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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet automatischer Vorrichtungen, und insbesondere
Ampullen mit Startkraftstoff, die in der Hauptleitung einer der Brennstoffkomponenten
am Einlaß zum
Mischkopf einer Brennkammer oder eines Gasgenerators für die chemische
Zündung
von Brennstoffkomponenten angeordnet sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
sind technische Lösungen
bekannt, bei denen Sicherheits- und
Startventile mit zerbrechbaren Membranen verwendet werden (US-Patent
Nr. 3704807, NPC 220-89, veröffentlicht
1972, GB-Patentanmeldung Nr. 1138885, NPC F2V, veröffentlicht 1969).
Bei diesen technischen Lösungen
zerbricht die Membran unter der Einwirkung von Druck auf das Medium.
Diese Konstruktionen bieten nicht die Möglichkeit, einen Konstantströmungsabschnitt
für das Medium
zu gewährleisten,
wenn die Membran zerbricht.
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Es
ist eine Ampulle mit Startkraftstoff zum Zünden der Brennstoffkomponenten
von Flüssigbrennstoff-Raketenmotoren
bekannt, die einen Körper
mit einem Einlaß und
einem Auslaß sowie
zwei Membranelemente, deren Membranen hermetisch entlang des Umfangs
in dem Körper
von der Einlaß- und
der Auslaßseite
befestigt sind, umfaßt
(das Buch "Liquid-Propellant Rocket
Engine Design and Engineering",
herausgegeben von G. G. Gakhun, Moskau, Maschinostroenie, 1989,
Seite 75, 4.5). Bei diesem bekannten
Ampullendesign werden Membranelemente mit zerbrechbaren Membranen
verwendet.
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Bei
dieser technischen Lösung
wird eine Membran unter der Einwirkung des Drucks eines Mediums
zerbrochen, und ein Durchbiegen der Membran (wodurch sich der Strömungsabschnitt öffnet) geschieht
infolge des darauf einwirkenden Druckabfalls, der insbesondere durch
die Strömungsrate
der Flüssigkeit
bestimmt wird. Wenn die Strömungsrate der
Flüssigkeit
und dementsprechend der auf die Membran einwirkende Druckabfall
gering sind, so kann es sein, daß die Membran zunächst nur
teilweise bricht und sich dann in einem willkürlichen Ausmaß durchbiegt.
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Angesichts
der Tatsache, daß nach
dem Brechen der Membran die Membran oder ihre Teile eine unbestimmte
und instabile Position bei unterschiedlichen Strömungsraten einnehmen, gewährleistet
eine solche Bauweise keine stabilen hydraulischen Eigenschaften.
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Das
ist besonders dann wichtig, wenn die Ampullen in parallelen Hauptleitungen
eines Mehrkammer-Flüssigbrennstoff-Raketenmotors
angeordnet werden, wo es notwendig ist, eine exakt identische Verteilung
der Strömungsraten
entlang dieser Hauptleitungen nach dem Brechen von Membranen zu
gewährleisten.
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Abriß der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung einer Ampulle mit Startkraftstoff,
die nicht mit den oben genannten Nachteilen behaftet ist und eine
Verbesserung der Qualität
der Zufuhr des Startkraftstoffs gewährleistet.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist des weiteren die Bereitstellung einer
Ampulle mit Startkraftstoff, die während des Befüllens mit
Startkraftstoff eine hermetische Abdichtung zur Umgebung herstellt.
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Das
technische Ergebnis aus der Verwendung der vorgeschlagenen Erfindung
besteht darin, daß ein
zuverlässiges
und gleichmäßiges Brechen der
Membran entlang des Umfangsrandes gewährleistet wird, ohne daß sie sich
infolge der Flüssigkeitsströmung ablöst oder
ihre Ausrichtung verliert, und daß für den Strömungsabschnitt der Ampulle nach
dem Brechen der Membranen durch den hohen Druck des Mediums, aber
bei niedriger Strömungsrate,
stabile hydraulische Eigenschaften gewährleistet werden.
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Das
oben genannte Ergebnis wird mit einer Ampulle mit Startkraftstoff
zum Zünden
der Brennstoffkomponenten von Flüssigbrennstoff-Raketenmotoren
erreicht, wobei die Ampulle folgendes umfaßt: einen zylindrischen Körper mit
einem Einlaß von einer
Seite und einem Auslaß von
einer anderen Seite, zwei Membranelemente, die in dem Körper von den
Seiten des Einlasses bzw. des Auslasses eingesetzt sind, wobei jedes
der Membranelemente eine Membran enthält, die entlang des Umfangs
hermetisch mit dem Körper
abschließt,
wobei die Membran durch das Arbeitsmedium zerbrochen werden kann, wobei
die Ampulle gemäß der Erfindung
Mittel zum Befüllen
des Körpers
mit dem Startbrennstoff umfaßt und
jedes der Membranelemente einen Kolben mit einem Schaft und eine
Führungsbuchse
mit Befestigungsmitteln umfaßt,
wobei eine Membran in jedem Membranelement die Form einer Ringbrücke aufweist,
der Kolben mit der Membran verbunden ist und der Kolbenschaft in
der Führungsbuchse
gelagert ist, wobei sich der Kolben in einer Längsrichtung bewegen kann.
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Dabei
ist die Führungsbuchse
vorzugsweise koaxial zum Körper
angeordnet und im Körper
mittels Rippen befestigt.
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Des
weiteren bestehen die Mittel zum Befüllen des Körpers vorzugsweise aus zwei
Blindflanschen – zum
Befüllen
und zum Ablassen -, die in einem Trennabschnitt, der senkrecht zur
Längsachse des
Körpers
zwischen den Membranelementen ange ordnet ist, in Kanälen zum
Befüllen
bzw. zum Ablassen, die in dem Trennabschnitt ausgebildet sind und
mit der Außenseite
des Körpers
in strömungsmäßiger Verbindung
stehen, montiert sind, wobei jeder Blindflansch die Form eines Gewindestopfens
aufweist, in dem sich ein Loch befindet, das dazu dient, eine Strömungsverbindung
zwischen dem Kanal und dem Innenraum des Körpers und eines Dichtungsstopfens
herzustellen, welcher mit einer Dichtung versehen ist, wobei der
Dichtungsstopfen in dem Kanal angeordnet ist und mit einer Mutter
zum Befestigen des Dichtungsstopfens versehen ist.
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In
einer der Ausführungsformen
ist ein Federschloß in
der Führungsbuchse
angeordnet, und am Schaft ist eine Ringnut ausgebildet, in der während der
Bewegung des Kolbens das Federschloß positioniert werden kann.
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Des
weiteren kann der Schaft hohl sein, wobei sein Raum mit dem Innenraum
des Körpers
ab der Vorderseite des Schaftes gegenüber dem Kolben in strömungsmäßiger Verbindung
steht und, und in der Schaftwand sind Löcher ausgebildet, die am Kolbenboden,
der mit dem Schaft verbunden ist, angeordnet sind.
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Und
des weiteren ist die Dicke einer Membran an ihrer Verbindungsstelle
zum Kolben vorzugsweise kleiner als die Dicke der Membran an ihrer
Verbindungsstelle zum Körper.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine Ampulle.
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2 zeigt
einen Querschnitt entlang der Linien II-II und II-II (gedreht) von 1,
der durch den Blindflansch zum Befüllen (Ablassen) gelegt wurde.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Eine
Ampulle (1) umfaßt einen Körper 1 mit einem Einlaßabzweigrohr 2 und
einem Auslaßabzweigrohr 3 der
Membranelemente 4 und 5, die in dem Körper 1 angeordnet
sind, und ein Mittel 6 zum Befüllen des Körpers mit Startkraftstoff.
Jedes der Membranelemente 4 und 5 umfaßt einen
Kolben, der einstückig
mit einer Membran 8 hergestellt sein kann oder bei dem
die Membran 8 hermetisch abdichtend an seiner Außenseite
angebracht ist. Der Kolben 7 ist in einem Führungselement 9 des
Körpers
mittels einer Gleitpassung gelagert. Ein peripherer Abschnitt der
Membran 8 ist hermetisch abdichtend an dem Körper 1 unter
dem Führungselement 9 befestigt.
Der Kolben 7 ist mit einem Schaft 10 verbunden,
der zylindrisch oder in jeder anderen Form hergestellt sein kann
und in einer Führungsbuchse 11 gelagert
ist. Die Führungsbuchse 11 wird
mittels Rippen 12 an dem Körper 1 der Ampulle
gehalten. Die Führungsbuchse 11 hat
ein Federschloß 13,
das beispielsweise in der Form eines Sprengrings ausgebildet ist,
und der Schaft 10 weist eine Ringnut 14 auf. Wenn
das Membranelement in Funktion tritt, so begrenzt das Federschloß 13 die
Bewegung des Schaftes 10. In dem Schaft 10 sind
Löcher 15 ausgebildet,
um den Druck des Gases aus der Stagnationszone während des Befüllens der
Ampulle zu verringern. Von der Seite des Einlasses 2 her
ist die Membran 8 dünn
in Form einer Ringbrücke 16 ausgebildet,
die während der
Interaktion mit dem Arbeitsmedium auf einem Durchmesser D zerbrochen
werden kann. Der Durchmesser D wird etwas kleiner als der Durchmesser des
Kolbens 7 gewählt.
An der Verbindungsstelle zwischen der Membran 8 und dem
Kolben 7 ist die Membran 8 mit einer geringeren
Dicke ausgebildet, um Kratzer zu vermeiden, wenn der Kolben 7 sich
in dem Führungselement 9 des
Körpers 1 bewegt.
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Das
Mittel 6 zum Befüllen
des Körpers
mit Startkraftstoff ist in die Ampulle eingesetzt. Dieses Mittel
ist in dem Trennabschnitt 1 des Körpers 1 angeordnet
und besteht aus zwei Blindflanschen – einem Befüllungsblindflansch 18 und
einem Auslaßblindflansch 19 -,
die in einem Befüllungskanal 20 bzw.
einem Auslaßkanal 21 angeordnet
sind. Jeder der Blindflansche hat einen Gewindestopfen 22,
einen Dichtungsstopfen 23, eine Dichtung 24 und
eine Mutter 25. Der Gewindestopfen 22 ist mit
einem Strömungsratenloch 26 versehen.
Das Befüllen
der Ampulle mit Startkraftstoff vollzieht sich folgendermaßen. Die
Gewindestopfen 22 werden auf die zusammengesetzte Ampulle
geschraubt, bevor die Muttern 25 und die Dichtungsstopfen 23 montiert
werden, aber nicht so weit wie möglich,
dergestalt, daß ein Öffnen des
Strömungsabschnittes
des Befüllungskanals 20 und
des Auslaßkanals 21 durch
das Loch 26 gewährleistet
ist. Die Ampulle wird mit dem Startkraftstoff befüllt, der
durch den Befüllungskanal 20 in
den Innenraum des Körpers
zwischen den Membranelementen 4 und 5 und dann
durch den Auslaßkanal zum
Ablassen geleitet wird. Nach dem Befüllungsvorgang wird die Ampulle
fertiggestellt. Die Gewindestopfen 22 werden so weit wie
möglich
aufgeschraubt, woraufhin der Startkraftstoff vor dem Gewindestopfen 22 des
Befüllungsblindflansches 18 und
hinter dem Gewindestopfen 22 des Auslaßblindflansches 19 ausgelassen
wird. Danach werden die Dichtungsstopfen 23, die Dichtungen 24 und
die Muttern 25 an ihren Platz gebracht. Nun ist die Ampulle zum
Einbau in das Raketentriebwerk bereit. Es ist zu beachten, daß in dem
Innenraum der Ampulle in dem Körper 1 zwischen
den Membranen 8 infolge des Zusammenbaus und des Befüllens der
Ampulle ein Gaskissen entsteht. Das Vorhandensein eines Gaskissens
unterstützt
die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit
der Ampulle während
ihrer Lagerung und fördert
eine effiziente Beschleunigungsbewegung des Kolbens 8,
wenn der Druck des Mediums am Ampulleneinlaß wirkt.
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Die
Dicke der Membran 8 wird so gewählt, daß sie an ihrer Verbindungsstelle
zum Kolben 7 kleiner als an ihrer Verbindungsstelle zum
Körper 1 mit der
Bildung einer Ringbrücke 16 ist.
Dies verhindert nicht nur Kratzer, sondern es wird außerdem möglich, beim
Brechen der Membran 8 eine Beschleunigungsbewegung des
Kolbens 7 über
eine Distanz A des Führungselements
des Körpers
zu gewährleisten, weil
zwischen dem Kolben 7 und der Führung 9 ein zweckmäßiger Spalt
eingestellt wurde.
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Die
Vorrichtung arbeitet in der folgenden Weise.
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Wenn
von der Seite des Einlaßes
her eine Hochdruckkomponente auf das Membranelement 4 oder 5 einwirkt,
so findet ein Durchbiegen der Membran 8 mit anschließender Zerstörung entlang
des Kreises D statt. Wenn die Zerstörung der Membran 8 nicht
gleichmäßig erfolgt
und sich ein Dichtungsversagen einstellt, so fällt der Druck vor dem Kolben 7 infolge
des Vorhandenseins eines Drosselungsschlitzes, der durch das Führungselement 9 des
Körpers und
durch den Kolben 7 gebildet wird, nicht ab. Der Kolben
bewegt sich weiter, und nach der kompletten Zerstörung der
Membran 8 beschleunigt er. Eine beschleunigte Bewegung
des Kolbens 7 wird durch das Vorhandensein einer Kraft
gewährleistet,
die aus einem Abfall der Drücke
herrührt,
welche auf die Oberfläche
wirken, die durch den Durchmesser D bestimmt wird. In der einfachsten
Interpretation wird die Beschleunigung gemäß dem dritten Gesetz der Mechanik
gewährleistet
und ist gleich einer Kraft, geteilt durch die Masse sich bewegender
Teile.
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Die
Distanz "A", über die
hinweg der Kolben beschleunigt, und der Spalt zwischen dem Kolben 7 und
dem Führungselement 9 des
Körpers
werden so gewählt,
daß ein
garantiertes Abtrennen der Membran 8 um den gesamten Umfang
herum gewährleistet ist,
daß die
erforderliche Verzögerung
des Öffnens des
Strömungsabschnitts
der Hauptleitung nach dem Abtrennen der Membran 8 gewährleistet
ist, und daß die
Beschleunigung des Kolbens 7 gewährleistet ist, die für die Betätigung des
Federschloßes 13 erforderlich
ist. Die Abmessungen der Brücken
der Membranen 8 wurden anhand theoretischer Berechnungen und
technisch ermittelt, infolge dessen ein Druck festgelegt wurde,
der die Zerstörung
einer Brücke
der Membran 8 gewährleistete.
Das heißt
zum Beispiel, wenn D = 40 mm und A = 6 mm und wenn die Membran aus
chromlegierter Bronze hergestellt ist, so wird die axiale Abmessung
der Brücke
einer Membran 8 als 0,3 ±0,02 mm gewählt, und
der Brückzerstörungsdruck
ist 50 ±10
kgf/cm2.
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Dann
wird der Schaft 10, der sich stromabwärts bewegt, durch das Federschloss 13 fixiert.
Die hydraulischen Eigenschaften des offenen Membranelements 4 und/oder 5 werden
mit hoher Genauigkeit reproduziert, da sich in dem Komponentenstrom
keine Strukturelemente mit einer unbestimmten Position finden.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
vorgeschlagene Ampulle kann am erfolgreichsten in der Hauptleitung
einer der Brennstoffkomponenten am Einlaß zum Mischkopf der Brennkammer
oder des Gasgenerators zur chemischen Zündung der Brennstoffkomponenten
verwendet werden.