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GEBIET DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluidtreibmittel-Raketenmotore
und insbesondere auf Fluidtreibmittel-Raketenmotore, die die Turbomaschinerie
zum Pumpen des Fluidtreibstoffs zusammen mit der Hauptbrennkammer
der Rakete als eine einzige Einheit zusammenschließen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Flüssigbrennstoff
Raketenmotoren, die beispielsweise in den
US Patenten Nr. 4,879,874 , Nr.
4,901,525 und Nr.
5,267,437 gelehrt werden,
enthalten normalerweise Turbomaschinerie, die sich von der Hauptraketendüse zum unter
Druck setzen und/oder in Gas verwandeln der Flüssigtreibmittel, bevor sie
in die Hauptraketendüse
eingespritzt werden, unterscheiden. Weiter können eine oder mehrere der
Treibmittelkomponenten dazu angepasst sein, die Hauptraketendüse durch
einen angeschlossenen Rohrleitungskreislauf zu kühlen. Entsprechend sind solche
Systeme im Allgemeinen kostspielig und komplex, und durch die erhöhte Komplexität kann die
Zuverlässigkeit
abnehmen.
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Die
US Patente 3,541,793 und
3,577,735 lehren einen Turboraketenmotor,
in dem flüssige Treibmittel
durch entsprechende Pumpen unter Druck gesetzt werden, die einen
flüssigen
Brennstoff und ein flüssiges
Oxidationsmittel unter Druck setzen. Eine der Treibmittelkomponenten
tritt zuerst durch die Wände
der Hauptbrennkammer zu Kühlzwecken
aus und dann in eine Vorbrennkammer ein. Ein Teil der anderen Treibstoffkomponente
wird in die Vorbrennkammer abgeführt,
und der Rest wird in die Hauptbrennkammer abgeführt. Die Ausströmung aus
der Vorbrennkammer treibt eine Turbine an, die wiederum die jeweiligen
Pumpen antreibt. Dann wird die Ausströmung in die Hauptbrennkammer
abgeführt.
Die Strahldüsen
sind relativ zu den entsprechenden Brennkammern stationär, was zu Temperaturänderungen
in der Vorbrennkammer führen
kann, was belastend für
die Turbine sein kann. Weiter erhöht die Verwendung von Flüssigtreibmitteln
zum Kühlen
der Hauptbrennkammer Kosten, Komplexität und Gewicht.
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Die
US Patente 4,769,996 und
4,870,825 lehren drehbare
Flüssigbrennstoffeinspritzsysteme, die
drehbare Druckklappen/Verdichterschaufeln enthalten; diese Systeme
sind jedoch in Turbinenmotoren eingebaut, die ein gasförmiges Oxidationsmittel verwenden.
Keines dieser Patente lehrt einen Turboraketenmotor, der eine Dreheinspritzung
von sowohl der Brennstoff- als
auch der Oxidationsmittelkomponente vorsieht.
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US Patent 5,323,602 lehrt
ein Ausströmungskühlsystem
für einen
Gasturbinenmotor, der Luft als Kühlmedium
verwendet. Dieses Patent lehrt weder einen Turboraketenmotor, noch
die Verwendung eines Verbrennungsgases aus einer Vorverbrennungsanlage
zum Ausströmungskühlen einer Hauptverbrennungsanlage.
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US-A-3 307 359 offenbart
einen Raketenmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Raketenmotors
nach den jeweiligen Oberbegriffen von Anspruch 1 und 11.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung wird ein Raketenmotor bereitgestellt,
enthaltend:
- a. einen ersten Einlass, der dazu
angepasst ist, eine erste Treibmittelkomponente aus einer Quelle
der ersten Treibmittelkomponente anzunehmen;
- b. einen zweiten Einlass, der dazu angepasst ist, eine zweite
Treibmittelkomponente aus einer Quelle der zweiten Treibmittelkomponente
anzunehmen;
- c. eine erste Brennkammer, die einen Auslass enthält;
- d. einen ersten Dreheinspritzer innerhalb der ersten Brennkammer,
der mindestens eine erste Drehöffnung
enthält,
die eine erste Rotationsachse aufweist, wobei die mindestens eine
Drehöffnung in
Fluidverbindung mit mindestens einem Einlass des ersten Dreheinspritzers
und mit der ersten Brennkammer ist, und wobei der mindestens eine Einlass
des ersten Dreheinspritzers in Fluidverbindung mit dem ersten Einlass
des Raketenmotors ist; und
- e. einen zweiten Dreheinspritzer innerhalb der ersten Brennkammer,
der mindestens eine zweite Drehöffnung
enthält,
die eine zweite Rotationsachse aufweist, wobei die mindestens eine
zweite Drehöffnung
in Fluidverbindung mit mindestens einem Einlass des zweiten Dreheinspritzers
und mit der ersten Brennkammer ist, und wobei der mindestens eine
Einlass des zweiten Dreheinspritzers in Fluidverbindung mit dem
zweiten Einlass des Raketenmotors ist; gekennzeichnet dadurch, dass
sie weiter enthält:
- f. einen dritten Dreheinspritzer innerhalb der zweiten Brennkammer,
der mindestens eine dritte Drehöffnung
enthält,
die eine dritte Rotationsachse aufweist, wobei die mindestens eine
dritte Drehöffnung
in Fluidverbindung mit mindestens einem Einlass des dritten Dreheinspritzers
und mit der zweiten Brennkammer ist, und wobei der mindestens eine
Einlass des dritten Dreheinspritzers in Fluidverbindung mit dem
zweiten Einlass des Raketenmotors ist.
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Nach
einem alternativen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben
eines Raketenmotors bereitgestellt, enthaltend:
- a.
Zuführen
von einer ersten und einer zweiten Treibmittelkomponente an den
Raketenmotor;
- b. Einspritzen von mindestens einem Teil der ersten Treibmittelkomponente
in eine erste Brennkammer durch mindestens eine erste Drehöffnung innerhalb
der ersten Brennkammer;
- c. Einspritzen von mindestens einem Teil der zweiten Treibmittelkomponente
in die erste Brennkammer durch mindestens eine zweite Drehöffnung innerhalb
der ersten Brennkammer;
- d. Zumindest teilweises Verbrennen der ersten und der zweiten
Treibmittelkomponente in der ersten Brennkammer, so dass eine Ausströmung erzeugt
wird;
- e. Abgeben der Ausströmung
aus der ersten Brennkammer; gekennzeichnet durch
- f. Abgeben zumindest eines Teils der Ausströmung aus der ersten Brennkammer
in eine zweite Brennkammer.
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Die
oben aufgeführten
Probleme mit dem Stand der Technik können durch einen Turboraketenmotor
gelöst
werden, der die Funktionen, die normalerweise mit Raketenantriebs-Hauptbrennkammern verbunden
sind, und die Turbomaschinerie, die normalerweise mit den Turbopumpen
verbunden ist, die in Flüssigraketenmotoren
verwendet wird, in eine Einheit zusammenfasst, und dadurch den größten Teil
des Rohrleitungs- und Kühlkreislaufs,
der normalerweise mit Flüssigraketenmotoren
verbunden ist, vermeidet. Das führt
zu wesentlich niedrigeren Kosten und einem leichteren Antriebssystem,
als es in den Flüssigraketenmotoren
des Stands der Technik zur Verfügung
gestellt ist.
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Flüssigbrennstoff
und Flüssigoxidationsmittel
werden von unter Druck stehenden Tanks mit einem relativ geringen
Druck separaten Abschnitte innerhalb eines Rotorsystems zugeführt, das
durch eine Turbine mit einem relativ geringen Druckverhältnis angetrieben
wird, die durch die Verbrennungsausströmung angetrieben wird, die
durch einen Vorverbrennungsraum erzeugt wird, die bei einem relativ fetten
Brennstoff/Oxidationsmittel-Verhältnis
betrieben wird, so dass die Temperatur der teilweise verbrannten
Ausströmung
von der Turbine ausgehalten werden kann. Die Durchflussmengen des
Liquidbrennstoffs und des Liquidoxidationsmittels werden durch separate
Drosselregelungsventile bei dem relativ niedrigen Zufuhrdruck reguliert,
was für
eine Verbesserte Regelung sorgt, die weniger kostspielig und zuverlässiger ist.
Drehbare Druckklappen, die im Rotorsystem enthalten sind, trennen
die Auslässe
mit relativ niedrigem Druck der jeweiligen Drosselregelventile vom
relativ hohen Druck der Vorbrennkammer und der Hauptbrennkammer.
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Das
Rotorsystem gibt durch ein Zentrifugalpumpenmittel kinetische Rotationsenergie
und Zentrifugalkraft an den Flüssigbrennstoff
und das Flüssigoxidationsmittel
weiter. Das Zentrifugalpumpenmittel enthält eine oder mehrere Längsrippen
oder Leitschaufeln auf der Innenfläche der Außenwand eines hohlen Wellenbereichs,
mit einem oder mehr Ablassöffnungen,
die mit einer oder mehreren zugehörigen Nuten in Verbindung stehen,
die zwischen benachbarten Rippen oder Leitschaufeln ausgeformt sind. Im
Allgemeinen ist der Druckabfall über
die Ablassöffnungen
relativ gering, und die Ablassöffnungen sind
während
des normalen Betriebs nicht notwendigerweise mit Fluid gefüllt. Außerdem können, obwohl im
Allgemeinen ein eins-zu-eins Verhältnis zwischen den Nuten und
den Ablassöffnungen
herrscht, aufgrund der Bedingung des mechanischen Gleichgewichts,
entweder mehr als eine Ablassöffnung
oder keine Ablassöffnung
in Verbindung mit einer bestimmten Nut sein. Außerdem können, obwohl die Ablassöffnungen
im Allgemeinen die gleiche Größe und Ausrichtung
haben, aufgrund der Bedingung des mechanischen Gleichgewichts, die
Ablassöffnungen verschiedene
Größen haben
und unterschiedlich ausgerichtet sein. Die Flüssigkeit wird durch die Rippen
oder Leitschaufeln gedreht und durch die Ablassöffnungen hindurch zentrifugal
beschleunigt, was den eingespritzten Flüssigkeiten beträchtliche
Radialgeschwindigkeiten und Umfangsgeschwindigkeiten verleiht, und
dadurch für
vollständige
Vermischung und Verteilung sorgt. Das Zentrifugalpumpenmittel der
vorliegenden Erfindung enthält
allerdings keinen Diffusor zum Umwandeln der kinetischen Energie
zurück
in Druckenergie, wie er in vielen herkömmlichen Zentrifugalpumpen
eingebaut ist. Der gesamte Flüssigbrennstoff
und ein Teil des Flüssigoxidationsmittels
werden durch Dreheinspritzung in den Vorverbrennungsraum eingespritzt
und darin dann gemischt, verdampft und teilweise verbrannt. Die
Temperatur der Ausströmung
aus dem Vorverbrennungsraum wird durch das zugehörige Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisch
Verhältnis
geregelt. Der Dreheinspritzungsvorgang sorgt für eine einheitlichere Temperaturverteilung
innerhalb der zugehörigen
ringförmigen Verbrennungszonen
innerhalb des Vorverbrennungsraums und ermöglicht es so der Turbine, bei
einer Temperatur zu arbeiten, die näher an der materialabhängigen Spitzenbetriebstemperatur
liegt.
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Sowohl
der Flüssigbrennstoff
als auch das Flüssigoxidationsmittel
werden zentrifugal gepumpt. Entsprechend schließt das Rotorystem konzentrische
hohle Abschnitte ein, durch die das Flüssigoxidationsmittel zugeführt wird
und vom Zentrum einer hohlen Hauptwelle gepumpt wird, und der Flüssigbrennstoff
wird von einer ringförmigen
Kammer, die damit konzentrisch ist, gepumpt. Die Bestandteile der Zentrifugalpumpen,
einschließlich
der Rippen/Leitschaufeln und Ablassöffnungen, sind so angeordnet und
in ihrer Größe beschaffen,
dass sie das mechanische Gleichgewicht des Rotorsystems nicht stören. Allerdings
können
die Rippen/Leitschaufeln und/oder die Ablassöffnungen in Übereinstimmung
mit dieser Bedingung auch ungleichmäßige Abstände haben.
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Ein
Teil der Ausströmung
aus dem Vorverbrennungsraum wird durch Ausströmungskühlöffnungen durch das Vorverbrennungsraumrohr über die
Außenseite
des Hauptverbrennungsraumrohrs und in den Hauptverbrennungsraum
geleitet, so dass der Hauptverbrennungsraum durch Ausströmungskühlung gekühlt wird.
Ein Teil des Brennstoffs, entweder flüssig oder gasförmig, kann
auch über
das Vorverbrennungsraumrohr geleitet werden, um den Vorverbrennungsraum
zu kühlen,
und dann zusammen mit der Ausströmung
dazu verwendet werden, das Hauptverbrennungsraumrohr zu kühlen. Des
Weiteren kann ein Teil des Ausströmungskühlungsgases in den Hauptverbrennungsraum
abgeführt
werden, so dass für
eine Grenzschichtkühlung
der Konvergenz/Divergenzdüse
gesorgt ist.
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Die
relative Menge an Flüssigoxidationsmittel,
die dem Vorverbrennungsraum und dem Hauptverbrennungsraum zugeführt wird,
wird durch den Aufbau des Flüssigkeitsoxidationsmittelverteilungssystems
im Hauptrotorsystem bestimmt. Der Flüssigkeitsoxidationsmittelpumpenablass
ist am Pumpenausgang aufgeteilt und speist den kleineren Teil der Strömung in
eine Dreheinspritzungsvorrichtung ein, die das Oxidationsmittel
dem Vorverbrennungsraum zuführt.
Die Dreheinspritzungsvorrichtung enthält auch eine drehende Druckklappe/Verdichterschaufel, um
den Vorverbrennungsraumdruck vom Hauptverbrennungsraumdruck zu trennen,
und verhindert dadurch die Strömung
von Vorverbrennungsraumgas dazwischen durch die Dreheinspritzungsvorrichtung. Ein
Teil des Flüssigbrennstoffs
wird auch in eine ähnliche
Dreheinspritzungsvorrichtung eingespeist, die nahe an der gleichen
axialen Ebene liegt, was dazu führt,
dass die beiden Flüssigkeiten
gemischt und zerstäubt
werden, wenn sie vom Wellensystem geschleudert werden. Die Verbrennung
des Gemischs findet gleichzeitig mit diesem Mischen und Zerstäuben statt.
Zusätzlicher
Flüssigbrennstoff
wird in den Vorverbrennungsraum eingespritzt, um das Mischen zu
unterstützen
und das Mischverhältnis
zu regeln, damit die geeignete Temperatur erreicht wird, wenn die
Gase die Turbine erreichen. Entsprechend kann das Brennstoff/Oxidationsmittelverhältnis innerhalb der
spezifischen Zonen innerhalb des Vorverbrennungsraums geregelt werden,
was für
verbesserte Brenneigenschaften sorgt.
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Eine
Zündvorrichtung,
wie z. B. ein Hochtemperaturbrenner wird verwendet, um die Verbrennung im
Vorverbrennungsraum in Gang zu bringen, wonach die Verbrennung beständig und
sich selbst erhaltend ist. Die Wärme
der Verbrennung im Vorverbrennungsraum verdampft den eingespritzten
Flüssigbrennstoff
und das eingespritzte Flüssigoxidationsmittel,
einschließlich
jedes Flüssigbrennstoffs, der
zum Kühlen
der Vorverbrennungsraum- und/oder der Hauptverbrennungsraumrohre
verwendet wird.
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Der
Großteil
der Ausströmung
aus dem Vorverbrennungsraum strömt
direkt in den Hauptverbrennungsraum, nachdem sie die Turbine angetrieben
hat. Diese Ausströmung
und die Gase, die zum Kühlen
des Vorverbrennungsraums und/oder des Hauptverbrennungsraums verwendet
werden, werden mit dem Rest des Flüssigoxidationsmittels vereint
und verbrannt, das durch das Zentrum der hohlen Welle eingespeist
wird, die die Pumpenbestandteile mit der Turbine verbindet, und
durch Dreheinspritzung direkt in den Hauptverbrennungsraum eingespritzt
wird, wenn sie aus der Welle durch eine Zentrifugalpumpenvorrichtung
austritt. Diese hochtourige Dreheinspritzung zerstäubt das
Flüssigoxidationsmittel,
das schnell verdampft, und führt
die Verbrennung der erwärmten
fetten Brenngase, die aus der Turbine direkt in den Hauptverbrennungsraum austreten,
ab. Das Ende der hohlen Welle, das den warmen Verbrennungsgasen
des Hauptverbrennungsraums ausgesetzt ist, kann so angepasst sein, dass
es für
dessen Kühlung
oder Druckausgleich sorgt, indem es daraus gasförmiges Oxidationsmittel abführt. Das
Ende der hohlen Welle kann auch oder alternativ poliert oder beschichtet
sein, um für
eine Wärmeisolierung
von den heißen
Verbrennungsgasen zu sorgen. Das endgültige oder gesamte Brennstoff/Oxidationsmittel
Mischverhältnis
wird in Übereinstimmung
mit einer bestimmten objektiven Funktion angepasst, wie z. B. maximaler
Schub in Abhängigkeit
von Bedingungen hinsichtlich der relativen Größe der zugeordneten Treibmitteltanks.
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Alternativ
können
entweder eine Radialpumpe oder eine Axialpumpe bereitgestellt sein,
die an der Außenseite
der Welle, vor dem Vorverbrennungsraum, befestigt sind, um den Flüssigbrennstoff
zu pumpen und in den Turboraketenmotor einzuspritzen. Des Weiteren
kann sich die Flüssigoxidationsmittelpumpe
stromabwärts
der Stelle befinden, an der der Flüssigoxidationsmittelstrom zwischen
dem Vorverbrennungsraum und dem Hauptverbrennungsraum aufgeteilt
wird.
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Entsprechend
ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstigeren Turboraketenmotor bereitzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Turboraketenmotor
mit verbesserter Zuverlässigkeit
bereitzustellen.
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Entsprechend
dieser Aufgaben werden nach einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sowohl der Brennstoff als auch das Oxidationsmittel im
flüssigen
Zustand in die entsprechenden Brennkammern eingespritzt.
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Nach
einer Ausführungsform
werden sowohl der Brennstoff als auch das Oxidationsmittel als kryogene
Flüssigkeiten
in die entsprechenden Brennkammern eingespritzt.
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Nach
einer Ausführungsform
sind ein Vorverbrennungsraum und ein Hauptverbrennungsraum mit einer
dazwischen angeordneten Turbine bereitgestellt, wobei die Turbine
eine Pumpmittel antreibt, die den gesamten Flüssigbrennstoff und einen Teil
des Flüssigoxidationsmittels
in den Vorverbrennungsraum pumpt, wobei das Brennstoff/Oxidationsmittel Mischverhältnis so
gesteuert bzw. geregelt ist, dass die Vorverbrennungsraumausströmungstemperatur von
der Turbine ausgehalten werden kann, und der Rest des Flüssigoxidationsmittels
wird für
die beste Gesamtverbrennung mit der Ausströmung aus dem Vorverbrennungsraum/der
Turbine vereinigt.
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Es
können
entsprechende Dampfkernzentrifugalpumpen zum Pumpen und zum Einspritzen
des Flüssigbrennstoffs
und des Flüssigoxidationsmittels bereitgestellt
sein.
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Flüssigbrennstoff
und Flüssigoxidationsmittel
können
durch Dreheinspritzung in die entsprechenden Brennkammern eingespritzt
werden.
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Drehende
Druckklappen können
so bereitgestellt sein, dass sie die Flüssigtreibmittel vom Druck der
Brennkammern trennen.
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Flüssigbrennstoff
und Flüssigoxidationsmittel
können
auf den relativ niedrigen zugeordneten Zufuhrdrücken, wie von den zugeordneten
Drucktanks, geregelt werden.
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Der
Hauptverbrennungsraum kann mit Ausströmung aus dem Vorverbrennungsraum
ausströmungsgekühlt werden.
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Die
spezifischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sorgen für eine Anzahl
an damit verbundenen Vorteilen. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
im Bezug auf den Stand der Technik ist es, dass eine beträchtliche
Menge an Rohrleitungen und Maschinerie, die mit herkömmlichen
Flüssigtreibmittelraketenmotoren
verbunden ist, entfallen kann, und dadurch die Kosten gesenkt werden
und die Zuverlässigkeit
erhöht
wird.
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Diese
und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden durch das Lesen der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform mit Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen, und in Übereinstimmung mit den beigelegten
Ansprüchen betrachtet,
besser ersichtlich. Obwohl diese Beschreibung die Anwendung der
vorliegenden Erfindung für
eine Flüssigtreibmittelrakete,
die mit flüssigem
Wasserstoff und flüssigem
Sauerstoff betrieben wird, erklärt,
ist es für
einen Fachmann ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung auch
auf ein beliebiges anderes bipropellantes Flüssigkeitssystem angewendet
werden kann, das einen Flüssigbrennstoff und
ein Flüssigoxidationsmittel
enthält.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
einen isometrischen Querschnitt eines Raketenmotors in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2a zeigt
einen ersten Querschnitt eines Raketenmotors in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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2b zeigt
einen zweiten Querschnitt eines Raketenmotors in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt
einen ersten Querschnitt eines Rotorsystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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4 zeigt
einen Querschnitt eines dritten hohlen Wellenbereichs der vorliegenden
Erfindung;
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5 zeigt
einen Querschnitt eines ringförmigen
Sperrbereichs der vorliegenden Erfindung; und
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6 zeigt
einen zweiten Querschnitt eines Rotorsystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
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Im
Bezug auf 1, 2a und 2b leitet
ein Raketenmotor 10 mit einem ersten Ende 12 und
einem zweiten Ende 14 den Schub vom zweiten Ende 14 entlang
einer Achse 16. Erste 18' und zweite 20' Treibmittelkomponenten,
z. B. flüssiger
Sauerstoff 18 und flüssiger
Wasserstoff 20 werden jeweils von entsprechenden Quellen 22', 24' eingespeist,
z. B. einem ersten und einem zweiten unter Druck stehenden Tank 22, 24,
durch entsprechende erste 26' und
zweite 28' Einlassöffnungen,
z. B. entsprechende Planringe 26, 28, und in ein
einziges Rotorsystem 30, das ein Pumpmittel 32 zum
Pumpen des flüssigen
Sauerstoffs 18 und des flüssigen Wasserstoffs 20 in
erste 34' und
zweite 36' Brennkammern,
z. B. einen Vorverbrennungsraum 34 bzw. einen Hauptverbrennungsraum 36,
enthält.
Zumindest ein Teil der Ausströmung 38 aus
dem Auslass 39 des Vorverbrennungsraums 34 treibt
eine Turbine 40 an, die das Rotorsystem 30 dreht.
Der gesamte oder der größte Teil
des Wasserstoffs wird in den Vorverbrennungsraum 34 eingespeist,
doch der Vorverbrennungsraum 34 erhält nur genügend Sauerstoff, um seine Abflusstemperatur
auf ein Niveau zu heben, das leicht von der Turbine 40 ausgehalten
werden kann. Die wasserstoffreiche Ausströmung 38, die durch
die Turbine 40 ausgestoßen wird, zusammen mit jeglichem
Wasserstoff, der die Turbine 40 umgeht, wird in den Hauptverbrennungsraum 36 eingespeist,
in den der Rest des Sauerstoffs eingeführt wird, so dass für ein allgemeines
Brennstoff/Oxidationsmittel Mischverhältnis im Hauptverbrennungsraum 36 gesorgt
ist, das für
das spezielle Brennstoff/Oxidationsmittel System geeignet ist, wobei
die Verbrennung innerhalb des Hauptverbrennungsraums 36 für die sehr
hohe Temperaturen sorgt, die normalerweise mit Raketenmotoren einhergehen.
Beispielsweise ist in einem flüssiger
Wasserstoff (LH2)/flüssiger Sauerstoff (LO2) System das Oxidationsmittel/Brennstoff
Verhältnis bevorzugt
etwa 5,5:1, könnte
jedoch jedes bekannte Mischverhältnis
oder jeder bekannte Bereich von Mischverhältnissen sein, durch die die
Verbrennung unterstützt
wird. Beispielsweise sorgt ein Mischverhältnis von 2,8:1 LH2:LO2 für
den größten Impuls, wenn
auch mit dem damit verbundenen Nachteil, dass unerwünscht große Wasserstoffspeichertanks benötigt werden.
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Im
Bezug auf 3 enthält das Rotorsystem 30 eine
Welle 44 mit einem ersten 46 und einem zweiten 48 hohlen
Wellenbereich, die nebeneinander liegen und gekoppelt und offen
zueinander sind. Der Innendurchmesser von zumindest einem Bereich
des zweiten hohlen Wellenbereichs 48 ist größer als
der des ersten hohlen Wellenbereichs 46. Flüssiger Sauerstoff 18 wird
vom Sauerstofftank 22 in den Sauerstoff Planring 26 am
ersten Ende 12 des Raketenmotors 10 mit einem
Druck von etwa 30 psig durch eine Mehrzahl von strömungsleitenden
Leitschaufeln 49, und in ein stationäres Rohr 50 eingespeist,
das sich durch und im Inneren eines ersten Endes 52 des
ersten hohlen Wellenbereichs 46 erstreckt. Die Gesamtmenge
an Sauerstoff, der dem Raketenmotor 10 zugeführt wird,
wird durch ein bewegliches konisches Drosselelement 54 reguliert,
das eine geregelte erste Drosselstelle 56 bildet, die die
Strömung
von Sauerstoffs vom stationären
Rohr 50 einschränkt.
Das konische Drosselelement 54 ist durch eine Stange 58 positioniert,
die von einem ersten Regler 60 vom ersten Ende 12 des
Raketenmotors 10 betätigt
wird.
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Flüssiger Sauerstoff 18,
der die erste Drosselstelle 56 passiert, wird in einen
Innenbereich 62 des zweiten hohlen Wellenbereichs 48 der
drehenden Welle 44 geleitet, der ein erstes Kanalrad 64 enthält, das
mindestens eine schraubenartige Leitschaufel enthält, die
für eine
kombinierte Axial- und Drehbeschleunigung des flüssigen Sauerstoffs 18 sorgt,
so dass der flüssige
Sauerstoff 18 dazu gebracht wird, mit der Welle 44 zu
drehen, wobei die Joule Erwärmung
und die dadurch entstehende Verdampfung als ein Ergebnis der mechanischen
Bewegung durch den Induzierungsvorgang minimiert werden. Die Drehung
der Welle 44 erzeugt Zentrifugalkräfte, die den flüssigen Sauerstoff 18 dazu
bringen, zur Innenfläche 66 der
Welle 44 zu streben, und dadurch jeglichen Sauerstoffdampf 68 zum
Zentrum 70 der Welle 44 zu treiben, die durch
mindestens einen Entlüftungskanal 71 zur
Umgebung des stationären Rohrs 50 entlüftet wird.
Da der erste hohle Wellenbereich 46 einen kleineren Innendurchmesser
aufweist als der zweite hohle Wellenbereich 48, führt die
Zentrifugaltrennung von flüssigem
Sauerstoff 18 und Sauerstoffdampf 68 dazu, dass
sich der drehende erste hohle Wellenbereich 46 mit Sauerstoffdampf 68 füllt, der
durch einen Entlüftungseingang 73 in
eine feste erste ringförmige
Entlüftungskammer 72 und
in eine feste zweite ringförmige
Entlüftungskammer 74 abfließt, von
wo aus der Sauerstoffdampf 68 aus dem Raketenmotor 10 entlüftet wird.
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Ein
erster Dreheinspritzer 76, der innerhalb der Vorverbrennungskammer 34 mit
der Welle 44 gekoppelt ist, insbesondere mit dem zweiten
hohlen Wellenbereich 48, enthält mindestens eine erste Drehöffnung 78,
die in Fluidverbindung mit einem Einlass 80 und dem Vorverbrennungsraum 34 steht.
Der Einlass 80 des ersten Dreheinspritzers 76 steht
in Fluidverbindung mit dem Sauerstoff-Planring 26, der
flüssigen
Sauerstoff 18 durch einen zugehörigen Fluidweg in die entsprechenden
Innenräume 82, 62 des ersten 46 und
des zweiten 48 hohlen Wellenbereichs zuführt. Die
erste Drehöffnung 78 dreht
mit der Welle 44 um deren Achse 16. Der erste
Dreheinspritzer 76 enthält
außerdem
zumindest eine erste drehende Druckklappe 86, die einen
ersten Fluiddurchgang 88 enthält, die einen Einlass 90 und
einen Auslass 92 aufweist, die dort durch entlang einer
Länge davon
in Fluidverbindung stehen. Der erste Fluiddurchgang 88 ist
so angepasst, dass, wenn er um die Drehachse 16 gedreht
wird, eine Zentrifugalbeschleunigung an jedem Punkt innerhalb des
ersten Fluiddurchgangs 88 größer als eine Zentrifugalbeschleunigung
an entweder seinem Einlass 90 oder seinem Auslass 92 ist.
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Im
Bezug auf 1 und 4 enthält der zweite
hohle Wellenbereich 48 außerdem einen dritten hohlen
Wellenbereich 94, der eine Mehrzahl an Längsrippen 96 und
Nuten 98 an dessen Innenseite enthält. Die Längsnuten 98 bilden
einen Bereich eines Fluiddurchgangs 100 zwischen dem Sauerstoff-Planring 26 und
dem ersten Dreheinspritzer 76. Bei gleich großen Längsnuten 98 erhält jede
Längsnut 98 eine
gleiche Strömung
an flüssigem
Sauerstoff 18 vom ersten Kanalrad 64. Allerdings
können
die Längsnuten 98 – mit der
Bedingung der Drehausgeglichenheit – verschiedene Größen haben,
was zu entsprechend verschiedenen Strömungsverhältnissen des flüssigen Sauerstoffs
innerhalb der entsprechenden Längsnuten 98 führt. Zumindest
eine erste Nut 102 steht in Fluidverbindung mit dem Einlass 80 der
ersten Dreheinspritzung 76. Der zweite hohle Wellenbereich 48 enthält weiter
einen vierten hohlen Wellenbereich 104, in den sich zumindest
eine zweite Nut 106 vom dritten hohlen Wellenbereich 94 zum vierten
hohlen Wellenbereich 104 entlang dessen Innenseite erstreckt.
Im Bezug auf 5 werden diejenigen ersten Nuten 102,
die sich nicht in den vierten hohlen Wellenbereich 104 erstrecken,
durch zugehörige
ringförmige
Sperrsegmente 108 zwischen den dritten 94 und
vierten 104 hohlen Wellenbereichen blockiert.
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Flüssiger Sauerstoff 18,
der entlang der ersten Nuten 102 strömt, fließt durch die entsprechenden
ersten Drehöffnungen 78 in
den Vorverbrennungsraum 34. Der restliche flüssige Sauerstoff 18, der
entlang der Längsnuten 98,
besonders der zweiten Nuten 106, strömt, fließt durch entsprechende dritte
Drehöffnung 109 in
den Hauptverbrennungsraum 36, wobei die relativen Strömungen von
flüssigem
Sauerstoff 18 in den Vorverbrennungsraum 34 und
den Hauptverbrennungsraum 36 angepasst sind, dass sie die
Mischverhältnisse
in den jeweiligen Brennkammern regeln, insbesondere so, dass das Gemisch
im Vorverbrennungsraum 34 im Wesentlichen fetter ist, und
bei einer wesentlich geringeren Temperatur brennt als das Gemisch
im Hauptverbrennungsraum 36. Diese Anordnung schließt den Bedarf
nach einer separaten Servo-Regelung
der Strömung
von flüssigem
Sauerstoff in den Vorverbrennungsraum 34 aus. Bevorzugt
werden für
jede Längsnut 98,
die durch eine erste Drehöffnung 78 in den
Vorverbrennungsraum 34 abgelassen wird, etwa fünf (5) Längsnuten 98 durch
die dritten Drehöffnungen 109 in
den Hauptverbrennungsraum 36 abgelassen. Die Radialeinspritzung
von flüssigem
Sauerstoff 18 aus der drehenden Welle 44 in sowohl
den Vorverbrennungsraum 34 als auch den Hauptverbrennungsraum 36 sorgt
für gleichmäßige Ringsumverteilung
und Zerstäubung
davon darin.
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Im
Bezug auf 1, 2a und 2b wird dem
Wasserstoff-Planring 28 flüssiger Wasserstoff 20 vom
zugehörigen
unter Druck stehenden Wasserstofftank 24 bei einem Druck
von etwa 15 psig. zugeführt.
Der flüssige
Wasserstoff 20 strömt
radial nach innen von Wasserstoff-Planring 28 durch eine
zweite Drosselstelle 110, die durch einen Drosselring 112 geregelt
wird, der durch mindestens eine Regelstange 114 durch das
Gehäuse 116 positioniert
wird und mit einem zweiten Regler 118 verbunden ist.
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Stromabwärts der
zweiten Drosselstelle 110 strömt der flüssige Wasserstoff 20 durch
ein gebogenes ringförmiges
Strömungsumlenkstück 120,
das die Strömung
von radial nach innen zu axial umlenkt. Das gebogene ringförmige Strömungsumlenkstück 120 kann
Leitschaufeln enthalten, um der Strömung eine Vorverwirbelung zu
verleihen. Der flüssige
Wasserstoff 20 fließt
aus dem gebogenen ringförmigen Strömungsumlenkstück 120 in
das Innere 122 eines ringförmigen Kanals 124 im
Rotorsystem 30 und in ein zweites Kanalrad 126 ab,
das darin enthalten ist und damit dreht. Das zweite Kanalrad 126 enthält zumindest
eine schraubenartige Leitschaufel, die für eine kombinierte Axial- und
Drehbeschleunigung des flüssigen
Wasserstoffs 20 sorgt, so dass der flüssige Wasserstoff 20 veranlasst
wird, sich mit der Welle 44 zu drehen, wobei die Joule
Erwärmung
und die daraus resultierende Verdampfung als ein Ergebnis der mechanischen
Bewegung durch den Induzierungsvorgang minimiert werden. Stromabwärts des
zweiten Kanalrads 126 vergrößert sich der Durchmesser des
ringförmigen
Kanals 124, wobei die Zentrifugalkräfte den flüssigen Wasserstoff 20 im
ringförmigen Kanal 124 dazu
veranlassen, sich zum äußersten
Bereich 128 davon zu bewegen, und dabei den darin befindlichen
Wasserstoffdampf 130 zur Innenseite 122 davon
verdrängen.
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Eine
erste Labyrinthdichtung 134, die zwischen der Außenseite
des zweiten hohlen Wellenbereichs 48 und der Struktur des
gebogenen ringförmigen
Strömungsumlenkstücks 120 angeordnet
ist, misst die Leckage von Wasserstoffdampf 130 aus dem
ringförmigen
Kanal 124 durch einen ersten Entlüftungskanal 136 in
eine dritte ringförmige
Entlüftungskammer 138,
von wo aus der Wasserstoffdampf 130 vom Raketenmotor 10 entlüftet wird.
Eine erste Dichtung 140, z. B. eine Kohledichtung, die
zwischen der Außenseite
des drehenden ringförmigen
Kanals 124 und der festen dritten ringförmigen Entlüftungskammer 138 wirksam
ist, dichtet ab gegen die Leckage von Wasserstoffaus dem festen
ringförmigen
Strömungsumlenkstück 120,
um den drehenden ringförmigen
Kanal 124, und in die feste dritte ringförmige Entlüftungskammer 138.
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Die
Hauptströmung
des flüssigen
Wasserstoffs wird nach außen
vom drehenden ringförmigen Kanal 124 in
einen zweiten Dreheinspritzer 142 abgegeben, der mit der
Welle 44 innerhalb des Vorverbrennungsraums 34 verbunden
ist, insbesondere mit dem zweiten hohlen Wellenbereich 48.
Der zweite Dreheinspritzer 142 enthält zumindest eine zweite Drehöffnung 144,
die in Fluidverbindung mit dem ringförmigen Kanal 124 und
dem Vorverbrennungsraum 34 steht. Die zweite Drehöffnung 144 dreht
mit der Welle 44 um deren Achse 16. Der zweite Dreheinspritzer 142 enthält weiter
zumindest eine zweite drehende Druckklappe 146, die einen
zweiten Fluiddurchgang 148 mit einem Einlass 150 und
einem Auslass 152 aufweist, die dort in Fluidverbindung
durch eine Länge
davon stehen. Der zweite Fluiddurchgang 148 ist so angepasst,
dass, wenn er um die Drehachse 16 gedreht wird, eine Zentrifugalbeschleunigung
an jedem Punkt innerhalb des zweiten Fluiddurchgangs 148 größer ist,
als eine Zentrifugalbeschleunigung an entweder dem Einlass 150 oder dem
Auslass 152. Im Bezug auf 2a, 3 und 6 steht
jeder Auslass 152 jeder zweiten drehenden Druckklappe 146 in
Fluidverbindung mit einem ringförmigen
Verteiler 154, der in Fluidverbindung mit einer ringförmigen Kammer 156 steht,
die durch eine Mehrzahl an radialen Leitschaufeln 158 in
eine Mehrzahl an radialen Kammern 160 aufgeteilt wird,
von denen zumindest einige in entsprechende zweite Drehöffnungen 144 abführen.
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In
Betrieb veranlassen die radialen Leitschaufeln 158 den
flüssigen
Wasserstoff 20 in der ringförmigen Kammer 156 dazu,
damit zu drehen, und die entstehende Zentrifugalkraft erzeugt einen hohen
Druckgradienten im drehenden flüssigen
Wasserstoff 20 und einen hohen Ausgangsdruck an den zweiten
Drehöffnungen 144.
Die zweiten Drehöffnungen 144 sind
bevorzugt an verschiedenen axialen Stellen angeordnet, so dass sie
für ein
verbessertes Gemisch und verbesserte Verbrennung innerhalb des Vorverbrennungsraums 34 sorgen.
Außerdem können ein
Teil oder alle zweiten Drehöffnungen 144 relativ
zu einer radialen Richtung gewinkelt sein. Die Positionen, Ausrichtungen
und Größen der
zugehörigen
zweiten Drehöffnungen 144 sind
so angepasst, dass das Rotorsystem 30 mechanisch im Gleichgewicht
ist.
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Bei
normaler Durchflussmenge füllt
der flüssige
Wasserstoff 20 entweder den ringförmigen Kanal 124 oder
die ringförmige
Kammer 156, die zusammen als eine Dampfkernpumpe fungieren,
nicht ganz. Der zweite Fluiddurchgang 148 der zweiten drehbaren
Druckklappe 146 bleibt mit flüssigem Wasserstoff 20 beschickt,
damit eine Rückströmung von
Hochdruckdampf aus dem Bereich stromabwärts der zweiten drehbaren Druckklappe 146 verhindert wird.
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Der
zweite hohle Wellenbereich 48 enthält weiter eine Wellenummantelung 162 mit
einem geschlossenen Ende 164 und einem zweiten Ende 166, die
sich jeweils nahe an einem ersten Ende 168 und einem zweiten
Ende 170 des zweiten hohlen Wellenbereichs 48 befinden,
wobei das geschlossene Ende 164 der Wellenummantelung 162 so
geformt ist, dass es eine Grenze 172 einer dritten drehbaren
Druckklappe 174 bildet. Die dritte drehbare Druckklappe 174 enthält einen
dritten Fluiddurchgang 176 mit einem Einlass 178 und
einem Auslass 180, die dort in Fluidverbindung durch eine
Länge davon
stehen. Der dritte Fluiddurchgang 176 ist durch die Grenze 172 so
angepasst, dass bei der Drehung um die Drehachse 16 eine
Zentrifugalbeschleunigung an jedem Punkt innerhalb des dritten Fluiddurchgangs 176 größer ist
als eine Zentrifugalbeschleunigung an entweder dem Einlass 178 oder
dem Auslass 180.
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Ein
dritter Dreheinspritzer 182, der sich innerhalb des Hauptverbrennungsraums 36 befindet, enthält zumindest
eine dritte Drehöffnung 109 am zweiten
Ende 170 des zweiten hohlen Wellenbereichs 48,
der in Fluidverbindung mit zumindest einer zweiten Nut 106 und
mit dem Hauptverbrennungsraum 36 steht, wobei zumindest
eine zweite Nut 106 in Fluidverbindung mit dem Auslass 180 der
dritten drehenden Druckklappe 174 im Fluidweg vom Sauerstoff-Planring 26,
der der dritten drehbaren Öffnung 109 flüssigen Sauerstoff 18 zuführt, steht.
Die dritte drehbare Öffnung 109 ist
mit der Welle 44 gekoppelt, insbesondere mit dem vierten
hohlen Wellenbereich 104, und dreht mit der Welle 44 um
deren Achse 16.
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In
Betrieb fließt
der flüssige
Sauerstoff 18 aus dem unter Druck stehenden Sauerstofftank 22 durch
das Innere des stationären
Rohrs 50 im ersten hohlen Wellenbereich 46 von
der ersten Drosselstelle 56 nach außen in den zweiten hohlen Wellenbereich 48 ab,
und wird durch das erste Kanalrad, das den flüssigen Sauerstoff 18 dazu
veranlasst, mit der Welle 44 zu drehen, drehbeschleunigt.
Die dadurch entstehenden Zentrifugalkräfte setzen den flüssigen Sauerstoff 18 unter
Druck, proportional zum Quadrat des Radius vom Zentrum 70 der
Welle 44, und veranlassen den flüssigen Sauerstoff 18 dazu,
entlang der Innenfläche
des zweiten hohlen Wellenbereichs 48 zu fließen. Flüssiger Sauerstoff 18 füllt den
dritten Fluiddurchgang 176 der dritten drehenden Druckklappe 174,
und bei ausreichender Wellendrehzahl bleibt der dritte Fluiddurchgang 176 ausreichend
mit flüssigem
Sauerstoff 18 gefüllt,
um die hohen Drücke des
Hauptverbrennungsraums 36, stromabwärts der dritten drehenden Druckklappe 174,
vom relativ niedrigen Druck des flüssigen Sauerstoffs 18,
stromaufwärts
der dritten drehbaren Druckklappe 174, zu trennen.
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Entsprechend
der Lehren des
US Patents Nr. 4,870,825 enthält eine
drehbare Druckklappe einen Fluiddurchgang mit einem Einlass und
einem Auslass, wobei der Fluiddurchgang so angepasst ist, dass,
wenn die drehbare Druckklappe gedreht wird, eine Zentrifugalbeschleunigung
an jedem Punkt innerhalb des Fluiddurchgangs größer ist als eine Zentrifugalbeschleunigung
an jedem beliebigen Punkt auf entweder dem Einlass oder dem Auslass.
Entsprechend werden, wenn der Fluiddurchgang mit einem Medium relativ
großer
Dichte, wie z. B. einer Flüssigkeit,
gefüllt
ist, die radialen Ebenen des Einlasses und des Auslasses gleich,
wenn keine Druckdifferenz dazwischen herrscht, und werden andernfalls
um eine Größe ungleich,
die vom Ausmaß der Druckdifferenz
und der Drehzahl abhängt.
Entsprechend kann bei einer Zufuhr einer Flüssigkeit mit relativ niedrigem
Druck zu einem Einlass einer drehbaren Druckklappe, die einen Bereich
relativ hohen Drucks am Auslass speist, die drehbare Druckklappe verhindern,
dass Dampf dadurch zurückströmt.
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Entsprechend
trennt die erste drehbare Druckklappe 86 den flüssigen Sauerstoff 18 am
Einlass 80 des ersten Dreheinspritzers 76, auf
dem Druck des Hauptverbrennungsraums 36 von den Gasen mit
relativ höherem
Druck im Vorverbrennungsraum 34. Ähnlich trennt die zweite drehbare
Druckklappe 146 den flüssigen
Wasserstoff 20 im ringförmigen
Kanal 124, auf Zufuhrdruck von den Gasen mit relativ höherem Druck
im Vorverbrennungsraum 34. Darüber hinaus trennt die dritte
drehbare Druckkammer 174 den flüssigen Sauerstoff 18 von
der ersten Drosselstelle 56, auf dem Zufuhrdruck von den
Gasen mit relativ höherem
Druck im Vorverbrennungsraum 34.
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Bevorzugt
entladen sich die zweiten Drehöffnungen 144 vollständig in
den Vorverbrennungsraum 34. Allerdings können einige
der zweiten Drehöffnungen 144 so
angepasst sein, dass sie eine Umlenkströmung 185 von flüssigem Wasserstoff 20 durch
einen ersten Eingang 186 ableiten, der über die Außenseite des Vorverbrennungsraumrohrs 188 führt, um
sowohl den Vorverbrennungsraum 34 als auch den Hauptverbrennungsraum 36 zu
kühlen.
Bis zu 50% der Wasserstoffströmung
können
außerhalb des
Vorverbrennungsraumrohrs 188 geleitet werden, und der Rest
wird in den Vorverbrennungsraum 34 nahe an den ersten Drehöffnungen 78 abgeleitet,
von denen der flüssige
Sauerstoff 18 abgeleitet wird. Das Rotorsystem 30,
das sich mit einer hohen Winkelgeschwindigkeit dreht, verleiht dem
flüssigen
Wasserstoff 20 und dem flüssigen Sauerstoff 18,
der davon abfließt,
eine beträchtliche
Tangentialgeschwindigkeit, was zu einem gut gemischten Wasserstoff/Sauerstoff
Gemisch in den ringförmigen
Zonen 190 innerhalb des Vorverbrennungsraums 34 führt, was
die Verbrennung aufrecht erhält,
die einmal durch eine Zünd vorrichtung 192 in
Gang gesetzt wurde, wie z. B. einen chemischen Brenner oder einen
elektrischen Zündfunken
oder eine Plasmavorrichtung.
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Ein
erster Teil 194 der Ausströmung 38 aus dem Vorverbrennungsraum 34 strömt durch
zumindest eine erste Öffnung 196 im
Vorverbrennungskammerrohr 188, in einen ersten ringförmigen Durchgang 198,
der das Vorverbrennungsraumrohr 188 zumindest teilweise
umgibt, durch einen zweiten Eingang 200 in der Verbrennungsraumrohr-Halterungsstruktur 202,
in einen zweiten ringförmigen
Durchgang 204, durch eine Mehrzahl an Ausströmungskühlungsöffnungen 206 im
Hauptverbrennungsraumrohr 208.
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Die
Ausströmung 38 aus
dem Vorverbrennungsraum 34 ist ein sehr fettes Gemisch
(d. h., mit Wasserstoffüberschuss)
mit gemäßigter Temperatur – z. B.
1.200 F. Ein zweiter Teil 210 der Ausströmung 38 wird
durch eine leicht belastete einstufige axiale Turbine 40 geleitet,
die im Wesentlichen nur ausreichende Leistung erzeugt, um das Pumpmittel 32 anzutreiben,
das in den Wasserstoff und Sauerstoff Strömungswegen inhärent ist,
wobei das Pumpmittel 32 die verschiedenen Vorlaufräder und
die gerippten Abschnitte und Leitschaufelabschnitte des Rotorsystems 30 enthält, die
kinetische Energie an den flüssigen
Sauerstoff 18 und den flüssigen Wasserstoff 20 weitergeben.
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Der
Druckabfall durch die Turbine 40 reicht aus, um den ersten
Teil 194 der Ausströmung 38 aus dem
Vorverbrennungsraum 34 mit relativ höherem Druck dazu zu bringen,
in den Hauptverbrennungsraum 36 mit relativ niedrigerem
Druck zu strömen. Die
Bypass-Strömung 185 von
flüssigem
Wasserstoff 20, die außerhalb
des Vorverbrennungsraumrohrs 188 vorbeigeführt wird,
absorbiert genügend
Wärm, um
diesen flüssigen
Wasserstoff 20 dazu zu bringen, durch die Wärme des
Vorverbrennungsraumrohrs 188 und von dem ersten Teil 194 der
Ausströmung 38,
die in das Vorverbrennungsraumrohr 188 strömt, zu verdampfen.
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Der
relativ fette zweite Teil 210 der Ausströmung 38,
die von der Turbine 40 in den Hauptverbrennungsraum 36 abgeführt wird,
mischt sich mit den relativ fetten Ausströmungskühlungsgasen 212 aus
den Ausströmungskühlöffnungen 206 und
mit dem flüssigen
Sauerstoff 18, der drehend aus der zumindest einen dritten
Drehöffnung 109 abgeführt wird,
so dass eine Hochtemperaturausströmung 214 erzeugt wird,
die nötig
ist, um einen guten Vortriebswirkungsgrad zu erzeugen. Diese Hochtemperaturausströmung 214 wird
durch eine Konvergenz-/Divergenzdüse 216 auf
konventionelle Weise expandiert. Die Oberfläche der Konvergenz- /Divergenzdüse 216 bis
zum Düsenhals 220 wird
durch die Ausströmungskühlgase 212,
die entlang des Hauptverbrennungsraumrohrs 208 strömen, gekühlt. Der
Divergenzbereich 222 der Konvergenz-/Divergenzdüse 216 ist
bevorzugt mit austauschbarem ablativen Material 224 ausgekleidet.
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Ein
kleiner Teil des kalten Wasserstoffdampfs 226 aus der ringförmigen Kammer 156 strömt durch
zumindest eine zweite Öffnung 228 in
eine zweite ringförmige
Kammer 230, dann durch zumindest eine dritte Öffnung 232 in
eine Keilbuchse 234, die die Turbine 40 trägt, durch
eine dritte ringförmige Kammer 236 innerhalb
der Buchse 234, durch zumindest eine vierte Öffnung 238 in
der Buchse 234, in die Turbinenstirnlagerumschließung 240,
um das erste Axiallager filmzukühlen 242,
durch eine Mehrzahl an zweiten Labyrinthdichtungen 244 und
in den Hauptverbrennungsraum 36. Die Turbinenstirnlagerumschließung 240 ist
ebenfalls mit einer dritten Labyrinthdichtung 246 vom Vorverbrennungsraum 34 abgedichtet.
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Zumindest
eine ringförmige
Pufferkammer, die mit einem unter Druck stehenden Edelgas 248 gefüllt ist,
z. B. mit Helium, ist bereitgestellt, um die ersten 18' und zweiten 20' Treibmittelkomponenten zu
isolieren, um zu verhindern, dass sich ein entzündbares Gemisch dazwischen
an einer anderen Stelle als innerhalb der ersten 34' oder zweiten 36' Brennkammer
bildet. Der Druck des unter Druck stehenden Edelgases 248 in
der zumindest einen ringförmigen
Pufferkammer ist höher
als der Druck jeder Treibmittelkomponente in einer Kammer, die sich
daneben befindet. Im Bezug auf 2a ist
eine erste ringförmige
Pufferkammer 250 dazu angepasst, eine Strömung von
unter Druck stehendem Edelgas 248 aufzunehmen, die zu einer
kleinen Gleichdruckturbine 252 zum Starten des Raketenmotors 10 geleitet wird.
Unter Druck stehendes Edelgas 248 in einer zweiten ringförmigen Pufferkammer 254 ist
durch eine zweite Dichtung 256, z. B. eine Kohledichtung, zwischen
der ersten ringförmigen
Entlüftungskammer 72 und
der zweiten ringförmigen
Pufferkammer 254 von der Sauerstoffzufuhr abgedichtet.
Das unter Druck stehende Edelgas 248 in einer dritten ringförmigen Pufferkammer 258 ist
durch eine dritte Dichtung 260, z. B. eine Kohledichtung,
zwischen der dritten ringförmigen
Entlüftungskammer 138 und
der dritten ringförmigen
Pufferkammer 258 von der Wasserstoffzufuhr abgedichtet.
Das unter Druck stehende Edelgas 248 in zumindest einer
vierten ringförmigen
Pufferkammer 262 kühlt
ein zweites Axiallager 264 und ein erstes 266 und
zweites 268 Schublager, die gegen einen Schubreaktionsrotor 270 drücken, durch
Filmkühlung.
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In
einem exemplarischen System reagiert flüssiger Wasserstoff mit etwa
40 psig., der mit einer Durchflussmenge von etwa 9,3 Pfund pro Sekunde von
einem unter Druck stehenden Tank zum Vorverbrennungsraum strömt, mit
flüssigem
Sauerstoff, der von einem unter Druck stehenden Tank mit etwa 40 psig.
mit einer Durchflussmenge von etwa 9,3 Pfund pro Sekunde in den
Vorverbrennungsraum strömt, um
eine Ausströmung
mit einer Temperatur von etwa 1300 F bei einem Druck von etwa 220
psig. zu erzeugen. Diese Ausströmung
aus dem Vorverbrennungsraum treibt die Turbine an, die kinetische
Rotationsenergie an die flüssigen
Treibmittelkomponenten weitergibt. Die Ausströmung aus dem Vorverbrennungsraum
reagiert dann weiter im Hauptverbrennungsraum mit zusätzlichen
41,8 Pfund pro Sekunde an Sauerstoff, um eine Ausströmung mit
einer Temperatur von etwa 5400°F
bei einem Druck von etwa 200 psig. zu erzeugen, was für etwa 25.000
Pfund Schubkraft in einem Vakuum sorgt.
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Ein
Experte auf dem Gebiet der Technik wird einsehen, dass die vorliegende
Erfindung leicht für andere
flüssige
Brennstoffe als flüssigen
Wasserstoff und andere flüssige
Oxidationsmittel als flüssigen Sauerstoff
angepasst werden kann. Entsprechend wäre, wenn sie mit flüssigen Brennstoffen
betrieben werden, die relativ dichter bezüglich des zugehörigen Oxidationsmittels
sind, als es flüssiger
Wasserstoff relativ zu flüssigem
Sauerstoff ist, der Durchmesser der ringförmigen Kammern verbunden mit
den Pump- und Zuführungssystem
des flüssigen
Brennstoffs verhältnismäßig kleiner
im Bezug auf den Durchmesser der Kammer/Welle, die das flüssige Oxidationsmittel
aufnimmt. Außerdem
wird die bevorzugte Geometrie von der Arbeitsgeschwindigkeit und den
zugehörigen
Eigenschaften der Treibmittelkomponenten bei den Betriebsdrücken und
den Betriebstemperaturen abhängig
sein.
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Obwohl
in der vorangegangenen ausführlichen
Beschreibung spezifische Ausführungsformen im
Detail beschrieben wurden und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt
sind, wird ein Experte auf dem Gebiet der Technik einsehen, dass
angesichts der Gesamtlehren der Offenbarung verschiedene Modifikationen
und Alternativen zu diesen Details geschaffen werden können. Entsprechend
sind die speziellen Anordnungen nur zur Veranschaulichung gedacht
und nicht dazu, den Bereich der Erfindung einzuschränken, die
den vollen Umfang der beigefügten
Ansprüche
umfasst.