DE69604650T2

DE69604650T2 - Schubrohre

Info

Publication number: DE69604650T2
Application number: DE69604650T
Authority: DE
Inventors: Robert Wood
Original assignee: Arc UK Limited
Current assignee: Arc UK Limited
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2016-02-16
Also published as: JPH11500202A; IL117141A0; EP0809755A1; DE69604650D1; GB9503069D0; EP0809755B1; WO1996025595A1; ZA961249B; IL117141A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schubrohr für mit Zweikomponententreibstoff betriebene Flüssigkeitsraketenmotore.
Konventionelle, mit Zweikomponententreibstoff betriebene Flüssigkeitsraketenmotore haben Schubrohre, in denen Kraftstoff und Sauerstoff zusammen reagieren. Die Reaktion zwischen den zwei Komponenten erzeugt Schub und sehr hohe Temperaturen, welche die Schmelztemperatur des Materials, aus dem die Rohre hergestellt sind, übersteigen kann oder die zu Korrosionsangriffen auf das Metall des Rohres während des Betriebes führt.
Um den Temperaturhöhepunkt zu senken, der von der Rohrwandung erreicht wird, wird oftmals die Kühlfilmtechnik angewandt. Bei dieser Technik werden die beiden Komponenten des Zweikomponententreibstoffs in vorbestimmter Weise in das Schubrohr eingeführt. Um eine Verbrennungsreaktion zu erzeugen, werden Kraftstoff und Sauerstoff beide durch eine Vielzahl von Düsenpaaren in einer Einspritzvorrichtung in das Schubrohr eingespritzt, wo sie zusammen reagieren, um Schub zu erzeugen. Gleichzeitig wird ein Bestandteil, üblicherweise der Kraftstoff, durch einen Ring von benachbart zur Schubrohrwand vorgesehenen Düsen eingespritzt, um einen thermischen Isolierfilm entlang der Rohrwand zu bilden und um den verbrennenden Zweikomponententreibstoff durch eine Kühlflüssigkeit und eine Gasschicht davon fernzuhalten.
Das Problem beim Kühlfilm besteht darin, daß sich mit zunehmendem Abstand von den Einspritzdüsen die Kraftstoffkomponente in unverbrannte, aber sehr aggressive Bestandteile zerlegt, die einen Korrosionsangriff auf die Wand des Verbrennungsrohres bis etwa in die Nähe der Drossel der Düse verursachen, wo der Korrosionsangriff dann aufhört. Der Grund für diese Einstellung des Angriffs besteht wahrscheinlich darin, daß die durch Zer setzung des Kraftstoffes erzeugten aggressiven Bestandteile infolge der ansteigenden Temperatur, die über die Länge des Rohres auftritt, an dieser Stelle vollständig verbrannt sind.
Das Korrosionsproblem ist in diesen Raketenschubrohren sehr ernst, die zum Ausbringen und zur räumlichen Anordnung von Raumfahrzeugen, wie z. B. Satelliten, ein relativ langes Leben erfordern und Korrosion zu einem vorzeitigen Ausfall des Schubrohres führen kann.
Ein weiterer Nachteil der Kühlfilmtechnik besteht in einer unwirtschaftlichen Verwendung der Kraftstoffkomponente. Die Möglichkeit, die so verwendete Menge der Kraftstoffkomponente zu reduzieren oder zu vermeiden, würde zu einer Zunahme der Lebensdauer eines Satelliten führen, z. B. um auf Station über mehr Kraftstoff zum Manövrieren zu verfügen oder um infolge des weniger mitgeführten Kraftstoffs eine Zunahme der Fahrzeugnutzlast zu erzielen oder um kleinere, billigere, aber verbesserte Schubmotore zu bauen.
Die US 4,882,904 beschreibt einen Raketenmotor, der ein Umlenkblech im Schubrohr aufweist, um die unverbrannte Kraftstoffkomponente des Kühlfilms in den Hochtemperaturverbrennungsbereich von Kraftstoff und Sauerstoff umzulenken, bevor er sich in aggressive Bestandteile zerlegen kann. Nachteile dieser Ausgestaltung sind, daß die Kühlung des Rohres stromabwärts vom Umlenkblech unzureichend sein kann, daß das Vorhandensein des Umlenkblechs selbst die Arbeitsleistung des Motors beeinträchtigt und eine Folge des Abreißens des Kühlfilms besteht darin, daß dem Raketenmotorkörper mehr Hitze zugeführt wird, was zur Dampfblasenbildung in der Kraftstoffversorgung der Einspritzvorrichtung führt und Verschleiß an mechanischen Bestandteilen, wie z. B. Kunststoffventilsitzen, verursacht.
Die US 4 917 968 versucht, einen Rohrwärmeschutz durch chemische Dampfabscheidung einer korrosionsresistenten Schicht, wie Iridium, auf ein hochtemperaturresistentes Material, wie Rheni um, bereitzustellen. Andere Materialien, wie hitzebeständige Oxide von Hafnium oder Zirconium können ebenfalls als Oberflächenschichten verwendet werden. Aber obwohl die Rheniumschicht bei hohen Temperaturen mechanisch sehr widerstandsfähig ist, ist sie sehr anfällig gegen Oxydation. Weiterhin wurde gefunden, daß die der Kühlfilmkraftstoffschicht ungeschützt ausgesetzte Iridiumoberflächenschicht anfällig gegen Korngrenzkorrosion durch die Kraftstoffzersetzungsprodukte, wie oben beschrieben, ist, was zu einem Verlust des Korngefüges an der Iridiumoberfläche und zu Korrosion führt und dadurch einen Angriff auf die darunterliegende Rheniumschicht erlaubt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest einen Rohrwärmeschutz anzugeben, der den korrodierenden Wirkungen der Zersetzungskomponenten des Kraftstoffkühlfilms und den hohen Temperaturen der Zweikomponententreibstoffverbrennung widerstehen kann.
Es ist eine weitere Aufgabe, die Wirkungsweise von Schubrohren zu verbessern.
Der vorliegende Erfindung zufolge ist ein Schubrohr für einen Flüssigkeitsraketenmotor vorgesehen, das umfaßt:
ein Hauptgehäusebauteil, das aus einem feuerfesten Material gebildet ist, wobei das Hauptgehäusebauteil eine erste Zone aufweist, die sich von wenigstens einer Stelle, bei der beim Betrieb die Erzeugung von Korrosionsmitteln beginnt, welche durch Zersetzung einer Kühlschicht des eingespritzten Kraftstoffs längs der Oberfläche der Schubkammer gebildet werden, zu einer Stelle erstreckt, bei der die Korrosionsmittel enden;
eine zweite Zone stromabwärts von der ersten Zone, wobei sich die zweite Zone durch und über einen Düsendrosselabschnitt in einen divergierenden Düsenabschnitt erstreckt;
wobei das feuerfeste Hauptgehäusebauteil eine Auskleidung bzw. einen Wärmeschutz aus einem unterschiedlichen Metall aufweist, wobei das Schubrohr dadurch gekennzeichnet ist, die Auskleidung bzw. der Wärmeschutz aus einer Legierung besteht, die eine Zusammensetzung in Gewichtsprozent in dem Bereich 40 Rhodium/60 Iridium bis etwa 60 Rhodium/40 Iridium aufweist, und daß die Auskleidung bzw. der Wärmeschutz sich im wesentlichen von wenigstens dem Anfang der ersten Zone durch den Drosselabschnitt der zweiten Zone in den divergierenden Düsenabschnitt erstreckt.
Vorzugsweise sind die erste und zweite Zone in Gestalt von Auskleidungen oder Wärmeschutz auf einem Hauptkörper oder einer Stützschicht, wie hitzebeständige Legierungen, welche für solche Anwendungsfälle benutzt werden und gut durch ihre mechanischen und stofflichen Eigenschaften gekennzeichnet sind, versehen. Folglich kann ein Raketenmotorschubrohr nach der vorliegenden Erfindung mit einem größeren Grad an Sicherheit hinsichtlich der Materialien hergestellt werden und erfordert weniger Hilfsmittel beim Testen und bei der Zulassung.
Vorzugsweise besteht die Rhodium/Iridium-Legierung aus einer Isolierung auf einer Stützschicht oder einer Isolierung innerhalb der Stützschicht oder des Hauptkörpers; die Stützschicht oder der Hauptkörper des Schubrohres kann ein hitzebeständiges Metall oder eine Metallegierung aufweisen. Am meisten ist bevorzugt, den Wärmeschutz oder die Stützschicht aus Bandmaterial herzustellen und auf der inneren Oberfläche des Hauptkörpers oder des Stützelementes durch den Einsatz von in der Metallurgie bekannten Metallbearbeitungs- und Verbindungstechniken aufzubringen.
Alternativ kann die Isolierung oder der Wärmeschutz auch durch verschiedene physikalische und/oder chemische Dampfabscheidungsmethoden aufgebracht werden. Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß durch die Verwendung solcher Techniken die anteiligen Mengen von Rhodium und Iridium, die in der Legierung enthalten sind, innerhalb der angegeben Auswahl über den Wärmeschutz variieren können, während gleichzeitig der gleiche stabile Überzug und Schutz des Schubrohres gewährleistet ist.
Ein Beispiel für eine Legierung, die besonders vorteilhaft für die Schutzschicht für ein Schubrohr nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, enthält ungefähr 55 Gewichts-% Rhodium und ungefähr 45 Gewichts-% Iridium.
Um die vorliegende Erfindung besser verständlich zu machen, werden nun Beispiele nur zur Verdeutlichung mit Hinweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von einem Schubrohr nach einer ersten Ausführungsform eines Raketenmotors der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 2 eine schematische Temperaturkurve in Abhängigkeit von der Position innerhalb des Schubrohres von Fig. 1.
Es wird nun auf die Figuren Bezug genommen, in denen die gleichen Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Ein schematischer Querschnitt eines Schubrohres für einen Raketenmotor ist allgemein mit 10 bezeichnet. Das Rohr weist eine Einspritzvorrichtung 12 an einem Ende des Rohres auf, die Einspritzvorrichtung weist Düsen 14 in einem zentralen Bereich auf, durch die Zweikomponententreibstoff, der Kraftstoff und Sauerstoff enthält, für die Verbrennung zugeführt wird, sowie Düsen 16 auf dem äußeren Umfang der Einspritzvorrichtung zur Zufuhr eines Umfangvorhangs von Kraftstoff allein benachbart zur Innenwand, um einen Kühlfilm auf der Innenwand 18 des Rohres zu erzeugen. Das Rohr weist ein aus einer feuerfesten Metallegierung bestehendes Hauptgehäusebauteil 20 und einen Wär meschutz 22 auf, der an der inneren Oberfläche 24 des Rohres anhaftet. Der Wärmeschutz 22 weist zwei Hauptelemente auf; eine erste Zone, die sich von nahe der Einspritzvorrichtung 12 durch einen parallelen Bereich des Rohres bis zu einer Stelle 30 erstreckt, und eine zweite Zone 32, die sich durch eine Drossel 34 des Rohres bis zum Ende einer divergierenden Düse 36 erstreckt.
Im Betrieb steigt die Temperatur der inneren Wand 18 von dem Ende mit der Einspritzvorrichtung bis zur Düse 36 in der in Fig. 2 schematisch dargestellten Weise an. Durch den Kühlfilm des Vorhangs aus Rohkraftstoff, der durch die Einspritzdüsen 16 zugeführt wird, wird verhindert, daß die Temperatur der inneren Wand so heiß würde, als wenn dies nicht der Fall wäre. Die Kraftstoffkühlflüssigkeit zersetzt sich durch die Verbrennungshitze des Zweikomponententreibstoffs im Kern des Rohres und in einem Bereich, der durch den Pfeil bei 40 angedeutet ist, ein Stück stromabwärts von der Einspritzvorrichtung 12, und die Zersetzungsprodukte des Kraftstoffs fangen an, den Iridiumwärmeschutz, der in früheren Schubrohren verwendet wurde, anzugreifen.
In der vorliegenden Erfindung besteht der Wärmeschutz 22 vollständig aus einer Legierung, die von ca. 60 Gewichts-% Rhodium/40 Gewichts-% Iridium bis ca. 40 Gewichts-% Rhodium/60 Gewichts-% Iridium aufweist und von der Nähe der Einspritzvorrichtung 12 bis zum Ende der Düse 36 reicht. Das Vorhandensein einer erheblichen Menge von Rhodium zumindest im Bereich 40 bewirkt, solchen Angriffen auf die Oberfläche vorzubeugen. Die durch die Zersetzung der Kraftstoffkühlflüssigkeit erzeugten Zersetzungsprodukte existieren in dem Schubrohr während des Betriebes bis ungefähr kurz vor den mit 30 bezeichneten Bereich. In diesem Bereich ist die Temperatur deutlich erhöht, wie in Fig. 2 gezeigt, so daß die Zersetzungsprodukte aus der Zersetzung des Kraftstoffs infolge der höheren Temperatur in diesem Bereich selbst verbrannt sind. In Abwesenheit der Zer setzungsprodukte, aber unter dem Einfluß der höheren Temperatur dient das Vorhandensein einer erheblichen Menge von Iridium, welches eine höhere Temperaturbeständigkeit als Rhodium aufweist, im Material des Wärmeschutzes vom Gebiet 30 stromabwärts davon, dazu, den Einwirkungen der höheren Temperatur zu widerstehen, die von der Zweikomponententreibstoffverbrennung verursacht wird.
Eine Legierung, die mit besonderem Vorteil für den Wärmeschutz verwendet wird, umfaßt ca. 55 Gewichts-% Rhodium/45 Gewichts-% Iridium. Das Herstellungsverfahren ist im wesentlichen das gleiche wie unter Hinweis auf Fig. 1 beschrieben.
Legierungen, die Rhodium und Iridium in der beschriebenen Art aufweisen, haben genügend Widerstand, um den Zersetzungsprodukten der Kraftstoffkühlflüssigkeit zu widerstehen und einen ausreichenden thermischen Widerstand für die beim Betrieb erreichten Temperaturen.

Claims

1. Schubrohr (10) für einen Flüssigkeitsraketenmotor, wobei zu dem Schubrohr gehören:

ein Hauptgehäusebauteil (20), das aus einem feuerfesten Material gebildet ist, wobei das Hauptgehäusebauteil eine erste Zone (28) aufweist, die sich von wenigstens einer Stelle (40), bei der beim Betrieb die Erzeugung von Korrosionsmitteln beginnt, welche durch Zersetzung einer Kühlschicht des eingespritzten Kraftstoffes längs der Oberfläche der Schubkammer gebildet werden, zu einer Stelle (30) erstreckt, bei der die Korrosionsmittel enden;

eine zweite Zone (32) stromabwärts von der ersten Zone, wobei sich die zweite Zone durch und über einen Düsendrosselabschnitt (34) in einen divergenten Düsenabschnitt (36) erstreckt;

wobei das feuerfeste Hauptgehäusebauteil (20) eine Auskleidung bzw. einen Wärmeschutz (22) aus einem unterschiedlichen Metall aufweist, wobei das Schubrohr dadurch gekennzeichnet ist, daß die Auskleidung bzw. der Wärmeschutz aus einer Legierung besteht, die eine Zusammensetzung in Gew.-% in dem Bereich 40 Rhodium/60 Iridium bis etwa 60 Rhodium/40 Iridium aufweist, und daß die Auskleidung bzw. der Wärmeschutz sich im wesentlichen von wenigstens dem Anfang (40) der ersten Zone durch den Drosselabschnitt (34) der zweiten Zone in den divergierenden Düsenabschnitt (36) erstreckt.

2. Schubrohr nach Anspruch 1, bei dem das unterschiedliche Material aus einer physikalisch oder chemisch aus der Dampfphase niedergeschlagenen Auskleidung auf dem Hauptgehäusebauteil (20) besteht.

3. Schubrohr nach Anspruch 1, bei dem das unterschiedliche Material eine parasite Wärmeschutzlegierung ist, die auf das Hauptgehäuseteil (20) durch ein metallurgisches Verfahren aufgebracht und mit diesem verbunden ist.

4. Schubrohr nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem die Auskleidung bzw. der Wärmeschutz eine Zusammensetzung auf weist, die in Gew.-% etwa 55 Rhodium/45 Iridium besitzt.