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Die Erfindung betrifft einen Raketenmotor
für flüssige, sich
verzweigend fließende
Treibmittel mit einer von einer Hauptwand begrenzten Brennkammer,
einer Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines ersten und eines
zweiten Treibmittels 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.
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Aus
US-A-3 413 810 sind Raketenmotoren für flüssige Treibmittel
bekannt, die integrierte Einheiten bilden und eine Turbopumpe umfassen,
die direkt auf einer Brennkammer montiert ist und eine Turbine umfaßt, die
ihrerseits durch diejenigen Gase angetrieben wird, welche in einer
besonderen Ringkammer erzeugt werden, die über der Einspritzplatte liegt.
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Die Tatsache, daß in diesem Falle die Hilfsbrennkammer
axial auf einem Niveau angeordnet ist, das gegenüber demjenigen der Hauptkammer
verschieden ist, und zwar in Strömungsrichtung
vor der Einspritzplatte, verhindert die Erzielung 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 ausgebildet werden soll.
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Aus
FR-A-2 636 376 sind Systeme bekannt, "tap off" bezeichnet, die
der Entnahme von heißem Gas
in der Hauptbrennkammer eines Raketenmotors dienen, und zwar durch
die Einspritzplatte hindurch. In diesem Fall ist kein unabhängiger Gasgenerator vorhanden,
und die einzigen zum Einsatz gelangenden Treibmitteleinspritzdüsen sind
Düsen,
die in der Einspritzplatte angeordnet sind. Dafür ist es notwendig, besondere
Entnahmeorgane vorzusehen, die durch ein Treibmittel gekühlt sind
und in der Einspritzplatte zwischen die Einspritzdüsen eingeschaltet sind.
Ein Nachteil solcher Abzugssysteme von heißen Gasen beruht auf der Tatsache,
daß man
beim Start die Zusammensetzung der Treibmittelmischung, welche diejenige
der Hauptkammer ist, nicht steuern kann, so daß man keine Heißgase abziehen kann,
deren Zustand an die gewünschten
Verwendungszwecke angepaßt
ist.
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In der
DE 35 06 826 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben
eines Raketentriebwerks mit flüssigem Wasserstoff
und Sauerstoff offenbart, welche in einer Brennkammer reagieren.
Die Treibmittel werden von mit Turbinen angetriebenen Pumpen zugeführt, wobei
die Turbinen selbst durch Wasserstoff angetrieben werden, welcher
beim Kühlen
der Düse
und der Brennkammerwand verdampft. Eine Hilfsbrennkammer nimmt Treibstoffe
getrennt auf, um Gas zu erzeugen, welches in einem Wärmetauscher
zum Erwärmen
des verdampften Wasserstoffs erzeugt wird.
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Ferner offenbart die
US 3,134,224 eine Anordnung zum Auslassen
von Gas unter Druck durch die Wand einer Kammer einer Rakete zum
Bereitstellen heißen
Gases unter Druck für
andere Zwecke, beispielsweise zum Antreiben der Turbopumpe für den Treibstoff.
Außerdem
sind Mittel zum Kühlen
des ausgelassenen Gases auf eine brauchbare Temperatur vorgesehen.
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Die vorliegende Erfindung stellt
sich die Aufgabe, den genannten 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 Einregulierung des
Mischungsverhältnisses
der Treibmittel bietet, und zwar für die Erzeugung von Heißgasen,
die außerhalb
der Hauptbrennkammer für
Zusatzorgane, beispielsweise eine Turbopumpe, eingesetzt werden.
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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
Einspritzdüsen
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 Gasgenerators von der Verbrennungszone der Brennkammer
durch eine zylindrische Wand getrennt ist, die senkrecht zur Einspritzplatte
verläuft
und an dieser abgedichtet befestigt ist.
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Die Integration des Gasgenerators
in die Hauptkammer steigert die Kompaktheit der ganzen Haueinheit,
wobei die Montage vereinfacht und die Möglichkeit geboten wird, in
einfacher Weise beispielsweise einen Kardanantrieb oberhalb der
Einspritzplatte zu montieren, um eine Orientierung der Hauptkammer
zu gestatten.
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Vor allem ermöglicht es die Integration von Einspritzdüsen unterschiedlicher
Typen in eine einzige Einspritzplatte trotz der Einfachheit der
Montage, eine maximale Flexibilität zu bewahren, und zwar für die Anpassung
der Treibstoffmischbedingungen an optimale Funktionsverhältnisse,
nämlich
einerseits im Bereich der Hauptbrennkammer und andererseits im Bereich
des Ringraums des Gasgenerators.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform
ist die zylindrische Wand unmittelbar durch den oberen, in der Nähe der Einspritzplatte
gelegenen Teil der Hauptwand der Brennkammer gebildet, und dieser obere
Teil der Brennkammerwand ist in einer Zwischenzone zwischen dem
Mittelteil und dem Umfangsteil abgedichtet an der Einspritzplatte
befestigt.
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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 abgedichtet an der Einspritzplatte
in einer äußeren Zone
des Umfangsteils befestigt ist.
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Die Tatsache, daß der Gasgenerator ganz außerhalb
der Brennkammer liegt, deren Wand abgedichtet mit der Einspritzplatte
verbunden ist, gestattet es, im Gasgenerator, der ganz und gar von
der Hauptkammer unabhängig
ist, einen sehr schwachen Druck zu erhalten. Bei einer solchen Ausführungsform
wird vorteilhafterweise die Hauptwand der Brennkammer regenerierend
durch die Zirkulation einer kleinen Menge des ersten oder zweiten
Treibmittels gekühlt,
die durch Kanäle
fließt,
die in der Hauptwand ausgespart sind.
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Gemäß einer zweiten möglichen
Ausführungsform
ist die zylindrische Wand durch eine zylindrische Trennwand gebildet,
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 Umfangsteiles befestigt ist und zwischen der Hauptwand und dem
unteren Teil der Trennwand Verbindungsdurchlässe ausgespart sind.
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Insbesondere kann der untere Teil
der zylindrischen Trennwand mit der Hauptwand der Brennkammer durch
mit Öffnungen
versehene Stege verbunden sein.
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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 Ringraum zwischen der zylindrischen Trennwand und der Hauptwand
der Brennkammer bestimmt ist.
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Vorteilhafterweise ist die zylindrische
Trennwand auf der Seite der Verbrennungszone durch eine an ihr entlang
laufende Zirkulation eines Filmes aus einem der in diese Verbrennungszone
eingespritzten Treibmittel gekühlt.
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Die zweite Ausführungsform entspricht einer maximalen
Integration des Gasgenerators, der zwischen der äußeren Wand der Hauptbrennkammer und
einer inneren zylindrischen Wand liegt, die in einer bestimmten
Entfernung unter der Einspritzplatte unterbrochen ist und im Abstand
von der äußeren Wand
liegt, um einen Mittelteil zu begrenzen, der den Brennraum der eigentlichen
Brennkammer bildet, sowie einen ringförmigen Umfangsteil, der den
Gasgenerator darstellt.
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Gemäß einem besonderen Merkmal
der vorliegenden Erfindung umfaßt
die Einspritzeinrichtung erste und zweite Verteilerkammern, die
mit einem ersten bzw. einem zweiten Treibmittel gespeist werden,
zwischen einer Außenwand
und der Einspritzplatte angeordnet und voneinander durch eine Trennwand
getrennt sind, wobei ein erster Satz von Einspritzrohren für das erste
Treibmittel von der ersten Verteilerkammer ausgeht und die zweite
Verteilerkammer sowie den Mittelteil der Einspritzplatte durchquert,
und ein zweiter Satz von Einspritzrohren für das zweite Treibmittel von
der zweiten Verteilerkammer ausgeht und den Mittelteil der Einspritzplatte vollständig durchdringt.
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In diesem Falle kann der Raketenmotor
einen Torus zur Einspeisung eines zweiten Treibmittels umfassen,
der den Umfangsteil der Einspritzplatte umgibt und die Versorgung
der zweiten Verteilerkammer durch radiale Kanäle sicherstellt, die im Umfangsteil
der Einspritzplatte ausgespart sind.
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Insbesondere umfaßt der Raketenmotor Einspritzkanäle für das erste
Treibmittel, die von der ersten Verteilerkammer ausgehen und den
Umfangsteil der Einspritzplatte durchqueren, um den Ringraum des
Gasgenerators zu speisen.
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Im übrigen umfaßt der Raketenmotor Einspritzkanäle für das zweite
Treibmittel, die im Umfangsteil der Einspritzplatte ausgebildet
sind, ausgehend von einem zweiten, den Umfangsteil der Einspritzplatte
umgebenden Torus mit einem zweiten Treibmittel gespeist werden und
im Ringraum des Gasgenerators ausmünden.
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Vorzugsweise münden die Einspritzrohre für das erste
und zweite Treibmittel, die den Mittelteil der Einspritzplatte durchqueren,
koaxial zueinander in der Verbrennungszone der Brennkammer aus.
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Ebenso münden die Kanäle zur Einspritzung des
ersten und zweiten Treibmittels, die den Umfangsteil der Einspritzplatte
durchqueren, koaxial zueinander im Ringraum des Gasgenerators aus.
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Gemäß einem Merkmal, welches die
Verwirklichung der Erfindung vereinfacht, ist der Umfangsteil der
Einspritzplatte gegen die Strömungsrichtung über den
Mittelteil der Einspritzplatte hinaus verlängert und bildet die seitliche Umfangswand
der ersten und zweiten Treibmittel-Verteilerkammern.
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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 Temperatur in der Größenordnung
von 900°K im
Ringraum des Gasgenerators angepaßt sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer
und lediglich beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang
mit der beiliegenden Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
Axialschnittansicht der Brennkammer eines Raketenmotors mit integriertem
Gasgenerator entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1;
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3 eine
Einzelschnittansicht entlang der Linie III-III in 1 eines Beispiels für eine einzelne Treibmitteleinspritzeinrichtung,
die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
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4 eine
Axialschnittansicht der Brennkammer eines Raketenmotors mit integriertem
Gasgenerator entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine
Schnittansicht entlang der Linie V-V in 4 und
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6 eine
schematische Gesamtansicht eines Raketenmotors mit verzweigtem Fluß der flüssigen Treibmittel
als Basis für
die Anwendung der vorliegenden Erfindung.
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Die Raketenmotoren mit flüssigen Treibmitteln
funktionieren im allgemeinen mit einem abgeleiteten Flußzyklus
oder mit einem integrierten Flußzyklus.
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Die Raketenmotoren mit integrierten
Fluß umfassen
eine Verbrennungsvorkammer, die von der Hauptantriebskammer getrennt
ist. Die am Ausgang der Vorkammer erzeugten Heißgase haben eine beträchtliche
Ergiebigkeit und werden wieder in die Hauptbrennkammer eingespritzt,
nachdem sie auf dem Niveau einer Turbine für eine Treibmittelversorgungs-Turbopumpe
eine geringe Entspannung erfahren haben. Ein derartiger Zyklus mit
integriertem Fluß stellt
einen guten Wirkungsgrad dar, führt
jedoch zu praktischen Ausführungsformen,
deren Entwicklung und Fabrikation sehr teuer ist.
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Die Raketenmotoren mit abgeleitetem
Fluß, deren
Schema in 6 dargestellt
ist, zeigen eine größere Flexibilität in der
Konzeption und Fabrikation und sind infolgedessen weiter verbreitet.
Die existierenden Ausführungen
zeigen trotzdem im allgmeinen einen erheblichen Raumbedarf.
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Mit Bezug auf 6 wird zunächst das Gesamtschema eines
Raketenmotors mit in abgeleitetem Fluß strömenden, flüssigen Treibmitteln beschrieben,
auf den sich die vorliegende Erfindung anwenden läßt.
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Die Brennkammer 210 eines
Raketenmotors 200 mit abgeleitetem 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 divergierender Auslaß 213 im wesentlichen
eine kegel- oder glockenförmige
Form hat. Die Treibmittel oder "Ergole", welche aus einem
eigentlichen Brennstoff und einem Verbrennungshilfsmittel, z.B.
Sauerstoff, bestehen und in Reservoiren gelagert sind, welche sich über der
Brennkammer 210 erheben, werden über Leitungen 284 bzw. 286 mit
Hilfe von Pumpen 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.
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Ein unabhängiger Gasgenerator 220 umfaßt ein Verbrennungsgehäuse 225 und
wird über
Kanäle 221 bzw. 224 mit
Treibmitteln ("Ergolen"), nämlich Brennstoff
und Verbrennungshilfsmittel versorgt, wobei die Kanäle 221, 224 Ableitungen
von einem Ausgang der Pumpen 283, bzw. 285 darstellen
und die Abzweigung eines Teiles der Hauptmengen ermöglichen,
die in den Hauptleitungen 241, 251 fließen, welche
der Versorgung der Einspritzeinrichtung 230 mit Treibmitteln,
nämlich
Brennstoff und Verbrennungshilfsmittel, dienen. Die Heißgase, die
aus dem Gasgenerator 220 austreten, dienen dem Antrieb
einer Turbine 281 der Turbopumpengesamteinheit 280,
welche die Treibmittelversorgung der Hauptbrennkammer 210 und
des Gasgenerators 220 sicherstellt. Nachdem die aus dem
Gasgenerator 220 ausgetretenen, heißen Gase in der Turbine 281 eine starke
Entspannung erfahren haben, werden sie durch eine separate Leitungsführung 226 abgegeben,
die in ihrem in Fließrichtung
hinteren oder unteren Abschnitt in einer kleinen Düse 229 endet,
die ihrerseits in das umgebende Milieu ausmündet.
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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 Einspritzeinrichtung 230 in die Brennkammer 210 eingespritzt
werden. Auf diese Weise ist ein regenerierender Kreislauf 250 gebildet, der
beispielsweise einen Torus 252 zur Verteilung von kühlendem
Treibmittel umfaßt
und am unteren Teil des divergierenden 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.
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Ein Raketenmotor mit abgeleitetem
Fluß gestattet
es im Gegensatz zu einem Raketenmotor mit integriertem Fluß, die verschiedenen
Bestandteile unabhängig
voneinander einzustellen, beispielsweise den Gasgenerator und die
Hauptbrennkammer, da die aus dem Gasgenerator austretenden Gase nicht
wieder in die Hauptbrennkammer eingespritzt werden.
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Im Prinzip führen die bekannten Ausführungen
solcher Motoren dennoch zu einem häufig übermäßigen Raumbedarf, und die Kosten
erhöhen
sich, insbesondere für
die Einspritzeinheiten und Kammern, die mit Bezug auf den Gasgenerator 220 und die
Brennkammer 210 völlig
verschieden sind.
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Die 1 zeigt
eine erste Ausführungsform der
Erfindung, die es ermöglicht,
einen Raketenmotor mit abgeleitetem Fluß zu erhalten, dessen Funktionieren
demjenigen soeben mit Bezug auf die 6 beschriebenen
Motor entspricht, dessen Aufbau jedoch gleichzeitig von einer gesteigerten
Kompaktheit ist und weniger Kosten erfordert, wobei aber dennoch die
allgemeine Anordnung des Raketenmotors verbessert werden kann.
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In 1 ist
ein Gasgenerator 20 dargestellt, welcher die Brennkammer 10 eines
Raketenmotors umgibt und einen hohlen Ringraum 25 umfaßt, der koaxial
zur Verbrennungszone 14 der Brennkammer 10 liegt
und von dieser lediglich durch den oberen Teil der Hauptwand 11 der
Brennkammer getrennt ist.
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Die Wand 11 der Brennkammer 10 verlängert sich
in Fließrichtung
nach unten durch einen konvergierenden Abschnitt, der einen Hals 12 definiert,
und anschließend
in einen divergierenden Abschnitt 13, der die Gesamtheit
des divergierenden Auslasses der Düse des Raketenmotors bildet,
oder, wie in 1 gezeigt,
nur eine geringe Länge
aufzuweisen braucht und dann ein Verbindungselement, beispielsweise
einen Flansch 15 bildet, an dem ein separater divergierender
Auslaß montiert
werden kann, der den divergierenden Abschnitt 13 verlängert.
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In 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 Turbopumpe, beispielsweise die
Turbopumpe 280 in 6,
ausgehend 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.
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Die Einspritzeinrichtung 30 umfaßt eine
einzige Einspritzplatte, welche in abgedichteter Weise von dem obersten
Ende der Wand 11 der Brennkammer 10 durchquert
ist. Lediglich die Kanäle
oder Rohre 53 münden
in die Kammer 35 aus, die unmittelbar oberhalb der Einspritzplatte
gelegen ist. Die einzige Einspritzplatte (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 erste
Treibmitteleinspritzdüsen 40 für ein Treibmittel
mit hohem Mischungsverhältnis, wobei
die Düsen 40 an
die Bedingungen der Erzeugung der Heißgase in der Verbrennungszone 14 angepaßt sind,
während
der Umfangsteil 36 zweite Treibmitteleinspritzdüsen 21, 24 mit
niederem Mischungsverhältnis
enthält,
die an die Bedingungen der Heißgaserzeugung
in dem Gasgenerator 20 angepaßt sind. Ausgehend von ein
und derselben Einspritzplatte ist es dank der Einspritzdüsen, welche
für die
Verbrennungszone 14 und den Ringraum 25 des von
der Verbrennungszone 14 der Brennkammer 10 durch
die zylindrische Wand 11 getrennten Gasgenerators 20 verschieden
sind, wobei die zylindrische Wand 11 in Axialrichtung senkrecht
zur Einspritzplatte verläuft,
möglich,
trotz der Kompaktheit der ganzen Einheit die Mischungsverhältnisse
der Treibmittel für die
Verbrennungszone 14 und für den Gasgenerator 20 unabhängig voneinander
einzuregulieren.
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Der ringförmige Hohlraum 25 des
Gasgenerators 20 ist einerseits innen von der Hauptwand 11 der
Brennkammer und andererseits außen
von einer zylindrischen, äußeren Wand 27 begrenzt,
die in abgedichteter Weise mit der Einspritzplatte in einer äußeren Zone
des Umfangsteils 36 fest verbunden 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 6.
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Wie aus 1 ersichtlich, liegt eine Verteilerkammer 31,
in der eines der Treibmittel, beispielsweise das Verbrennungshilfsmittel
(ein Sauerstoffträger) unter
Druck über
eine Leitung 33 eingeführt
wird, oberhalb der Verteilerkammer 35 und ist von dieser durch
eine Trennwand 34 getrennt. Die Verteilerkammer 31 ist
in ihrem oberen Abschnitt durch eine Außenwand 39 verschlossen,
die an dem Umfangsteil 36 der Einspritzplatte befestigt
ist, wobei sich der Umfangsteil 36 über den Mittelteil 32 hinaus
verlängert,
und eine periphere Seitenwand der Treibmittel-Verteilerkammern 31, 31 bildet.
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Wie man aus 1 und 2 erkennt,
wird die Verteilerkammer 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 Umfangsteil 36 der Einspritzplatte umschließt und das
brennbare Treibmittel direkt aus einem Reservoir unter Vermittlung
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
Kanäle 38 wird
eine weitere Treibmittelmenge unter Druck aufgenommen, die direkt
aus einem Vorratstank kommt. Die Erfindung 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 Rohren 53 oder
den Kanälen 38.
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Bei der Ausführungsform gemäß 1 und 2 haben erste Einspritzrohre 41 für als Verbrennungshilfsmittel
(Sauerstoff) dienendes Treibmittel ihren Ursprung in der Verteilerkammer 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 Treibmittel einzuspritzen,
das in die Verteilerkammer 31 eingegeben wird.
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Zweite Einspritzrohre 42 für verbrennbares Treibmittel
gehen von der Verteilerkammer 35 aus und durchqueren den Mittelteil 32 der
Einspritzplatte vollständig.
Vorzugsweise sind die Einspritzrohre 41 und 42 derart
ausgebildet, daß sie
koaxial zueinander in der Verbrennungszone 14 der Brennkammer ausmünden.
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Wie in 3 dargestellt,
kann eine koaxiale Einspritzdüse 40 ein äußeres Rohr 42 umfassen,
das mit einem inneren Rohr 41 einen Ringkanal bildet, welcher
der Einspeisung eines brennbaren Treibmittels dient, während das
innere Rohr 41 der Einspritzung eines als Verbrennungshilfsmittel
dienenden Treibmittels dient. Wie aus 3 ersichtlich,
kann sich das äußere Rohr 42 in
die Verteilerkammer 35 hinein verlängern, wenn in diesem äußeren Rohr
radial verlaufende Löcher 43 ausgespart
sind, um die Einführung
brennbaren Treibmittels aus der Verteilerkammer 35 in den
von den Rohren 42 und 43 gebildeten Ringkanal
zu ermöglichen.
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Der Ringraum 25 des Gasgenerators 20 kann
für sich
selbst mit einem als Verbrennungshilfsmittel dienenden Treibmittel
oder Ergol gespeist werden, und zwar ausgehend von der Verteilerkammer 31 über Kanäle 21,
die von der Verteilerkammer 31 ausgehen und den Umfangsteil 36 der
Einspritzplatte durchqueren.
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Kanäle 24, die wie im
Falle der Einspritzdüsen 40,
zu den Kanälen 21 koaxial
verlaufen und im Ringraum 25 des Gasgenerators 20 ausmünden, sind
in gleicher Weise im Umfangsteil 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 (2) mit brennbarem Treibmittel
versorgt werden. Dennoch kann auch, wie in 1 darge stellt, ein zweiter Speisetorus 22 für brennbares
Treibmittel unter dem ersten Torus 37 angeordnet werden,
wobei er von diesem durch einfache Montageflansche 28, 27a getrennt
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.
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Beispielsweise können die Einspritzdüsen 40 für die Treibmittel
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.
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Im voranstehenden wurde davon ausgegangen,
daß das
als Verbrennungshilfsmittel dienende Treibmittel, beispielsweise
flüssiger
Sauerstoff (LOx) in die Verteilerkammer 31 eingeführt wird,
während das
brennbare Treibmittel, beispielsweise 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
Treibmittel können
aber auch vertauscht werden, und zwar in Abhängigkeit von bestimmten Anwendungen
oder der Natur der Treibmittel, ohne daß das Verwirklichungsprinzip
der vorliegenden Erfindung modifiziert werden müßte. Auch können die Einspritzdüsen 40 und 21, 24 in
sehr unterschiedlicher Art und Weise ausgebildet werden. Die voranstehende
Beschreibung ist insoweit nicht limitativ.
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Man erkennt, daß ein Vorteil der Anordnung des
Gasgenerators 20 konzentrisch zur Brennkammer 10 auf
der Ablösung
der Wand 39 der Verteilerkammer 31 beruht, was
die Aufhängung
beispielsweise durch einen Kardanantrieb 60 in dem Falle
erleichtert, in dem die Brennkammer 10 des Raketenmotors
orientierbar ausgebildet werden soll.
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Nachstehend wird mit Bezug auf 4 und 5 eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
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Bei der zweiten Ausführungsform
tragen die Elemente, welche die gleiche Rolle wie die Elemente der
ersten Ausführungsform
spielen, gleiche Bezugszeichen, wobei diesen Bezugszeichen die Ziffer 1 vorangestellt
ist. Diese Elemente werden im Einzelnen nicht mehr beschrieben,
da sie einen identischen oder analogen Aufbau zu denjenigen der
entsprechenden Elemente der ersten Ausführungsform nach 1 und 2 haben.
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Der Raketenmotor gemäß 4 und 5 umfaßt eine Brennkammer 110,
die, ebenso wie im Fall der 1 und 2, sehr eng mit einem Gasgenerator 120 verbunden
ist, und zwar insoweit, als der Ringraum 125 des Gasgenerators 120 konzentrisch
zur Verbrennungszone 114 liegt und von dieser durch eine
einzige zylindrische Wand 171 getrennt ist, die ihrerseits
in axialer Richtung senkrecht zu einer einzigen Einspritzplatte 132, 136 verläuft und
an dieser abgedichtet befestigt ist.
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Im Fall der 4 und 5 besteht
die zylindrische Trennwand zwischen der Verbrennungszone 114 der
Brennkammer 110 und dem Ringraum 125 des Gasgenerators 120 aus
einer 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 Einspritzplatte 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 Trennwand 171 sind an deren in Fließrichtung unten gelegenem Teil Verbindungsdurchlässe ausgespart.
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Wie aus 4 hervorgeht, kann der untere Teil der
zylindrischen Trennwand 171 mit der Hauptwand 111 der
Brennkammer 110 durch Stege 172 verbunden werden,
die von Öffnungen 173 durchdrungen
sind.
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Der Abzug der heißen Gase, welche im Ringraum 125 des
Gasgenerators 120 zwischen der Trennwand 111 und
der Hauptwand 111 erzeugt werden, kann sich über eine
radiale Rohrabzweigung 126 vollziehen, die direkt in der
Hauptwand 111 der Brennkammer 110 ausgebildet
ist.
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Die Einspritzeinrichtung 130 gemäß 4 und 5 kann der Einspritzeinrichtung 30 gemäß 1 und 2 vollkommen gleich ausgebildet werden,
wobei die Trennwand 171 und die Wand 111 jeweils
die Rolle der Hauptwand 11 und der äußeren Wand 27 übernehmen.
Die Einspritzdüsen 40 können beispielsweise
entsprechend der Ausführungsform
gemäß 3 verwirklicht werden.
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In 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 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.
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Die zylindrische Wand 171,
welche die heißen
Gase abgrenzt, die ihrerseits zum Antrieb der Turbinen bestimmt
sind, kann im Ringraum 125 der Brennkammer um die Verbrennungszone 114 herum beispielsweise
aus einem Verbundmaterial bestehen oder auch aus einer Legierung,
beispielsweise "Waspaloy".
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Bei den Ausführungsformen gemäß 1 und 2 oder gemäß 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 Gräßenordnung
von beispielsweise 200 bis 300 mm hat. Der Umfangsteil 36, 136 kann
eine Breite in der Größenordnung
von 20 bis 30 mm haben. Beispielsweise können 500 koaxiale Einspritzdüsen 40 im
Mittelteil 32, 132 der Einspritzplatte angeordnet
sein, während
etwa 60 koaxiale Einspritzdüsen 21, 24; 121, 124 im
Umfangsteil 36, 136 der Einspritzplatte vorgesehen
werden können.
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Wie bereits angegeben, haben die
Einspritzdüsen 40,
welche zur Versorgung der Verbrennungszone 14, 114 der
Brennkammer 10, 110 bestimmt sind, ein höheres Mischungsverhältnis als
die Einspritzdüsen 21, 24; 121, 124,
welche zur Speisung des Ringraums 25, 125 des
Gasgenerators 20, 120 bestimmt sind.
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Beispielsweise können in einem Fall, in welchem
ein regenerierender Kreislauf, beispielsweise der Kreislauf 50 in 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
Mischungsverhältnis
des verbrennbaren Treibmittels zu dem als Verbrennungshilfsmittel
dienenden Treibmittel haben können,
welches bei einer Mischung von O2/H2 in der Größenordnung von 1 liegt.