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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Raketenantriebssystem, welches eine Anordnung von exzentrischen
Raketenmotoren besitzt, welche als Schub- und/oder Lenkungs-Motoren
zum Steuern der Flugrichtung der Raketenanordnung fungieren.
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Bei dem Raumfahrzeuge betreffenden
Stand der Technik sind verschiedene Typen von Antriebssystemen bekannt.
Eine große
Anzahl dieser Systeme wird hergestellt, um sowohl eine Schubals
auch einer Höhen-Steuerung
bereitzustellen. Jedes dieser Systeme hat seine eigenen charakteristischen
Vorteile und Nachteile.
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Jedoch besitzen existierende Antriebssysteme
und Höhen-
und Steuerungs-Systeme bestimmte Nachteile darin, dass sie nicht
in der Lage sind, eine Kombination von einer hohen Energiedichte
und einem steuerbaren Schub, was bei einem Feststoff-Antriebssystem beobachtet
wird, zu erreichen und zur selben Zeit die zuverlässigen Abschalt-
und wiederholten Zündungs-Möglichkeiten eines mit Flüssigkeit arbeitenden
oder hybriden Systems aufzuweisen.
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Die US-A-5799902 offenbart eine Raketenmotoranordnung
mit einem mittigen Gehäuse
und einem Raketentriebwerkscluster der letzten Stufe in einer hexagonalen
Form um das Gehäuse.
Die Triebwerke sind aus einem leichtgewichtigen, preiswerten Material
hergestellt.
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Die US-A-3112611 offenbart einen
Raketenmotor, welcher ein ringförmiges,
Treibstoff tragendes Teil und eine Brennkammeranordnung umfasst,
welche derart verbunden sind, dass der Treibstoff gezielt zu der
Brennkammeranordnung geleitet wird.
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Die GB-A-1439368 offenbart eine mit
flüssigem
Treibstoff arbeitende Raketenantriebseinheit, welche einen von zwei
auf Hydrazin oder Derivaten davon basierenden Treibstoffen einsetzt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Raketenmotoranordnung mit einem Antriebssystem mit
einer hohen Antriebsleistung bereitzustellen, welche dennoch ermöglicht,
dass einzelne Triebwerke oder Gruppen von Triebwerken unabhängig, wie
erwünscht,
abgeschaltet und zuverlässig wieder
gezündet
werden, um eine genaue Höhensteuerung
zu erzielen.
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Somit stellt die vorliegende Erfindung
von einem Aspekt her gesehen eine Raketenmotoranordnung zur Verfügung, welche
eine Längsachse
besitzt und ein Antriebssystemen umfasst, wobei das Antriebssystem
umfasst:
eine Anordnung von exzentrischen Raketentriebwerken
(19), wobei jedes eine jeweilige Brennkammer besitzt und
von der Längsachse
der Raketenmotoranordnung versetzt ist, wobei die exzentrischen
Raketentriebwerke derart hergestellt und angeordnet sind, dass sie
eine Höhensteuerung
der Raketenmotoranordnung ermöglichen,
indem ein ausgewähltes
oder eine ausgewählte
Gruppe der exzentrischen Raketentriebwerke unabhängig gezündet wird;
eine oder mehrere
Oxidationsmittelflüssigkeitsquellen
(22) in Verbindung mit den exzentrischen Raketentriebwerken,
um zu ermöglichen,
dass die Oxidationsmittelflüssigkeit
zu dem ausgewählten
oder zu der ausgewählten
Gruppe der exzentrischen Raketentriebwerke zugeführt wird; und
eine oder
mehrere Zündflüssigkeitsquellen
(20) in Verbindung mit den exzentrischen Raketentriebwerken,
um zu ermöglichen,
dass die Zündflüssigkeit
zu dem ausgewählten
oder zu der ausgewählten
Gruppe der exzentrischen Raketentriebwerke zugeführt wird, um eine Verbrennungsreaktion
zwischen der Oxidationsmittelflüssigkeit
und einer Brennstoffkomponente zu bewirken, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest einige der exzentrischen Raketentriebwerke hybride
Raketentriebwerke sind, bei welchen die Brennstoffkomponente Feststoff-Brennstoffkörnungen,
welche jeweils in den Brennstoffkammern der hybriden Raketentriebwerke
untergebracht sind, umfasst.
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Die erfindungsgemäßen Antriebssysteme besitzen
eine Anordnung von exzentrischen Raketentriebwerken, wobei jedes
eine Brennkammer besitzt. Wie nachstehend bezeichnet, bedeutet exzentrisch,
dass die Raketentriebwerke von der Längsachse der Raketenmotoranordnung
derart versetzt sind, dass das Zünden
von einigen ausgewählten
oder von ausgewählten
Gruppen der exzentrischen Raketentriebwerke eine Höhensteuerung
der Raketenanordnung ermöglicht.
(Obwohl die exzentrischen Raketentriebwerke einzeln von der Längsachse
der Raketenanordnung versetzt sind, können die exzentrischen Motoren
zum Beispiel gemeinsam einen konzentrischen Ring bezüglich der
Längsachse
der Raketenanordnung bilden, so dass das gleichzeitige Zünden von
bestimmten oder allen exzentrischen Raketenmotoren die Raketenanordnung
ohne Höhenanpassung
schiebt.) Wie nachstehend bezeichnet, bedeutet Höhensteuerung ein Beeinflussen
der Steigung, des Gierens und/oder des Rollens der Raketenanordnung
während
des Fluges.
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Die Antriebssysteme besitzen weiter
eine oder mehrere Oxidationsmittelflüssigkeitsquellen, z. B. Vorratstanks
in Verbindung mit den exzentrischen Raketentriebwerken, um zu ermöglichen,
dass die Oxidationsmittelflüssigkeit
von den Oxidationsmittelflüssigkeitsquellen
zu den Brennkammern der exzentrischen Raketentriebwerke zugeführt wird.
Z. B. kann eine Oxidationsmittelflüssigkeitsquelle vorhanden sein,
welche die Oxidationsmittelflüssigkeit
zu jedem der exzentrischen Raketentriebwerke liefert. Alternativ
kann eine Mehrzahl von Oxidationsmittelflüssigkeitsquellen mit einem
entsprechenden oder mit entsprechenden Gruppen der exzentrischen
Raketentriebwerke in Verbindung stehen. Typische Oxidationsmittelflüssigkeiten
besitzen Lösungen,
wässrige Massen
oder Gels, welche aus primären
Oxidationsmitteln wie z. B. Wasserstoffperoxid, Distickstofftetroxid,
passivierte rot rauchende Salpetersäure (IRFNA), Hydroxylammoniumnitrat
(HAN), Ammoniumnitrat (AN), Ammoniumperchlorat, Hydroxylammoniumperchlorat
(HAP) und anderen nach dem Stand der Technik bekannten Oxidationsmitteln
bestehen.
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Eine oder mehrere Zündflüssigkeitsquellen, z.
B. Vorratstanks, sind in Verbindung mit den exzentrischen Raketentriebwerken
platziert, um zu ermöglichen,
dass die Zündflüssigkeit
zu den Brennkammern der exzentrischen Raketentriebwerke geliefert wird.
Wiederum kann eine Zündflüssigkeitsquelle Zündflüssigkeit
zu jedem der exzentrischen Raketentriebwerke liefern. Alternativ
kann jede einer Mehrzahl von Zündflüssigkeitsquellen
Zündflüssigkeit
zu einer entsprechenden oder zu einer entsprechenden Gruppe von
exzentrischen Raketentriebwerken liefern.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die exzentrischen Raketentriebwerke hybride Raketentriebwerke,
welche Feststoff-Brennstoffkörnungen
beherbergen. Wenn bei dieser Ausführungsform eine heiße Zündflüssigkeit, typischerweise
in einem gasförmigen
Zustand, zusammen mit der Oxidationsmittelflüssigkeit in die Brennkammern
eingeführt
wird, ergibt sich eine Verbrennungsreaktion. Sobald eine Zündung aufgetreten
ist, kann der Fluss von heißer
Zündflüssigkeit
in die Brennkammern ohne ein Stoppen der Verbrennungsreaktionen
begrenzt werden, da sich bereits eine Feststoff-Brennstoffquelle in der Brennkammer befindet.
Die Verbrennungsreaktion kann durch Begrenzen des Flusses der Oxidationsmittelflüssigkeit von
der Oxidationsmittelflüssigkeitsquelle
zu der Brennkammer der hybriden Raketentriebwerke begrenzt werden.
Die Feststoff-Brennstoffkörnung
kann kein Feststoff-Oxidationsmittel oder kleine Mengen von Feststoff-Oxidationsmitteln
besitzen, solange das Feststoff-Oxidationsmittel
nicht in ausreichender Konzentration in der Körnung vorhanden ist, um eine Selbstverbrennungsreaktion
zu erzeugen.
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Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die exzentrischen Raketentriebwerke Bi-Flüssigkeits-Raketentriebwerke.
Bei dieser Ausführungsform
kann die Zünd/Brennstoff-Quelle,
welche z. B. ein Gasgenerator, welcher einen Feststoff-Brennstoff,
welcher durch eine gesteuerte Verbrennung in ein heißes Gras
umgewandelt wird, besitzt, sein kann, die Brennstoffkomponente für die Verbrennungsreaktion
und gleichzeitig die für
die Zündung
notwendige Hitze zuführen.
Bei dieser Bi-Flüssigkeits-Ausführungsform
sollte die Zünd-/Brennstoff-Flüssigkeit
im Allgemeinen mit einem höheren
Durchfluss in die Brennkammer zugeführt werden als bei dem hybriden
Raketentriebwerk der ersten bevorzugten Ausführungsform, da im Gegensatz
zu einem hybriden Raketentriebwerk ein Bi-Flüssigkeits-Triebwerk keine Feststoff-Brennstoffkörnung in
der Brennkammer besitzt. Wenn sowohl die Zünd-/Brennstoff-Flüssigkeit
als auch die Oxidationsmittelflüssigkeit
in die Brennkammern geliefert werden, ergibt sich eine Verbrennungsreaktion.
Die Verbrennungsreaktion kann durch Begrenzen des Flusses der Oxidationsmittelflüssigkeit
und/oder der Zünd-/Brennstoff-Flüssigkeit
zu der Brennkammer der Bi-Flüssigkeits-Raketentriebwerke
begrenzt werden.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung sind die exzentrischen Raketentriebwerke mit einer
Flüssigkeit
arbeitende Raketentriebwerke, wobei die zu allen Triebwerken zugeführte Flüssigkeit
von einer einzigen oder mehreren Quellen des Verbrennungsprodukts
erzeugt und zugeliefert wird, wobei zumindest einige dieser Quellen
mit zumindest zwei exzentrischen Raketentriebwerken verbunden sind.
Bei dieser Ausführungsform
wird das Zünden der
exzentrischen Raketentriebwerke gesteuert, indem der Fluss der Verbrennungsprodukte
zu den exzentrischen Raketentriebwerken einzeln ermöglicht und
begrenzt wird.
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Es ist auch innerhalb des Umfanges
dieser Erfindung Kombinationen von hybriden Raketentriebwerken und
Bi-Flüssigkeits-Raketentriebwerken
einzusetzen. Vorzugsweise sind die exzentrischen Raketentriebwerke
mit der Oxidationsmittelflüssigkeitsquelle
und der Zündflüssigkeitsquelle
mit entsprechenden Steuerungsventilen verbunden, welche vorzugsweise
das variable Drosseln, Abschalten und wiederholte Starten eines
ausge wählten
oder einer ausgewählten
Gruppe der exzentrischen Raketentriebwerke unabhängig voneinander ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem besitzt optional
und in einigen Ausführungsformen
vorzugsweise ein axiales primäres
Triebwerk oder eine Mehrzahl von primären Triebwerken, welche derart hergestellt
und angeordnet sind, dass sie zusammen eine Schubkraft entlang der
axialen oder längs
gerichteten Richtung erzeugen. Wenn vorhanden, ist das primäre Triebwerk
oder sind die primären
Triebwerke vorzugsweise die Hauptantriebsquelle, um so eine höhere Schubkraft
zu entwickeln, als die exzentrischen Triebwerke in der Anordnung
einzeln entwickeln. Das primäre
Triebwerk oder die primären Triebwerke
können
hybride Triebwerke, umgekehrt hybride Triebwerke ("reverse hybrid Engine"), Bi-Flüssigkeits-Triebwerke,
mit selbst verbrennendem Feststoff-Treibstoff arbeitende Triebwerke
oder Zwei-Kammer-Feststoff-Triebwerke sein. Das primäre Triebwerk
oder die primären
Triebwerke können die
Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff von der/den Oxidationsmittelflüssigkeitsquelle(n)
bzw. von der/den Brennstoffflüssigkeitsquelle(n)
erhalten.
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Gemäß einer bevorzugten Modifikation
der Erfindung besitzt das Antriebssystem ferner zumindest eine kühlende Vorrichtung,
welche die Zündflüssigkeitsquelle(n)
mit der/den Oxidationsmittelquelle(n) verbindet. Ein Teil der Zündflüssigkeit
von der Zündflüssigkeitsquelle
wird durch die kühlende
Vorrichtung geschickt, um die Temperatur der Zündflüssigkeit zu vermindern und
wird dann dafür
eingesetzt, die Oxidationsmittelflüssigkeit in der Oxidationsmittelflüssigkeitsquelle
unter Druck zu setzen. Obwohl verschiedene mechanische und pneumatische
Aufbauten vorgesehen werden können,
kann die Oxidationsmittelquelle zum Beispiel mit einem Kolben oder einer
ausdehnbaren oder zusammenziehbaren Blase oder einer ähnlichen
Vorrichtung versehen sein, um die Oxidationsmittelflüssigkeit
und die gekühlte Zündflüssigkeit
getrennt zu halten.
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Es gibt im Bereich eines erfahrenen
Handwerkers eine Möglichkeit
eines Druckregelungssystems, gemäß einer
weniger bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, für
getrennte kalte und warme gasförmige
Oxidationsmittel der Oxidationsmittelflüssigkeitsquelle. Während diese Option
ein Grad an Einfachheit und Zuverlässigkeit bietet, fehlt ihr
die verbesserte Aufmachung und Leistungsfähigkeit der bevorzugten Ausführungsform.
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Es gibt ferner eine Möglichkeit
gemäß einer weniger
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, dass Treibstoffgas, welches zugeliefert
wird, um die Oxidationsmittelflüssigkeitsquelle unter
Druck zu setzen, nicht zu kühlen.
In diesem Falle würde
das heiße
Gas eine kleine Menge der Oxidationsmittel in der Oxidationsmittelflüssigkeitsquelle zersetzen,
und die zersetzten Oxidationsmittel würden dann die Oxidationsmittelflüssigkeitsquelle
unter Druck setzen. Während
diese Option bestimmte Vorteile bietet, erfordert sie auch eine
sorgfältige
Steuerung der erzielten Menge der Zersetzung, um die Oxidationsmittelflüssigkeitsquelle
unter Druck zu setzen.
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Erfindungsgemäße Systeme stellen eine verbesserte
Aufmachung und ein verbessertes Leistungsverhalten gegenüber bekannten
Systemen, wie z. B. Hydrazin basierten oder auf Feststoff-Treibstoff basierten
Antriebs-/Höhen-Steuerungssystemen,
zur Verfügung.
Der Einsatz von hybrider Antriebstechnologie und/oder einer Bi-Flüssigkeits-Antriebstechnologie
stellt zuverlässige
wiederholte Zünd-
und Drossel-Fähigkeiten
im Vergleich zu nur mit Feststoff-Brennstoff arbeitenden Triebwerken
zur Verfügung,
während
sie auch extrem sicher und praktisch explosionsgeprüft sind.
Der Zünder
besteht aus verbranntem Treibstoff, welcher entweder als Zündflüssigkeit
für die
hybride Technologie oder sowohl als Zündflüssigkeit als auch als Brennstoffquelle
für die Bi-Flüssigkeits-Technologie
dient.
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Andere Aufgaben, Aspekte und Vorteile
der Erfindung werden dem Fachmann durch Lesen der Spezifikation
und der angehängten
Ansprüche,
welche, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden,
die Prinzipien dieser Erfindung erläutern, verständlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
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Die beigefügten Zeichnungen dienen dazu, die
Prinzipien dieser Erfindung zu erklären. Bei diesen Zeichnungen
gilt:
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1 ist
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Antriebssystems;
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Triebwerkes,
welches in dem System von 1 eingesetzt
werden kann; und
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3 und 4 sind Ansichten, ähnlich zu
derjenigen der 2, für andere
Ausführungsformen von
Triebwerken, welche in dem System von 1 eingesetzt
werden können.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 stellt
eine Ausführungsform
eines Antriebssystems gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
dar. Die dargestellte Ausführungsform stellt
ein Beispiel für
ein Layout für
ein Raumfahrzeugantriebssystem dar, welches ein axiales Haupttriebwerk 18 und
eine Mehrzahl die Höhe
steuernde Triebwerke 19 besitzt. Das Triebwerk 18 übernimmt die
primäre
Verantwortung für
das Antreiben des Fahrzeuges, während
die Höhe
steuernden Triebwerke 19 primär für das Steuern der Fahrzeughöhe verantwortlich
sind. Jedoch sind die Funktionen der Triebwerke 18 und 19 nicht
auf diese entsprechenden primären
Verantwortlichkeiten begrenzt. Die Höhe steuernden Triebwerke 19 können im
Gegenteil eingesetzt werden, um dem Triebwerk 18 beim Antrieb
des Fahrzeuges zu helfen. Was das Haupttriebwerk 18 betrifft,
kann es selbst kardanisch geschwenkt werden oder sein Schubvektor
kann durch eine bewegbare Düse
kardanisch geschwenkt werden, um Höhe steuernde Funktionen auszuführen. Das
Vektor-Einstellen des Haupttriebwerkes 18 ist eine nach
dem Stand der Technik bekannte Arbeitsweise. Alle, einige oder keins
der Triebwerke 18 und 19 kann ein hybrider Feststoff-Brennstoffkörnung enthaltender
Motor sein. Auf der anderen Seite können alle, einige oder keins
der Triebwerke 18 und 19 ein Bi-Flüssigkeits-Motor
ohne Feststoff-Brennstoffkörnung sein.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform besitzt jedes der
Triebwerke 18 und 19 zwei steuerbare Flüssigkeitszulieferungsvorrichtungen (oder
Einspritzvorrichtungen) 12 und 14 und eine Brennkammer 16 (dargestellt
für Triebwerk 18;
nicht dargestellt für
die Triebwerke 19).
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Das dargestellte System besitzt ferner
ein Zündgas-Subsystem 20 und
ein Oxidationsmittelquellen-Subsystem 22. Das Zündgas-Subsystem 20 fungiert,
um heißes
Zündgas
an das Antriebssystem zu liefern, wobei das heiße Zündgas optional ein Brennstoffreiches
Gas sein kann. Das Oxidationsmittelquellen-Subsystem 22 liefert zumindest
eine Oxidationsmittelflüssigkeit
an das Antriebssystem. Das dargestellte System umfasst weiter eine
kühlende Vorrichtung 24,
welche entlang einer die Subsysteme 20 und 22 verbindenden
Leitung positioniert ist. Der Fluss von heißem Zündgas von dem Subsystem 20 (durch
die kühlende
Vorrichtung 24) zu dem Subsystem 22 wird durch
Durchflusssteuerungsventile 26 gesteuert. Das dargestellte
System umfasst zusätzliche
Durchflusssteuerungsventile einschließlich der Folgenden: Ventil 30,
welches entlang einer das Subsystem 20 mit den Flüssigkeitszulieferungsvorrichtungen 12 verbindenden
Flüssigkeitsleitung
positioniert ist; Ventil 32, welches entlang einer das
Subsystem 22 mit den Flüssigkeitszulieferungsvorrichtungen 14 verbindenden
Flüssigkeitsleitung
positioniert ist; Ventile 34, welche jeweils in Verbindung
mit einer entsprechenden Flüssigkeitszulieferungsvorrichtung 12 positioniert
sind, um den Fluss der Zündflüssigkeit zu
einzelnen Vorrichtungen 12 zu steuern; und Ventile 36,
welche jeweils in Verbindung mit einer entsprechenden Flüssigkeitszulieferungsvorrichtung 14 positioniert
sind, um den Fluss der Oxidationsmittelflüssigkeit zu den einzelnen Vorrichtungen 14 zu
steuern.
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Für
den Fall dass die Triebwerke 18 und 19 Feststoff-Brennstoffkörnung enthaltende
hybride Triebwerke sind, dient das durch das Subsystem 20 zugeführte Gas
als ein heißes
Zündgas
zum Zünden jedes
der Triebwerke 18 und 19 mit Feststoff-Brennstoff.
Auf der anderen Seite dient das durch das Subsystem 20 zugeführte Gas
für den
Fall, dass die Triebwerke 18 und 19 Bi-Flüssigkeits-Triebwerke sind,
sowohl als Brennstoff als auch als heiße Zündflüssigkeit für jedes Bi-Flüssigkeits-Triebwerk.
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Die Treibstoffrezeptur zum Erzeugen
der Zünder-/Brennstoff-Flüssigkeit
für das
Subsystem 20 kann basierend auf der maßgeblichen Temperatur und der
Brennstoffgehaltsanforderungen der hybriden Triebwerke oder der
Bi-Flüssigkeits-Triebwerke ausgewählt werden,
wobei solche Anforderungen nach dem Stand der Technik bekannt sind.
Die Steuerung der Erzeugung des heißen Gases in dem Subsystem 20 kann
basierend auf normaler nach dem Stand der Technik bekannter Praxis
vorgenommen werden. Z. B. kann das Subsystem 20 einen einzigen Treibstoff
oder mehrere Treibstoffe besitzen, um die von den Triebwerken 18 und 19 benötigte Flüssigkeit zu
erzeugen. Wenn eins oder mehrere der Triebwerke 18 und 19 Bi-Flüssigkeits-Triebwerke
sind, ist der ausgewählte
Treibstoff, um das Gas des Subsystems 20 zu erzeugen, vorzugsweise
bezüglich
der Brennstoffkomponente mehr angereichert, da sich keine Feststoff-Brennstoffkörnung in
der Brennkammer der Triebwerke 18 und 19 befindet,
wenn die Triebwerke 18 und 19 Bi-Flüssigkeits-Triebwerke sind.
Wenn alle Triebwerke 18 und 19 hybride Raketentriebwerke sind,
welche Feststoff-Brennstoff in den Brenn kammern enthalten, muss
der Treibstoff des Subsystems 20 keine Brennstoff-reiche
Komponente besitzen.
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Eine beispielhafte Treibstoffrezeptur
des Subsystems 20 umfasst 60–80 Gewichtprozent Ammoniumnitrat
und/oder Ammoniumperchlorat-Oxidationsmittel, welches in einem Polybutadien(HTPB)-Bindemittel
mit endständiger
Hydroxygruppe unbeweglich gemacht ist. Andere optionale Bestandteile
der Treibstoffrezeptur des Subsystems 20 beinhalten organische
Oxidationsmittel wie z. B. Nitramine (HMX, RDX, CL-20 und andere)
und andere Brennstoff-reiche Bestandteile wie z. B. Dihydroxy-Glyoxim (DHG),
Diaminofurazan (DAF), Triaminoguanidinnitrat (TAGNIT), Nitroguanidin,
Guanidinnitrat, Oxamid und andere Bestandteile, welche den mit dem
Stand der Technik der Bi-Flüssigkeits-Brennstoffmittel
vertrauten Fachleuten bekannt sind. Andere gut bekannte Bindemittelsysteme
wie z. B. Glycidylazidpolymer (GAP), Polyglycidylnitrat (PGN), Oxetans,
Polybutadien (CTPB) mit endständiger
Carboxy-Gruppe, Polyester, thermoplastische Elastomere, Polyether
und ähnliche
sind für
den Treibstoff des Subsystems 20 geeignet und können zusätzlich zu
oder als Alternative für
das vorab erwähnte
HTPB-Bindemittelsystem eingesetzt
werden. Ein Maßschneidern
der Rezeptur ist möglich,
um die Leistungsfähigkeit
der Triebwerke 18 und 19 mit dem Oxidationsmittel
des Subsystems 22 zu optimieren.
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Für
den Fall dass hybride Brennstoffkörnungen, in den Triebwerken 18 und 19 enthalten
sind, können
die hybriden Brennstoffkörnungen ähnliche Bestandteile
wie der/die Treibstoffe) des Subsystems 20 enthalten, obwohl
vorgesehen ist, dass zusätzliche
metallische Brennstoffe (wie z. B. Bor, Beryllium, Aluminium, und/oder
Magnesium und/oder Mischformen solcher Metalle) enthalten sein können, um
allgemein die Systemenergie und Energiedichte zu steigern. Während es
nicht verboten ist, für
die Treibstoffe des Subsystems 20 die vorher erwähnten Metalle
einzusetzen, ist ein Metallzusatz nicht die bevorzugte Ausführungsform,
da es unerwünscht
ist, dass die Metalle durch die Ventile 26, 30 und 34 fließen.
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Wenn eins oder mehrere der Triebwerke 18 oder 19 Bi-Flüssigkeits-Triebwerke
sind, welche keine eigene Feststoff-Benzinzufuhr in der Brennkammer enthalten,
bildet das Brennstoffreiche Gas von dem Subsystem 20 den
Triebwerkbrennstoff, welcher bei Vorhandensein des Oxidationsmittels
von dem Subsystem 22 verbrennt, um den gewünschten Triebwerkschub
zu entwickeln. Das Brennstoff-reiche Gas wird durch eine Verbrennungsreaktion
des Feststoff-Brennstoffs erzeugt, welche bewirkt, dass das Gas
eine ausreichend hohe Temperatur besitzt, um als Zünder und
Brennstoff bei Vorhandensein des Oxidationsmittels zu agieren. Subsystem 20 besitzt ein
einzelnes oder eine Mehrzahl von Feststoff-Brennstoffkörnungen
innerhalb oder zugeleitet zu dem Anreicherungstank des Subsystems 20 durch
Mittel, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind und eingesetzt
werden. Normale Feststoff-Treibstoffzündmittel
wie z. B. Elektrizität
oder optisch auslösende
Anzündinitiatoren
werden für
jedes der festen Brennstoffkörnungen
eingesetzt. Sollte eine Mehrzahl von Körnungen in dem Subsystem 20 eingesetzt
werden, können
normale Mittel zum Schützen
der zweiten und folgenden Körnungen
vor vorzeitiger Zündung,
wie z. B. elastomere Sperren, zerbrechliche Trennwände und
isolierte Berstscheiben eingesetzt werden.
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Bei einem hybriden Raketentriebwerk 18 oder 19 mit
einer in der Brennkammer geladenen festen Brennstoffkörnung dient
die Zündflüssigkeit
vom Subsystem 20 primär
dazu, die feste Brennstoffkörnung
bei Vorhandensein der vom Subsystem 22 gelieferten Oxidationsmittelflüssigkeit
zu zünden.
Jedoch verbrennt das Gas vom Subsystem 20 auch beim Vorhandensein
der Oxidationsmittel und trägt somit
zumindest marginal zu dem von den Triebwerken erzeugten Schub bei.
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Wenn alle Triebwerke 18 und 19 hybride Triebwerke,
welche feste Brennstoffkörnungen
enthalten, sind, muss das von dem Subsystem 20 zugeführte Gas
nicht Brennstoff-reich sein und es ist nur erforderlich, es zu jedem
Triebwerk bei einer ausreichend hohen Temperatur zuzuführen, um
die Feststoff-Brennstoffkörnung bei
Vorhandensein des Oxidationsmittels zu zünden.
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Gemäß eines speziellen neuen Merkmals der
Erfindung enthält
das durch das Subsystem 22 zugeführte Oxidationsmittel und besteht
vorzugsweise aus HAN oder HAP oder einem vergleichbaren hoch entwickelten
Oxidationsmittel in einer wässrigen
Lösung,
in einem wässrigen
Brei oder in einem Gel abhängig
von der Anwendung. Z. B. würde
HAN bevorzugt werden, wo kein HCI in dem Abgas erwünscht ist.
Auf der anderen Seite wird HAP bevorzugt werden, wo eine maximale
Leistung erwünscht ist.
HAN oder HAP sorgen beide für
eine hohe Dichte, gute Leistung und nicht toxische/nicht ätzende Eigenschaften.
Die Konzentration von HAN oder HAP in solch einer Lösung bestimmt
neben anderen Dingen den Gefrierpunkt der Lösung. Siehe US-Patent Nr. 4,527,389
von Biddle dessen vollständige
Offenbarung hier durch Referenz eingearbeitet ist. Der Gefrierpunkt
neigt dazu, anzusteigen, wenn die Konzentration von HAN oder HAP
ansteigt. Somit wird die Konzentration primär basierend auf dem erwünschten
Gefrierpunkt für
den speziellen Einsatzfall gewählt,
da alle anderen Überlegungen
vorschreiben würden,
dass die höchst
mögliche
Konzentration verwendet wird.
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Das Oxidationsmittel kann weiter
eine kleine Menge eines Zusatzes enthalten, welcher die Energiedichte
der Mischung in jeder Triebwerksbrennkammer erhöht. Dieser Zusatz kann enthalten
oder bestehen aus einem oder mehreren Nitraminen, wie z. B. HMX,
RDX, CL-20, einem zusätzlichen
Oxidationsmittel, wie z. B. AN, und Gefrierpunkt senkenden Mitteln,
wie z. B. die Folgenden: Alkylammoniumnitratsalze, wie z. B. Tetramethylammoniumnitrat
und Triethylammoniumnitrat (TEAN); Hydraziniumnitrate und Alkylhydraziniumnitrate;
Alkylhydroxylammoniumnitrate, wie z. B. Methan-bis-(O-Hydroxylamin)-Dinitrat
(MBODN), Diethylhydroxylaminnitrat (DEHAN), N, O- Dimethylhydroxylaminnitrat (DMHAN);
und andere einschließlich
O-Methylhydroxylaminnitrat (OMHAN), Guanidinnitrat, Hydroxylaminphosphat (HAPT),
Dimethylsulfoxid (DMSO), und TREN3 (tris-(2-Aminoethyl)-Amintrinitrat)
in mit dem Gefrierpunkt und den Energiegehaltanforderungen des Systems
vereinbaren Mengen. Lange Zeit stabilisierende Gemische können auch
basierend auf Lagerungszeitanforderungen benötigt werden. Eine beispielhafte
Rezeptur für
ein flüssiges
Oxidationsmittel umfasst 70 Gewichtprozent HAN, 15 Gewichtprozent
AN und 15 Gewichtprozent Wasser. Eine andere beispielhafte Rezeptur
für ein
flüssiges
Oxidationsmittel umfasst 85 Gewichtprozent HAP und 15 Gewichtprozent Wasser.
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Wie vorab diskutiert ist eine der
Funktionen des Subsystems 20, zu Zündzwecken Gas zu den Triebwerken 18 und 19 zu
liefern. Gas von dem Subsystem 20 kann zu der kühlenden
Vorrichtung 24 geliefert werden und dann, nachdem es ausreichend gekühlt worden
ist, um ungeeignet zu sein, das Oxidationsmittel zu zersetzen oder
zu verdampfen, kann es zu dem Subsystem 22 strömen, wo
das Gas agiert, um das Oxidationsmittel in dem Subsystem 22 unter
Druck zu setzen. Wenn Gas von dem Subsystem 20 eingesetzt
wird, um das Subsystem 22 unter Druck zu setzen, ist es
höchst
wünschenswert,
diese Systeme 20 und 22 getrennt zu halten. Obwohl
nicht dargestellt kann das Subsystem 22 einen Tank umfassen,
welcher mit einem Kolben oder einer Blase oder einer vergleichbaren
Vorrichtung ausgestattet ist, welche das durch das Subsystem 20 zugeführte Druckregelungsgas
von der Oxidationsmittelflüssigkeit
des Subsystems 22 physikalisch trennt, wobei eine Reaktion
zwischen dem Druckregelungsgas und dem Oxidationsmittel verhindert
wird.
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Der Fluss von Flüssigkeit zu und von der kühlenden
Vorrichtung 24 wird durch den Betrieb der Ventile 26 gesteuert,
um einen Druck in dem Subsystem 22 aufrecht zu erhalten,
was eine angemessene und akzeptable Strömungsgeschwindigkeit der Oxidationsmittelflüssigkeit
zu allen Triebwerken 18 und 19 gewährleistet.
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Die Erfindung kann bei Systemen angewendet
werden, in welchen: (a) jedes der Triebwerke 18 und 19 ein
hybrides Triebwerk mit einem Feststoff-Brennstoff ist; (b) jedes
der Triebwerke 18 und 19 ein Bi-Flüssigkeits-Triebwerk
ist; und (c) eine Kombination von hybriden Triebwerken und Bi-Flüssigkeits-Triebwerken
als die Triebwerke 18 und 19 ausgewählt sind.
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Bei dem Fall der Ausführungsform
(b) oder (c) wird das durch das Subsystem 20 zugeführte heiße Gas ausgewählt, um
sein Leistungsverhalten als Brennstoff im Vergleich zu der Ausführungsform
(a) zu verbessern, da eins oder mehrere der Triebwerke 18 und 19 ohne
eine Brennstoffkörnung
sind.
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Bei dem Fall der Ausführungsform
(c) ist die typischste Anordnung eine, bei welcher nur Triebwerk 18 ein
hybrides Triebwerk, welches einen Feststoff-Brennstoff enthält, ist.
Jedoch können
Variationen der Ausführungsform
(c) auch Anordnungen enthalten, bei welchen eine oder mehrere der
Triebwerke 19 Feststoff-Brennstoff-Triebwerke sind und
wobei Triebwerk 18 entweder ein Feststoff-Brennstoff-Triebwerk
oder ein Triebwerk mit gasförmigem Brennstoff
(oder ein Triebwerk mit lediglich einem selbst verbrennenden Treibstoff)
ist.
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Obwohl nicht in 1 dargestellt, gehört es in den Umfang dieser
Erfindung, ein Antriebssystem bereitzustellen, dass kein axiales
Haupttriebwerk besitzt, so dass der primäre Schub durch den Zusammenschluss
der exzentrischen Triebwerke 19 erzielt wird. Es gehört auch
zu dem Umfang dieser Erfindung, eine Mehrzahl von Haupttriebwerken
bereitzustellen, welche gemeinsam einen konzentrischen Ring um die
Achse der Raketenanordnung bilden.
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Die Zufuhr von heißem Gas
von dem Subsystem 20 zu der Gruppe von Triebwerken 18 und 19 wird
durch ein Hauptdurchflusssteuerungsventil 30 gesteuert.
Zum individuellen Steuern der Zu fuhr des heißen Gases von dem Subsystem 20 zu
den einzelnen Triebwerken 19 sind auch Durchflusssteuerungsventile 34 vorhanden,
wobei jedes der Durchflusssteuerungsventile 34 in Verbindung
mit einer Einspritzungsvorrichtung 12 eines entsprechenden Triebwerkes 19 positioniert
ist. Obwohl nicht dargestellt können
zusätzliche
Durchflusssteuerungsventile stromabwärts bezüglich des Steuerungsventils 30 eingesetzt
werden, um die Zufuhr des heißen
Gases zu dem Triebwerk 18 unabhängig von dem Strom des heißen Gases
zu den Triebwerken 19 zu steuern. Die Zufuhr des Oxidationsmittels
von dem Subsystem 22 zu der Gruppe von Triebwerken 18 und 19 wird
durch ein Hauptdurchflusssteuerungsventil 32 gesteuert. Die
Zufuhr des Oxidationsmittels von dem Subsystem 22 zu den
einzelnen Triebwerken 18 und 19 wird einzeln durch
Durchflusssteuerungsventile 36 gesteuert, wobei jedes davon
mit einer Einspritzungsvorrichtung 14 eines entsprechenden
Triebwerkes 19 korrespondiert. Alle diese Ventile 30 – 36 können elektrisch
gesteuerte Ventile sein, welche durch das Steuerungssystem des Fahrzeuges,
in welchem das Antriebssystem angebracht ist, betrieben werden. Die
Betriebsfolge der Ventile wird durch den Fahrzeugantrieb und die
Lenkungsanforderungen gemäß der Prinzipien
und Verfahren der Durchflusssteuerung, welche nach dem Stand der
Technik bekannt sind, bestimmt.
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Eine Ausführungsform eines hybriden Triebwerkes,
welches in einem erfindungsgemäßen System
eingesetzt werden kann, ist im Querschnitt in 2 dargestellt. Dieses Triebwerk besitzt
ein Gehäuse 40,
welches eine eine feste Brennstoffkörnung 45 umfassende
Brennkammer (nicht bezeichnet) umschließt, eine sich von dem Gehäuse 40 nach
hinten erstreckende Auslassdüse 42 und
einen Verteilerblock 44, welcher vor dem Gehäuse 40 befestigt
ist und einen Oxidationsmittelzuführkanal 46 zur Abgabe
des unter Druck gesetzten flüssigen
Oxidationsmittels von dem Subsystem 22 und einen Gaszuführkanal 48 zur
Abgabe des heißen
Zündgases
von dem Subsystem 20 enthält. Das Oxidationsmittel wird
von dem Oxidationsmittelszuführkanal 46 durch
eine Sammelleitung 52 zu einer Einspritzvorrichtungs platte 50 geleitet.
Die Einspritzvorrichtungsplatte 50 enthält eine Mehrzahl von Auslassöffnungen.
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Wenn das Haupttriebwerk 18 des
in 1 dargestellten Systems
ein hybrides Triebwerk wie in 2 dargestellt
ist, beeinflusst das Ventil 32 die Zuführung des Oxidationsmittels
von dem Subsystem 22 zu dem Oxidationsmittelzuführkanal 46 und
das Ventil 30 beeinflusst die Zuführung des Gases von dem Subsystem 20 zu
dem Gaszuführkanal 48. Wenn
eins oder mehrere der Höhe
steuernden Triebwerke 19 ein hybrides Triebwerk ist wie
in 2 dargestellt, dann
ist jeder der Oxidationsmittelzufuhrkanäle 46 der Höhe steuernden
Triebwerke 19 mit einem entsprechenden Ventil 36 verbunden
und jeder der Gaszufuhrkanäle 48 der
Triebwerke 19 ist mit einem entsprechenden Ventil 34 verbunden.
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3 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine Ausführungsform eines Bi-Flüssigkeits-Triebwerkes
darstellt, d.h. ein Triebwerk mit einem gasförmigen Brennstoff, welches
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden kann. Solche Komponenten, welche mit den entsprechenden
Komponenten in 2 identisch
sind, werden nicht erneut beschrieben, aber durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In 3 enthält das Gehäuse 40 keine feste
Brennstoffkörnung.
Ein Verteilerblock 54 besitzt einen Oxidationsmittelzufuhrkanal 46 und
einen ringförmigen
Zufuhrkanal 58 für
heißes
Zünd- und
Brennstoff-Gas zum Zuführen
des heißen
Zünd- und Brennstoff-Gases in die Brennkammer,
wo die Brennstoffkomponente des heißen Zünd- und Brennstoff-Gases bei
Vorhandensein des Oxidationsmittels verbrennt. Der Brennstoffgaszufuhrkanal 58 ist
mit einem Ventil 30 oder mit Ventilen 30 und 34 verbunden, dies
ist abhängig
davon, ob das Triebwerk das axiale Triebwerk 18 oder eins
der Anordnung der Höhe steuernden
Triebwerke 19 ist. Der Brennstoffzufuhrkanal 58 kann
eine ringförmige
dünne Schicht
von Gas bereitstellen oder kann eine ringförmige Sammelleitung sein, welche
Gas zu einer Mehrzahl von Ein spritzungsvorrichtungsöffnungen
an der Schnittstelle des Verteilerblocks 54 und des Gehäuses 40 leitet.
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4 stellt
eine zweite Ausführungsform
eines Triebwerkes mit gasförmigem
Brennstoff dar, welches einen Verteilerblock 64 besitzt,
welcher mit zwei Einspritzvorrichtungsplatten 66, zwei
Oxidationsmittelzufuhrkanälen 68 und
zwei Zufuhrkanälen 70 für heißes Zünd- und
Brennstoff-Gas versehen ist.
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Die Einspritzvorrichtungsplatten 66 sind
jeweils mit einem der Kanäle 68 verbunden
und jeder besitzt eine Mehrzahl von Ausgangsöffnungen oder Düsen. Die
Anzahl und/oder der Durchmesser der Öffnungen in einer der Platten 66 unterscheidet
sich zu der anderen Platte 66, so dass jede der Platten 66 ihre
eigene charakteristische Oxidationsmittelströmungsgeschwindigkeit erzeugt.
Jeder der Kanäle 68 ist
mit einem jeweiligen Ventil verbunden, um das Oxidationsmittel zu
seiner entsprechenden Einspritzvorrichtungsplatte 66 zu
liefern, um Verbrennung mit einer bestimmten und somit variablen
Rate zu bewirken. Die Ventile können
beide offen sein, um eine maximale Verbrennungsrate zu erzeugen.
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Die Kanäle 70 sind jeweils
mit entsprechenden Ventilen verbunden, um heißes Zünd-/Brennstoff-Gas in die Brennkammer
zu liefern. Jeder der dargestellten Kanäle 70 besitzt eine
ringförmige Form,
wie zuvor beschrieben, um den Strom von heißem Gas gleichmäßig um die
Achse der Brennkammer zu verteilen. Die Kanäle 70 sind jeder mit
einem jeweiligen Ventil verbunden, um das heiße Gas zu dem Kanal 70 zu
liefern. Die Strömungsgeschwindigkeiten
des heißen
Zünd-/Brennstoff-Gases
durch die Kanäle 70 kann
durch geeignetes Dimensionieren der Kanäle 70 und Steuern
der Ventile abhängig
von der Strömungsgeschwindigkeit
des Oxidationsmittels durch die Kanäle 68 gesteuert werden.
Die mit den Kanälen 70 verbundenen
Ventile können
beide offen sein, zumindest wenn die mit den Kanälen 68 verbundenen
Ventile beide offen sind, um eine maximale Verbrennungsrate zu erzeugen.
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Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind speziell
für die
oberen Stufen von mehrstufigen Raketentriebwerken, insbesondere
von handelsüblichen
Trägerraketen
und Raketengeschossen, geeignet. Die Erfindung erlaubt, dass sowohl
der Antrieb als auch die Höhe
durch ein einziges System gesteuert wird.
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Die voran stehende detaillierte Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung diente dem Zweck der Verdeutlichung und Beschreibung.
Es ist nicht beabsichtigt, vollständig zu sein oder die Erfindung
auf die genauen offenbarten Ausführungsformen
zu beschränken.
Modifikationen und Variationen sind den mit diesem Stand der Technik vertrauten
Fachleuten offensichtlich. Z. B. sollte klar sein, dass die in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen auch durch Einsetzen
einer festen Brennstoffkörnung
in die Brennkammer zu hybriden Triebwerken mit Feststoff-Brennstoff
modifiziert werden können.
Außerdem
ist es für
eins oder mehrere der Triebwerke 18 und 19 möglich, umgekehrte
hybride Raketentriebwerke zu sein, so dass eine Feststoff-Oxidationsmittelreiche
Körnung
in die Brennkammern der hybriden Raketentriebwerke geladen ist.
Bei dieser Ausführungsform
besitzen geeignete Feststoff-Oxidationsmittelkörnungen z. B. fluorierte Polymere
mit einem hohen Prozentsatz an AP oder anderen Oxidationsmitteln
und mit oder ohne metallische Brennstoffe wie vorab beschrieben.
Typische Brennstoffe, welche in einem flüssigen Zustand in die Brennkammern
zugeführt
werden können,
besitzen z. B. die Brennstoff-reichen Rezepturen, welche für das Subsystem 20 vorab
beschrieben worden sind.
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Die Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben,
um am besten die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung
zu erklären, wodurch
andere Fachleute in die Lage versetzt werden, die Erfindung für verschiedene
Ausführungsformen
und mit verschiedenen Veränderungen,
wie sie für
die spezielle betrachtete Anwendung geeignet sind, nachzuvollziehen.
Der Umfang der Erfindung soll auch verschiedene Änderun gen und Äquivalente,
welche in der Idee und in dem Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, mit abdecken.