DE4341376A1 - Raketenmotor - Google Patents

Raketenmotor

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Jean-Paul Dumont
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Description

Die Erfindung betrifft einen Raketenmotor für flüssige, sich verzweigend fließende Treibmittel mit einer von einer Hauptwand begrenzten Brennkammer, einer Einspritzeinrich­ tung zum Einspritzen eines ersten und eines zweiten Treib­ mittels in die Brennkammer, wenigstens einer Turbopumpe zur Versorgung der Einspritzeinrichtung mit dem ersten und zweiten Treibmittel unter einem vorbestimmten Druck, und einem Gasgenerator zum Antreiben wenigstens einer Turbine der Turbopumpe.
Aus US-A-3 413 810 sind Raketenmotoren für flüssige Treib­ mittel bekannt, die integrierte Einheiten bilden und eine Turbopumpe umfassen, die direkt auf einer Brennkammer mon­ tiert ist und eine Turbine umfaßt, die ihrerseits durch diejenigen Gase angetrieben ist, welche in einer besonde­ ren Ringkammer erzeugt werden, die über der Einspritzplat­ te liegt.
Die Tatsache, daß in diesem Falle die Hilfsbrennkammer axial auf einem Niveau angeordnet ist, das gegenüber dem­ jenigen der Hauptkammer verschieden ist, und zwar in Strö­ mungsrichtung vor der Einspritzplatte, verhindert die Er­ zielung einer maximalen Kompaktheit und verursacht ein Hindernis für die Installierung äußerer Organe oberhalb der Hauptkammer, beispielsweise eines Kardanantriebs, der notwendig ist, wenn die Hauptbrennkammer orientierbar aus­ gebildet werden soll.
Aus FR-A-2 636 376 sind Systeme bekannt, "tap off" be­ zeichnet, die der Entnahme von heißem Gas in der Haupt­ brennkammer eines Raketenmotors dienen, und zwar durch die Einspritzplatte hindurch. In diesem Fall ist kein unabhän­ giger Gasgenerator vorhanden, und die einzigen zum Einsatz gelangenden Treibmitteleinspritzdüsen sind Düsen, die in der Einspritzplatte angeordnet sind. Dafür ist es notwen­ dig, besondere Entnahmeorgane vorzusehen, die durch ein Treibmittel gekühlt sind und in der Einspritzplatte zwi­ schen die Einspritzdüsen eingeschaltet sind. Ein Nachteil solcher Abzugssysteme von heißen Gasen beruht auf der Tat­ sache, daß man beim Start die Zusammensetzung der Treib­ mittelmischung, welche diejenige der Hauptkammer ist, nicht steuern kann, so daß man keine Heißgase abziehen kann, deren Zustand an die gewünschten Verwendungszwecke angepaßt ist.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, den ge­ nannten Nachteilen abzuhelfen und einen Raketenmotor für flüssige Treibmittel zu schaffen, dessen Raumbedarf in axialer Richtung reduziert ist, bei dem die Montage des Ganzen erleichtert und die Fabrikationskosten reduziert sind, und welcher eine Möglichkeit zur unabhängigen Einre­ gulierung des Mischungsverhältnisses der Treibmittel bie­ tet, und zwar für die Erzeugung von Heißgasen, die außer­ halb der Hauptbrennkammer für Zusatzorgane, beispielsweise eine Turbopumpe, eingesetzt werden.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Raketenmotor dadurch gelöst, daß die Einspritzeinrichtung eine einzige Einspritzplatte umfaßt mit einem Mittelteil, der den Boden der Verbrennungszone der Brennkammer begrenzt und erste Einspritzdüsen für Treibmittel mit hohem Mischungsverhält­ nis enthält, das an die Bedingungen der Heißgaserzeugung in der Verbrennungszone der Brennkammer angepaßt ist, und mit einem kranzförmigen Umfangsteil, der den Boden eines Ringraums des Gasgenerators begrenzt und zweite Einspritz­ düsen für Treibmittel mit niedrigem Mischungsverhältnis enthält, das an die Bedingungen der Heißgaserzeugung im Gasgenerator angepaßt ist, wobei der Gasgenerator somit in die Brennkammer integriert und der Ringraum des Gasgenera­ tors von der Verbrennungszone der Brennkammer durch eine zylindrische Wand getrennt ist, die senkrecht zur Ein­ spritzplatte verläuft und an dieser abgedichtet befestigt ist.
Die Integration des Gasgenerators in die Hauptkammer stei­ gert die Kompaktheit der ganzen Baueinheit, wobei die Mon­ tage vereinfacht und die Möglichkeit geboten wird, in ein­ facher Weise beispielsweise einen Kardanantrieb oberhalb der Einspritzplatte zu montieren, um eine Orientierung der Hauptkammer zu gestatten.
Vor allem ermöglicht es die Integration von Einspritzdüsen unterschiedlicher Typen in eine einzige Einspritzplatte trotz der Einfachheit der Montage, eine maximale Flexibi­ lität zu bewahren, und zwar für die Anpassung der Treib­ stoffmischbedingungen an optimale Funktionsverhältnisse, nämlich einerseits im Bereich der Hauptbrennkammer und an­ dererseits im Bereich des Ringraums des Gasgenerators.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die zylindrische Wand unmittelbar durch den oberen, in der Nähe der Ein­ spritzplatte gelegenen Teil der Hauptwand der Brennkammer gebildet, und dieser obere Teil der Brennkammerwand ist in einer Zwischenzone zwischen dem Mittelteil und dem Um­ fangsteil abgedichtet an der Einspritzplatte befestigt.
In diesem Falle kann der Gasgenerator zur Abgabe der im Ringraum erzeugten Heißgase einen Torus umfassen, wobei der Ringraum zwischen dem oberen Teil der Hauptwand und einer zylindrischen Trennwand bestimmt ist, die abgedich­ tet an der Einspritzplatte in einer äußeren Zone des Um­ fangsteils befestigt ist.
Die Tatsache, daß der Gasgenerator ganz außerhalb der Brennkammer liegt, deren Wand abgedichtet mit der Ein­ spritzplatte verbunden ist, gestattet es, im Gasgenerator, der ganz und gar von der Hauptkammer unabhängig ist, einen sehr schwachen Druck zu erhalten. Bei einer solchen Aus­ führungsform wird vorteilhafterweise die Hauptwand der Brennkammer regenerierend durch die Zirkulation einer kleinen Menge des ersten oder zweiten Treibmittels ge­ kühlt, die durch Kanäle fließt, die in der Hauptwand aus­ gespart sind.
Gemäß einer zweiten möglichen Ausführungsform ist die zy­ lindrische Wand durch eine zylindrische Trennwand gebil­ det, die im Inneren des von der Hauptwand der Brennkammer definierten Raumes angeordnet und mit ihrem oberen Teil abgedichtet an der Einspritzplatte in einer Zwischenzone zwischen dem Mittelteil und dem Umfangsteil befestigt ist, wobei die Hauptwand der Brennkammer selbst abgedichtet an der Einspritzplatte in einer äußeren Zone des Umfangstei­ les befestigt ist und zwischen der Hauptwand und dem unte­ ren Teil der Trennwand Verbindungsdurchlässe ausgespart sind.
Insbesondere kann der untere Teil der zylindrischen Trenn­ wand mit der Hauptwand der Brennkammer durch mit Öffnungen versehene Stege verbunden sein.
Im Falle der zweiten Ausführungsform kann der Gasgenerator eine radiale Rohrabzweigung umfassen, die in der Hauptwand der Brennkammer ausgebildet ist und den Austritt der im Ringraum erzeugten Heißgase gewährleistet, wobei der Ring­ raum zwischen der zylindrischen Trennwand und der Haupt­ wand der Brennkammer bestimmt ist.
Vorteilhafterweise ist die zylindrische Trennwand auf der Seite der Verbrennungszone durch eine an ihr entlang lau­ fende Zirkulation eines Filmes aus einem der in diese Ver­ brennungszone eingespritzten Treibmittel gekühlt.
Die zweite Ausführungsform entspricht einer maximalen In­ tegration des Gasgenerators, der zwischen der äußeren Wand der Hauptbrennkammer und einer inneren zylindrischen Wand liegt, die in einer bestimmten Entfernung unter der Ein­ spritzplatte unterbrochen ist und im Abstand von der äuße­ ren Wand liegt, um einen Mittelteil zu begrenzen, der den Brennraum der eigentlichen Brennkammer bildet, sowie einen ringförmigen Umfangeteil, der den Gasgenerator darstellt.
Gemäß einem besonderen Merkmal der vorliegenden Erfindung umfaßt die Einspritzeinrichtung erste und zweite Vertei­ lerkammern, die mit einem ersten bzw. einem zweiten Treib­ mittel gespeist werden, zwischen einer Außenwand und der Einspritzplatte angeordnet und voneinander durch eine Trennwand getrennt sind, wobei ein erster Satz von Ein­ spritzrohren für das erste Treibmittel von der ersten Ver­ teilerkammer ausgeht und die zweite Verteilerkammer sowie den Mittelteil der Einspritzplatte durchquert, und ein zweiter Satz von Einspritzrohren für das zweite Treibmit­ tel von der zweiten Verteilerkammer ausgeht und den Mit­ telteil der Einspritzplatte vollständig durchdringt.
In diesem Falle kann der Raketenmotor einen Torus zur Ein­ speisung eines zweiten Treibmittels umfassen, der den Um­ fangsteil der Einspritzplatte umgibt und die Versorgung der zweiten Verteilerkammer durch radiale Kanäle sicher­ stellt, die im Umfangsteil der Einspritzplatte ausgespart sind.
Insbesondere umfaßt der Raketenmotor Einspritzkanäle für das erste Treibmittel, die von der ersten Verteilerkammer ausgehen und den Umfangsteil der Einspritzplatte durchque­ ren, um den Ringraum des Gasgenerators zu speisen.
Im übrigen umfaßt der Raketenmotor Einspritzkanäle für das zweite Treibmittel, die im Umfangsteil der Einspritzplatte ausgebildet sind, ausgehend von einem zweiten, den Um­ fangsteil der Einspritzplatte umgebenden Torus mit einem zweiten Treibmittel gespeist werden und im Ringraum des Gasgenerators ausmünden.
Vorzugsweise münden die Einspritzrohre für das erste und zweite Treibmittel, die den Mittelteil der Einspritzplatte durchqueren, koaxial zueinander in der Verbrennungszone der Brennkammer aus.
Ebenso münden die Kanäle zur Einspritzung des ersten und zweiten Treibmittels, die den Umfangsteil der Einspritz­ platte durchqueren, koaxial zueinander im Ringraum des Gasgenerators aus.
Gemäß einem Merkmal, welches die Verwirklichung der Erfin­ dung vereinfacht, ist der Umfangsteil der Einspritzplatte gegen die Strömungsrichtung über den Mittelteil der Ein­ spritzplatte hinaus verlängert und bildet die seitliche Umfangswand der ersten und zweiten Treibmittel-Verteiler­ kammern.
Beispielsweise sind die ersten Einspritzdüsen, welche die Treibmittel mit hohem Mischungsverhältnis einspritzen, an die Erzeugung von Heißgasen mit einer Temperatur in der Größenordnung von 3000°K in der Verbrennungszone der Brennkammer angepaßt, während die zweiten Einspritzdüsen, welche die Treibmittel mit niedrigem Mischungsverhältnis einspritzen, an die Erzeugung von Heißgasen mit einer Tem­ peratur in der Größenordnung von 900°K im Ringraum des Gasgenerators angepaßt sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer und ledig­ lich beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Es zeigen
Fig. 1 eine Axialschnittansicht der Brennkammer eines Raketenmotors mit integriertem Gas­ generator entsprechend einer ersten Aus­ führungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 eine Einzelschnittansicht entlang der Li­ nie III-III in Fig. 1 eines Beispiels für eine einzelne Treibmitteleinspritz­ einrichtung, die im Rahmen der vorliegen­ den Erfindung eingesetzt werden kann;
Fig. 4 eine Axialschnittansicht der Brennkammer eines Raketenmotors mit integriertem Gas­ generator entsprechend einer zweiten Aus­ führungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in Fig. 4 und
Fig. 6 eine schematische Gesamtansicht eines Ra­ ketenmotors mit verzweigtem Fluß der flüssigen Treibmittel als Basis für die Anwendung der vorliegenden Erfindung.
Die Raketenmotoren mit flüssigen Treibmitteln funktionie­ ren im allgemeinen mit einem abgeleiteten Flußzyklus oder mit einem integrierten Flußzyklus.
Die Raketenmotoren mit integrierten Fluß umfassen eine Verbrennungsvorkammer, die von der Hauptantriebskammer ge­ trennt ist. Die am Ausgang der Vorkammer erzeugten Heißga­ se haben eine beträchtliche Ergiebigkeit und werden wieder in die Hauptbrennkammer eingespritzt, nachdem sie auf dem Niveau einer Turbine für eine Treibmittelversorgungs-Tur­ bopumpe eine geringe Entspannung erfahren haben. Ein der­ artiger Zyklus mit integriertem Fluß stellt einen guten Wirkungsgrad dar, führt jedoch zu praktischen Ausführungs­ formen, deren Entwicklung und Fabrikation sehr teuer ist.
Die Raketenmotoren mit abgeleitetem Fluß, deren Schema in Fig. 6 dargestellt ist, zeigen eine größere Flexibilität in der Konzeption und Fabrikation und sind infolgedessen weiter verbreitet. Die existierenden Ausführungen zeigen trotzdem im allgemeinen einen erheblichen Raumbedarf.
Mit Bezug auf Fig. 6 wird zunächst das Gesamtschema eines Raketenmotors mit in abgeleitetem Fluß strömenden, flüssi­ gen Treibmitteln beschrieben, auf den sich die vorliegende Erfindung anwenden läßt.
Die Brennkammer 210 eines Raketenmotors 200 mit abgeleite­ tem Fluß umfaßt in klassischer Weise eine zylindrische Wand 211, die einen Innenraum abgrenzt, der seinerseits die Verbrennungszone 214 bildet und sich in Fließrichtung nach unten vom Raum 214 aus in einen verengten Teil 212 fortsetzt, der den Hals einer Düse bildet, deren divergie­ render Auslaß 213 im wesentlichen eine kegel- oder glocken­ förmige Form hat. Die Treibmittel oder "Ergole", welche aus einem eigentlichen Brennstoff und einem Verbrennungs­ hilfsmittel, z. B. Sauerstoff, bestehen und in Reservoiren gelagert sind, welche sich über der Brennkammer 210 erhe­ ben, werden über Leitungen 284 bzw. 286 mit Hilfe von Pum­ pen 283 bzw. 285 zugeführt, um über jeweilige Kanäle 251, 243 und 241 eine Treibmittel-Einspritzeinrichtung 230 in der Verbrennungszone 214 der Brennkammer 210 zu speisen.
Ein unabhängiger Gasgenerator 220 umfaßt ein Verbrennungs­ gehäuse 225 und wird über Kanäle 221 bzw. 224 mit Treib­ mitteln ("Ergolen"), nämlich Brennstoff und Verbrennungs­ hilfsmittel versorgt, wobei die Kanäle 221, 224 Ableitun­ gen von einem Ausgang der Pumpen 283, bzw. 285 darstellen und die Abzweigung eines Teiles der Hauptmengen ermögli­ chen, die in den Hauptleitungen 241, 251 fließen, welche der Versorgung der Einspritzeinrichtung 230 mit Treibmit­ teln, nämlich Brennstoff und Verbrennungshilfsmittel, die­ nen. Die Heißgase, die aus dem Gasgenerator 220 austreten, dienen dem Antrieb einer Turbine 281 der Turbopumpenge­ samteinheit 280, welche die Treibmittelversorgung der Hauptbrennkammer 210 und des Gasgenerators 220 sicher­ stellt. Nachdem die aus dem Gasgenerator 220 ausgetrete­ nen, heißen Gase in der Turbine 281 eine starke Entspan­ nung erfahren haben, werden sie durch eine separate Lei­ tungsführung 226 abgegeben, die in ihrem in Fließrichtung hinteren oder unteren Abschnitt in einer kleinen Düse 229 endet, die ihrerseits in das umgebende Milieu ausmündet.
Die Brennkammer 210 und die sie verlängernde Düse 212, 213 haben oft eine doppelte Wand, welche Durchlaßkanäle 253 definieren, die es einem der Treibmittel, beispielsweise dem verbrennbaren Treibmittel gestatten, in diesen Kanälen 253 zu zirkulieren, bevor sie über die Einspritzeinrich­ tung 230 in die Brennkammer 210 eingespritzt werden. Auf diese Weise ist ein regenerierender Kreislauf 250 gebil­ det, der beispielsweise einen Torus 252 zur Verteilung von kühlendem Treibmittel umfaßt und am unteren Teil des di­ vergierenden Auslasses 213 der Düse oder auch auf halber Höhe derselben gelegen sein kann, wobei dieser Torus 252 das in der Leitung 251 zirkulierende Treibmittel aufnimmt. Die Kanäle 253 werden ausgehend von dem Verteilertorus 252 gespeist und münden in einen Sammeltorus 254 aus, der selbst in der Nähe der Einspritzeinrichtung 230 angeordnet ist, wobei das erwärmte Treibmittel im Sammeltorus 254 selbst über eine Leitung 243 der Einspritzeinrichtung 230 zugeführt wird.
Ein Raketenmotor mit abgeleitetem Fluß gestattet es im Ge­ gensatz zu einem Raketenmotor mit integriertem Fluß, die verschiedenen Bestandteile unabhängig voneinander einzu­ stellen, beispielsweise den Gasgenerator und die Haupt­ brennkammer, da die aus dem Gasgenerator austretenden Gase nicht wieder in die Hauptbrennkammer eingespritzt werden.
Im Prinzip führen die bekannten Ausführungen solcher Moto­ ren dennoch zu einem häufig übermäßigen Raumbedarf, und die Kosten erhöhen sich, insbesondere für die Einspritz­ einheiten und Kammern, die mit Bezug auf den Gasgenerator 220 und die Hauptkammer 210 völlig verschieden sind.
Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfin­ dung, die es ermöglicht, einen Raketenmotor mit abgeleite­ tem Fluß zu erhalten, dessen Funktionieren demjenigen so­ eben mit Bezug auf die Fig. 6 beschriebenen Motor ent­ spricht, dessen Aufbau jedoch gleichzeitig von einer ge­ steigerten Kompaktheit ist und weniger Kosten erfordert, wobei aber dennoch die allgemeine Anordnung des Raketenmo­ tors verbessert werden kann.
In Fig. 1 ist ein Gasgenerator 20 dargestellt, welcher die Brennkammer 10 eines Raketenmotors umgibt und einen hohlen Ringraum 25 umfaßt, der koaxial zur Verbrennungszo­ ne 14 der Brennkammer 10 liegt und von dieser lediglich durch den oberen Teil 11 der Hauptwand der Brennkammer ge­ trennt ist.
Die Wand 11 der Brennkammer 10 verlängert sich in Fließ­ richtung nach unten durch einen konvergierenden Abschnitt, der einen Hals 12 definiert, und anschließend in einen di­ vergierenden Abschnitt 13, der die Gesamtheit des diver­ gierenden Auslasses der Düse des Raketenmotors bildet, oder, wie in Fig. 1 gezeigt, nur eine geringe Länge auf­ zuweisen braucht und dann ein Verbindungselement, bei­ spielsweise einen Flansch 15 bildet, an dem ein separater divergierender Auslaß montiert werden kann, der den diver­ gierenden Abschnitt 13 verlängert.
In Fig. 1 ist ein Kühlsystem für die Wand der Brennkammer 10 dargestellt, das einen regenerierenden Kreislauf 50 bildet, der einen herkömmlichen Aufbau haben kann. Das kühlende Treibmittel oder Ergol wird durch eine Turbopum­ pe, beispielsweise die Turbopumpe 280 in Fig. 6, ausge­ hend von einem Reservoir zugeführt und gelangt über eine Leitung 51 in einen Verteilertorus 52, der in der Nähe des Flansches 15 angeordnet ist und von dem Kanäle oder Rohre 53 ausgehen, die ihrerseits auf dem gesamten Umfang der Brennkammer 10 verteilt sind und sich entlang der gesamten Wand 11, 12, 13 der Brennkammer 10 bis in die Nähe der Treibmitteleinspritzeinrichtung 30 erstrecken, wo sie in eine Verteilerkammer 35 ausmünden.
Die Einspritzeinrichtung 30 umfaßt eine einzige Einspritz­ platte, welche in abgedichteter Weise von dem obersten En­ de der Wand 11 der Brennkammer 10 durchquert ist. Ledig­ lich die Kanäle oder Rohre 53 münden in die Kammer 35 aus, die unmittelbar oberhalb der Einspritzplatte gelegen ist. Die einzige Einspritzplatte (Fig. 1 und 2) besteht aus einem Mittelteil 32, der den Boden der Verbrennungszone 14 der Brennkammer 10 bestimmt, und aus einem Umfangsteil 36 in Gestalt eines Kranzes, der den Boden des Ringraums 25 des Gasgenerators 20 bildet. Der Mittelteil 32 enthält er­ ste Treibmitteleinspritzdüsen 40 für ein Treibmittel mit hohem Mischungsverhältnis, wobei die Düsen 40 an die Be­ dingungen der Erzeugung der Heißgase in der Verbrennungs­ zone 14 angepaßt sind, während der Umfangsteil 36 zweite Treibmitteleinspritzdüsen 21, 24 mit niederem Mischungs­ verhältnis enthält, die an die Bedingungen der Heißgaser­ zeugung in dem Gasgenerator 20 angepaßt sind. Ausgehend von ein und derselben Einspritzplatte ist es dank der Ein­ spritzdüsen, welche für die Verbrennungszone 14 und den Ringraum 25 des von der Verbrennungszone 14 der Brennkam­ mer 10 durch die zylindrische Wand 11 getrennten Gasgene­ rators 20 verschieden sind, wobei die zylindrische Wand 11 in Axialrichtung senkrecht zur Einspritzplatte verläuft, möglich, trotz der Kompaktheit der ganzen Einheit die Mi­ schungsverhältnisse der Treibmittel für die Verbrennungs­ zone 14 und für den Gasgenerator 20 unabhängig voneinander einzuregulieren.
Der ringförmige Hohlraum 25 des Gasgenerators 20 ist ei­ nerseits innen von der Wand 11 der Brennkammer und ande­ rerseits außen von einer zylindrischen, äußeren Wand 27 begrenzt, die in abgedichteter Weise mit der Einspritz­ platte in einer äußeren Zone des Umfangsteils 36 fest ver­ bunden ist. Die heißen Gase, die im Ringraum 25 erzeugt werden, können von einem Torus 26 aufgesammelt werden, um einer Nutzungszone zugeführt zu werden, beispielsweise der Turbine 281 in Fig. 6.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, liegt eine Verteilerkammer 31, in der eines der Treibmittel, beispielsweise das Ver­ brennungshilfsmittel (ein Sauerstoffträger) unter Druck über eine Leitung 33 eingeführt wird, oberhalb der Vertei­ lerkammer 35 und ist von dieser durch eine Trennwand 34 getrennt. Die Verteilerkammer 31 ist in ihrem oberen Ab­ schnitt durch eine Außenwand 39 verschlossen, die an dem Umfangsteil 36 der Einspritzplatte befestigt ist, wobei sich der Umfangsteil 36 über den Mittelteil 32 hinaus ver­ längert, und eine periphere Seitenwand der Treibmittel- Verteilerkammern 31, 31 bildet.
Wie man aus Fig. 1 und 2 erkennt, wird die Verteilerkam­ mer 35 mit verbrennbarem Treibmittel einerseits ausgehend von den Rohren 53 gespeist, die in der Verteilerkammer 35 in der Zone ausmünden, welche in der Einspritzplatte den Mittelteil 32 des Umfangsteils 36 bilden, und andererseits ausgehend von Radialkanälen 38, die im Umfangsteil 36 der Einspritzplatte ausgespart sind und der Einführung eines unter Druck stehenden, verbrennbaren Treibmittels dienen, und zwar ausgehend von einem Torus 37, welcher den Um­ fangsteil 36 der Einspritzplatte umschließt und das brenn­ bare Treibmittel direkt aus einem Reservoir unter Vermitt­ lung einer Turbopumpe erhält. Die Verteilerkammer 35 kann somit gleichzeitig auch über die Rohre 53 eine gewisse Treibmittelmenge aufnehmen, die bereits eine Kühlung der Wand der Brennkammer 10 sichergestellt hat. Über die Kanä­ le 38 wird eine weitere Treibmittelmenge unter Druck auf­ genommen, die direkt aus einem Vorratstank kommt. Die Er­ findung bezieht sich dennoch in gleicher Weise auf den Fall, in dem die Verteilerkammer 35 nur von einem der Speisemittel versorgt wird, nämlich entweder von den Roh­ ren 53 oder den Kanälen 38.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 haben erste Einspritzrohre 41 für als Verbrennungshilfsmittel (Sauer­ stoff) dienendes Treibmittel ihren Ursprung in der Vertei­ lerkammer 31, beispielsweise in Höhe der Trennwand 34, welche die Verteilerkammern 31 und 35 trennt. Die Rohre 41 durchqueren die Verteilerkammer 35 und den Mittelteil 32 der Einspritzplatte, um in die Verbrennungszone 14 eine vorbestimmte Menge an die Verbrennung förderndem Treibmit­ tel einzuspritzen, das in die Verteilerkammer 31 eingege­ ben wird.
Zweite Einspritzrohre 42 für verbrennbares Treibmittel ge­ hen von der Verteilerkammer 35 aus und durchqueren den Mittelteil 32 der Einspritzplatte vollständig. Vorzugswei­ se sind die Einspritzrohre 41 und 42 derart ausgebildet, daß sie koaxial zueinander in der Verbrennungszone 14 der Brennkammer ausmünden.
Wie in Fig. 3 dargestellt, kann eine koaxiale Einspritz­ düse 40 ein äußeres Rohr 42 umfassen, das mit einem inne­ ren Rohr 41 einen Ringkanal bildet, welcher der Einspei­ sung eines brennbaren Treibmittels dient, während das in­ nere Rohr 41 der Einspritzung eines als Verbrennungshilfs­ mittel dienenden Treibmittels dient. Wie aus Fig. 3 er­ sichtlich, kann sich das äußere Rohr 42 in die Verteiler­ kammer 35 hinein verlängern, wenn in diesem äußeren Rohr radial verlaufende Löcher 43 ausgespart sind, um die Ein­ führung brennbaren Treibmittels aus der Verteilerkammer 35 in den von den Rohren 42 und 43 gebildeten Ringkanal zu ermöglichen.
Der Ringraum 25 du Gasgenerators 20 kann für sich selbst mit einem als Verbrennungshilfsmittel dienenden Treibmit­ tel oder Ergol gespeist werden, und zwar ausgehend von der Verteilerkammer 31 über Kanäle 21, die von der Verteiler­ kammer 31 ausgehen und den Umfangsteil 36 der Einspritz­ platte durchqueren.
Kanäle 24, die wie im Falle der Einspritzdüsen 40, zu den Kanälen 21 koaxial verlaufen und im Ringraum 25 des Gasge­ nerators 20 ausmünden, sind in gleicher Weise im Umfangs­ teil 36 der Einspritzplatte ausgebildet, um brennbares Treibmittel in den Ringraum 25 einzuspritzen. Die Kanäle 24 können ausgehend vom Verteilertorus 37 und unter Druck über eine Leitung 59 (Fig. 2) mit brennbarem Treibmittel versorgt werden. Dennoch kann auch, wie in Fig. 1 darge­ stellt, ein zweiter Speisetorus 22 für brennbares Treib­ mittel unter dem ersten Torus 37 angeordnet werden, wobei er von diesem durch einfache Montageflansche 28, 27a ge­ trennt ist und den Umfangsteil 36 der Einspritzplatte in der Nähe des Ringraums 25 ebenfalls umschließt, so daß die Kanäle 24 über radial verlaufende Kanäle 23 ausgehend vom zweiten Torus 22 direkt mit Treibmittel gespeist werden können.
Beispielsweise können die Einspritzdüsen 40 für die Treib­ mittel mit hohem Mischungsverhältnis, welche im Mittelteil 32 der Einspritzplatte angeordnet sind, an die Erzeugung heißer Gase mit einer Temperatur in der Größenordnung von 3000°K angepaßt sein, während die Einspritzdüsen 21, 24 für Treibmittel mit niederem Mischungsverhältnis, die am Umfangsteil 36 der Einspritzplatte angeordnet sind, an die Erzeugung heißer Gase angepaßt sein können, die sehr viel niedrigere Temperaturen in der Größenordnung von 900 bis 1000°K haben.
Im voranstehenden wurde davon ausgegangen, daß das als Verbrennungshilfsmittel dienende Treibmittel, beispiels­ weise flüssiger Sauerstoff (LOx) in die Verteilerkammer 31 eingeführt wird, während das brennbare Treibmittel, bei­ spielsweise flüssiger Wasserstoff (LH2) über die Rohre 53 und den Torus 37 in die Verteilerkammer 35 wie auch in den Torus 22 eingeführt wird. Die Rollen der beiden Treibmit­ tel können aber auch vertauscht werden, und zwar in Abhän­ gigkeit von bestimmten Anwendungen oder der Natur der Treibmittel, ohne daß das Verwirklichungsprinzip der vor­ liegenden Erfindung modifiziert werden müßte. Auch können die Einspritzdüsen 40 und 21, 24 in sehr unterschiedlicher Art und Weise ausgebildet werden. Die voranstehende Be­ schreibung ist insoweit nicht limitativ.
Man erkennt, daß ein Vorteil der Anordnung des Gasgenera­ tors 20 konzentrisch zur Brennkammer 10 auf der Ablösung der Wand 39 der Verteilerkammer 31 beruht, was die Aufhän­ gung beispielsweise durch einen Kardanantrieb 60 in dem Falle erleichtert, in dem die Brennkammer 10 des Raketen­ motors orientierbar ausgebildet werden soll.
Nachstehend wird mit Bezug auf Fig. 4 und 5 eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Bei der zweiten Ausführungsform tragen die Elemente, wel­ che die gleiche Rolle wie die Elemente der ersten Ausfüh­ rungsform spielen, gleiche Bezugszeichen, wobei diesen Be­ zugszeichen die Ziffer 1 vorangestellt ist. Diese Elemente werden im Einzelnen nicht mehr beschrieben, da sie einen identischen oder analogen Aufbau zu denjenigen der ent­ sprechenden Elemente der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 haben.
Der Raketenmotor gemäß Fig. 4 und 5 umfaßt eine Brennkam­ mer 110, die, ebenso wie im Fall der Fig. 1 und 2, sehr eng mit einem Gasgenerator 120 verbunden ist, und zwar in­ soweit, als der Ringraum 125 des Gasgenerators 120 konzen­ trisch zur Verbrennungszone 114 liegt und von dieser durch eine einzige zylindrische Wand 171 getrennt ist, die ih­ rerseits in axialer Richtung senkrecht zu einer einzigen Einspritzplatte 132, 136 verläuft und an dieser abgedich­ tet befestigt ist.
Im Fall der Fig. 4 und 5 besteht die zylindrische Trennwand zwischen der Verbrennungszone 114 der Brennkam­ mer 110 und dem Ringraum 125 des Gasgenerators 120 aus ei­ ner einfachen zylindrischen Trennwand 171, die im Inneren eines Raumes angeordnet ist, welcher durch die Hauptwand 111 der Brennkammer 110 definiert ist. Die Trennwand 171 ist an ihrem oberen Teil abgedichtet an der Einspritzplat­ te 132, 136 in einer Zwischenzone zwischen dem Mittelteil 132 derselben und dem Umfangsteil 136 befestigt. Die Hauptwand 111 der Brennkammer ist selbst abgedichtet an der Einspritzplatte in einer äußeren Zone des Umfangsteils 136 befestigt. Zwischen der Hauptwand 111 und der Trenn­ wand 171 sind an deren in Fließrichtung unten gelegenem Teil Verbindungsdurchlässe ausgespart.
Wie aus Fig. 4 hervorgeht, kann der untere Teil der zy­ lindrischen Trennwand 171 mit der Hauptwand 111 der Brenn­ kammer 110 durch Stege 172 verbunden werden, die von Öff­ nungen 173 durchdrungen sind.
Der Abzug der heißen Gase, welche im Ringraum 125 des Gas­ generators 120 zwischen der Trennwand 111 und der Haupt­ wand 111 erzeugt werden, kann sich über eine radiale Rohr­ abzweigung 126 vollziehen, die direkt in der Hauptwand 111 der Brennkammer 110 ausgebildet ist.
Die Einspritzeinrichtung 130 gemäß Fig. 4 und 5 kann der Einspritzeinrichtung 30 gemäß Fig. 1 und 2 vollkommen gleich ausgebildet werden, wobei die Trennwand 171 und die Wand 111 jeweils die Rolle der Hauptwand 11 und der äuße­ ren Wand 27 übernehmen. Die Einspritzdüsen 40 können bei­ spielsweise entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig. 3 verwirklicht werden.
In Fig. 4 und 5 ist kein Kühlsystem für die Hauptwand 111 der Brennkammer 110 dargestellt, jedoch könnte ein System von Kühlkanälen analog den Kanälen 53 in Fig. 1 und 2 auch in die Wand 111 inkorporiert werden. Die Trennwand 171 kann selbst wiederum gekühlt werden, und zwar durch eine auf der Seite der Verbrennungszone 114 an ihr entlang laufende Zirkulation eines Filmes 174 aus einem der beiden Treibmittel, welche in die Verbrennungszone 114 injiziert werden, wobei beispielsweise das verbrennbare Treibmittel, nämlich insbesondere flüssiger Wasserstoff, in Frage kommt.
Die zylindrische Wand 171, welche die heißen Gase ab­ grenzt, die ihrerseits zum Antrieb der Turbinen bestimmt sind, kann im Umfangsteil 125 der Brennkammer um die Ver­ brennungszone 114 herum beispielsweise aus einem Verbund­ material bestehen oder auch aus einer Legierung, bei­ spielsweise "Waspaloy".
Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 oder gemäß Fig. 4 und 5 kann man eine Einspritzplatte realisieren, welche der Brennkammer 10, 110 und dem Gasgenerator 20, 120 gemeinsam ist und einen Durchmesser in der Größenord­ nung von beispielsweise 200 bis 300 mm hat. Der Umfangs­ teil 36, 136 kann eine Breite in der Größenordnung von 20 bis 30 mm haben. Beispielsweise können 500 koaxiale Ein­ spritzdüsen 40 im Mittelteil 32, 132 der Einspritzplatte angeordnet sein, während etwa 60 koaxiale Einspritzdüsen 21, 24; 121, 124 im Umfangsteil 36, 136 der Einspritzplat­ te vorgesehen werden können.
Wie bereits angegeben, haben die Einspritzdüsen 40, welche zur Versorgung der Verbrennungszone 14, 114 der Brennkam­ mer 10, 110 bestimmt sind, ein höheres Mischungsverhältnis als die Einspritzdüsen 21, 24; 121, 124, welche zur Spei­ sung des Ringraums 25, 125 des Gasgenerators 20, 120 be­ stimmt sind.
Beispielsweise können in einem Fall, in welchem ein rege­ nerierender Kreislauf, beispielsweise der Kreislauf 50 in Fig. 1 in Tätigkeit gesetzt wird, die Einspritzdüsen 40 ein Mischungsverhältnis des verbrennbaren Treibmittels zum als Verbrennungshilfsmittel dienenden Treibmittel in der Größenordnung von 5,5 bei einer Mischung aus O2/H2 haben, während die Einspritzdüsen 21, 24 oder 121, 124 ein Mi­ schungsverhältnis des verbrennbaren Treibmittels zu dem als Verbrennungshilfsmittel dienenden Treibmittel haben können, welches bei einer Mischung von O2/H2 in der Größenordnung von 1 liegt.

Claims (16)

1. Raketenmotor für flüssige, sich verzweigend fließende Treibmittel mit einer von einer Haupt­ wand (11; 111) begrenzten Brennkammer (10; 110, 210), einer Einspritzeinrichtung (30; 130; 241, 243) zum Einspritzen eines ersten und eines zwei­ ten Treibmittels in die Brennkammer, wenigstens einer Turbopumpe (280) zur Versorgung der Ein­ spritzeinrichtung mit den ersten und zweiten Treibmitteln unter einem vorbestimmten Druck, und einem Gasgenerator (20; 120; 220) zum Antreiben wenigstens einer Turbine (281) der Turbopumpe, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einspritzeinrichtung (30; 130) eine einzige Einspritzplatte (32, 36; 132, 136) umfaßt mit ei­ nem Mittelteil (32; 132), der den Boden der Ver­ brennungszone (14; 114) der Brennkammer (10; 110) begrenzt und erste Einspritzdüsen (40) für Treib­ mittel mit hohem Mischungsverhältnis enthält, das an die Bedingungen der Heißgaserzeugung in der Verbrennungszone (14; 114) der Brennkammer (10; 110) angepaßt ist, und mit einem kranzförmigen Um­ fangsteil (36; 136), der den Boden eines Ringraums (25; 125) des Gasgenerators (20; 120) begrenzt und zweite Einspritzdüsen (21, 24; 121, 124) für Treibmittel mit niedrigem Mischungsverhältnis ent­ hält, das an die Bedingungen der Heißgaserzeugung im Gasgenerator (20; 120) angepaßt ist, wobei der Gasgenerator (20; 120) so weit in die Brennkammer (10; 110) integriert und der Ringraum (25; 125) des Gasgenerators von der Verbrennungszone der Brennkammer durch eine zylindrische Wand (11; 171) getrennt ist, die senkrecht zur Einspritzplatte (32, 36; 132, 136) verläuft und an dieser abge­ dichtet befestigt ist.
2. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zylindrische Wand (11) unmittelbar durch den oberen, in der Nähe der Einspritzplatte (32, 36) gelegenen Teil der Hauptwand (11) der Brennkammer (10) gebildet ist und dieser obere Teil der Brennkammerwand in einer Zwischenzone zwischen dem Mittelteil (32) und dem Umfangsteil (36) abgedichtet an der Einspritzplatte (32, 36) befestigt ist.
3. Raketenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gasgenerator (20) zur Abgabe der im Ringraum (25) erzeugten Heißgase einen Torus (26) umfaßt, wobei der Ringraum (25) zwischen dem obe­ ren Teil der Hauptwand (11) und einer zylindri­ schen Trennwand (27) bestimmt ist, die abgedichtet an der Einspritzplatte (32, 36) in einer äußeren Zone des Umfangsteils (36) befestigt ist.
4. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zylindrische Wand durch eine zylin­ drische Trennwand (171) gebildet ist, die im Inne­ ren des von der Hauptwand (111) der Brennkammer (110) definierten Raumes angeordnet und mit ihrem oberen Teil abgedichtet an der Einspritzplatte (132, 136) in einer Zwischenzone zwischen dem Mit­ telteil (132) und dem Umfangsteil (136) befestigt ist, wobei die Hauptwand (111) der Brennkammer (110) selbst abgedichtet an der Einspritzplatte (132, 136) in einer äußeren Zone des Umfangsteils (136) befestigt ist und zwischen der Hauptwand (111) und dem unteren Teil der Brennwand (171) Verbindungsdurchlässe ausgespart sind.
5. Raketenmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der untere Teil der zylindrischen Trenn­ wand (171) mit der Hauptwand (111) der Brennkammer (110) durch mit Öffnungen (173) versehene Stege (172) verbunden ist.
6. Raketenmotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gasgenerator (120) eine ra­ diale Rohrabzweigung (126) umfaßt, die in der Hauptwand (111) der Brennkammer (110) ausgebildet ist und den Austritt der im Ringraum (125) erzeug­ ten Heißgase sicherstellt, wobei der Ringraum (125) zwischen der zylindrischen Trennwand (171) und der Hauptwand (111) der Brennkammer (110) be­ stimmt ist.
7. Raketenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einspritzeinrichtung (30; 130) erste und zweite Verteilerkammern (31; 131; 35; 135) umfaßt, die mit einem ersten bzw. einem zweiten Treibmittel gespeist werden, zwi­ schen einer Außenwand (39; 139) und der Einspritz­ platte (32, 36; 132, 136) angeordnet und voneinan­ der durch eine Trennwand (34, 134) getrennt sind, wobei ein erster Satz von Einspritzrohren (41) für das erste Treibmittel von der ersten Verteilerkam­ mer (31; 131) ausgeht und die zweite Verteilerkam­ mer (35; 135) sowie den Mittelteil (32; 132) der Einspritzplatte (32, 36; 132, 136) durchquert, und ein zweiter Satz von Einspritzrohren (42) für das zweite Treibmittel von der zweiten Verteilerkammer (35; 135) ausgeht und den Mittelteil (32; 132) der Einspritzplatte (32, 36; 132, 136) vollständig durchquert.
8. Raketenmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß er einen Torus (37; 137) zur Einspeisung eines zweiten Treibmittels umfaßt, der den Um­ fangsteil (36; 136) der Einspritzplatte umgibt und die Versorgung der zweiten Verteilerkammer (35; 135) durch radiale Kanäle (38; 138) sicherstellt, die im Umfangsteil (36; 136) der Einspritzplatte (32, 36; 132, 136) ausgespart sind.
9. Raketenmotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er Einspritzkanäle (21) für das erste Treibmittel umfaßt, die von der ersten Ver­ teilerkammer (31; 131) ausgehen und den Umfangs­ teil (36; 136) der Einspritzplatte (32, 36, 132, 136) durchqueren, um den Ringraum (25; 125) des Gasgenerators zu speisen.
10. Raketenmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß er Einspritzkanäle (23, 24; 123, 124) für das zweite Treibmittel umfaßt, die im Umfangsteil (36; 136) der Einspritzplatte (32, 36; 132, 136) ausgebildet sind, ausgehend von einem zweiten, den Umfangsteil der Einspritzplatte umgebenden Torus (22; 122) mit einem zweiten Treibmittel gespeist werden und im Ringraum (25; 125) des Gasgenerators (20; 120) ausmünden.
11. Raketenmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzrohre (41, 42) für das erste und zweite Treibmittel, die den Mittelteil (32; 132) durchqueren, koaxial zu­ einander in der Verbrennungszone (14; 114) der Brennkammer ausmünden.
12. Raketenmotor nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (21, 23, 24; 121, 123, 124) zur Einspritzung des ersten und zweiten Treibmittels, die den Umfangsteil (36; 136) der Einspritzplatte (32, 36; 132, 136) durchqueren, koaxial zueinander im Ringraum (25; 125) des Gas­ generators (20; 120) ausmünden.
13. Raketenmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsteil (36; 136) der Einspritzplatte gegen die Strömungsrich­ tung über den Mittelteil (32; 132) der Einspritz­ platte hinaus verlängert ist und die seitliche Um­ fangswand der ersten und zweiten Treibmittel-Ver­ teilerkammern (31, 35; 131, 135) bildet.
14. Raketenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Einspritz­ düsen (40), welche die Treibmittel mit hohem Mi­ schungsverhältnis einspritzen, an die Erzeugung von Heißgasen mit einer Temperatur in der Größen­ ordnung von 3000°K in der Verbrennungszone (14; 114) der Brennkammer (10; 110) angepaßt sind, wäh­ rend die zweiten Einspritzdüsen (21, 24; 121, 124), welche die Treibmittel mit niedrigem Mi­ schungsverhältnis einspritzen, an die Erzeugung von Heißgasen mit einer Temperatur in der Größen­ ordnung von 900°K im Ringraum (25; 125) des Gasge­ nerators (20; 120) angepaßt sind.
15. Raketenmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hauptwand (11) der Brennkam­ mer (10) regenerierend durch die Zirkulation einer kleinen Menge des ersten oder zweiten Treibmittels gekühlt ist, die durch Kanäle fließt, welche in der Hauptwand (11) ausgespart sind.
16. Raketenmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die zylindrische Trenn­ wand (171) auf der Seite der Verbrennungszone (14; 114) durch eine an ihr entlang laufende Zirkulati­ on eines Filmes aus einem der in diese Verbren­ nungszone (14; 114) eingespritzten Treibmittel ge­ kühlt ist.
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