneren Druck, die die sich im Verlauf der Verbrennung möglicher­ weise bildenden Druckunterschiede vermindert. Diese Vor­ sichtsmaßnahme ist gerechtfertigt: Wenn bei fortschreitender Verbrennung der immer dünner werdende Abstand zwischen zwei Kanälen einem Druckunterschied ausgesetzt ist, so kann am Ende der Verbrennung ein vorzeitiges Brechen des noch nicht verbrannten Propergols verursacht werden, mit dem Risiko, daß Propergolfragmente ausgeworfen werden, und eine Unregel­ mäßigkeit des Verbrennungsendes auftreten kann, was wiederum zu einem wesentlichen Verlust an Wirkungsgrad führt. Diese Druckausgleichskammer, die sich an der Stirnseite des Be­ schleunigungspropergols befindet, kann stromabwärts des Gasgenerators eines Staustrahl-Triebwerks angeordnet sein.

Die an der Stirnseite des Propergols angeordneten Beschläge haben Öffnungen, die es dem Verbrennungsgas, d. h. dem Druck, ermöglichen, sich zwischen den Kanälen über die Ausgleichs­ kammer zu verteilen. Diese Öffnungen können genau die Anfangsform der Kanäle des Propergols, oder eine völlig verschiedene Form haben. Beispielsweise können die Kanäle eine Trapezform und die Öffnungen der Beschläge zy­ lindrisch oder kegelstumpfförmig sein.

Der Vorteil von zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Öff­ nungen ist die Möglichkeit, diese Beschläge für die zweite Antriebsstufe wiederzuverwenden, und zwar bei einem Stau­ strahl-Triebwerk, um die Verbrennungsgassträhle zu vertei­ len; die Beschläge werden dann als Verteiler-Einspritzdüse verwendet.

Die Beschläge sind an dem Triebwerkskörper befestigt und umfassen eine Inhibierung, insbesondere den das Propergol betestigenden Inhibitor, auf dem Befestigungsring des Trieb­ werks. Der Inhibitor, der die Beschläge schützen soll, kann auf der einen oder anderen Seite aufgebracht werden, vor­ zugsweise wird er jedoch auf der Rückseite der Beschläge, d. h. zwischen dem Propergolblock und den Beschlägen selbst aufgebracht, so daß eine zu große Erhitzung vermieden wird.

Das erfindungsgemäße Triebwerk bildet vorzugsweise die Be­ schleunigungsstufe eines Staustrahl-Triebwerks. Dabei befin­ det sich das Stromabwärtsende des Propergolblocks im Bereich der Düse des Staustrahl-Triebwerks und vorzugsweise auf der Höhe des sich ausweitenden Teils dieser Düse, da mit einer solchen Struktur mehr Propergol in dem Triebwerkskörper untergebracht werden kann.

Jeder Kanal endet mit einem sich ausweitenden Teil, um das Entspannen der Gase zu verbessern. Beim Beschleunigungsblock eines Staustrahl-Triebwerks befindet sich dieser ausgewei­ tete Bereich auf der Höhe der Düse des Triebwerks.

Das Propergol verbrennt in parallelen Schichten, am Ende der Verbrennung bleiben sog. Verbrennungsrückstände auf der Peripherie des internen Inhibitors, der mit dem Triebwerk verbunden ist; die zentralen Rückstände werden ausgeworfen.

Gemäß einer ersten Variante können diese Verbrennungsrück­ stände teilweise dadurch verhindert werden, daß als Verbren­ nungsinhibitor ein Material verwendet wird, daß ins Innere der äußeren zylindrischen Fläche des Propergolblocks in mindestens zwei auf der Höhe dieser Rückstände befindlichen Zonen eindringt, wodurch Längsrillen gebildet werden. Dadurch wird das Auftreten von Verbrennungsunregelmäßigkei­ ten während des Betriebs des Staustrahl-Triebwerks vermie­ den.

Gemäß einer anderen Variante werden diese Rückstände voll­ ständig und schnell dadurch entfernt, daß eine Zweifach­ zusammensetzung als Block verwendet wird, wobei das Proper­ gol mit der höheren Verbrennungsgeschwindigkeit in den Zonen auf der Höhe der äußeren Verbrennungsrückstände angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein Verbundpropergol mit einem Polybutadien mit endständigen Hydroxylgruppen als Bin­ demittel und bis zu 5 Masse-% Ferrocen-Katalysatoren verwen­ det.

Die Erfindung wird anhand der Abbildungen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Triebwerk, das als integrierter Beschleuniger eines Staustrahl- Triebswerks verwendet wird;

Fig. 2 einen Querschnitt AA' des Beschleunigungs­ triebwerks gemäß Fig. 1;

Fig. 3 die theoretischen Druckkurven in den periphe­ ren Kanälen und im Mittelkanal des Propergol­ blocks des Beschleunigungstriebwerks, aufge­ tragen gegen die Verbrennungszeit;

Fig. 4 die Druckkurve in Funktion der Verbrennungs­ zeit und

Fig. 5 die Schubkurve in Funktion der Verbrennungs­ zeit.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Staustrahl-Triebwerk mit integrier­ tem Beschleuniger aus einem erfindungsgemäßen Beschleuni­ gungstriebwerk 1 und einem Gasgenerator 2.

Die Verbrennungskammer des Gasgenerators wird Primärkammer 3 genannt. Die Verbrennungskammer des Beschleunigungstrieb­ werks, in der sich am Anfang ein Propergolblock befindet, wird Sekundärkammer 4 genannt.

Der Körper 5 des Beschleunigungstriebwerks 1 ist an seiner Stirnseite mit Lufteinlaßöffnungen 6, die während der Be­ schleunigungsstufe mit Deckel verschlossen sind, und an seinem Stromabwärtsende mit einer Düse 8 mit großem Quer­ schnitt ausgerüstet, die zur Entspannung der Verbrennungs­ gase des Staustrahl-Triebwerks bestimmt und am Anfang mit einem Deckel 9 verschlossen ist.

Die Sekundärkammer des Staustrahl-Triebwerks ist mit einem Beschleunigungs-Propergolblock 10 mit einem Polybutadien mit endständigen Hydroxylgruppen (PBHT) als Bindemittel ausgerüstet, der von einem Mittelkanal 11 und sechs läng­ lichen peripheren Kanälen 12 durchbohrt ist. Dieser Block 10 hat einen Durchmesser von 191 mm und eine Länge von 500 mm, d. h. eine normierte Länge von 2,61.

Dieser mehrfach durchbohrte Propergolblock 10 ist seitlich mit dem Triebwerkskörper 5 mit Hilfe eines Verbrennungs­ inhibitors 13 verbunden. An der Stirnseite dieses Blocks befindet sich eine Platte 14, die kegelstumpfförmige Öff­ nungen 15 aufweist, die sich gegenüber den peripheren Kanä­ len 12 und des Mittelkanals 11 des Propergolblocks 10 befin­ den und auch in gleicher Anzahl vorhanden sind. Die Platte 14 wird mit einem Verbrennungsinhibitor an dem Propergol­ block 10 befestigt.

Das Stromabwärtsende des Propergolblocks 10 befindet sich auf der Höhe des sich ausweitenden Teils der Düse 8, die peripheren Kanäle 12 und der Mittelkanal 11 enden mit einem sich ausweitenden Teil 16.

Der Gasgenerator ist mit einem Propergolblock ausgerüstet, der zu wenig Sauerstoff enthält und reduzierende Gase 18 freisetzt, einen Mittelkanal 19 aufweist und mit der Primärkammer 3 verbunden ist.

Der Propergolblock mit dem geringen Sauerstoffgehalt nimmt nicht den ganzen Raum der primären Verbrennungskammer ein: Ein Freiraum 20 ist zwischen der durchbohrten Platte 14 und dem Stromabwärtsende des Blocks 18 zur Bildung einer Druck­ ausgleichskammer vorgesehen.

Ein Anzünder 21 ist am Stirnende des Mittelkanals des Pro­ pergolblocks mit geringem Sauerstoffgehalt 18 angeordnet.

Dieser Anzünder 21 könnte genausogut auf der Höhe des Frei­ raums 20 angeordnet sein.

Gemäß Fig. 2 ist der mehrfach durchbohrte Propergolblock 10 seitlich mit dem Körper 5 des Beschleunigungstriebwerks 1 mit einem Verbrennungsinhibitor 13 verbunden. Dieser Block weist einen hexagonalen Mittelkanal 11 mit einer Höhe von 42 mm und sechs periphere Kanäle 12 auf, die auf einem konzen­ trischen Kreis um den Mittelkanal 11 angeordnet sind.

Die sechs peripheren Kanäle 12 haben einen Querschnitt im wesentlichen in Form eines gleichschenkligen Trapez, eben­ falls eine Höhe von 42 mm und sind so angeordnet, daß ihre Seiten paarweise parallel sind.

Der Verbrennungsinhibitor 13 dringt ins Innere der zylind­ rischen Außenfläche des Propergolblocks 10 in drei Zonen, die auf der Höhe der Verbrennungsrückstände 22 sind, ein, wodurch drei den Kanälen parallele Längsrillen 23 entstehen.

Beim Abschuß eines Flugkörpers, der mit einem derartigen Staustrahl-Triebwerk mit integriertem Beschleuniger ausgerü­ stet ist, durchqueren die Verbrennungsgase des Anzünders 21 den Mittelkanal 19 des Gasgeneratorblocks 18 und dringen durch die Öffnungen der Platte 14 in die Kanäle des mehrfach durchbohrten Blocks 10 des Beschleunigers ein und entzünden ihn. Der Druck in dem nicht vom Propergol besetzten Volumen (Kanäle des Beschleunigerblocks, Ausgleichskammer, Kanal des Gasgeneratorblocks) steigt schnell an und verursacht den Auswurf des Deckels 9, wodurch die Verbrennungsgase des Beschleunigers freigesetzt werden und der Flugkörper be­ schleunigt wird.

Da die Verbrennungsgase des Anzünders 21 den Mittelkanal des Gasgeneratorblocks 18 durchqueren, verursachen sie auch da die Pyrolyse. Die während der Verbrennung des Beschleunigers entstandenen Pyrolysegase werden mit den Verbrennungsgasen des Beschleunigers freigesetzt und sind für den folgenden Betrieb des Staustrahl-Triebwerks verloren, sie tragen je­ doch etwas zur Beschleunigung des Flugkörpers bei.

Der mehrfach durchbohrte Propergolblock 10 brennt in etwa 1,8 s ab; die Freisetzung der Verbrennungsgase beschleunigt den Flugkörper bis zu einer ausreichenden Geschwindigkeit, damit das Staustrahl-Triebwerk den Beschleuniger ablöst.

Die Verbrennung erfolgt in parallelen Schichten. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, nimmt die Druckkurve in Funktion der Zeit ab, der Druck in den peripheren Kanälen 12 entspricht im wesentlichen dem auf der Höhe des Mittelkanals 11, wodurch das Risiko eines vorzeitigen Brechens des Blocks vermindert ist. Außerdem ermöglichen die Rillen 23 auf der Höhe der Verbrennungsrückstände einen klaren Abbruch der Verbrennung.

Wenn die Verbrennung des mehrfach durchbohrten Propergol­ blocks 10 beendet ist, nimmt der Druck in der Verbren­ nungskammer ab, was wiederum zum Auswurf der Deckel 7 durch die sekundäre Verbrennungskammer 4 und zu massiver Luftzufuhr durch die Öffnungen 6 führt.

Die Pyrolysegase des Generators entzünden sich spontan mit der Luft bei den herrschenden Druck- und Temperaturbedin­ gungen. Die Temperatur des brennenden Gemisches von Luft und Pyrolysegas steigt beträchtlich an, das Gemisch wird durch die Düse mit großem Querschnitt 8 freigesetzt; der Betrieb des Staustrahl-Triebwerks wird auf diese Weise eingeleitet.

Fig. 4 und 5, die die Abschußkurve einer mehrfach durchbohr­ ten Beschleunigungsladung darstellen, zeigen, daß die Zündung der Ladung nach 20 ms erfolgt und daß die Ver­ brennung 1,8 s dauert. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Druck­ erhöhung an den Kurven festgestellt, die auf dem Auswurf der inneren Rückstände beruht.

Die Druck- und Schubkurven sind mit denen von bekannten Ladungen mit einem einzigen Kanal und ohne Düse vergleich­ bar, d. h. eine abfallende Druckkurve und eine leicht anstei­ gende Schubkurve.

Claims (10)

1. Beschleunigungstriebwerk mit einem Propergolblock (10) der seitlich mit dem Triebwerkskörper mit Hilfe eines Ver­ brennungsinhibitors verbunden ist, und einem Axialkanal (11), dadurch gekennzeichnet, daß einerseits der Propergolblock eine normierte Länge von 2,5 bis 6 und mindestens sechs identische periphere Kanäle (12) aufweist und andererseits die Stirnseite des Propergolblocks mit dem Triebkörper verbundene Beschläge aufweist, die einen Frei­ raum (20) zwischen der Stirnseite des Propergolblocks und dem Boden des Triebwerkkörpers bilden, wobei der Axialka­ nal und die peripheren Kanäle in diesen Freiraum durch Öffnungen in den Beschlägen einmünden und am entgegenge­ setzten Ende mit einem sich ausweitenden Teil (16) enden.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Propergolblock (10) nur sechs periphere Kanäle (12) auf­ weist.

3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sechs peripheren Kanäle (12) zu dem Axialkanal (11) paral­ lel sind.

4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die peripheren Kanäle (12) einen Quer­ schnitt in Form eines gleichschenkligen Trapez haben.

5. Triebwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es die Beschleunigungsstufe eines Staustrahl-Triebwerks mit integriertem Beschleuniger bil­ det

6. Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Stromabwärtsende des Propergolblocks (10) auf der Höhe des sich ausweitenden Teils der Düse (8) des Staustrahl-Triebwerks befindet.

7. Triebwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Block (10) bildende mehrfach durchbohrte Propergol einen Ferrocen-Katalysator enthält.

8. Triebwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschläge aus einer durchbohrten Platte (14) bestehen, deren Öffnungen (15) gegenüber den peripheren Kanälen (12) und dem Axialkanal (11) angeord­ net sind.

9. Triebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durchbohrte Platte (14) an der Stirnseite des Proper­ golblocks mit dem Verbrennungsinhibitor befestigt ist.

10. Triebwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Anzünder umfaßt, der zumin­ dest teilweise auf der Höhe des Freiraums (20) angeordnet ist.