DE60125897T2

DE60125897T2 - Raketendüse

Info

Publication number: DE60125897T2
Application number: DE60125897T
Authority: DE
Inventors: Didier Vuillamy; Jean-Claude Harlay
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2021-11-09
Also published as: FR2816990A1; EP1209344A1; US6572030B2; EP1209344B1; DE60125897D1; US20020059800A1; FR2816990B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kontrolle der Strahlablösung für Raketentriebwerksdüsen mit großem Flächenverhältnis, die dazu bestimmt sind, unter Bedingungen mit variablem Druck zu arbeiten.
Stand der Technik
Um einen hohen spezifischen Impuls in der Höhe zu erzielen, sind Raketentriebwerke mit Düsen mit großem Flächenverhältnis ausgestattet. Denn bei einem gegebenen Triebwerk wird der Umgebungsdruck im Laufe eines Aufstiegs in die Atmosphäre abnehmen, wobei er vom atmosphärischen Druck auf Meereshöhe bis auf einen höhenabhängigen geringen Druck fällt. Die Düsen sind im allgemeinen in Abhängigkeit der Gesamtleistung der Trägerrakete optimiert, was zur Verwendung von überentspannten Düsen führt, deren Schub in einer sogenannten „Anpassungshöhe" maximal sein wird. Demzufolge wird bei atmosphärischem Druck, der auf Meereshöhe herrscht, die Entspannung der Gase in der Düse durch das Phänomen der Ablösung des Strahls von der Wand des divergenten Düsenteils begrenzt.
Dieses Phänomen existiert während einer gesamten Flugphase vom Abheben bis hin zur Anpassungshöhe, die beispielsweise in etwa zehn Kilometern vom Boden gelegen sein kann und in der der Schub aufgrund des statischen Druckes Pe der Gase im Auslaßquerschnitt der Düse, der nun gleich dem Umgebungsdruck Pa ist, welcher relativ gering ist, maximal wird. Bei dieser gesamten Flugphase ist der statische Druck der Gase in dem Auslaßquerschnitt der Düse sehr viel geringer als der Umgebungsdruck, was das Phänomen der Ablösung des Strahls in der Düse zur Folge hat, das sich in der Anpassungshöhe verliert. Während dieser Phase begrenzt dieses Phänomen das Entspannungsverhältnis der Gase, d.h. das Verhältnis zwischen dem Druck Po in der Brennkammer und dem statischen Druck Pe der Gase in dem Auslaßquerschnitt der Düse.
Der Nachteil des Ablösens des Strahls innerhalb der Düse besteht darin, daß im Bereich der Ablösungsbereiche mechanische Kräfte erzeugt werden, die für die Struktur des divergenten Düsenteils schädlich sind.
Um die durch die Strahlablösung bedingten Wirkungen zu begrenzen, sind bereits unterschiedliche Lösungsarten vorgeschlagen worden.
Eine erste Art besteht darin, die Raketentriebwerke mit Systemen mit ausfahrbaren Düsen auszustatten. Die Dokumente US-A-4 489 889, US-A-4 779 799 und US-A-4 676 436 beschreiben relativ komplizierte Düsensysteme, die ermöglichen, im Laufe eines Flugs die Länge sowie den Auslaßquerschnitt der Düse in Abhängigkeit der Druckverhältnissen anzupassen. Die in diesen Dokumenten beschriebenen Systeme sind für Verwendungen an Flugkörpern oder Triebwerken der Oberstufe entwickelt worden, die Betriebs- und Abmessungsmerkmale aufweisen, die von denjenigen der Hauptraketentriebwerke abweichen. Diese zerbrechlichen und sperrigen Systeme sind nicht ausgelegt, um in der Anpassungshöhe abgeworfen zu werden und sind demzufolge schwer auf Haupttriebwerksdüsen einer Rakete anwendbar.
Eine zweite Art der Lösung besteht darin, Düsen vorzuschlagen, die ein System mit abwertbaren Elementen umfaßt, wie das, welches in dem Dokument FR-A-2 503 794 beschrieben ist, das eine Düse mit mehreren ineinander gesteckten, divergenten Düsenteilen zunehmender Größe zeigt, die nacheinander in Abhängigkeit der Höhe abgeworfen werden. Jedoch ist ein solches System komplex und birgt das Risiko einer Beschädigung der divergenten Düsenteile während der aufeinanderfolgenden Abwurfvorgänge. Darüber hinaus stellt die Dichtigkeit zwischen den abwerfbaren divergenten Düsenteilen ein echtes Problem dar, da die Gase dazu neigen, zwischen diesen Elementen einzuströmen und sie an ihrer Seite, die nicht dafür vorgesehen ist, heißen Gasen ausgesetzt zu werden, zu zerstören. Ein weiteres Dokument FR-A-2 705 739 schlägt eine abwerfbare Vorrichtung zur Verringerung des Auslaßquerschnittes einer Düse vor, um den Strahl innerhalb der Düse einzugrenzen und somit die axialen Schwankungen der Ablösungslinie zu begrenzen. Eine Schwierigkeit, mit der diese Vorrichtung konfrontiert wird, ist die Wärmebeständigkeit des abwerfbaren Elements, das ohne Kühlung Temperaturen ausgesetzt ist, die nahe den Temperaturen der Gase aus der Brennkammer liegen, d.h. etwa 3000°K betragen. Es ist folglich notwendig, ein Einspritzen eines Fluids von geringer Temperatur in den Ablösungsbereich innerhalb des divergenten Düsenteils zu vollziehen, um die durch die Wand aufgenommenen Wärmeströme zu verringern. Dies wirft Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Betriebs und des Fluidverbrauchs auf.
Eine weitere Art der Lösung betrifft Düsen, die mit Luftzufuhrsystemen ausgestattet sind, die – wie in dem Dokument US-A-5 683 033 offenbart ist – ermöglichen, die Ablösung zu stabilisieren und den Widerstand des divergenten Düsenteils zu verringern. Dieses System besteht aus verschiedenen beweglichen Elementen (z. B. Klappen), deren Betriebssicherheit in der Schall- und Schwingungsumgebung eines Raketentriebwerks schwer sicherzustellen ist. Des weiteren weist dieses System mit Umgebungsluftzufuhr, genauso wie das des Dokuments US-A-5 450 720, das eine Düse zeigt, bei der die Ablösung durch Zufuhr von Umgebungsluft durch breite, an der Wand der Düse ausgebildete Längsschlitze kontrolliert wird, das Risiko einer ergänzenden Verbrennung der aus der Düse austretenden Gase auf, die Erhitzungen im Bereich der Wand des divergenten Düsenteils zur Folge hat, die ebenfalls eines besonderen Wärmeschutzes bedarf.
Das Problem der Strahlablösung in der Düse kann auch durch Vorrichtungen zum Einspritzen von Gas in unterschiedlichen Höhen in das divergente Düsenteil behandelt werden, die ermöglichen, die Ablösung festzulegen und zu regulieren. Diese Art der Vorrichtung ist insbesondere in den Dokumenten US-A-3 925 982 sowie FR-A-2 628 488 beschrieben. Diese Vorrichtungen mit Fluideinspritzung erfordern jedoch, für die Kontrolle des Durchsatzes, eine komplexe Apparatur von Ventilen und Steuerungen, was dazu führt, daß das divergente Teil der Düse schwer wird. Des weiteren sind diese Vorrichtungen, da sie Fluidverbraucher sind, nur dann verwendbar, wenn man kostengünstig über sonst kaum nutzbares Gas verfügt, d.h. nur mit Triebwerken mit Nebenzyklus.
Eine letzte Lösung besteht darin, wie in dem Dokument FR-A-2 639 404 offenbart, die Ablösung in einer Düse mit großem Flächenverhältnis dank des Vorhandenseins einer am Ende des divergenten Düsenteils realisierten Fluidbarriere zu kontrollieren. Diese Vorrichtung ist wirkungsvoll, aber sie zwingt dazu, Gase zu verbrauchen, die bei ihrer Entspannung entweder durch die Hauptdüse, bei einem Triebwerk mit Nebenstrom, oder in Düsen mit größerem Flächenverhältnis, bei einem Triebwerk mit Nebenzyklus vorteilhafter genutzt werden könnten. Des weiteren ist diese Einrichtung teuer, mit dem Vorhandensein von Ventilen notwendigerweise schwer, und ihr Anbringen im unteren Teil der Düse erzeugt eine große Trägheit der Düse, die für die Robustheit der Brennkammer nachteilig ist.
Aufgabe und kurze Beschreibung der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorgenannten Nachteile zu beheben und eine Vorrichtung auszubilden, die ermöglicht, die Ablösung des Strahls in einer Düse zu unterdrücken oder zu verringern. Das Ziel der Erfindung ist es, das Phänomen der Strahlablösung mit einer passiven Vorrichtung, die kein Fluid verbraucht, sei dies nun für ihre Kühlung oder für die Kontrolle des Strahls, und die eine statische Struktur aufweist, welche die Einfachheit und die Zuverlässigkeit der Vorrichtung gewährleistet, zu verringern und zu kontrollieren.
Erreicht werden diese Ziele dank einer Raketentriebwerksdüse, die eine abwerfbare ringförmige Struktur umfaßt, welche um die Außenwand einer Düse im Bereich des Gasauslaßquerschnittes angeordnet ist, wobei die ringförmige Struktur eine radiale Erweiterung zur Außenseite der Düse bildet.
So schlägt die Erfindung eine Düse mit einer einfachen und wirkungsvollen Vorrichtung zur Kontrolle der Strahlablösung vor, die auf alle Raketentriebwerke, ganz gleich mit weichem Zyklus, anwendbar ist und die aufgrund ihrer Gestaltung für ihren Einbau nur geringe Veränderungen der Struktur des divergenten Düsenteils erfordert. Die Vorrichtung weist den Vorteil auf, daß sie die divergenten Düsenteile nicht versprödet, sondern – im Gegenteil – eine mechanische Verstärkung des unteren Teils des divergenten Düsenteils bewirkt, die somit die schädlichen Wirkungen der großen Verformungen, die insbesondere in den Phasen des Startens und Anhaltens der Triebwerke auftreten, begrenzt. Diese Vorrichtung verschlechtert nicht die Leistung des Triebwerks. Des weiteren ist sie, da sie sich außerhalb des divergenten Düsenteils befindet, keinen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, denen all die anderen Vorrichtungen unterworfen sind, die mit dem Strahl in Kontakt befindliche Flächen aufweisen, und demzufolge erfordert sie keine Gasentnahme, um ihre Kühlung sicherzustellen.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die ringförmige Struktur eine im wesentlichen kegelstumpfförmige, nach außen geneigte Form auf.
Der Effekt der Erzeugung eines Niederdruckbereichs an der Unterseite der Vorrichtung wird nun verstärkt.
Insbesondere weist die ringförmige Struktur eine Profilkrümmung auf, die mit einer zur Achse der Düse senkrecht verlaufenden Ebene einen Winkel bildet, der zwischen 10 und 20° liegt.
Mach einer Ausführungsform der Erfindung weist die Unterseite der ringförmigen Struktur Zinnen auf, um das Strömen der Luft entlang dieser Seite zu bremsen.
In diesem Fall wird die Verlangsamung des Strömens der Luft über die Unterseite der Vorrichtung noch verstärkt.
Die ringförmige Struktur weist einen Innendurchmesser auf, der etwas größer ist als der Durchmesser des Auslaßquerschnitts der Düse, was die Bewegung der Düse gegenüber der ringförmigen Struktur unter der Wirkung einer Wärmedehnung zuläßt.
Die ringförmige Struktur besteht aus einer Menge von Winkelsektoren, die durch Kontaktflächen, welche ihre Bewegungen fest miteinander verbinden, aneinandergefügt sind, wobei die Vorrichtung ferner Mittel umfaßt, um die Anordnung der Sektoren um die Düse herum zu halten.
Ein solcher Aufbau der Vorrichtung ermöglicht das Abwerfen der ringförmigen Struktur ohne das Risiko einer Beschädigung des divergenten Teils der Düse.
Insbesondere umfassen die Mittel zum Halten der Sektoren um die Düse ein erstes Kabel, das die Sektorenanordnung in der Nähe ihres Innenumfangs umschließt, sowie ein zweites Kabel, das die Sektorenanordnung in der Nähe ihres Außenumfangs umschließt, wobei das erste und das zweite Kabel jeweils mit einem ersten bzw. einem zweiten Spannungsorgan verbunden sind, wodurch zwei Schlingen zum Festklemmen der Sektoren gebildet werden, wobei die Spannungsorgane Mittel zum Brechen der Kabel umfassen.
Die zwei Kabel üben radiale Kräfte auf jeden Sektor aus, die durch seitliche Kräfte aufgenommen werden; dies ermöglicht, die ringförmige Struktur um die Düse herum zu versteifen und zu verstärken, und gleichzeitig deren Abwerfen im gewünschten Augenblick.
Die Kontaktflächen der Sektoren umfassen Abschnitte, die sich über der Oberseite der Sektoren erheben.
Die Risiken eines Knickens der Sektoren unter dem Kontaktdruck werden somit vermieden.
Im Falle, daß Gleitbewegungen von Sektoren erfaßt werden, können die Kontaktflächen der Sektoren abwechselnd eine Nut und einen Vorsprung aufweisen, um den Vorsprung bzw. die Nut der Kontaktfläche des benachbarten Sektors einzustecken bzw. aufzunehmen.
Die Nuten können vorteilhafterweise eine Elastomerdichtung umfassen, um Lecks zwischen den Sektoren vorzubeugen.
Nach einem besonderen Aspekt der Erfindung weisen wenigstens zwei Sektoren der ringförmigen Struktur eine im Vergleich zu den anderen Sektoren reduzierte Größe auf, wobei die Sektoren reduzierter Größe in der ringförmigen Struktur gleichmäßig angeordnet sind.
Das Ablösen des Strahls in der Düse wird nun dadurch kontrolliert, daß das Auftreten von ungleichmäßigen Ablösungsbereichen, die für die Struktur des divergenten Düsenteils gefährlich sind, vermieden wird.
Das Ablösen des Strahls in der Düse kann auch mit wenigstens zwei Sektoren der ringförmigen Struktur, die eine Perforierung an ihrer Oberfläche aufweisen, erzwungen werden, wobei die perforierten Sektoren in der ringförmigen Struktur gleichmäßig angeordnet sind.
Ein kontrolliertes Ablösen des Strahls ermöglicht dann eine angepaßte Dimensionierung der Düse.
Die Düse umfaßt im Bereich ihres Auslaßquerschnittes einen im wesentlichen ebenen Außenrand, der einen Durchmesser aufweist, welcher größer als der Durchmesser des Innenumfangs der Vorrichtung ist, um einen Träger für die Vorrichtung zu bilden.
Dies charakterisiert die geringfügige Änderung, die an einer Raketentriebwerksdüse vorgenommen werden muß, damit diese die erfindungsgemäße Vorrichtung verwenden kann.
Genauer gesagt erstreckt sich der Rand in bezug auf den Auslaßquerschnitt der Düse radial über eine Distanz in der Größenordnung von 5 bis 8 cm.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Auslaßquerschnitt der Düse, welcher den Rand umfaßt, an seiner Außenfläche mit einem verformbaren Material überzogen.
Auf diese Weise können eventuelle Lecks zwischen der Vorrichtung und der Außenwand der Düse begrenzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale sowie Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von besonderen Ausführungsformen der Erfindung, die als nicht einschränkend zu verstehende Beispiele gegeben sind, anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen, in diesen zeigen:
1 eine schematische Ansicht im axialen Halbschnitt eines mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur radialen Erweiterung versehenen Düsenabschnittes, die deren Funktionsprinzip zeigt,
2 eine schematische Ansicht im axialen Halbschnitt eines Düsenabschnittes, der mit einer Vorrichtung zur radialen Erweiterung nach einer Ausführungsform der Erfindung ausgestattet ist,
3 eine schematische Ansicht im axialen Halbschnitt eines Düsenabschnittes, der mit einer Vorrichtung zur radialen Erweiterung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ausgestattet ist,
4 eine perspektivische Ansicht, welche ein Beispiel der Vorrichtung zur radialen Erweiterung zeigt, die aus mehreren, um eine Düse herum aneinandergefügten Elementen besteht,
5 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für einen Winkelsektor, der einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur radialen Erweiterung bildet,
die 6A und 6B eine Ansicht im axialen Halbschnitt bzw. eine schematische Ansicht, welche die Wirkung der Haltemittel und das mechanische Gleichgewicht an jedem Sektor darstellen,
7 eine Detailansicht, welche ein Beispiel für das Verbinden von die Vorrichtung zur radialen Erweiterung bildenden Winkelsektoren zeigt, und
8 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zur radialen Erweiterung mit erzwungener Ablösung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt im Schnitt eine allgemeine Ansicht einer Düse 10 eines Raketentriebwerks, die dazu bestimmt ist, mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu arbeiten. Die Düse 10 umfaßt einen stromaufwärtigen konvergenten Teil 12, der die in einer Brennkammer 11 erzeugten heißen Gase aufnimmt, einen Düsenhals 13 mit der Querschnittsfläche Sc sowie einen divergenten Düsenteil 14, der die Entspannung der heißen Gase stromabwärts des Halses 13 sowie deren Ausstoßen im Bereich des stromabwärtigen Endes 15 des divergenten Düsenteils sicherstellt, das einen Auslaßquerschnitt der Düse mit der Fläche Se definiert.
Wenn versucht wird, Raketentriebwerksdüsen zu optimieren, um eine hohe Ausstoßgeschwindigkeit der in der Kammer erzeugten heißen Gase zu schaffen, müssen vor allem die Gase in der Düse höchstmöglich entspannt werden, indem hierfür ein großes Flächenverhältnis angenommen wird, daß durch die Fläche des Auslaßquerschnitts Se definiert wird, welche die Fläche des Querschnitts am Hals Sc teilt. Wie bereits erläutert wurde, kann die Anpassung einer Düse bei einem gegebenen Triebwerk und einer gegebenen Drehzahl nur in einer einzigen Höhe erreicht werden, die im allgemeinen bei mehreren Kilometern vom Boden liegt. Demzufolge wird die Düse, wenn sie für einen Betrieb in großer Höhe, mit relativ geringem Umgebungsdruck angepaßt ist, im Bereich des Bodens überentspannt, wo der statische Druck der Gase in dem Auslaßquerschnitt der Düse sehr viel geringer ist als der Umgebungsdruck Pa, der dann gleich 1 bar ist, und es kommt bei den herkömmlichen divergenten Düsenteilen zu einem Phänomen der Ablösung des Strahls der heißen Gase von der Innenwand des divergenten Düsenteils.
Allgemeiner gesagt wird bei dieser Düsenart, vom atmosphärischen Druck am Boden bis hin zu dem in der Anpassungshöhe erzielten Umgebungsdruck, die Entspannung der Gase durch das Phänomen der Ablösung des Strahls der Gase von der Innenwand des divergenten Düsenteils begrenzt. Des weiteren kann das Phänomen der Ablösung des Strahls durch die Asymmetrien und Instabilitäten, die dieses bewirkt, zu einer Zerstörung des divergenten Düsenteils führen.
Aus diesem Grund wurden im Stand der Technik zahlreiche Lösungen vorgeschlagen, deren Ziel es ist, das Phänomen der Ablösung des Strahls in der Düse zu begrenzen. Ob es sich nun um Systeme mit ausfahrbaren Düsen, mit abwerfbaren Elementen, mit Umgebungsluftzufuhr oder mit Fluideinspritzung handelt, bietet jedoch keine von ihnen eine ökonomische und einfache Lösung, die Ablösung zu verringern und gleichzeitig die Versprödung des divergenten Düsenteils, die Verschlechterung der Leistungen des Triebwerks, den Fluidverbrauch sowie die durch das Abwerfen bedingten Risiken zu vermeiden.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, die im Schnitt eine allgemeine Ansicht der Düse 10 eines Raketentriebwerks zeigt, die mit einer Vorrichtung zur Kontrolle der Ablösung des Strahls gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
Die Vorrichtung besteht aus einem kreisförmigen Ring 20, der am Ende der Düse eine radiale Erweiterung I bildet, die eine geringe Neigung aufweisen kann, was nun dem Ring im wesentlichen eine Kegelstumpfform verleiht. Wenn das Raketentriebwerk seinen Betrieb aufnimmt, nimmt der Hauptstrahl der Düse 10, welcher durch die Pfeile 31 materialisiert ist, durch seine hohe Ausstoßgeschwindigkeit einen Teil der Umgebungsluft in eine durch die Pfeile 32 angezeigte Richtung mit, die zu einem als Mischbereich 30 bezeichneten Bereich 30 führt. Dieser Effekt bewirkt eine Erneuerungsströmung der mitgenommenen Luft, die durch das Vorhandensein des Rings 20 behindert wird. Somit wird ein Bereich von geringem Druck an der Unterseite 21 des Rings erzeugt, wodurch auf künstliche Weise Druckverhältnisse am Ausgang der Düse geschaffen werden, die denjenigen ähnlich sind, die in großer Höhe erhalten werden. Beispielsweise können Drücke in der Größenordnung von 0.7 bis 0.8 bar bei einem Umgebungsdruck von 1 bar erreicht werden. Diese im Bereich des Gasauslaßquerschnitts dank des kreisförmigen Rings gemäß der Erfindung erzielten verminderten Druckwerte entsprechen Werten eines Wiederanlegens des Strahls an der Innenwand der Düse. Somit ist die Ablösung des Strahls, die ohne diese Vorrichtung mitten im divergenten Düsenteil stattfände, zum Ausgang der Düse hin verschoben bzw. wird unterdrückt.
Der Ring, welcher die Vorrichtung zur Kontrolle der Ablösung des Strahls in der Düse bildet, erzeugt den gewünschten Effekt, da er eine radiale Erweiterung am Ende der Düse bildet. So ist beispielsweise bei einer Düse vom Typ „Vulcain", mit einem Auslaßradius in der Größenordnung von 1 m, eine radiale Erweiterung I in der Größenordnung von 50 cm ausreichend. Jedoch selbst für ein Triebwerk mit stärkerem Schub vom Typ „SSME" sind die Abmessungen des Rings nicht wesentlich verändert. Für Düsen, die lediglich am Boden getestet werden sollen und bei denen der Platzbedarf keine Einschränkung darstellt, kann die radiale Erweiterung bis auf das Zweifache dieser Größe ausgedehnt werden.
Der physikalische Sinn läßt darauf schließen, daß je größer die Größe I des Ringes ist, desto größer der gewünschte Effekt ist. Unter Berücksichtigung der bei Raketentriebwerksanwendungen ausschlaggebenden Kriterien Gewicht und Platzbedarf wird man jedoch versuchen, den Ring in Form und Größe derart zu optimieren, daß der Unterdruck, den er erzeugt, maximal vergrößert wird. So zeigt 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung, die von einem Ring 40 gebildet ist, der an seiner Unterseite 41 Zinnen 42 aufweist, die eine Art Labyrinth bilden, um das Strömen der Luft entlang der Seite zu bremsen.
3 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung, die von einem Ring 50 gebildet ist, der eine Form aufweist, deren Krümmung ganz allein das gewünschte Unterdruckniveau sicherstellt. Beispielsweise kann bei einer Düse mit einem Auslaßradius von etwa 1 m der Ring 50 gegenüber einer zur Achse XX' der Düse senkrechten Ebene einen Winkel α zwischen 10 und 20° bilden.
Um das Abwerfen des Rings in der Anpassungshöhe sicherzustellen und um auch ein leichtes Montieren dessen an der Düse zu gewährleisten, kann die Vorrichtung – wie in 4 dargestellt – von einer Vielzahl von Winkelsektoren gebildet sein. In dieser Figur ist die Düse 10 an ihrem Ende mit einem Ring 60 ausgestattet, der eine Vielzahl von Winkelsektoren 61 umfaßt, die nebeneinander angeordnet sind und die um die Düse herum durch ein erstes und ein zweites Kabel 70 und 71 zusammengehalten werden, die an der Oberseite eines jeden Sektors angeordnet sind. Ein jedes der zwei Kabel wirkt mit einem eigenen Spannungs- und Entriegelungssystem zusammen, daß – wie zum Beispiel für das Kabel 70 dargestellt – ein gesteuertes Führungs- und Spannungsorgan 72 umfassen kann. Diese Organe können entweder an dem Ring 60 oder an der Außenwand des divergenten Düsenteils positioniert werden. Die zwei Kabel übernehmen also die Rolle von Stangen, welche die Sektoren in der ringförmigen Ausbildung zueinander halten, um die abwerfbare radiale Erweiterung der vorliegenden Erfindung zu bilden. Die Montage des Rings erfolgt dadurch, daß die Sektoren mit Hilfe eines provisorischen Haltewerkzeugs nacheinander angeordnet werden, anschließend die Kabel an dem montierten Ring plaziert und sie mit der gewünschten Stärke festgezogen werden.
Jedes System zum Spannen und Entriegeln der Kabel umfaßt Mittel zum Brechen des Kabels, die pyrotechnischer, pneumatischer oder elektrischer Natur sein können. Es ist beispielsweise möglich, Sprengbolzen an den Organen zum Führen und Spannen der Kabel zu verwenden. Das Abwerfen der Winkelsektoren erfolgt demnach durch Brechen der Kabel, wobei mit dem der Düse am nächsten gelegenen ersten Kabel 70 begonnen wird.
Wie in 5 dargestellt, weist jeder Sektor 61 eine Form auf, die sich von dem der Düse am nächsten gelegenen Teil bis zum Endteil derart verbreitert, daß sie – sobald sie aneinander gefügt sind – die ringförmige Struktur 60 bilden. Die Unterseite der Sektoren 61 weist eine Form auf, die von der Form der Unterseite des Rings, den man erhalten möchte, abhängig ist. Die Sektoren können vor allem eine in einer axialen Ebene gekrümmte Unterseite 63 aufweisen, wie sie in 6A dargestellt ist, um eine Ausbildung des Rings entsprechend der in 3 gezeigten Ausführungsform zu definieren, oder auch Zinnen umfassen, um die Ausführungsform des Rings gemäß 2 zu erhalten.
Um hohen Kontaktdrücken standhalten zu können, umfaßt jeder Sektor im Bereich seiner Seitenflächen 62, die dazu bestimmt sind, mit den benachbarten Sektoren in Kontakt zu sein, einen in bezug auf die Oberseite des Sektors erhöhten Abschnitt 62a. Die Form der erhöhten Abschnitte 62a ist ebenfalls angepaßt, um das Plazieren des ersten und des zweiten Haltekabels 70 und 71 auf einer jeden Seite der Abschnitte 62a zu ermöglichen. Genauer gesagt wird das nahe der Düse gelegene erste Kabel 70 in einer Mulde 64 angeordnet, die in der Dicke der Vorderseite der erhöhten Abschnitte 62a ausgebildet ist. Ebenso verhält es sich mit dem zweiten Kabel 71, das in einer Mulde plaziert wird, die in der Dicke der rückwärtigen Seite der erhöhten Abschnitte 62a ausgebildet ist.
Die 6A und 6B zeigen die Wirkung der Kabel 70 und 71 sowie das mechanische Gleichgewicht jedes Sektors. In 6A üben die Kabel 70 und 71 Kräfte F1r bzw. F2r in einer Ebene aus, deren Normale entlang der Achse X-X' der Düse ausgerichtet ist. Diese Kräfte liegen nicht notwendigerweise in der gleichen Ebene, wie in 6A gezeigt. Die Ausrichtung der Kräfte F1r und F2r hängt von der Form der Sektoren ab.
In 6B stellt man fest, daß die durch die Kabel auf einen Sektor ausgeübten Kräfte F1r und F2r durch die Seitenkräfte FI und FI' aufgenommen werden, die jeder benachbarte Sektor auf die jeweiligen seitlichen Kontaktflächen ausübt. Um starke Kontaktkräfte F1r, F2r zwischen den Sektoren ausüben zu können und um das Knicken der Sektoren zu vermeiden, ist es vorzuziehen, die seitlichen Kontaktflächen mit erhöhten Abschnitten 62a zu vergrößern, wie sie weiter oben beschrieben sind. Des weiteren werden die durch die zwei Kabel erzeugten Momente, die nicht notwendigerweise in der gleichen Ebene liegen, durch diese Art der Sektorengeometrie leichter aufgenommen.
Es gibt eine große Auswahl an Materialien für die Ausbildung der Winkelsektoren 61. Denn da die von den Sektoren gebildete Vorrichtung nicht auf dem Austrittsweg des Strahls aus der Düse liegt, ist sie nicht den hohen Temperaturen ausgesetzt, die durch die ausgestoßenen Gase erzeugt werden, und es ist demzufolge nicht notwendig, spezielle, sehr hitzebeständige und natürlich relativ teure Materialien zu verwenden. Die Sektoren können also aus Verbundmaterialien, aus Stahlblech, oder aus Kohlenstoffaser entsprechend dem Kompromiß Gewicht/Leistung, der erzielt werden soll, gefertigt werden. Beispielsweise wird bei Sektoren 61, die aus Verbundmaterial hergestellt sind, die Dicke des Sektors zwischen 15 und 20 mm liegen; die Höhe der erhöhten Abschnitte 62a wird zwischen 80 und 150 mm betragen, die Dicke des Sektors eingeschlossen, während ihre Breite 40 mm betragen wird.
Im Falle, daß Gleitbewegungen von Sektoren erfaßt werden, können – wie in 7 gezeigt – eine Nut 66 und ein Vorsprung 65 an der einen bzw. der anderen Seitenfläche 62 jedes Sektors vorgesehen werden. Somit sind zwei benachbarte Sektoren durch das Einstecken des Vorsprungs 65 eines Sektors in die Nut 66 des benachbarten Sektors fest verbunden.
Um die Wirkungsweise der Vorrichtung der Erfindung zu optimieren, ist es möglich, zusätzliche Mittel an der Vorrichtung sowie an der Düse vorzusehen, um eventuellen Lecks vorzubeugen. Derartige Lecks können zwischen den Ring bildenden Sektoren unter der Wirkung des zwischen den zwei Wandseiten (Oberseite und Unterseite) bestehenden Druckunterschiedes auftreten. Diese Art von Leck zwischen den Sektoren kann – wie in 7 gezeigt – durch Anordnen einer Dichtung, beispielsweise einer Elastomerdichtung, in jeder der Nuten 66 der Sektoren begrenzt werden. Diese Dichtungen bedürfen keiner besonderen Wärmebeständigkeitseigenschaft, da sie keinen hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Sie werden während des Festziehens der Haltekabel zusammengedrückt. Des weiteren schützt sie ihre Anbringung in den Nuten vor einem eventuellen Aufsteigen heißer Gase bei Triebwerksstillständen. Sie werden folglich, bei Triebwerkstests am Boden, selten ausgewechselt.
Für Lecks, die zwischen der Struktur des Rings der Vorrichtung und der Außenwand der Düse im Bereich des divergenten Düsenteils auftreten können, kann der am Ende 15 der Düse 10 vorhandene Rand 16, der sich zur Außenseite erstreckt, um einen Träger für die Vorrichtung zu bilden, mit einem verformbaren Material 17 vom Typ Gummi oder Elastomer überzogen sein. Dieses Material 17 kann ein Material sein, das geeignet ist, unter dem Anstieg der Temperatur der Wand der Düse zu schmelzen, wodurch eine bessere Dichtigkeit ermöglicht wird. In diesem Fall wird das Material nach jedem Zünden ersetzt.
Beispielsweise schätzt man im Falle des Triebwerks vom Typ „Vulcain", daß der Mengendurchfluß mitgeführter Luft in der Größenordnung von 13 kg/s liegt. Unter Berücksichtigung dessen, daß das System die Zufuhr, alle Lecks zusammengenommen, von 1 oder 2 Zehnteln dieses Durchflusses toleriert, rechnet man, daß der Gesamtquerschnitt der Austrittswege nicht größer als eine Scheibe mit einem Durchmesser zwischen 10 und 12 cm sein soll.
Während des Betriebs eines Raketentriebwerks können die in der Düse vorherrschenden hohen Temperaturen zu einer Ausdehnung des Materials der Düse führen. Demzufolge kann bei der Dimensionierung des Rings vorgesehen werden, daß sein Innenumfang leicht größer als der des Endes 15 der Düse ist, um das herum er angeordnet ist, um der Düse zu ermöglichen, sich innerhalb der normalen Grenzen der Wärmedehnung zu verformen. Erleichtert wird diese Bewegung durch die ebene Kontaktfläche zwischen dem Rand 16, der als Träger für den Ring dient, und dem Ring. Berücksichtigt man, daß – immer noch auf das Beispiel eines „Vulcain"-Triebwerks bezogen – die Düse aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten mit dem Wert 1 e-05 gebildet ist, rechnet man, daß bei der Düse mit einem Auslaßradius von 1 m die Radiusschwankung bei einer Temperaturänderung von 1000 K bei 1 cm liegen wird.
Die Funktion der bisher beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung besteht darin, das Ablösen des Strahls in der Düse zu begrenzen oder zu unterdrücken. Jedoch kann die Form des die Vorrichtung bildenden Rings angepaßt werden, um eine periodische Verteilung des Druckfeldes auf seinen Umfang zu ermöglichen. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert, daß Sektoren, die entweder eine andere Form oder eine andere Größe aufweisen, in gleichmäßigen Abständen angeordnet werden. 8 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung, die von einem Ring 80 mit 4 Sektoren 82 gebildet ist, die im Vergleich zu den anderen Sektoren 81 eine kleinere Größe aufweisen. Die Sektoren 82 geringerer Größe sind über den Ring gleichmäßig verteilt, wodurch es möglich ist, eine Ablösung des Strahls in Form von 4 Strahlen innerhalb des divergenten Düsenteils zu erzielen. Bei dieser Art der Ausführungsform der Vorrichtung mit Sektoren unterschiedlicher Größe, wird die Art und Weise der Kupplung oder Verbindung dieser Sektoren angepaßt.
Alternativ hierzu ist es möglich, einen Ring auszubilden, der ebenfalls eine erzwungene Ablösung des Strahls dadurch ermöglicht, daß Sektoren verwendet werden, die alle eine gleiche mechanische Schnittstelle haben, aber von denen einige aufgrund der Änderung ihrer Form eine von der Mehrheit abweichende Leistung aufweisen. Beispielsweise können Sektoren verwendet werden, die sich von den anderen durch eine in ihrer Dicke ausgebildete starke Perforierung unterscheiden, welche die Umgebungsluft leicht zum unteren Teil des divergenten Düsenteils eindringen läßt und wodurch in diesen Regionen eine stärkere Ablösung erzeugt wird. Die Größe der Sektoren oder der Perforierungen, die dazu bestimmt sind, eine erzwungene Ablösung des Strahls zu bewirken, ist von der Ablösungswirkung, die man erhalten möchte, abhängig.
Da die Ablösung des Strahls dank der angepaßten Struktur des Rings kontrolliert wird, damit die Verteilung der so erhaltenen Strahlen gleichmäßig und symmetrisch ist, werden demzufolge die Phänomene der Asymmetrie und Instabilität vermieden. Das kontrollierte Ablösen ermöglicht eine angepaßte Dimensionierung der Düse für eine Ablösung des Strahls ohne die Gefahr einer Zerstörung für das divergente Düsenteil, sowie für einen stabilen Schub des Triebwerks.

Claims

Raketentriebwerksdüse (10) umfassend eine abwerfbare ringförmige Struktur (20), die um die Außenwand der Düse (10) im Bereich des Gasauslaßquerschnitts (15) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur eine radiale Erweiterung (1) zur Außenseite der Düse bildet.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Struktur eine im wesentlichen kegelstumpfförmige, nach außen geneigte Form aufweist.
Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (41) der ringförmigen Struktur (40) Zinnen (42) umfaßt, um das Strömen der Luft entlang der genannten Seite zu bremsen.
Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Struktur (50) eine Profilkrümmung aufweist, die mit einer zur Achse der Düse senkrechten Ebene einen Winkel (α) bildet, der zwischen 10 und 20° liegt.
Düse nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Struktur einen Innendurchmesser aufweist, der leicht größer ist als der Durchmesser des Auslaßquerschnitts der Düse, so daß eine Bewegung der Düse in bezug auf die ringförmige Struktur unter der Wirkung einer Wärmedehnung zugelassen wird.
Düse nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Struktur (60) aus einer Menge von Winkelsektoren (61) besteht, die durch Kontaktflächen (62), welche ihre Relativbewegungen unmöglich machen, aneinandergefügt sind, wobei die Vorrichtung ferner Mittel (70, 71) umfaßt, um die Sektorenanordnung um die Düse herum zu halten.
Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Halten der Sektoren (61) um die Düse ein erstes Kabel (70), das die Sektorenanordnung in der Nähe ihres Innenumfangs umschließt, und ein zweites Kabel (71), das die Sektorenanordnung in der Nähe ihres Außenumfangs umschließt, umfassen, wobei das erste und das zweite Kabel jeweils mit einem ersten bzw. einem zweiten Spannungsorgan (72) verbunden sind, wodurch zwei Schlingen zum Festklemmen der Sektoren gebildet werden, wobei die Spannungsorgane Mittel zum Brechen der Kabel umfassen.
Düse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen der Sektoren Abschnitte (62a) umfassen, die sich über der Oberseite der Sektoren erheben.
Düse nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (62) der Sektoren abwechselnd eine Nut (66) und einen Vorsprung (65) umfassen, um den Vorsprung bzw. die Nut der Kontaktfläche des benachbarten Sektors einzustecken bzw. aufzunehmen.
Düse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten eine Dichtung (69) vom Typ Elastomerdichtung umfassen.
Düse nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Sektoren (81) der ringförmigen Struktur (80) im Vergleich zu den
Düse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Rand in bezug auf den Auslaßquerschnitt der Düse über eine Distanz in der Größenordnung von 5 bis 8 cm radial erstreckt.
Düse nach den Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßquerschnitt der Düse, welcher den Rand umfaßt, an seiner Außenfläche mit einem verformbaren Material (17) überzogen ist.