-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Strömungsabrisslinie
von Raketendüsen zur
Verringerung der Seitenlasten an diesen Düsen.
-
Bei
Start- und Abschaltübergangszuständen treten
bei Meereshöhen-Raketentriebwerken
beträchtliche,
häufig
als Seitenlasten bezeichnete, dynamische und statische Lasten auf.
Diese Lasten werden im Allgemeinen auf die gestörten Strömungseigenschaften der Strömung während des
Strömungsabrisses
zurückgeführt. Diese
Seitenlasten begrenzen üblicherweise
die einsetzbare Größe der Düse und dadurch
die Leistung des Raketentriebwerks.
-
Es
gibt grundsätzlich
zwei Möglichkeiten, eine
Raketentriebwerksdüse
bezüglich
des Strömungsabrisses
zu betreiben:
- a) Die erste Möglichkeit
und die Art und Weise, in der alle auf Meereshöhe startenden Düsen heute betrieben
werden, besteht darin, dass sie für den Betrieb unter voller
Strömung,
d.h. ohne Strömungsabriss
während
des Normalbetriebs gestaltet sind. Während des Starts des Triebwerks
tritt jedoch eine kurze Zeitspanne mit Seitenlasten auf, wenn die
Düse während der Übergangsbedingungen
nicht unter voller Strömung
steht. Diese Zeitspanne ist typischerweise kürzer als zwei Sekunden und
die Seitenlasten verschwinden, wenn der Druck der Verbrennungsgase
in der Düse
seinen Nominalwert erreicht.
- b) Die zweite Möglichkeit,
die heute nicht eingesetzt wird, besteht darin, während des
stationären Betriebs
einen kontinuierlichen Strömungsabriss zu
haben. Der Strömungsabriss
in der Düse schreitet
fort, bis die Rakete eine Höhe
erreicht, in der der Druck in der Atmosphäre auf ein Niveau gesunken
ist, das es der Düse
erlaubt, unter voller Strömung
zu stehen.
-
Die
Erfindung beabsichtigt, eine Steuerung der Seitenlasten sowohl unter Übergangsbedingungen
als auch unter stationären
Bedingungen zu erreichen.
-
Düsen für Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke
arbeiten häufig
unter Bedingungen, bei denen der Hauptdüsenstrahl in einen nicht vernachlässigbaren Umgebungsdruck
abgegeben wird. Beispiele derartiger Raketentriebwerke sind große Flüssigtreibstoff- Meereshöhen-Raketentriebwerke
für Booster und
Triebwerke für
obere Stufen von mehrstufigen Raketen.
-
Die
Seitenlasten, die an derartigen Düsen erzeugt werden, sind im
Allgemeinen von einer solchen Größe, dass
sie Beschränkungen
für die
Gestaltung der die Düse
tragenden Komponenten darstellen. Diese Beschränkungen führen zu einem höheren Gewicht
der Düse
selbst und der die Düse
tragenden Komponenten. Das größtmögliche einsetzbare
Flächenverhältnis wird
darüber
hinaus durch das Erfordernis einer Funktion unter voller Strömung bei
stationären
Bedingungen eingeschränkt.
-
Die
schlussendlichen Konsequenzen der Seitenlasten sind Beschränkungen
des gesamten Leistungs-zu-Gewichts-Verhältnisses der Düse und die
daraus resultierende Begrenzung der Nutzlastmenge, die durch die
Trägerrakete
in die Umlaufbahn befördert
werden kann.
-
Zur
Beseitigung der Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten
Düsen wurde
eine Anzahl von Verfahren vorgeschlagen, bei denen es sich jeweils
herausgestellt hat, dass sie selbst in verschiedener Hinsicht bedeutende
Nachteile aufweisen. Die Nachteile betreffen die Funktion, die Leistung,
die Kühlung
und die Zuverlässigkeit.
-
Somit
weisen traditionelle glockenförmige Düsen eine
begrenzte Funktionalität
sowie beträchtliche
Start- und Abschaltübergangslasten
auf. Eine Doppelglockendüse
leidet ebenfalls unter ernsthaften Übergangsseitenlasten.
-
Ein
bekanntes Verfahren zur Verringerung der Seitenlasten einer glockenförmigen Düse besteht darin,
die Düse
mit Spannringen (trip rings) zu versehen, was die Seitenlasten verringert,
jedoch führen die
Spannringe zu einem Leistungsverlust, wenn die Düse unter voller Strömung steht
und es ist darüber hinaus
schwierig, derartige Ringe zu kühlen.
-
Ein
weiteres bekanntes Verfahren zur Verringerung der Seitenlasten einer
Düse besteht
darin, die Düse
mit einem Ausgangsdiffusor am Düsenende
zu versehen, was das wirksame Flächenverhältnis der Düse verringert.
Der Ausgangsdiffusor erhöht
das Gewicht der Düse
und der Ausgangsdiffusor muss in großer Höhe abgeworfen werden, was Mittel
zur aktiven Steuerung und Bewegung von Teilen erfordert. Darüber hinaus
ist die Wärmelast
auf den Ausgangsdiffusor sehr hoch.
-
Noch
ein weiteres bekanntes Verfahren zur Verringerung der Seitenlasten
einer Düse
besteht darin, einen ablativen Einsatz auf der Innenseite der Düsenwand
bereitzustellen, wobei dieser Einsatz abladiert, wenn das Raketentriebwerk
brennt und vollständig
verschwunden ist, wenn die Düse
eine große Höhe erreicht.
Die mit diesem Verfahren verbundenen Nachteile bestehen darin, dass
die Düse
schwerer ist und man nicht garantieren kann, dass der Einsatz um
den Umfang herum gleichmäßig abladiert.
-
Noch
ein weiteres bekanntes Verfahren zur Verringerung der Seitenlasten
einer Düse
besteht darin, sich in der axialen Richtung der Düse erstreckende
Grate (fens) auf der Innenseite der Düse bereitzustellen, die einen
stärker
axialsymmetrischen Strömungsabriss
erzwingen. Die Strömung
an der Wand wird in Taschen zwischen diesen Graten unterteilt. Dadurch
werden große
Bereiche mit einem unterschiedlichen Wanddruck, die Seitenlasten
verursachen, vermieden. Die mit diesem Verfahren verbundenen Nachteile
bestehen darin, dass die Düse schwerer
ist und die Grate einer extremen Wärmelast ausgesetzt sind, da
sie senkrecht zu der Düsenwand angebracht
sind und sich in den Hauptstrahl erstrecken. Darüber hinaus sind sie schwierig
zu kühlen.
-
Eine
Düse mit
in Umfangsrichtung geschlossenen Zonen zur Erzielung einer Grenzschichtsteuerung
ist aus der US-A-3,712,546 bekannt.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile
des Standes der Technik zu beseitigen.
-
Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass das Innere der Düse in Umfangsrichtung regelmäßig beabstandete
Bereiche mit im Vergleich zum Rest des Inneren der Düse erhöhter Oberflächenrauhigkeit
aufweist.
-
Ein
nicht beschränkendes
Beispiel der Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, von denen 1 eine aufgebrochene Ansicht
einer glockenförmigen
Düse mit
einem Bereich zeigt, dessen Oberflächenrauhigkeit erhöht wurde, 2a eine
schematische Ansicht der Abrisslinie in einer bekannten rotationssymmetrischen
glockenförmigen
Düse ist
und 2b eine schematische Ansicht der Abrisslinie einer
erfindungsgemäßen Düse ist.
-
Wie
in 1 zu sehen ist, weist die Innenseite der Wand
einer Düse 1 in
Umfangsrichtung regelmäßig beabstandete
Bereiche 2 mit einer veränderten Oberflächenrau higkeit
auf. Diese Veränderung der
Oberflächenrauhigkeit
ist in Axialrichtung über die
gesamte Länge
L der Düse 1 oder über einen
Teil der Düse
ausgebildet und erstreckt sich bis zu dem Auslass der Düse.
-
Wie
in 1 zu sehen ist, erstrecken sich die Bereiche 2 mit
erhöhter
Oberflächenrauhigkeit über zumindest
einen Teil der Länge
L der Düse,
und die Breite W1 dieser Bereiche am Auslass der Düse ist kleiner,
gleich oder größer als
die Breite W2 benachbarter Bereiche mit nicht erhöhter Oberflächenrauhigkeit.
-
Die
Form der Bereiche 2 mit erhöhter Oberflächenrauhigkeit kann dreieckig
oder rechteckig sein oder kann die Form einer konstanten Kurve (polynomisch)
haben.
-
Die
erhöhte
Oberflächenrauhigkeit
kann beispielsweise durch Bearbeiten, wie z.B. Schleifen oder Fräsen oder
durch Flammen- oder Plasmasprühen
erzeugt werden. Die Oberflächenrauhigkeit muss
so groß sein,
dass sie die viskose Unterschicht der Grenzschicht an der Düsenwand
durchdringt. Daher überschreitet
die Oberflächenrauhigkeit
auf der Innenseite großer
Düsen für den Betrieb
auf Meereshöhe
am Auslass 1 mm. Die Oberflächenrauhigkeit
kann variieren oder über
die gesamte Länge
der Düse
konstant sein, wobei die größte Oberflächenrauhigkeit
dem Auslass der Düse
am nächsten
liegt. Die Oberflächenrauhigkeit
kann zwischen ungefähr 0,5
und 2 mm variieren.
-
Da
die Oberflächenrauhigkeit
in Umfangsrichtung der Düse 1 variiert,
wird die Grenzschicht an der Düsenwand
und dadurch die Strömungsabrisslinie
beeinflusst.
-
Wie
aus 2b ersichtlich ist, hat die Strömungsabrisslinie
c in einer Düse
mit einer variierenden Oberflächenrauhigkeit
auf der Innenseite der Düsenwand
eine Wellenform und die Seitenlasten auf die Düsenwand sind dadurch relativ
gleichmäßig entlang
der Düse
beabstandet. Die die wellenförmige Abrisslinie
c bildende Abrissebene führt
zu kleineren Bereichen unterschiedlichen Drucks, verglichen mit einem
Zustand, in dem die Abrisslinie und somit die Abrissebene b geneigt
ist, siehe 2a. Eine wellenförmige Bewegung
einer Abrisslinie setzt die Düsenwand
nicht Seitenlasten der gleichen Größe wie eine lineare Abrisslinie
aus. Die Abrissebene ist aufgrund ihrer Natur nicht stabil und neigt
sich zufällig,
wenn die Düse
unter Abrissbedingungen arbeitet, siehe 2a. Die
Abrisslinie a in 2a bildet eine optimale Abrisslinie
aufgrund der Tatsache, dass der Druck auf die Düsenwand in gleichem Abstand
vom Auslass der Düse
die gleiche Größe aufweist.
Dies bedeutet, dass an der Düse
keine Seitenlasten entstehen.
-
Da
erfindungsgemäß die Innenseite
der Düsenwand
in Umfangsrichtung regelmäßig beabstandete
Bereiche aufweist, die eine größere Oberflächenrauhigkeit
aufweisen, als der Rest der Innenseite der Düse, kann die Strömungsabrisslinie
gesteuert werden und es ist dadurch möglich, das Flächenverhältnis der
Düse zu
erhöhen
und eine Düse
mit einem kontinuierlichen Strömungsabriss
während
des stationären
Betriebs einzusetzen, was mit gegenwärtig bekannten Düsen nicht
möglich
war.