DE3924858A1

DE3924858A1 - Gasgenerator fuer staustrahlraketen

Info

Publication number: DE3924858A1
Application number: DE19893924858
Authority: DE
Inventors: Hans-Ludwig Dipl Ing Besser
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-07-27
Filing date: 1989-07-27
Publication date: 1991-02-07
Also published as: FR2650341A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator für Staustrahlraketen mit ver änderbarem Brennstoffdurchsatz, gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Ein Staustrahltriebwerk mit einem solchen Gasgenerator ist beispielswei se aus der DE-OS 30 05 864 bekannt, wobei der Gasgenerator in dieser Schrift als Vorbrennkammer, die Staustrahlbrennkammer als Nachbrennkam mer bezeichnet wird.

Bei Flugkörpern mit Triebwerken in Form von Staustrahlraketen besteht meist die Forderung, während einer Flugmission den Schub und damit die Geschwindigkeit verändern zu können. Beispielsweise folgt auf eine lange Marschflugphase mit mäßiger Geschwindigkeit bei möglichst geringem Brennstoffverbrauch eine Angriffs- bzw. Manöverphase mit starker Be schleunigung und hoher Fluggeschwindigkeit.

Bei vorgegebener, fester Düsen- und Einlaufgeometrie ist eine Schubände rung nur durch eine Änderung des Brennstoffdurchsatzes möglich. Der in der Staubrennkammer benötigte Brennstoff wird durch Abbrennen eines sau erstoffarmen Treibsatzes im Gasgenerator freigesetzt und in Form (häu fig) partikelbeladener Heißgase durch mindestens ein Gasleitrohr in die Staustrahlbrennkammer gefördert. Sinnvollerweise verwendet man einen Treibsatz aus einem Treibstoff (Brennstoff, Oxidator, Binder), dessen Abbrandgeschwindigkeit druckabhängig ist, so daß mittels eines Ventils der Austrittsquerschnitt des Gasgenerators und damit letztlich der Brennstoffdurchsatz regelbar ist. Eine Änderung des Austrittsquerschnit tes beeinflußt den Gasgeneratordruck, dieser wiederum beeinflußt die Ab brandgeschwindigkeit des Treibstoffes, zu welcher - bei konstanter Ab brandfläche - der Brennstoffdurchsatz direkt proportional ist.

Gemäß der DE-OS 30 05 864 ist als Regelventil z.B. ein Drehschieber vor gesehen, welcher die Eintrittsquerschnitte aller vier Gasleitrohre gleichzeitig verändert. Eine maximale Freigabe der Querschnitte ist gleichbedeutend mit einem minimalen Gasgeneratordruck, d.h.mit einem mi nimalen Brennstoffdurchsatz. Umgekehrt führt ein weitgehendes Verschlie ßen der Querschnitte zu einem hohen Brennstoffdurchsatz, und zwar wegen des hohen Gasgeneratordruckes.

Der Brennstoffdurchsatz m ist gegeben durch die Gleichung:

m = A_TZ× p ×r

mit A_TZ = Treibsatzabbrandfläche, bei Stirnbrennern annähernd konstant
p = Treibstoffdichte
r = Abbrandgeschwindigkeit, druckabhängig

Die Druckabhängigkeit der Abbrandgeschwindigkeit läßt sich folgenderma ßen erfassen:

r ∼ pⁿ

p = Druck
n = Druckexponent

Der Druckexponent n ist bei vielen Treibstoffen selbst druckabhängig. Insbesondere bei brennstoffreichen, hochenergetischen Composite-Treib stoffen hat der Druckexponent im niedrigen Druckbereich (< 40 bar) häu fig einen relativ hohen Wert (< 0,5), bei hohen Drücken dagegen einen relativ niedrigen Wert (bis unter 0,1). Bezüglich des Brennstoffdurch satzes bedeutet dies, daß sich die Regelbarkeit mit zunehmendem Gasgene ratordruck deutlich verschlechtert, da die Druckabhängigkeit der Ab brandgeschwindigkeit abnimmt.

Wie bereits erwähnt, treten bei Flugkörpermissionen Phasen mit sehr ho hem und solche mit erwünschtermaßen sehr niedrigem Brennstoffdurchsatz auf. Dies führt zu der Notwendigkeit, einen möglichst großen Druckbe reich für die Gasgeneratorregelung zu nutzen. Dies wiederum ist mit fol genden Nachteilen bzw. Problemen verbunden:

Hoher Gasgeneratordruck:

- Große Neigung zur Rückstandsbildung im Gasgenerator,
- große Neigung zur Bildung von Ablagerungen an Regelorganen wegen strömungsungünstiger, kleiner Ausströmöffnungen,
- Probleme bei der Nachverbrennung durch mangelnde Ausförderung der hochenergetischen Treibstoffbestandteile und durch ungünstige Pyro lyseprodukte des Treibsatzbinders,
- hohes Strukturgewicht des Gasgenerators durch hohe Festigkeitsanfor derungen,
- ungünstige Regeleigenschaften des Treibstoffes durch niedrigen Druckexponenten (n).

Niedriger Gasgeneratordruck:

- Häufig problematische Abbrandeigenschaften in Abhängigkeit von der Treibstoffrezeptur,
- Neigung zu Ablagerungen an Regelorganen durch niedrige Temperaturen.

Bezüglich des minimalen Gasgeneratordruckes ist anzumerken, daß dieser stets höher sein muß als der minimale Staustrahlbrennkammerdruck und zwar mindestens um die Höhe der Druckverluste zwischen beiden Kammern.

Zusammenfassend ist zu sagen, daß die Regelung des Brennstoffdurchsatzes über den Gasgeneratordruck, d.h. über die Abbrandgeschwindigkeit, nur in einem relativ begrenzten Bereich sinnvoll möglich ist und sowohl im obe ren (hoher Druck) als auch im unteren Grenzbereich (niedriger Druck) er hebliche Nachteile aufweist.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Gasgenerator für Staustrahlraketen zu schaffen, welcher unter weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile, bei guter Regelbarkeit und geringem Treibstoff verbrauch in der Marschflugphase, einen deutlich größeren Gesamtregelbe reich ermöglicht.

Diese Aufgabe wird alternativ durch die im Hauptanspruch oder die im Ne benanspruch 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird das Brennstoffdurchsatz-Maximum. welches nur wäh rend einer relativ kurzen Zeit benötigt wird (z.B. 20% der Brenn zeit), nicht durch Änderung der Treibsatzabbrandgeschwindigkeit durch Druckerhöhung, sondern durch Zuschalten einer zusätzlichen Abbrandfläche erreicht.

Gemäß der Lösung nach Anspruch 1 ist hierfür in Ergänzung des Haupt treibsatzes mindestens ein zusätzlicher, kleinerer Treibsatz vorgesehen, welcher bis zu seiner Zündung oder über diesen Zeitpunkt hinaus vor den Heißgasen des brennenden Haupttreibsatzes geschützt wird.

Gemäß der Lösung nach Anspruch 2 ist nur ein Treibsatz vorhanden, an welchem mindestens eine zusätzliche Abbrandfläche vorgesehen ist, welche später gezündet wird. Natürlich muß auch diese mindestens bis zu ihrer Zündung vor den Heißgasen geschützt werden.

Beide Lösungen haben dieselben Vorteile:

- Die Treibstoffrezeptur des Haupttreibsatzes bzw. des einzigen Treib satzes kann so gewählt werden, daß eine besonders geringe Abbrandge schwindigkeit (Verbrauch) im unteren Marschflugbereich möglich ist, und daß die Regelbarkeit (hoher Druckexponent n) im gesamten Ge schwindigkeitsbereich für Marschflug verbessert werden kann,
- der Gesamtregelbereich (mit zusätzlicher Abbrandfläche) kann nen nenswert vergrößert werden,
- die Nachteile extrem hoher und niedriger Gasgeneratordrücke (schlechter Abbrand, Ablagerungen, hohes Strukturgewicht etc.) kön nen vermieden werden,
- ggf. erforderliche Schottwände (für Kammerung bzw. Abschirmung) kön nen vorteilhaft in die Struktur einzuleitende Flügelkräfte aufnehmen.

Der durch Schottwände etc. - bei gleichbleibender Generatorgröße - auftretende Volumenverlust wird durch diesen und den vorausgehend genannten Vorteil leicht ausgeglichen.

Die Unteransprüche 3 bis 5 kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen des Gasgenerators nach Anspruch 1 oder 2.

Die Erfindung wird anschließend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch einen Gasgenerator mit zwei Treibsätzen, wobei oberhalb und unterhalb der Mittellinie je weils eine andere Strömungsführung für den zusätzlichen Treib satz dargestellt ist,

Fig. 2 einen Längsmittelschnitt durch einen Gasgenerator mit einem Treibsatz, welcher zwei Abbrandflächen aufweist,

Fig. 3 ein Diagramm in doppeltlogarithmischer Auftragung, welches qua litativ den Verlauf des Brennstoffdurchsatzes in Abhängigkeit vom Gasgeneratordruck wiedergibt und zwar mit und ohne gezünde ter zusätzlicher Abbrandfläche.

Der Gasgenerator 1 nach Fig. 1 umfaßt einen Haupttreibsatz 10 und einen zusätzlichen kleineren Treibsatz 7 oder 8. Die Aufteilung des brenn stofferzeugenden Treibstoffes in zwei unabhängige Treibsätze hat den Vorteil, daß die Rezepturen und damit die Abbrandeigenschaften der Treibsätze unterschiedlich gewählt und somit optimal auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden können. Zugegebenermaßen ist der bauli che Aufwand dabei größer als bei einer Ausführung mit nur einem Treib satz, wie beispielsweise nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist oberhalb der Mittellinie eine Ausführung wiedergegeben, bei der die Heißgase des zusätzlichen Treibsatzes 7 in der Kammer 16 des Gasgenerators 1 mit den Heißgasen des Haupttreibsatzes 10 vereinigt wer den und mit diesen gemeinsam durch das Gasleitrohr 22 und das Regelven til 5 in die Staustrahlbrennkammer 3 strömen. Der Treibsatz 7 ist all seitig von Wänden umgeben und zwar an seinem Außenumfang von der Außen wand des Gasgenerators 1, an seinem Innenumfang vom Gasleitrohr 21, an seiner vorderen Stirnseite - in einem gewissen Abstand zur Bildung eines Hohlraumes für die Zündung - von der Schottwand 18. Die Schottwand 18 weist über den Umfang verteilt mehrere Öffnungen 27 auf, welche bis zur Zündung des Treibsatzes 7 mit Verschlüssen 29 abgedichtet sind.

Die Verschlüsse 29 können beispielsweise durch den Zünddruck des Treib satzes 7 oder durch separate, mechanische oder pyrotechnische Vorrich tungen im ganzen oder in Bruchstücken ausgestoßen werden. Sie können auch so ausgeführt sein, daß sie nach einer vorbestimmten Zeit von den Heißgasen des Haupttreibsatzes 10 durchgebrannt werden. Ebenso ist es möglich, die ganze Schottwand 18 abzubrennen oder anderweitig zu zerstö ren. Es kann auch genügen, die Abbrandfläche 11 mit einer über einen vorbestimmten Zeitraum beständigen, isolierenden Schicht zu bedecken und die Schottwand 18 ganz wegzulassen. Die Zündung des Treibsatzes 7 kann durch die Heißgase des Haupttreibsatzes 10 oder durch eine separate Zündvorrichtung erfolgen. Die Abbrandflächen 11 und 15 sind - als Bei spiel - stirnseitig angeordnet, d.h. beide Treibsätze 7 und 10 sind Stirnbrenner. Selbstverständlich sind auch andere Konfigurationen, z.B. Innenbrenner etc., möglich. Die Abbrandrichtung ist hier wie in Fig. 2 durch kleine schwarze Pfeile angedeutet. Wie ersichtlich, ist der Haupt treibsatz 10 wesentlich größer als der Treibsatz 7, was daran liegt, daß letzterer beispielsweise nur während 20% der Betriebsdauer benötigt wird.

Bei der Ausführung unterhalb der Mittellinie sind separate Strömungswege für die Heißgase des Treibsatzes 8 und des Haupttreibsatzes 10 vorgese hen. Die Heißgase des Haupttreibsatzes 10 strömen durch das Gasleitrohr 23 und das Regelventil 5 in die Staustrahlbrennkammer 3, die Heißgase des Treibsatzes 8 durch vorzugsweise mehrere Gasleitrohre 24, wobei auch vor oder in den Gasleitrohren 24 Regelorgane angeordnet sein können. Die Abbrandfläche 12 ist nicht geschützt, wobei verhindert werden muß, daß Flammen aus der Staustrahlbrennkammer 3 bis zum Treibsatz 8 durchschla gen.

Bei Gasgeneratoren mit Haupt- und zusätzlichem Treibsatz wird - wie mehrfach erwähnt - zuerst der Haupttreibsatz und später der zusätzliche Treibsatz gezündet. In der Flugphase mit hohem Schubbedarf werden vor zugsweise beide Treibsätze brennen, wobei es möglich ist (über Volumen, Rezeptur, Zündzeitpunkt), deren Abbrand so zu steuern, daß sie etwa gleichzeitig oder in vorgegebener Reihenfolge nacheinander verbraucht sind. Falls der zusätzliche Treibsatz alleine einen höheren Brennstoff durchsatz erzeugt als der Haupttreibsatz, so ist es auch möglich, eine Schubsteigerung zu erreichen, indem der zusätzliche Treibsatz erst ge zündet wird, wenn der Haupttreibsatz bereits verbraucht ist.

Prinzipiell ist auch die Verwendung von zwei oder mehr zusätzlichen Treibsätzen möglich. Dagegen wird in der Praxis jedoch meist der erfor derliche Aufwand sprechen.

Der Gasgenerator 2 nach Fig. 2 ist einfacher aufgebaut als derjenige nach Fig. 1, da er nur einen Treibsatz 9 besitzt. Dieser weist eine rückseitige Abbrandfläche 13 für die Initialzündung und eine zusätzli che, stirnseitige Abbrandfläche 14 für die nachträgliche Zündung zum Zweck der Schuberhöhung auf. Durch den gesamten Treibsatz 9 verläuft beispielsweise zentrisch ein Gasleitrohr 25, welches die Heißgase der Abbrandfläche 14 in die Kammer 17 leitet, wo sie mit den Heißgasen der Abbrandfläche 13 zusammentreffen und gemeinsam mit diesen durch das Gas leitrohr 26 und das Regelventil 6 in die Staustrahlbrennkammer 4 strö men. Die Schottwand 20 mit den ausstoßbaren bzw. zerstörbaren Verschlüs sen 30 in den Öffnungen 28 schützt die Abbrandfläche 14 bis zu deren Zündung. Dieser Zustand ist oberhalb der Mittellinie dargestellt. Der Zustand unmittelbar nach der Zündung mit freier Öffnung 28 ist unterhalb der Mittellinie wiedergegeben, wobei der Heißgasstrom mit einer gestri chelten Linie und einem weißen Pfeil angedeutet ist. Anstelle der Schottwand 20 kann auch eine zeitweilig heißgasbeständige Schicht auf der Abbrandfläche angeordnet sein. Noch einfacher ist die Anordnung ei nes ausstoßbaren bzw. zerstörbaren Stopfens im Gasleitrohr 24, wobei keinerlei Schottwand oder Schutzschicht im Bereich der Abbrandfläche 14 erforderlich ist. Diese Möglichkeit ist leicht verständlich und deshalb nicht gesondert dargestellt.

Der Treibsatz 9 wird in der Regel homogen aufgebaut sein, so daß - bei gleich großen Abbrandflächen 13 und 14 - etwa eine Brennstoffdurchsatz verdoppelung bei Zündung der Abbrandfläche 14 erzielt wird.

Falls der Aufwand gerechtfertigt ist, kann die Treibsatzrezeptur in Längsrichtung variiert werden, so daß beispielsweise die Abbrandge schwindigkeit im Bereich der Abbrandfläche 14 höher ist als im Großteil des Treibsatzvolumens.

Selbstverständlich gibt es auch eine Vielzahl weiterer Anordnungsmög lichkeiten für die zwei oder mehr Abbrandflächen. Beispielsweise kann in Fig. 2 zuerst die vordere und dann die hintere Abbrandfläche gezündet werden, wobei letztere bis zu ihrer Zündung entsprechend zu schützen wä re. Ebenso ist es möglich, jede der Abbrandflächen in weitgehend belie biger geometrischer Konfiguration auszuführen, z.B. eine Abbrandfläche in Innenbrenner-, die andere in Stirnbrennerkonfiguration. Allen diesbe züglichen Ausführungen ist jedoch das Prinzip gemeinsam, daß alle Ab brandflächen am selben Treibsatz angeordnet sind.

Fig. 3 zeigt ein doppeltlogarithmisches Diagramm (ln = Logarithmus natu ralis) in welchem qualitativ der Verlauf des Brennstoffdurchsatzes m in Abhängigkeit vom Gasgeneratordruck p dargestellt ist. Der Brennstoff durchsatz m hat die Benennung Masse pro Zeit, z.B. Gramm pro Sekunde, der Druck p vorzugsweise die Benennung bar. Zum einfacheren Verständnis gehe das Diagramm zunächst davon aus, daß zwei vorzugsweise gleich große und konstante Abbrandflächen an einem homogenen Treibsatz angeordnet sind. Die gestrichelte Kurve I zeigt den Brennstoffdurchsatzverlauf bei nur einer gezündeten Abbrandfläche, die gepunktete Kurve II den Verlauf, wenn beide Abbrandflächen gezündet sind. Die Werte p_min und p_max seien die vorgegebenen Grenzwerte für den Gasgeneratordruck. Im Marsch flug gilt die Kurve I, der Druck wird vorzugsweise in der Größe von p_min gehalten, um einen minimalen Brennstoffdurchsatz m_min, d. h. ei ne maximale Reichweite zu erzielen. Der Übergang vom Marschflug zum Ma növerflug mit hoher Beschleunigung und Geschwindigkeit ist in Form der durchgezogenen, zweifach geknickten Kurve wiedergegeben. Beispielsweise wird bei nur einer gezündeten Abbrandfläche der Gasgeneratordruck bis zu einem Wert p_z erhöht, welcher zwischen p_min und p_max liegen kann, d.h. m folgt zunächst der Kurve I. Durch Zündung der zweiten Abbrandflä che springt m auf die Linie II und folgt dieser bei einer Druckerhöhung bis p_max.

Wäre nun, gemäß den Lösungen nach dem Stand der Technik, nur eine Ab brandfläche vorhanden, so stünde die Kurve II für den typischen m-Ver lauf einer Treibsatzrezeptur mit höherer Abbrandgeschwindigkeit, welche erforderlich wäre, um m_max zu erreichen. Der Wert m_II über p_min zeigt deutlich, daß eine solche Rezeptur insbesondere im unteren Marsch flugbereich zu einem deutlich höheren Brennstoffverbrauch (< m_min) führen würde.

Das Diagramm nach Fig. 3 gilt sinngemäß auch für Gasgeneratoren mit Haupt- und Zusatztreibsatz, wobei die Kurve I den m-Verlauf für den Haupttreibsatz, die Kurve II die Brennstoffdurchsatzsumme für beide Treibsätze im gezündeten Zustand wiedergibt.

Schließlich läßt das Diagramm noch eine dritte Auslegung zu und zwar ebenfalls für Gasgeneratoren mit Haupt- und Zusatztreibsatz. Es sei die Kurve I der m-Verlauf für den Hauptteibsatz, die Kurve II der m-Verlauf für den zusätzlichen Treibsatz. Der durchgezogene, geknickte m-Verlauf kann dann auftreten, wenn der Haupttreibsatz im Moment der Zündung des zusätzlichen Treibsatzes verbraucht ist und zu diesem Zeitpunkt der Druck p_z im Gasgenerator herrscht. In diesem letztgenannten Fall ist also immer nur eine Abbrandfläche eines Treibsatzes in Betrieb. Dabei gilt für jeden Druck zwischen p_min und p_max, daß m nach Kurve II im mer größer ist als m nach Kurve I, siehe beispielsweise die Werte m_max und m_I bei p_max.

Claims

1. Gasgenerator für Staustrahlraketen mit veränderbarem Brennstoff durchsatz, in welchem durch Abbrennen eines festen, sauerstoffarmen Treibsatzes Brennstoff für die Staustrahlbrennkammer freigesetzt wird, wobei der Treibsatz zu Beginn des Staustrahlbetriebes an einer Abbrand fläche gezündet wird und sich von dort aus fortschreitend zersetzt, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Haupttreibsatz (10) und minde stens einen zusätzlichen, kleineren Treibsatz (7, 8) umfaßt, welcher später als der Haupttreibsatz (10) gezündet werden kann und welcher zu mindest bis zu seiner Zündung durch eine isolierende Schicht und/oder eine trennende Hand (Schottwand 18, Verschluß 29, Gasleitrohr 23) vor den Heißgasen des brennenden Haupttreibsatzes (10) geschützt ist (Fig. 1).

2. Gasgenerator nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch ge kennzeichnet, daß an dem Treibsatz (9) mindestens eine zusätzliche Ab brandfläche (14) vorhanden ist, welcher später gezündet werden kann und welche zumindest bis zu ihrer Zündung durch eine isolierende Schicht und/oder eine trennende Hand (Schottwand 20, Verschluß 30) vor den Heiß gasen des brennenden Treibsatzes (9) geschützt ist (Fig. 2).

3. Gasgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Kammer (16, 17) aufweist, in welcher die brennstoffreichen Heißgase der zu Beginn des Staustrahlbetriebes gezündeten Abbrandfläche (13, 15) und der später gezündeten, zusätzlichen Abbrandfläche (11, 14) zusammengeführt werden, und daß mindestens ein Regelorgan (Regelventile (5, 6) zum Verändern des Strömungsquerschnittes des Heißgasaustrittes (Gasleitrohre 22, 26) vorhanden ist.

4. Gasgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er getrennte Strömungskanäle (Gasleitrohre 23, 24) für die Heißgase der zu Beginn des Staustrahlbetriebes gezündeten Abbrandfläche (15) und für die Heißgase der später gezündeten, zusätzlichen Abbrandfläche (12) aufweist, und daß für die Heißgase der zuerst gezündeten Abbrandfläche (15) mindestens ein Regelorgan (Regelventil 5) vorhanden ist, oder daß für die Heißgase der zuerst gezündeten Abbrandfläche und für die Heißga se der zusätzlichen Abbrandfläche jeweils mindestens ein Regelorgan vor handen ist.

5. Gasgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die zusätzliche Abbrandfläche (11, 14) bis zu ihrer Zündung vor den Heißgasen der bereits gezündeten Abbrandfläche (13, 15) schützende Schicht oder Wand (Schottwände 18, 20) im ganzen oder stellenweise (Öff nungen 27, 28; Verschlüsse 29, 30) mechanisch oder thermisch zerstörbar ausgeführt ist.