DE69630274T2 - Schubrohr einer Rakete - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft Expansionszyklus-Raketentriebwerke (expander cycle rocket engines) und insbesondere rohrförmige Schubkammern für derartige Maschinen.
  • Raketentriebwerke, beispielsweise solche, wie sie bei Raumfahrtmissionen verwendet werden, sind kostspielig zu konstruieren und herzustellen. Außerdem besteht ein kontinuierliches und ansteigendes Bedürfnis nach Raketen, die für mehrmaliges Zünden geeignet sind, um Nutzlasten in den Weltraum oder in erdnahe Umlaufbahnen zu tragen. Hersteller derartiger Raketentriebwerke suchen konstant nach neuen Wegen, die Haltbarkeit der Bauteile zu erhöhen, die derartige Triebwerke aufweisen.
  • Ein derartiges Bauteil ist die Raketenschubkammer, in der die Treibmittel des Raketentriebwerks verbrannt und beschleunigt werden. Wegen der extrem hohen Temperaturen der sich durch die Schubkammer bewegenden Treibmittel müssen die Wände der Schubkammern bei den Anwendungen gekühlt werden, die mehrmaliges, andauerndes Triebwerkbrennen benötigen. Bei Expansionszyklus-Raketentriebwerken wird ein derartiges Kühlen typischerweise bewirkt, indem man ein Kühlmittel, beispielsweise flüssigen Wasserstoff, durch Rohre oder Kanäle strömen lässt, die die innere Oberfläche der Schubkammer bilden. Der flüssige Wasserstoff verdampft in Folge des Wärmeübertrags, wird durch eine Turbopumpe expandiert und wird dann der Brennkammer der Maschine zugeführt.
  • Ein typisches Expansionszyklus-Raketentriebwerk kühlt die Kammer/Düsenkomponenten mit der gesamten Triebwerk-Treibstoffströmung, und die durch den Kühlprozess aufgenommene Energie liefert die Kraft zum Antreiben der Turbopumpen. Die durch diesen Zyklus ausgebildete, relativ günstige Turbinenumgebung führt zu Gewichts-, Kosten- und Zuverlässigkeitsvorteilen gegenüber anderen Zyklen (i. e. Gasgenerator, gestufte Verbrennung). Das Eliminieren des Vor-Brenners und der korrespondierenden Leitungen erhöht diese Vorteile weiter. Expansionszyklus-Triebwerke haben niedrigere Druckanforderungen an die Turbopumpe(n) als Triebwerke mit gestufter Verbrennung und ein höheres Leistungspotenzial als Gasgeneratorzyklen. Jedoch muss ein wesentliches Technologieproblem beim Erreichen des wahren Potenzials des Expansionszyklus-Triebwerks (d.h. höchster Schub in der Einhüllenden mit den geringsten Abmessungen) angesprochen werden: Um die bestmögliche Leistung zu erzielen und dabei die Zuverlässigkeit und die geringen Kosten der Expansionskonstruktion beizubehalten, muss die Wärmeaufnahme von der Verbrennungskammer maximiert werden für maximale Kraft an die Antriebturbinen.
  • Die Einfachheit des Expansionszyklus-Triebwerks bietet die Fähigkeit, die Kosten des Transports von Nutzlast in den Orbit zu senken. Die Verbesserung der Leistung des Systems durch Zunahme im Kammerdruck und gleichzeitiges Beibehalten der gleichen dimensionalen Einhüllenden ist höchst wünschenswert. Triebwerke heutiger Generation sind in ihrer Fähigkeit zum Erhöhen des Kammerdrucks begrenzt in Folge des geringen Wärmeübertrags, der durch die Materialien geleistet wird, und der Konstruktion der Brennkammer. Die Entwicklung einer Brennkammer, welche den Kammerdruck erhöht und mehr Leistung liefert und dabei Zuverlässigkeit und Arbeitsfähigkeit beibehält, ist ein Schlüssel zum Voranbringen der Fähigkeit des Expansionstriebwerks.
  • Heutige Raketenschubkammern für Expansionszyklus-Triebwerke sind aus rostfreien Stahlmaterialien gebildet. Diese Materialien sind nur für niedrige Kammerdruckanwendungen (etwa 4,83 MPa absolut (700 psia)) geeignet wegen Beschränkungen bei dem Wärmeübertrag. Kupferlegierungen können signifikante Zunahmen bei den Kammerdrücken erlauben wegen deren signifikant höherer thermischer Leitfähigkeit. Indem man von der signifikant höheren thermischen Leitfähigkeit des Kupfers profitiert, kann die zu Verfügung stehende Wärme zum Antreiben der Turbopumpen eines Expansionszyklus-Triebwerks ausreichend erhöht werden, um Kammerdruckniveaus bis zu 10,3 MPa absolut (1500 psia) zu ermöglichen. Momentane Schubkammern, die Kupfer als das Material der heißen Seite nutzen, wie in dem bei dem Space Shuttle verwendeten Haupttriebwerk, erfahren Haltbarkeitsprobleme wie beispielsweise Durchbrennen der Auskleidung, Kupfer Weichglühen (blanching) und heiße Streifen (hot streaks).
  • Wie der Fachmann leicht erkennen wird, sind die Schubkammern-Raketentriebwerke, die während einer Mission mehrere Brennphasen durchlaufen, einem Versagen in Folge von thermisch induzierter Ermüdung ausgesetzt. Das kann in der Schubkammer an Positionen auftreten, an denen die Verbindung inadäquat war oder an Stellen, wo die thermische Expansion und Kontraktion eine zykllische Verformung verursacht und ein Bauteil ermüdet. Ein Beispiel einer Schubkammer ist in US-Patent Nr. 3 208 132 an Escher gezeigt, das eine Raketenkammer beschreibt, die durch das Ausbilden von Kühlmittelströmungspassagen zwischen zwei Blechen durch ein Explosions-Verformverfahren hergestellt ist. Die verformten Bleche müssen anschließend miteinander verschweißt oder verlötet werden, um einzelne Strömungspassagen zu bilden, und die Integrität dieser Nähte ist schwierig zu inspizieren.
  • Das US-Patent Nr. 3 595 025 an Stockel et al. beschreibt einen anderen Typ von Schubkammerauskleidung mit Nuten, die Kühlkanäle bilden, wenn sie mit einem Strukturmantel zusammengepasst sind. Kühlmittel, welches in diesen Kanälen strömt, behindert den Wärmeübertag von den Verbrennungsprodukten auf den Strukturmantel, was zu einer minimalen thermischen Ausdehnung des Mantels während des Triebwerkbrennens führt. Im Gegensatz dazu kommt es zu einer substanziellen thermischen Ausdehnung an der den Verbrennungsprodukten exponierten Auskleidungsoberfläche. Diese thermische Ausdehnung, verbunden mit der minimalen Ausdehnung des Mantels, bewirkt, dass sich die radial innere Oberfläche der Auskleidung biegt und die Oberfläche gebogen bleibt, bis das Triebwerk zu brennen aufhört. Wenn das Triebwerk abgeschaltet wird, kühlt die Auskleidung, und die Verbiegung der Oberfläche der Auskleidung wird aufgehoben. Das zyklische Verbiegen und Zurückbiegen der Auskleidungsoberfläche, das sich aus häufigerem Brennen eines derartigen Triebwerks ergibt, kann die Auskleidung bis zu dem Versagen ermüden.
  • Benötigt wird eine Raketenschubkammer, die einfach inspiziert werden kann, die einen Wärmeübertrag mit Übertragsraten schafft, die genügend Energie liefern können, um Kammerdruckniveaus bis zu 10,3 MPa absolut (1500 psia) zu ermöglichen, und die den durch die thermische Ausdehnung und Kontraktion, die durch mehrmaliges Triebwerkbrennen hervorgerufen werden, induzierten Spannungen widerstehen kann.
  • Weitere Rohranordnungen sind in DE-C-43 01 041 (gegenüber der der Anspruch 1 abgegrenzt wurde), EP-A-0374382 und J. M. Kazaroff et al. "Advanced Tube-Bundle Rocket Thrust Chambers", in Journal or Propulsion and Power, Vol. 8, Nr. 4, 1. Juli 1992, Seiten 786–791 beschrieben.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Schubkammer für ein Ausdehnungszyklus-Raketentriebwerk bereitgestellt, welche eine vorbestimmte Anzahl N von Rohren konzentrisch um eine Zentralachse aufweist, wobei die Rohre ein Rohrbündel definieren, in dem jedes Rohr einen Sektor-Winkel α überspannt, der gleich 360°/N ist, wobei jedes der Rohre zwei von den Rohren unmittelbar benachbart ist, wobei jedes der Rohre eine erste und eine zweite im Wesentlichen planare Seitenwand und eine erste Abschlusswand, die im Wesentlichen "U-förmig" im Querschnitt ist und sich von der ersten Seitenwand zu der zweiten Seitenwand erstreckt, aufweist, wobei die erste Seitenwand radial von der zweiten Seitenwand divergiert und so einem Divergenzwinkel β zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand definiert, wobei der Divergenzwinkel für jedes Rohr größer ist als der Sektor-Winkel, wobei der radial innere Bereich einer jeden ersten Seitenwand und der radial innere Bereich der dieser unmittelbar benachbarten zweiten Seitenwand einen Kanal definieren, wobei das Rohr des Rohrbündels radial innerhalb eines ringförmigen Strukturmantels angeordnet ist, der um die Zentralachse konzentrisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rohr eine zweite Abschlusswand hat, die radial von der ersten Abschlusswand außerhalb beabstandet ist, die im Wesentlichen "U-förmig" im Querschnitt ist und sich von der ersten Seitenwand zu der zweiten Seitenwand erstreckt, und dass der radial äußere Bereich einer jeden ersten Seitenwand mit dem radial äußeren Bereich der dieser unmittelbar benachbarten zweiten Seitenwand verlötet ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definieren die Rohre ein Rohrbündel, welches eine Einlassebene, eine Einschnürungsebene und eine konvergente Verbrennungskammer dazwischen hat, wobei die Einlassebene und die Einschnürungsebene rechtwinklig zu einer Referenzachse sind. Der Konvergenzbereich eines jeden Rohrs erstreckt sich zwischen der Einlassebene und der Einschnürungsebene.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
  • 1 ist eine Schnittansicht des Strukturmantels der Raketenschubkammer der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Schnittansicht der Rohre der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie 2-2 von 1 genommen ist; und
  • 3 ist ein vergrößerter Schnitt, der entlang der Linie 3-3 von 2 genommen ist.
  • Ein Strukturmantel 10 einer Raketenschubkammer für ein Expansionszyklus-Raketentriebwerk ist in der 1 mit einer Mittellinienachse 50, die dort hindurch definiert ist, gezeigt. Der ringförmige Strukturmantel 10 ist um die Achse 50 konzentrisch und befindet sich radial außerhalb davon und weist eine Mehrzahl von Einlass-Verteilereinrichtungsöffnungen 50, die radial ein Ende 12 des Mantels 10 umgeben, und eine Mehrzahl von Sammeleinrichtung-Austrittsöffnungen 13 auf, die radial das entgegengesetzte Ende 14 des Strukturmantels 10 umgeben. In Folge seiner strukturellen Art ist der Mantel 10 vorzugsweise aus einem hoch festen Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt.
  • Eine vorbestimmte Anzahl N von Rohren 15 ist konzentrisch um die Achse 50 und radial innerhalb des Mantels 10 relativ zur Achse 50 angeordnet. Die Rohre 15 sind zu einer Gestalt geformt, welche sich an das gewünschte axiale Profil des Strukturmantels 10 anformt, wie in 2 gezeigt ist. Die Rohre 15 sind vorzugsweise aus einem hoch leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung, hergestellt. Jedes Rohr 15 ist in dem Strukturmantel 10 angeordnet, so dass sich das Rohr 15 axial entlang dem Strukturmantel 10 erstreckt. Ein Ende 18 eines jeden Rohrs 15 kommuniziert mit einer Einlassverteilereinrichtung (nicht gezeigt) durch eine der Einlassöffnungen 11, und das andere Ende 19 kommuniziert mit einer Auslasssammeleinrichtung (nicht gezeigt) durch eine der Auslassöffnungen 13. Die Rohre 15 definieren ein Bündel 20, welches eine Einlassebene 22, eine Einschnürungsebene 24 und eine konvergente Verbrennungskammer 26 dazwischen hat. Wie in 1 gezeigt, sind die Einlassebene 22 und die Einschnürungsebene 24 rechtwinklig zur Achse 50, und jedes Rohr 15 hat einen Konvergenzbereich, der sich zwischen der Einlassebene 22 und der Einschnürungsebene 24 erstreckt.
  • Wie in 2 gezeigt, überspannt jedes Rohr 15 in einem Sektor-Winkel α, der gleich 360°/N ist. Der Konvergenzereich 28 eines jeden Rohrs 15 weist eine erste Seitenwand 30 und eine zweite Seitenwand 32 auf, die beide im Wesentlichen planar sind. Die erste Seitenwand 30 befindet sich in beabstandeter Relation zu der zweiten Seitenwand 32 und divergiert von dieser radial und definiert so einen Divergenzwinkel β zwischen der ersten Seitenwand 30 und der zweiten Seitenwand 32. Der Konvergenzbereich 28 eines jeden Rohrs 15 weist ferner eine erste Abschlusswand (34) und eine zweite Abschlusswand 36 auf, von denen jede integral mit der ersten und mit der zweiten Seitenwand 30, 32 ist. Die erste Abschlusswand 34 ist im Wesentlichen. "U-förmig" im Querschnitt, wie in 2 gezeigt, und die erste Abschlusswand 34 erstreckt sich von der ersten Seitenwand 30 zu der zweiten Seitenwand 32 entlang der gesamten Länge des Rohrs 15. Die zweite Abschlusswand 36, die vorzugsweise im Wesentlichen im Querschnitt "U-förmig" ist, ist radial außerhalb von der ersten Abschlusswand relativ zur Achse 50 beabstandet und erstreckt sich von der ersten Seitenwand 30 zu der zweiten Seitenwand 32. Der Divergenzwinkel β eines jeden Rohrs 15 ist größer als der Sektor-Winkel α, und der Divergenzwinkel β ist so, dass das spezielle Lotmaterial, welches zum Verbinden der Rohre 15 gewählt ist, nicht zu der ersten Abschlusswand 34 ausfließen oder herausgezogen wird, wie nachfolgend beschrieben.
  • Es wird auf 3 Bezug genommen. Dieses Rohr 15 ist unmittelbar zwei anderen Rohren 15 benachbart, und da der Divergenzwinkel (3 größer als der Sektor-Winkel α ist, ist der radial innere Bereich einer ersten Seitenwand 30 in beabstandeter Relation zu der gegenüber liegenden zweiten Seitenwand 32 des unmittelbar diesem benachbarten Rohrs 15. Somit definieren der radial innere Bereich 40 der ersten Seitenwand 30 und der radial innere Bereich 40 der zweiten unmittelbar dieser benachbarten Seitenwand 32 einen Kanal 42. Im Gegensatz ist der radial äußere Bereich 44 einer jeden ersten Seitenwand 30 mit dem radial äußeren Bereich 44 der zweiten Seitenwand 32 des diesem unmittelbar benachbarten Rohrs 15 vorzugsweise mit einem Lotmaterial 46 verbunden.
  • Das Rohrbündel 20 kann hergestellt werden, indem jedes Rohr 15 mit einem Lotmaterial 46, beispielsweise einer Kupferlegierung, mit einer Schmelztemperatur, die niedriger ist als die des Materials, aus dem die Rohre 15 hergestellt sind, beschichtet wird. Unter Verwendung einer Halterung, die mit einem Trennmittel beschichtet ist, welches für das spezielle Lotmaterial 46 geeignet ist, können die Rohre 15 positioniert werden, um das Rohrbündel 20 zu bilden und dann den Löttemperaturen ausgesetzt werden. Wenn das Lotmaterial schmilzt, fließt es in die Kanäle 42 zwischen unmittelbar benachbarten Rohren 15, oder es wird dort "dochtähnlich" hineingezogen. Da jedoch der radial innere Bereich 40 einer jeden Rohrseitenwand 30 von dem radial inneren Bereich 40 der dazu unmittelbar gegenüber liegenden Seitenwand 32 divergiert, hört das Lotmaterial 46 gut kurz vor den ersten Abschlusswänden der Rohre 15 auf, zu fließen. Damit ist, wenn die Rohre 15 und die Halterung auf Umgebungstemperatur zurück gebracht sind, das Ergebnis ein Rohrbündel 20, wie vorangehend beschrieben. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass ein derartiges Rohrbündel 20 leicht inspiziert werden kann, um zu bestimmen, ob jedes der Rohre 15 entlang seiner gesamten Länge mit jedem der dazu unmittelbar benachbarten Rohre 15 verlötet ist.
  • Im Anschluss an das Löten des Rohrbündels 20 wird der Strukturmantel darum herum vorzugsweise durch ein Plasmasprühen von rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Material auf die radial äußeren Oberfläche des Rohrbündels geformt, so dass jede der zweiten Abschlusswände 36 mit der inneren Oberfläche des Mantels 10 verbunden ist. Wie der Fachmann leicht erkennen wird, beinhaltet das Dampfplasma-Sprühverfahren das Anordnen des Rohrbündels 20 in eine Unterdruckkammer und das Aufsprühen von geschmolzenem Metall auf die radial äußere Oberfläche davon und das Verbinden mit dieser Oberfläche, um einen Strukturmantel 10 zu bilden. Dieses Verfahren ist gegenüber anderen bekannten Verfahren zum Herstellen eines Strukturmantels bevorzugt, weil es effektiv die Spalte zwischen benachbarten Rohren 15 radial außerhalb des Lotmaterials füllt und so das Inspizierbarkeits-Problem eliminiert, das bei maschinell hergestellten Strukturmänteln inhärent ist, und wesentlich schneller ist, als den Mantel durch ein Elektroplattierverfahren durch Elektroformen herzustellen. Eine so hergestellte Kombination aus Rohrbündeln und Mantel resultiert in einer Schubkammer, bei der der Strukturmantel mit der zweiten Abschlusswand eines jeden Rohrs 15 mit diesem entlang der gesamten Länge davon verbunden ist, die zu diesem unmittelbar benachbart sind.
  • Während des Triebwerkbetriebs wärmt das Brennen des Triebwerks die radial nach innen gerichtete Oberfläche des Rohrbündels 20 auf und bewirkt eine thermische Ausdehnung der ersten Abschlusswand 34 eines jeden Rohrs 15. Jedoch erfahren in Folge der Grenzschichteffekte und des Wärmeübertrags auf den Treibstoff die Seitenwände 30, 32 nur eine minimale thermische Ausdehnung. Wie der Fachmann leicht erkennen wird, verringert die thermische Ausdehnung der ersten Abschlusswände 34 den Abstand zwischen unmittelbar benachbarten ersten Abschlusswänden 34, bewirkt jedoch nicht, dass sich die ersten Abschlusswände 34 so signifikant biegen, wie das beim Stand der Technik auftrat, da die radial nach innen gerichteten Bereiche 40 der Seitenwände 30, 32 frei sind, sich zu verbiegen, um die Ausdehnung der ersten Abschlusswände 34 aufzunehmen. Folglich führt beim Abschalten des Triebwerks und beim Kühlen der Schubkammer die thermische Kontraktion der ersten Abschlusswände 34 zu minimaler thermischer Spannung, verglichen mit Expansionszyklus-Schubkammern des Stands der Technik. Ein mehrfaches Brennen erzeugt ähnliche thermische Expansions- und Kontraktionsexkursionen, die signifikant weniger Spannung und Dehnung in den Rohren 15 erzeugen als das Verbiegen und Zurückbiegen der Auskleidungen von Schubkammern des Stands der Technik mit flachen inneren Wänden, die der Brennkammerflamme ausgesetzt sind.
  • Die rohrförmige Konfiguration der vorliegenden Erfindung liefert einen erhöhten Wärmeübertrag, verglichen mit glattwandigen gefrästen Kanälen oder plattenartigen Konstruktionen wegen der erhöhten Fläche der Oberflächen der Rohre 15. Die ersten Abschlusswände liefern bis zu 40% mehr Oberflächen-Fläche oder 15% mehr an effektiver Wärmeübertragsfläche (nachdem Grenzschichteffekte berücksichtigt sind) gegenüber glattwandigen Konstruktionen für eine äquivalente Kammerlänge. Die rohrförmige Konstruktion liefert auch verbesserte Druckabfallcharakteristika gegenüber rechtwinkligen Kanalkonstruktionen. Die natürliche Druckkesselgestalt der Rohre 15, kombiniert mit dem Verbinden von benachbarten Rohren 15, nur an dem radial äußeren Bereich einer jeden Seitenwand der Rohre 15 schafft eine Konstruktion, die auf Wärmespannungen bei niedrigeren Dehnungsniveaus reagieren kann als die Schubkammern des Stands der Technik, und so wird eine Expansionszyklus-Raketenschubkammer mit einem höheren Kammerdruck bereitgestellt als der des Stands der Technik, und eine solche Schubkammer, die für mehrfaches Brennen während eine Mission in der Lage ist, ohne Versagen in Folge von thermisch induzierter Ermüdung.
  • Somit liefert die vorliegende Erfindung zumindest in der dargestellten Ausführungsform eine Raketenschubkammer, die sichere, leicht inspizierbare Rohre und Verbindungen zwischen benachbarten Kühlmittelrohren liefert und die den durch thermische Expansion und Kontraktion, die durch mehrfaches Triebwerkbrennen induziert werden, besser widerstehen kann als die Schubkammern des Stands der Technik.

Claims (3)

  1. Schubkammer für eine Expansionszyklus-Raketenmaschine, aufweisend eine vorbestimmte Anzahl, N, von Rohren (15) konzentrisch um eine Zentralachse (50), wobei die Rohre ein Rohrbündel (20) definieren, in dem jedes Rohr einen Sektor-Winkel α überspannt, der gleich 360°/N ist, wobei jedes der Rohre (15) zwei der Rohre unmittelbar benachbart ist, wobei jedes der Rohre (15) eine erste und eine zweite, im Wesentlichen planare Seitenwand (30, 32) und eine erste Abschlusswand (34), die im Wesentlichen "U-förmig" im Querschnitt ist und sich von der ersten Seitenwand (30) zu der zweiten Seitenwand (32) erstreckt, aufweist, wobei die erste Seitenwand (30) radial von der zweiten Seitenwand (32) divergiert und so einen Divergenzwinkel (3 zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand definiert, wobei der Divergenzwinkel für jedes Rohr größer ist als der Sektor-Winkel, wobei der radial innere Bereich (40) einer ersten Seitenwand (30) und der radial innere Bereich (40) der unmittelbar dieser benachbarten zweiten Seitenwand (32) einen Kanal (42) definieren, wobei das Rohr des Rohrbündels radial innerhalb einer ringförmigen Strukturummantelung angeordnet ist, die um die Zentralachse (50) konzentrisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rohr (15) eine zweite radial außerhalb von der ersten Abschlusswand beabstandete Abschlusswand (36) hat, die im Querschnitt im Wesentlichen "U-förmig" ist und sich von der ersten Seitenwand (30) zu der zweiten Seitenwand (32) erstreckt, und dass der radial äußere Bereich (44) einer jeden ersten Seitenwand (30) an den radial äußeren Bereich der dieser unmittelbar benachbarten zweiten Seitenwand (32) gelötet ist.
  2. Schubkammer nach Anspruch 1, wobei das Rohrbündel (20) eine Einlassebene (22), eine Einschnürungsebene (24) und eine konvergente Brennkammer (26) dazwischen hat, wobei die Einlassebene und die Einschnürungsebene rechtwinklig zu einer Referenzachse sind.
  3. Schubkammer nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Rohr (15) aus einem kupferhaltigen Material hergestellt ist.
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