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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Raketentriebwerke und insbesondere
eine Rohrbündelraketentriebwerksbrennkammer.
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Die
Raketentriebwerksbrennkammer hält
die Verbrennung des druckbeaufschlagten Brennstoffs und des druckbeaufschlagten
Oxidationsmittels und die allmähliche
Beschleunigung der Verbrennungsprodukte, um Schub zu erzeugen. Das
Oxidationsmittel und der Brennstoff werden unter Druck durch den
Injektor 10, wie in 1 gezeigt,
eingebracht, der an der Oberseite der Kammer angeordnet ist. Die unter
Druck befindlichen Verbrennungsprodukte gelangen zu einer de Laval-Düse 12,
wo das interne Profil zu einer Verjüngung 14 konvergiert.
Hier erreicht die Expansion der Verbrennungsprodukte Schallgeschwindigkeit.
Dem konvergenten Verjüngungsabschnitt
folgt unmittelbar ein divergenter Abschnitt 16. Die Verbrennungsprodukte
werden dann weiter auf ein Vielfaches der Schallgeschwindigkeit abhängig von
dem Profil des divergenten Abschnitts, der Kombination aus Oxidationsmittel
und Brennstoff, dem Druck der Verbrennungsprodukte und dem Außendruck
beschleunigt. Die Beschleunigung der Gase erzeugt Schub für das Raketentriebwerk.
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Regenerativ
gekühlte
Brennkammern nehmen einen Teil der Strömung des cryogenen flüssigen Treibmittels,
normalerweise Brennstoff, um die Wände der Brennkammer zu kühlen. Das
Kühlmittel strömt entlang
der Außenseite
der Kammer durch Passagen oder Rohre. Das Kühlmittel recycelt die Abwärme, um
die Energie in dem Kühlmittel
zu erhöhen.
Diese erhöhte
Energie des Kühlmittels
verbessert die Effizienz des Zyklus.
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Regenerativ
gekühlte
Brennkammern für
Raketentriebwerke fallen typischerweise in drei Kategorien: eine
Konstruktion mit gefrästem
Kanal, eine Platten (platelet)-Konstruktion und eine Rohrbündelkonstruktion.
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Bei
einer Konstruktion mit gefrästem
Kanal, sind Nuten mit sich änderndem
Querschnitt in das Äußere einer
Auskleidung geschnitten, welche die Gestalt einer de Laval-Düse annimmt.
Eine Ummantelung wird über
den offenen Kanälen
aufgebaut oder ein zylinderförmiges
Stück wird
aufgeschoben und mit der Auskleidung vakuum-kompressions-verlötet. Die
Ummantelung wirkt lediglich dem Kühlmitteldruck entgegen.
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Eine
Platelet-Konstruktion ist ähnlich
einer Konstruktion mit gefrästem
Kanal, unterteilt jedoch die Länge
der Auskleidung in viele kleinere Abschnitte, die dann miteinander
verbunden werden. Eine mehrstückige
Ummantelung wird dann über
der Auskleidung zusammengeschweißt und miteinander vakuum-kompressions-verlötet.
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Eine
Rohrbündelbrennkammer
stapelt geformte Rohre in der Gestalt einer de Laval-Düse. Die Rohre
halten das druckbeaufschlagte Treibmittel zum Kühlen der Kammerwände und
nehmen Abwärme
zur Verwendung in dem Zyklus auf. Die fertige Ummantelungsanordnung
wirkt lediglich der Druckbelastung der Verbrennungsprodukte entgegen.
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Eine
Brennkammer der Rohrbündelkonstruktion
kann abhängig
von ihrer Größe auf zwei
Arten hergestellt werden. Wenn die Kammer einen ausreichend großen Durchmesser
hat, um Zugang zu erlauben, können
die Rohre und das Lotmaterial direkt in eine einstückige Ummantelung
gelegt werden und Ofen-verlötet
werden.
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Kleinere
Kammern lassen die Verwendung einer einstückigen Ummantelung nicht zu,
weil der Zugang zum Einsetzen von Rohren in der Innenseite einer
Ummantelung mit kleinerem Durchmesser begrenzt ist. Der Zusammenbau
beginnt durch das Auflegen geformter Rohre auf einen Formkern in
der Form einer de Laval-Düse.
Die Rohre können
gerade entlang der Länge
des Formkerns gelegt werden oder sie können spiralförmig um
den Formkern gewickelt werden. Löt draht,
-paste oder -folie wird in alle Hohlräume zwischen den Rohren eingebracht.
Eine mehrstückige
Ummantelung wird dann an der Außenseite
der Rohre zugefügt.
Die Ummantelungssegmente werden dann mit überlappenden Streifen zwischen
den Ummantelungssegmenten bedeckt. Die Ummantelungen und die Rohre
werden dann in einem Ofen zusammengelötet. Die Integrität der Kammer
in Rohrbündelkonstruktion
hängt von
der Qualität
der Konstruktion der Ummantelung und der Lotüberdeckung für alle Verbindungen
zwischen den Rohren und den Kammer-Verzweigungseinrichtungen und
Versteifungsringe ab. Lediglich Röntgen- oder Schallinspektionsverfahren
können
eine Untersuchung der Lötverbindungen
zwischen den Rohren und zwischen der Ummantelung und den Rohren
bewerkstelligen. Eine Reparatur der gelöteten Bereiche unter der Ummantelung
ist schwierig. Es kann zu einem Versagen der Brennkammer kommen,
weil die Inspektionstechniken nicht ausreichend waren, Bereiche
einer ungenügenden
Lotüberdeckung
zu identifizieren.
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Eine
Kammer mit Rohrbündelkonstruktion ergibt
die leichteste und effizienteste Kammer in der Folge der größeren Wärmeübertragsfläche und
den geringer belasteten Rohrquerschnitten. Die Integrität der Kammer
in Rohrbündelkonstruktion
hängt von der
Qualität
der Konstruktion der mehrstückigen
Ummantelung und der Lotüberdeckung
für alle
Verbindungen zwischen den Rohren, den Ummantelungssegmenten und
den Verzweigungseinrichtungen ab.
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EP-0697515
beschreibt eine Schubkammer eines Raketentriebwerks gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 11.
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US-3
390 986 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen gelöteten Vorform
oder zum Formen einer gelöteten
Metallverbindung.
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WO
95/29785 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Raketenschubkammer
aus einer Mehrzahl länglicher
hohler Rohre.
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Folglich
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bauen
einer regenerativ gekühlten
Rohrbündelbrennkammer
bereitzustellen, welches das Auflegen, Ausrichten und Inspizieren nach
Spalten der Rohre an einem externen Formkern erlaubt und dabei die
komplette Inspektion der gelöteten
Verbindungen vor der Anbringung einer einstückigen Ummantelung erlaubt.
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Das
vorhergehende Ziel wird durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung
erreicht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines Kühlmittelsystems für eine Raketentriebwerksbrennkammer
bereitgestellt, wie in Anspruch 1 beansprucht. Das Verfahren beinhaltet
in breiten Worten die Schritte des Bereitstellens einer Mehrzahl
von Rohren, die zu dem Profil einer Düse geformt und gestaltet sind,
wobei jedes der Rohre einen sich konstant aufweitenden Querschnitt in
einem oberen Kammerbereich hat, Bereitstellen einer Einlassverzweigungseinrichtung
und Austrittsverzweigungseinrichtung mit einer Mehrzahl von Öffnungen
zum Aufnehmen eines Endes eines jeden Rohrs, Einsetzen einer Lot-Vorform
in jede Öffnung, Einsetzen
eines ersten Endes eines jeden Rohrs in die Einlassverzweigungseinrichtung
und eines zweiten Endes eines jeden Rohrs in die Auslassverzweigungseinrichtung,
so dass das erste Ende von einer ersten Lot-Vorform und das zweite
Ende von einer zweiten Lot-Vorform
umgeben ist, und Löten
der Einlass- und Auslass-Verzweigungseinrichtung an die Rohre. Der
Lötschritt
formt eine Reihe von gelöteten Verbindungen
zwischen den Rohren und den Verzweigungseinrichtungen. Das Verfahren
beinhaltet ferner die Schritte des Formens einer Schicht aus Beschichtungsmaterial
an exponierten Bereichen der Rohre und Formen einer einstückigen Ummantelungskonstruktion
um die Rohre.
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Die
vorliegende Erfindung liefert auch eine regenerativ gekühlte Raketentriebwerksbrennkammer
in Bündelkonstruktion
mit einer de Laval-Düse, wie
in Anspruch 11 beansprucht. Die Brennkammer weist in breiten Worten
eine Mehrzahl von Rohren zum Fördern
eines Kühlmittels,
wobei jedes der Rohre zu dem Profil der de Laval-Düse geformt
und gestaltet ist, eine Einlassverzweigungseinrichtung und eine
Auslassverzweigungseinrichtung, wobei jedes der Rohre mit einem
ersten Ende in die Einlassverzweigungseinrichtung und einem zweiten
Ende in die Auslassverzweigungseinrichtung gelötet ist, eine Schicht aus Beschichtungsmaterial
an exponierten Bereichen der Rohre und eine einstückige Ummantelungskonstruktion,
welche die Rohre und die Lage aus Beschichtungsmaterial umgibt und
mit den Rohren verbunden ist, auf.
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Andere
Details der Raketentriebwerks-Rohrbündelbrennkammer mit einstückiger Ummantelung, sowie
weitere da miteinhergehende Vorteile sind in der folgenden detaillierten
Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ausgeführt, in
denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
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1 ist
eine Schnittansicht einer Rohrbündelbrennkammer;
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2 ist
eine Schnittansicht einer Rohrbündelbrennkammer
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine detaillierte Schnittansicht der Auslassverzweigungseinrichtung
der Kammer von 2;
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4 ist
eine detaillierte Schnittansicht der Einlassverzweigungseinrichtung
der Kammer von 2;
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5 ist
eine detaillierte Schnittansicht der Verjüngung der Kammer von 2;
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6 ist
eine Schnittansicht, welche die Lot-Vorformwindungen zeigt; und
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7 ist
eine Schnittansicht einer Raketentriebwerksbrennkammer.
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Es
wird nun auf die 2 bis 5 der Zeichnungen
Bezug genommen. Die Kammer 20 in Rohrbündelkonstruktion besteht aus
einem Satz von Rohren 22, die zu dem Profil einer de Laval-Düse geformt
und gestaltet sind. Die Rohre 22 haben als Merkmal einen
konstant expandierenden Querschnitt in dem oberen Kammerbereich 24,
um eine aufgeweitete Innenwand 26 zu schaffen. Der aufgeweitete Querschnitt
betrifft den innenseitigen Hohlraum der Kammer 20, welchen
das Profil der Anordnung von Rohren 22 bildet. Das Profil
des Rohrs 22 ist bei dem Injektorende der Kammer 20 weiter
weg von der Mittellinie der Kammer als es strömungsabwärts ist. Das bildet einen Aufweitungswinkel α von weniger
als 1 Grad.
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Das
Vorsehen einer aufgeweiteten Innenwand 26 verbessert das
Entfernen eines Formkerns (nicht gezeigt) zur Abstützung des
Rohrbündels
während
des Bearbeitens. Der Formkern, der die Rohre 22 während des
Lötens
abstützt,
wird durch das Injektorende in der Kammer 20 eingesetzt
und entfernt. Wenn der Formkern und das Rohrprofil zylinderförmig wären, müsste der
Formkern über
die Länge
der Rohre 22 für
das Einsetzen oder Entfernen gezogen werden. Das würde die
dünnwandigen
Rohre 22 einer möglichen
Beschädigung
aussetzen. Ein abgeschrägtes
Rohrprofil ist von einem Formkern mit identisch abgeschrägtem Profil
abgestützt.
Wegen der Abschrägung
berührt
der Formkern das Rohrprofil erst wenn der Formkern vollständig in
die Kammer eingesetzt ist. Wenn der Formkern entfernt wird, wird ein
Spalt zwischen den Rohren 22 und dem Formkern gebildet.
Dieser Spalt nimmt zu, wenn der Formkern weiter aus der Kammer bewegt
wird. Sobald der Formkern weit genug von den Rohren 22 weg
ist, können
Sektionen des Umfangs des Formkerns individuell von innerhalb der
Kammer entfernt werden.
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Abhängig von
dem Rohrmaterial können
Abschlüsse 28 an
beiden Enden eines jeden Rohrs 22 angelötet oder -geschweißt werden,
um eine Rohranordnung zu bilden. Rohre 22 sind typischerweise aus
Legierungen auf Stahlbasis, Legierungen auf Nickelbasis und Legierungen
auf Kupferbasis hergestellt, abhängig
von der Kompatibilität
der Materialien mit den verwendeten Treibmitteln. Die Abschlüsse 28 können Legierungen
auf Stahl- oder Nickelbasis sein, abhängig von den verwendeten Treibmitteln und
der Art der Anbringung an den Rohrmaterialien. Jedes der Rohre oder
jede der Rohranordnungen wird in eine Mehrzahl von Öffnungen 29 in
einer Auslassverzweigungseinrichtung 30 und einer Einlassverzweigungseinrichtung 32 eingesetzt.
Die Rohre oder Rohranordnungen werden mit Lot-Vorformen 31 eingesetzt,
die in Öffnungen
der Verzweigungseinrichtung eingesetzt sind, um die gewünschte Überdeckung
zu erzielen. Wie in der 6 gezeigt, sind die Lot-Vorformen 31 schraubenförmige Windungen
aus Lotdraht, die hergestellt sind, dass sie in den Durchmesser
der Öffnungen
der Verzweigungseinrichtung passen. Die Öffnungen der Verzweigungseinrichtung sind
gestuft, um die Lot-Vorform 31 unter den Abschlüssen 28 in
Position zu fangen. Die Anordnung wird dann in einem Ofen gelötet. Der
Löt-Arbeitsschritt,
der verwendet wird, hängt
von den betroffenen Materialien und dem Lotmaterial ab, welches
gewählt
ist, um die Teile miteinander zu verbinden. Außerden muss, wenn mehrere Löt-Arbeitsschritte
verwendet werden, um die Kammer 20 zu bauen, jeder nachfolgende
Löt-Arbeitsschritt
bei einer niedrigeren Temperatur als die vorangegangenen Löt-Arbeitsschritte
durchgeführt
werden, um ein erneutes Schmelzen diese Lötverbindungen zu verhindern. Generell
werden Löt-Arbeitsschritte
zwischen 1400F (760°C)
und 2000F (1093°C)
durchgeführt,
wobei die Lötzeiten
für das
allmähliche
Aufheizen und Abkühlen
der Teile von der Masse der betroffenen Teile abhängen.
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Im
Anschluss an die Inspektion der Lotverbindungen werden exponierte
Bereiche der Rohre 22 dann mit einer Schicht aus Material 34,
welches ähnlich
dem Rohrmaterial ist, bis auf die gewünschte Tiefe beschichtet. Das
Beschichtungsmaterial 34 kann jedes Material sein, welches
mit den Rohrmaterialien eine Verbindung eingeht. Generell sollte
das Material ähnlich
dem Rohrmaterial sein, so dass Unterschiede bei der Wärmeausdehnung
und dem Elastizitätsmodul
der zwei Materialien keine zusätzlichen
Spannungen an der Verbindung erzeugen. Die Materialien können Legierungen
aus Stahl, Nickel oder Kupfer sein. Auch können die Materialien miteinander
verwendet werden, um verschiedene Schichten in der Beschichtung
zu bilden.
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Die
Schicht aus Beschichtungsmaterial 34 kann auf die Rohroberflächen entweder
im Vakuumplasmaverfahren aufgesprüht werden oder durch Elektroplatinieren
auf die Rohroberflächen
unter Verwendung eines jeden geeigneten Vakuumplasmasprühverfahrens
oder Elektroplatinierverfahrens, welche in dem Technikgebiet bekannt
sind, aufgebracht werden. Die Schicht aus Beschichtungsmaterial 34 schafft
eine Abdichtung zwischen den Rohren 22, schützt die
Rohre 22 vor einer Beschädigung während des Anbaus der Ummantelung
und liefert nach dem Bearbeiten eine Oberfläche enger Toleranz, um zu der
einstückigen
Ummantelung 36 zu passen.
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Ummantelungsabschnitte 38 werden
dann über
der bearbeiteten Beschichtung installiert. Die Ummantelungsabschnitte 38 können aus
irgendeiner Legierung aus Stahl oder Nickel hergestellt sein, die mit
den verwendeten Lotsystemen kompatibel sind und mit Schweißen und
Löten kompatibel
sind. Lötdraht
kann in umfangsmäßigen Nuten 40 an
der Innenseite eines jeden Ummantelungsab schnitts 38 eingebracht
sein. Wie in der 7 gezeigt, besteht der Verjüngungs-Ummantelungsabschnitt 38' aus zwei 180
Grad Umfangssegmenten 38a und 38b. Die Ummantelungsabschnitte 38a und 38b werden
beispielsweise durch Schweißen
miteinander und der Einlassverzweigungseinrichtung 32 bzw.
der Auslassverzweigungseinrichtung 30 auch beispielsweise durch
Schweißen
verbunden, um eine einstückige Ummantelungskonstruktion 36 zu
erreichen. Die einstückige
Ummantelungskonstruktion 36 wird dann mit dem beschichteten
Rohrbündel
verlötet.
Die Ummantelungsabschnitte 38 werden miteinander verschweißt und dann
werden sie mit der Auslassverzweigungseinrichtung 30 bzw.
der Einlassverzweigungseinrichtung 32 verschweißt, um einen
luftdichten Spalt zwischen den Ummantelungsabschnitten und der Beschichtung über den
Rohren 22 zu bilden. Lotmaterial kann auf die innere Oberfläche der
Ummantelungsabschnitte und die äußere Oberfläche der
Beschichtung 34 über
den Rohren 22 platiniert werden. Einige Anschlüsse werden
in den Ummantelungsabschnitten installiert, um das Anlegen eines Vakuums
zum Zusammenziehen der zwei Oberflächen in engsten Kontakt während des
Lotschritts zuzulassen. Dieser Löt-Arbeitsschritt
wird das Lot niedrigster Temperatur sein, welcher bei dem Bau der Kammer 20 verwendet
wird, um ein erneutes Schmelzen vorher verlöteter Verbindungen zu vermeiden.
Die Lötzeiten
für das
allmähliche
Aufheizen und Abkühlen
der Teile sind abhängig
von der Masse der betroffenen Teile.
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Eine
Endabdeckung 50 an dem vorderen Ende wird dann mit der
Auslassverzweigungseinrichtung 30 und der einstückigen Ummantelung 36 verbunden.
Jedes geeignete Verbindungsverfahren wie beispielsweise Schweißen kann
verwendet werden. Die Auslassverzweigungseinrichtungs-Anschlussabschnitte 52 werden
dann mit der einstückigen
Ummantelung 36 verbunden. Hier kann wieder jedes geeignete
Verbindungsverfahren, beispielsweise Schweißen verwendet werden.
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Es
wird wieder auf die 7 Bezug genommen. Eine Raketentriebwerksbrennkammer
ist gezeigt, wobei die Ummantelungsabschnitte zwei 180 Grad Umfangs-Verjüngungsabschnitte
oder -hälften 38a und 38b aufweisen.
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7 durch
den Verjüngungsbereich
zeigt die zwei Verjüngungs-Ummantelungshälften 38a und 38b,
die Beschichtungsschicht 34 über den Rohren und die Rohre 22.
Die ovalen Tunnel 60 durch die Ummantelungen an der Schweißver bindung 62 erlauben
ein Inspizieren der Schweißungen
und schaffen auch eine Verteilung des Unterdrucks von den Haupt-Ummantelungsöffnungen
zu den Verjüngungsummantelungsbereichen
und hinteren Ummantelungsbereichen während des Löt-Arbeitsschritts im Ofen für die Verbindungen
zwischen den Ummantelungen und der Beschichtungsschicht 34 über den
Rohren. Nach dem Abschluss sämtlicher Schweiß-, Löt-, Inspektions-,
Wasch- und Backschritte können
die Tunnel 60 mit einer kompatiblen Abdichtmasse gefüllt werden,
um eine Leckage um den Verjüngungsbereich
zu verhindern.
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Man
erkennt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Rohrbündelraketentriebwerksbrennkammer
mit einer einstückigen
Ummantelung geschaffen ist, welche die vorangehend ausgeführten Ziele,
Mittel und Vorteile vollständig
befriedigt. Obwohl die vorliegende Erfindung in dem Kontext spezieller
Ausführungsformen
davon beschrieben wurde, werden den Fachleuten, welche die vorangegangene Beschreibung
gelesen haben, andere Alternativen, Modifikationen und Variationen
ersichtlich werden. Folglich sollen diese Alternativen, Modifikationen
und Variationen als in dem breiten Umfang der angefügten Ansprüche fallend
eingeschlossen sein.