DE4203775C2 - Triebwerk auf der Basis der katalytischen Zersetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Triebwerk auf der Basis der katalytischen und/oder thermischen Zersetzung eines flüssigen Energieträgers, insbesondere Hydrazin, mit einer Zersetzungskammer sowie einer einen Vorratsbehälter für den flüssigen Energieträger mit der Zersetzungskammer verbindenden Einspritzleitung, die in einen Einspritzkopf mündet, der austrittsseitig durch eine Kopfplatte begrenzt ist, in der wenigstens zwei den Innenraum des Einspritzkopfes mit der Zersetzungskammer verbindende Einspritzbohrungen angeordnet sind, die unter einem Winkel zur Längsachse der Zersetzungskammer schräg nach außen weisen.

Triebwerke dieser Art, bei denen flüssiges Hydrazin als Energieträger verwendet wird, werden für eine Reihe sehr unterschiedlicher Schubklassen hergestellt und kommen vorzugsweise in der Weltraumtechnik zum Einsatz. Neben Hydrazintriebwerken, bei denen der Treibstoff über eine einzige, im Einspritzkopf zentrale angeordnete Einspritzbohrung auf das in der Zersetzungskammer befindliche Katalysatorbett gelangt, finden auch Triebwerke mit sogenannten Showerheads Verwendung, bei denen in der den Einspritzkopf verschließenden Kopfplatte mehrere Einspritzbohrungen symmetrisch verteilt angeordnet sind. Ein derartiges Triebwerk ist aus der DE 34 43 388 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Triebwerk wird der flüssige Energieträger über eine Reihe von sich fächerartig schräg nach außen in die Zersetzungskammer erstreckenden Kanälen auf das Katalysatorbett verteilt. Daneben ist auch aus der DE-OS 15 76 597 eine Einspritzvorrichtung für Raketentriebwerke bekannt, bei der, gemäß dem Gattungsbegriff, divergierende Einspritzbohrungen für den Treibstoff vorgesehen sind.

Solche Einspritzbohrungen weisen Durchmesser auf, die typischerweise im Bereich zwischen 0,15 und 0,5 mm liegen. Wichtig für eine möglichst gleichmäßige Belastung des Katalysatorbettes und damit für eine gute Reproduzierbarkeit des mit einem derartigen Triebwerk erzeugbaren Schubes sowie für eine große Leistungserhaltung des Triebwerks ist eine möglichst gleichmäßiger, während der gesamten Betriebsdauer gleichbleibender Treibstoffdurchsatz durch die einzelnen Einspritzbohrungen. Andererseits neigen im Treibstoff enthaltene Verunreinigungen in Form von Feststoffpartikeln, beispielsweise Siliziumteilchen, die durch das chemisch aggressive Hydrazin aus den in den Treibstoffbehältern häufig verwendeten Membranen auf Silizium-Basis herausgelöst werden, dazu, sich an den Öffnungen der Einspritzbohrungen in der Kopfplatte abzulagern. Diese Ablagerungen können an einzelnen Einspritzbohrungen zu Unregelmäßigkeiten bei der Einspritzung und damit zu Druckverlusten sowie zu vorzeitigem Verschleiß des Katalysatorbettes führen mit einer daraus resultierenden Schubminderung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Triebwerk der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es eine möglichst hohe Standzeit und während seiner gesamten Betriebsdauer einen möglichst gleichmäßigen Schubverlauf aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Triebwerk mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen, durch die das Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Triebwerks noch weiter verbessert wird, sind in den weiteren Ansprüchen angegeben. Dabei bietet die Erfindung insbesondere den Vorteil, unsaubere und gratbehaftete Einspritzbohrungen, an denen die geschilderten Ablagerungen bevorzugt auftreten, von vornherein dadurch zu vermeiden, daß die Bohrungen so in die Kopfplatte eingebracht werden, daß der Bohrer unter einem von null Grad verschiedenen Winkel zur Oberflächennormalen auf der inneren Fläche der Kopfplatte austritt. Auf diese Weise entsteht eine gratfreie Kante zwischen dem Einlauf der Einspritzbohrung und der Kopfplatte, da der Bohrer nicht auf der gesamten Fläche gleichzeitig austritt, sondern zunächst nur punktuell, um dann umlaufend das Material über den vollen Umfang der Bohrung zu schneiden, so daß ein Kanten- oder Austrittswulst vermieden wird. Dies ist besonders wichtig bei sehr kleinen Einspritzbohrungen und in Fällen, bei denen die Entfernung eines Grates wegen der schlechten Zugänglichkeit der Bohrungen nur mit hohem Zeit- und Kostenaufwand möglich wäre.

Dadurch, daß bei dem Triebwerk nach der Erfindung die Einspritzbohrungen auf der Einlaßseite einen Winkel gegenüber der Flächennormalen aufweisen, d. h. schräg zur Oberfläche verlaufen und sich damit ovale Eintrittsöffnungen für den Treibstoff ergeben, werden die Strömungsverhältnisse für den Treibstoff besonders günstig beeinflußt und das erfindungsgemäße Triebwerk wird unanfällig gegenüber Verunreinigungen im Treibstoff.

Zwar ist bereits aus der US 33 34 490 eine Einspritzvorrichtung für eine Flüssigkeitsrakete bekannt, bei der die Einspritzbohrungen so angeordnet sind, daß ihre Mittelachsen schräg zur Innenfläche der Kopfplatte verlaufen, jedoch handelt es sich bei dieser bekannten Anordnung um eine Einspritzvorrichtung für ein Triebwerk auf der Basis eines Zweikomponententreibstoffs und somit um eine andere Gattung. Ferner ist bei dieser bekannten Einspritzvorrichtung vorgesehen, daß die einzelnen Einspritzbohrungen auf einen gemeinsamen Aufprallpunkt vor der Kopfplatte hin ausgerichtet sind und nicht, wie bei dem Triebwerk nach der Erfindung, divergierend angeordnet sind, so daß dieser bekannten Anordnung ein anderes Einspritzkonzept zugrunde liegt.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Hydrazintriebwerk,

Fig. 2 bis 4 vergrößerte Darstellungen des in Fig. 1 gekennzeichneten Bereichs in unterschiedlichen Ausführungen, wobei die in Fig. 2 gezeigte Anordnung dem bekannten Stand der Technik entspricht.

Bei dem in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Hydrazintriebwerk handelt es sich um ein Triebwerk, wie es in der Raumfahrttechnik beispielsweise zur Lageregelung von Satelliten verwendet wird. Der hierfür benötigte Schub wird bei diesem Triebwerk durch Hydrazin als flüssigem Energieträger erzeugt, das in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Vorratsbehälter, häufig einem Membrantank, im Raumflugkörper mitgeführt wird. Das Hydrazin gelangt über ein Einspritzrohr in eine Zersetzungskammer 2, auf deren Aufbau hier im einzelnen nicht eingegangen werden soll. In der Zersetzungskammer 2 befindet sich eine Füllung, bestehend aus einem katalytisch wirkenden Werkstoff. Beim Auftreffen auf diesen Katalysator zerfällt das Hydrazin unter Wärmeentwicklung in seine gasförmigen Komponeten, im wesentlichen Ammoniak, Stickstoff und Wasserstoff, in eine Austrittsdüse 3 gelangen, wo sie mit hoher Geschwindigkeit die Düse 3 verlassen und auf diese Weise den gewünschten Schub erzeugen.

Der in der Fig. 1 mit II gekennzeichnete Bereich umfaßt den einspritzteilseitigen Endbereich des Einspritzrohres 1, der durch einen Einspritzkopf 4 abgeschlossen wird und der im Detail nachfolgend beschrieben werden soll.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, handelt es sich bei diesem Einspritzkopf 4 um einen zylindrischen Hohlkörper, der endseitig durch eine Kopfplatte 5 verschlossen ist. Die Kopfplatte 5 ist in der Regel einstückig an den Einspritzkopf 4 angeformt und weist bei den bekannten Triebwerken eine abgeschrägte Außenfläche 6 auf, die parallel zu der durch eine Sacklochbohrung 8 erzeugten Innenfläche 7 verläuft. Einspritzbohrungen 9 und 10 , die die Sacklochbohrung 8 mit dem Außenraum verbinden und durch die das Hydrazin in die Zersetzungskammer 2 gespritzt wird, verlaufen bei diesem bekannten Triebwerk, wie in Fig. 2 durch gestrichelte bzw. strichpunktierte Linien angedeutet, parallel zu den Flächennormalen sowohl der Innenfläche 7 als auch der Außenfläche 6.

Demgegenüber ist bei dem in Fig. 3 dargestellten Einspritzkopf 14 die Außenfläche 16, in diesem Fall durch nachträgliches Abdrehen, so geformt, daß sie unter einem Winkel von etwa 15 Grad schräg zur Innenfläche 17 verläuft. Dementsprechend verlaufen Einspritzbohrungen 13 und 19, die die Sacklochbohrung 18 mit dem Außenraum verbinden und die von außen so in die Kopfplatte 15 eingebracht wurden, daß sie enkrecht zur Außenfläche 16 liegen, unter einem Winkel von ebenfalls etwa 15 Grad zur Flächennormalen der Innenfläche 17 jeweils am Austrittsort. Dadurch ergeben sich im Inneren des Einspritzkopfes 14 ovale Einmündungsbereiche bzw. Einlaßöffnungen für die Einspritzbohrungen 13 und 19.

Der in Fig. 4 dargestellte Einspritzkopf 24 unterscheidet sich vom vorstehend beschriebenen dahingehend, daß in diesem Fall die Außenfläche 26 der Kopfplatte 25 stärker abgeflacht ist als die Innenfläche 27, so daß in diesem Fall die Wandstärke der Kopfplatte 25 zum Zentrum hin abnimmt. Auch bei dieser Anordnung weisen die senkrecht zur Außenfläche 26 eingebrachten Einspritzbohrungen 23 und 29 einen Winkel von etwa 15 Grad zur Flächennormalen der Innenfläche 27 am jeweiligen Austrittsort auf, wodurch sich ebenfalls wieder oval geformte Einlaßöffnungen ergeben. In beiden Fällen ist durch diese Abweichung der Mittelachse der Einspritzbohrungen 13, 19, 23 und 29 von der Flächennormalen der Austrittsfläche dieser Bohrungen zuverlässig ausgeschlossen, daß es beim Einbringen der Bohrungen von der Außenseite des Einspritzkopfes 14 bzw. 24 her zur Ausbildung eines Grates oder Wulstes auf der Einlaßseite der Einspritzbohrungen, d. h. am Austrittsort des Bohrers aus der Kopfplatte, kommt, wie dies insbesondere bei zähen Werkstoffen für die Kopfplatte und bei zueinander parallelen Innen- und Außenflächen häufig zu beobachten ist.

Claims (4)

1. Triebwerk auf der Basis der katalytischen und/oder thermischen Zersetzung eines flüssigen Energieträgers, insbesondere Hydrazin, mit einer Zersetzungskammer sowie einer einen Vorratsbehälter für den flüssigen Energieträger mit der Zersetzungskammer verbindenden Einspritzleitung, die in einen Einspritzkopf mündet, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzkopf austrittsseitig durch eine Kopfplatte (15, 25, 35) begrenzt ist, in der wenigstens zwei den Innenraum des Einspritzkopfes mit der Zersetzungskammer verbindende Einspritzbohrungen (13, 19, 23, 29) angeordnet sind, die unter einem Winkel zur Längsachse der Zersetzungskammer schräg nach außen weisen, und daß die Mittelachsen der Einspritzbohrungen (13, 19, 23, 29) mit der Flächennormalen der inneren Oberfläche (16, 17, 26, 27) der Kopfplatte (15, 25, 35) einen von null Grad verschiedenen Winkel bilden.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel wenigstens 15 Grad beträgt.

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzbohrungen (13, 19) zur Außenfläche (16) der Kopfplatte (15) unter einem von 90 Grad verschiedenen Winkel verlaufen.

4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfplatte (15, 25) einstückig an den Einspritzkopf (14, 24) angeformt ist.