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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein neues und verbessertes
Steuergerät
und Steuerverfahren für
einen Düsen(hohl)kehlenquerschnitt,
und insbesondere auf solch ein Gerät und Verfahren zur Steuerung
sowohl der Schubstärke,
als auch des Schubrichtungswinkels in einem Raketenantrieb oder
einem anderen gleichartigen Triebwerk.
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Das
Patent Nr. 2 968 919 von Hughes et al. offenbart eine Düse mit variablem
Querschnitt, die eine Vielzahl von entlang dem Umfang beabstandeten
Schaufeln in der Düsenkehle
(Düsenhohlkehle) hat,
wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, um die Schaufeln in der Kehle
zu positionieren und den durch diesen hindurch gelangenden Fluidstrom
im Ansprechen auf Veränderungen
des Drucks stromaufwärtig
der Kehle zu beschränken.
Bei Betrieb wird der Druck in der Brennkammer in eine Kammer an
einer Seite eines Kolbens geleitet, der mit jeder Schaufel verbunden
ist. Wenn der Verbrennungsdruck die Kraft einer Druckfeder an der
anderen Seite des Kolbens übersteigt,
werden die Schaufeln radial nach außen bewegt, um deren Beschränkung des
Fluidstromes durch die Kehle der Düse hindurch zu verringern.
Wenn der Verbrennungsdruck verringert wird, werden die Federn die
Schaufeln nach innen bewegen, um den Fluidstrom durch die Düsenkehle
zu verringern. Die Düsenkonstruktion
von Hughes et al. hat gewisse Nachteile. Erstens muss das Betätigungssystem
für die
Schaufeln so aufgebaut sein, dass es mit den heißen Verbrennungsgasen, die
zum Kolben für
jede Schaufel geleitet werden, umgeht. Zweitens haben die Schaufeln
eine derartige Größe, Positionierung
und Konstruktion, dass sie nicht in der Lage sind, sich weit genug
in den Düsenkehlenbereich
hinein zu bewegen, um diesen zu schließen oder strikt zu begrenzen.
Drittens sind die Schaufeln nicht unabhängig bewegbar und können nicht
für spezielle
Vorgänge
wahlweise gesteuert werden.
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Das
Patent von Mancus 3 743 184 offenbart eine Düsenkonstruktion mit variablem
Querschnitt, die vier Klingen verwendet, die radial in den und aus dem
Düsenkehlenquerschnitt
bewegt werden können.
Jede der Klingen ist auch drehbar, um die Schubvektorsteuerung zu
gewährleisten.
Die Düsenkonstruktion
von Mancus hat gewisse Nachteile. Erstens ist notwendig, die Klingen
sowohl radial zu bewegen als auch zu drehen, um sowohl die Kehlenquerschnitts-
als auch die Vektorsteuerung zu erzielen. Dies führt zu einem noch komplizierteren
Aufbau für
das Veranlassen der Bewegung jeder Klinge. Zweitens sind die Klingen
wesentlich kleiner als die Größe des Düsenkehlenquerschnitts,
und daher nicht in der Lage, den Strom durch den Düsenkehlenquerschnitt
hindurch strikt zu begrenzen oder im Wesentlichen zu verschließen, wenn
es notwendig oder wünschenswert
wäre.
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Das
neue und verbesserte Steuergerät
und -verfahren für
den Düsenkehlenquerschnitt
hat keinen der im Vorangehenden beschriebenen Nachteile der Geräte der Patente
von Hughes et al. und Mancus oder von anderen Steuergeräten für einen
Düsenkehlenquerschnitt,
die früher
oder derzeit verwendet wurden/werden oder aus dem Stand der Technik.
Außerdem
besitzt das Steuergerät
und – verfahren
für den
Düsenkehlenquerschnitt
der vorliegenden Erfindung viele Vorteile, die sich nicht im Stand
der Technik finden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Steuergerät
für den
Düsenkehlenquerschnitt
der vorliegenden Erfindung hat ein Paar von Kolben, die gleitbar
in der Nachbarschaft der Kehle in dem Düsengehäuse montiert sind. Die Kolben
können
sich in einer gegenüberliegenden
oder einer anderen geeigneten Lage zueinander befinden, und haben
eine Größe, die
im Wesentlichen gleich mit der der Düsenkehle ist, so dass die Kolben
in die Düsenkehle
bewegt werden können,
um den Strom der Verbrennungsgase dort hindurch weitgehend zu begrenzen
oder die Kehle im Wesentlichen zu verschließen.
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Die
Kolben sind durch jede geeignete Vorrichtung wie beispielsweise
Gas erzeugende Geräte, mechanische,
elektromechanische, hydraulische oder pneumatische Betätigungseinrichtungen
unabhängig
bewegbar. Die unabhängige
Bewegung der Kolben kann dazu genutzt werden, um die Schubvektorsteuerung
wie auch die Schubstärke- oder die Brennkammerdrucksteuerung
zu bewerkstelligen.
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In
einem Ausführungsbeispiel
ist ein Zwei-Stufen-Gerät
vorgesehen, in dem Gas erzeugende Einheiten verwendet werden, um
die Kolben von äußeren Positionen
zu inneren Positionen zu bewegen, um den Strom durch die Düsenkehle
nach einer vorbestimmten Betriebsdauer zu begrenzen. In einem zweiten
Ausführungsbeispiel
werden Betätiger für die variable
Steuerung der Positionen der Kolben abhängig von dem gewünschten
Brennkammerdruck oder der gewünschten
Schubvektorsteuerung verwendet. In einem dritten Ausführungsbeispiel
sind Vorrichtungen für
das erneute Zünden
des Treibstoffs nach einer vorbestimmten Dauer, nachdem das Verbrennen
beendet wurde, vorgesehen, und für
die Kolben sind Betätigungsvorrichtungen
vorgesehen, um sie in die gewünschten
Positionen zu bringen, um die Verbrennung des Treibstoffs und die
Schubvektorsteuerung während
der Anlaufphase der Verbrennung und der Phase der erneuten Zündung zu
steuern.
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Das
neue und verbesserte Steuergerät
und Steuerverfahren für
den Düsenkehlenquerschnitt
der vorliegenden Erfindung ist einfach im Aufbau, zuverlässig im
Betrieb und dazu in der Lage, durch wirksame Steuerung des Treibstoffbrennkammerdrucks durch
wahlweise Beschränkung
des Stroms durch den Düsenkehlenquerschnitt,
gleichmäßigeren Schub
bereit zu stellen, wenn dieser gewünscht ist. Durch die unabhängige Bewegung
der Kolben kann die Schubvektorsteuerung leicht erfolgen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine teilweise aufgebrochene Seitenschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des
Steuergeräts
eines Düsenkehlenquerschnitts
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Querschnitt im Wesentlichen entlang Line 2-2 in 1,
der die Kolben in einer äußeren oder
offenen Position zeigt;
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3 ist
eine Ansicht entsprechend 2, die die
Kolben in der inneren oder geschlossenen Position in der Düsenkehle
zeigt;
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4 ist
eine teilweise aufgebrochene Seitenschnittansicht eines zweiten
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung; und
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5 ist
eine teilweise aufgebrochene Seitenschnittansicht eines dritten
Ausführungsbeispiels der
vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Gemäß 1 und 2,
die ein erstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, ist das Düsengehäuse 10 in
einer beliebigen geeigneten Weise mit einem Treibstoffgehäuse 12 verbunden,
wie beispielsweise einem Raketenmotorgehäuse, das einen Treibstoff (nicht
gezeigt) eines beliebigen geeigneten Typs enthält, wie beispielsweise Fest-
oder Flüssigtreibstoff.
Die Düse 10 und
das Treibstoffgehäuse 12 können aus
beliebigen geeigneten Materialien ausgebildet sein, und können jeden
gewünschten
Aufbau aufweisen. Das Düsengehäuse 10 definiert
eine Düse 14,
die eine Kehle (Hohlkehle) 16 hat. Im Betrieb strömen Verbrennungsgase
aus der Brennkammer 13, die durch den brennenden Treibstoff
erzeugt werden, durch die Düsenkehle 16 und
aus der divergierenden Düse 14 aus,
um Schub für
den Vortrieb des Raketenmotors oder vergleichbaren Gefährts bereit
zu stellen.
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Ein
Paar Kolben 18 sind gleitfähig in den Bohrungen 19 in
dem Düsengehäuse 10 in
der Nachbarschaft der Düsenkehle 16,
die jede beliebige gewünschte
oder geeignete Form haben kann, montiert. Die Bohrungen 19 können sich
in einer gegenüberliegenden
oder einer beliebigen anderen geeigneten Lage zueinander befinden.
Jeder Kolben 18 ist von einer im Wesentlichen gleichen
Größe wie die der
Düsenkehle 16 und
ist einzeln zwischen der offenen Position, die in 2 gezeigt
ist, und der geschlossenen Position, die in 3 gezeigt
ist, bewegbar. In dem Fall einer runden Düsenkehle 16 hätte jeder
Kolben 18 eine Breite oder einen Durchmesser, die/der dem
Durchmesser der Düsenkehle
gleich wäre.
In dem Fall einer Düsenkehle 16,
die eine andere Form als eine runde Form hat, hätte jeder Kolben 18 eine
Breite, die der Breite der Düsenkehle gleich
wäre, so
dass er in der Lage wäre,
diese im Wesentlichen zu verschließen, wenn er sich in der inneren
Position, die in 3 gezeigt ist, befände.
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Die
Kolben 18 können
in den Bohrungen 19 montiert sein für eine Bewegung im Wesentlichen quer
zu der Mittellinie der Düsenkehle
oder in einem anderen gewünschten
Winkel zu dieser.
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Jede
beliebige geeignete Betätigungseinheit kann
dazu verwendet werden, die Kolben 18 zwischen der offenen
Position der 2 und der geschlossenen Position
der 3 zu bewegen. Vorzugsweise werden Gas erzeugende
Zünder 20 verwendet,
um schnelle Bewegungen der Kolben 18 von der offenen Position
der 2 in die geschlossene Position der 3 zu
erwirken. Andere Betätigungseinheiten,
wie beispielsweise mechanische, elektromechanische, hydraulische
oder pneumatische Einheiten können
verwendet werden.
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1-3 veranschaulichen
das erste Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem eine doppelte Querschnittsteuerung
der Düsenkehle 16 erfolgt.
Anfangs sind die Kolben 18 in der offenen Position der 2.
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Nach
einer vorbestimmten Brenndauer des Treibstoffs in der Brennkammer 13 und
einer Verminderung des Drucks in der Brennkammer 13 werden Zünder 20 mit
einem beliebigen geeigneten Aufbau betätigt, um Gas zu erzeugen, um
die Kolben nach innen in die innere Position der 3 zu
bewegen, wobei sie den Strom der Verbrennungsgase durch die Düsenkehle 16 strikt
beschränken
und den Druck in der Brennkammer 13 erhöhen, um eine gleichmäßigere Verbrennung
des Treibstoffs und einen gleichmäßigeren Schub auf einem niedrigeren
Niveau als dem anfänglichen
Treibstoffschub zu erwirken.
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Die
Kolben 18 können
in jeder geeigneten Form oder Ausführung aus einem geeigneten
hitzebeständigen
Material wie beispielsweise Wolfram, so genanntem „carbon/carbon", beschichtetem so
genanntem „carbon/carbon", hitzebeständigem Metall oder
Hochtemperaturkeramik ausgebildet sein.
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4 veranschaulicht
ein zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das dem, das in den 1-3 gezeigt
ist, ähnlich
ist, mit der Ausnahme, dass das zweite Ausführungsbeispiel variable Betätigungseinheiten 120 für die Kolben 118 benutzt,
so dass die Kolben unabhängig
in die und aus der Düsenkehle 116 bewegt
werden können,
um variable Schubniveaus durch die Steuerung des Drucks in der Brennkammer 113 und
auch durch die Bewegung eines der Kolben in die Düsenkehle
an eine andere Position als der gegenüberliegende Kolben, Schubvektorsteuerung
zu erwirken. Die variablen Betätigungseinheiten 120 können jede
geeignete Ausbildung und Funktionsweise haben und können mechanische,
elektromechanische, hydraulische, pneumatische oder Gas erzeugende
Einheiten sein. Die variablen Betätigungseinheiten 120 sind
dazu konstruiert, die Kolben 118 unabhängig in jede gewünschte Position zwischen
der offenen Position von 2 und der im Wesentlichen geschlossenen
Position von 3 zu bewegen. Jede geeignete
Steuereinrichtung (nicht gezeigt) kann dazu verwendet werden, die
variablen Betätigungseinheiten 120 zu
betreiben.
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5 veranschaulicht
ein drittes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das dem in 4 gezeigten
dahingehend ähnlich
ist, dass die variablen Betätigungseinheiten
(Antriebsvorrichtungen) 220 dazu vorgesehen sind, die Kolben 218 unabhängig in
jede gewünschte
Position in der Düsenkehle 216 zwischen
der offenen Position, die in 2 gezeigt
ist, und der im Wesentlichen geschlossenen Position, die in 3 gezeigt
ist, zu bewegen, um eine Schubniveausteuerung und/oder eine Schubvektorsteuerung
zu erwirken.
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Das
dritte Ausführungsbeispiel
der 5 hat des weiteren eine Gaserzeugereinheit 222 eines
geeigneten Aufbaus, die an das Düsengehäuse 210 montiert
ist. Die Gaserzeugereinheit ist mit einem Auslassventil 224 verbunden,
das wiederum mit einem Rohr 226 verbunden ist, das sich
in die Brennkammer 213 erstreckt. In dieser Weise kann
ein Start-Neustart-Vorgang erwirkt werden. Wenn die anfängliche
Verbrennung des Treibstoffes in der Brennkammer 213 in
einer beliebigen geeigneten oder gewünschten Weise beendet wird,
um das so genannte „coasting" der Rakete oder
des sonstigen Gefährts durch
dessen eigene Bewegungsenergie zu erwirken, kann der Treibstoff
in der Brennkammer 213 nach einer vorbestimmten Dauer durch
Betätigen des
Gaserzeugers 222 neu gestartet werden, um heiße Gase
zu erzeugen, die durch das Auslassventil 224 und durch
das Rohr 226 in die Brennkammer 213 strömen, um
den Treibstoff in dieser erneut zu zünden. Nach der erneuten Zündung des Treibstoffes können die
Kolben 218 in der vorstehend beschriebenen Weise gesteuert
werden, um die Verbrennung des Treibstoffs, die Schubniveaus und
die Vektorsteuerung anzupassen.
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Wie
dies auch in 5 gezeigt ist, kann das dritte
Ausführungsbeispiel
zusätzlich
ein Druckrückmeldungssteuerungsmodul
(Druckrückführungs-Steuereinheit) 228 oder
desgleichen haben, das mit dem Druck in der Brennkammer 213 durch ein
Rohr 230 in Verbindung steht. Das Steuerungsmodul 228 ist
mit den variablen Betätigungsvorrichtungen 220 verbunden,
um diese gemäß dem Brennkammerdruck,
der durch das Steuermodul ermittelt wird, zu steuern.
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Aus
der vorangehenden Beschreibung ist es leicht ersichtlich, dass das
neue und verbesserte Steuergerät
für den
Düsenkehlenquerschnitt
einfach im Aufbau und verlässlich
im Betrieb ist, so dass es das Schubniveau durch die Beschränkung des Stroms
durch die Düsenkehle
zur Steuerung des Drucks in der Brennkammer wirkungsvoll steuern kann,
und auch den Schubvektorwinkel durch die unabhängige Bewegung der Kolben in
die Düsenkehle steuern
kann. Außerdem
können
die Kolben in eine im Wesentlichen geschlossene Position bewegt
werden, wobei sie den Strom durch die Düsenkehle weitgehend beschränken oder
maßgeblich
verhindern können.