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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Raketentriebwerke und insbesondere
auf die Ausführung
einer Brennkammer für
Flüssigtreibstoffraketentriebwerke.
Die Erfindung kann bei der Herstellung von Flugzeugtriebwerken und
bis zu einem gewissen Ausmaß in
der Wärmetechnik
verwendet werden.
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Hintergrund
der Erfindung
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Im
Stand der Technik ist eine geschichtete Düse für ein Festbrennstoffraketentriebwerk
bekannt (US-Patent mit der Nummer 3 648 461), in welcher die innere
Isolierschicht auf der Seite des Feuerhohlraums wärmeabsorbierend
(ablativ) oder nicht wärmeabsorbierend
(nicht ablativ) sein kann. Diese technische Lösung ist nachteilig, wegen
der Probleme, die mit ihrer effektiven Implementierung in der Herstellung
von regenerativ gekühlten
Kammern von Flüssigtreibstoffraketentriebwerken
(LRE: liquid-fuel rocket engines) verbunden sind.
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Das
bekannte Wissen umfasst ebenso die Verwendung von Beschichtungen
in Verkleidungen von LRE-Brennkammern, wie durch die Offenbarung von
LRE-Brennkammern
belegt wird, in welcher die Wirkung von thermischen Strömungen dadurch
minimiert wird, dass ihre Wände
mit keramischen wärmeisolierenden
Beschichtungen geschützt
werden (Enzyklopädie „Cosmonautics", Hauptherausgeber V.
P. Glushko, M, 1985, S. 153).
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Die
Beschreibung von dieser Ausführung
offenbart nicht die Werkstoffe der Beschichtungen, welche mit spezifischen
Kammern verwendet werden, weshalb es nicht klar ist, wie ein annehmbares
Ausmaß der
Gebrauchsdauer von spezifischen Brennkammern erreicht wird, welche
mit Sauerstoff-Kerosin-Treibstoffkomponenten
arbeiten. Es werden jedoch Daten für eine LRE- Brennkammer zur Verfügung gestellt, welche einen
Hochtemperatureinsatz aus Molybdän
mit einer Schutzbeschichtung aus Zirkon(di)oxid aufweist.
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Der
nächstliegende
Stand der Technik der vorliegenden Erfindung ist ein Brennkammergehäuse eines
Flüssigtreibstoffraketentriebwerks,
umfassend eine Brennkammer; eine Düse, bestehend aus Unterschall-
und Überschallabschnitten
mit einer äußeren Strukturverkleidung
(Strukturhülle)
und einer inneren Feuerwand, welche eine äußere mit Rippen versehene Oberfläche aufweist;
und einen Kanal zur regenerativen Kühlung, welcher zwischen der
gesagten Strukturverkleidung und der gesagten Feuerwand ausgebildet
ist, wobei die erstere aus Stahl oder einer Nickellegierung hergestellt
ist, und die Letztere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt
ist („Liquid-fuel
Rocket Engine Design and Engineering", herausgegeben von Professor G. G. Gakhun
et al., M, 1989, Seiten 101–111, 6.1).
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In
dieser Ausführung
weist die innere Oberfläche
einer Strukturverkleidung aus Stahl der Brennkammer eine Schutzbeschichtung
auf, und die Rippen eines inneren Mantels aus Bronze der Kammer sind
galvanisiert.
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Siehe
ebenso das Dokument des Standes der Technik US-A-3 439 502.
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Die
bekannte Ausführung
stellt jedoch nicht immer das geforderte Ausmaß der Gebrauchsdauer der LRE-Kammer
zur Verfügung
und erfordert nicht selten zusätzliche
Maßnahmen,
um die thermische Stabilität
der Wand der Brennkammer zu verbessern.
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Aufgaben der
Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile
dadurch auszuräumen,
dass ein haltbareres Gehäuse
der LRE-Brennkammer mit hohem Schub für Sauerstoff-Kerosin zur Verfügung gestellt
wird.
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Der
technische Vorteil, welcher aus der Bewältigung von dieser Aufgabe
resultiert, besteht in der Verlängerung
der Gebrauchsdauer des Brennkammergehäuses und hieraus folgend der
Brennkammer selber und des Flüssigtreibstoffraketentriebwerks
als ein Gesamtes, infolge der Vergrößerung der thermischen Stabilität der inneren
Feuerwand in dem LRE-Brennkammergehäuse, insbesondere wenn das
Triebwerk mit dem zweiphasigen Treibstoff (bipropellant) Sauerstoff-Kerosin
betrieben wird. Die vorgenannte Beschichtung, welche in dem Bereich des
Düsenhalses
aufgebracht ist, verbessert die thermische Stabilität der Feuerwand
in diesem kritischen Bereich.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das LRE-Brennkammergehäuse, welches
eine Brennkammer; eine Düse,
bestehend aus einem Unterschall- und einem Überschallabschnitt mit einer äußeren Strukturverkleidung
und einer inneren Feuerwand, welche innerhalb von der gesagten Strukturverkleidung
angeordnet ist und aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt
ist, umfasst; und wobei ein Kanal zur regenerativen Kühlung zwischen
der gesagten Strukturverkleidung und der gesagten inneren Feuerwand
ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche der
gesagten inneren Feuerwand mit einer Metallbeschichtung versehen
ist, welche aus zwei Schichten besteht und zwischen den Unterschall-
und Überschallabschnitten
der Düse
in dem Bereich ihres Halses über
einer Länge
von nicht weniger als das 0,3-fache des Düsenhalsdurchmessers in der
Längsrichtung
angeordnet ist, wobei die erste Schicht der gesagten Beschichtung
aus 50 Mikrometer bis 1000 Mikrometer dickem Nickel besteht, und die
zweite Schicht der gesagten Beschichtung, welche auf der Nickelschicht
angeordnet ist, aus 10 Mikrometer bis 500 Mikrometer dickem Chrom
besteht. Die Dicke von der Metallbeschichtung in jedem spezifischen
Triebwerk hängt
von der Gebrauchsdauer des Triebwerks ab, der Zusammensetzung der Verbrennungsprodukte
in der Brennkammer und von den Strömungsparametern des Gases.
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Die
Brennkammer kann mit einer inneren Nickelbeschichtung versehen sein,
welche in der Dicke von 50 Mikrometer bis 1000 Mikrometer reicht.
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Die äußere Strukturverkleidung
(Strukturhülle)
kann aus Stahl oder einer Nickellegierung hergestellt sein.
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Die
innere Feuerwand des Gehäuses
kann ferner mit der vorgenannten geschichteten (in Schichten angeordneten)
Beschichtung über
der gesamten Länge
der Wand versehen sein, wobei die erste Schicht aus Nickel und die
zweite Schicht aus Chrom ausgeführt
ist.
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Das
offenbarte Brennkammergehäuse
kann ebenso für
einen Betrieb auf Basis von anderen chemisch aktiven Komponenten
von Raketentriebwerktreibstoff verwendet werden, wie zum Beispiel
Wasserstoff, Fluor, Salpetersäure,
asymmetrisches Dimethylhydrazin und andere Produkte, welche in der Raketentechnik
weit verbreitet verwendet werden.
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Eine
der Ausführungen
der vorliegenden Erfindung verwendet eine 50 Mikrometer bis 1000
Mikrometer dicke Nickelbeschichtung auf einem Teil einer Feuerwand
in der Brennkammer auf der Seite des Feuerhohlraums (fire cavity),
wobei der Rest der Gehäusewand
aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eine geschichtete Beschichtung
wenigstens im Bereich des Düsenhalses über eine
Länge von
nicht weniger als dem 0,3-fachen des Durchmessers des Halses in
der Längsrichtung
trägt,
wobei die erste Schicht der gesagten geschichteten Beschichtung
50 Mikrometer bis 1000 Mikrometer dickes Nickel ist, und die zweite
Schicht der gesagten geschichteten Beschichtung 10 Mikrometer bis
500 Mikrometer dickes Chrom ist.
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Diese
besondere Ausführung
des LRE-Brennkammergehäuses
ist billiger und leichter herzustellen als das betrachtete Gehäuse, bei
welchem die gesamte Feuerwand der Brennkammer eine geschichtete
Beschichtung aufweist, die aus einer Nickelschicht und einer Chromschicht
besteht, wie oben dargestellt worden ist.
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Eine
weitere Ausführung
der vorliegenden Erfindung stellt eine andere Ausführung des
Bereiches des Brennkammergehäuses
in dem Überschallabschnitt
der Düse
auf der Abströmseite
dar. Anders als die vorhergehende Ausführung, welche eine Strukturverkleidung
aus Stahl oder einer Nickellegierung und eine innere Feuerwand aus
Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer geschichteten Metallbeschichtung
und einer gerippten äußeren Oberfläche vorsieht,
verwendet diese Ausführung
einen Bereich der inneren Feuerwand aus Stahl oder einer Nickellegierung
ohne jegliche Beschichtung auf der Seite des Feuerhohlraums. Der Überschallabschnitt der
Düse des
Brennkammergehäuses
auf der Abströmseite
kann ebenso in der Form einer wärmebeständigen Metallummantelung
ausgeführt
sein, welche gleichzeitig als eine innere Feuerwand dient. Er kann
ebenso aus einem wärmebeständigen Nichtmetallwerkstoff
hergestellt sein. In beiden Fällen
gibt es keine Notwendigkeit, Beschichtungen auf den Abströmbereich
der Überschalldüse auf der
Seite des Feuerhohlraums aufzubringen.
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Noch
ein weiterer Vorteil der letzteren Ausführung liegt in einer Verminderung
der spezifischen Menge von Metall pro Struktur (Bauteil) des Brennkammergehäuses und
dementsprechend in einer Verminderung der Herstellungskosten.
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Ein
besseres Verständnis
der vorgenannten Vorteile und der Natur der vorliegenden Erfindung wird
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ihrer vorzuziehenden
Ausführungen
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erreicht werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die 1 stellt
das Brennkammergehäuse mit
einer geschichteten Beschichtung in dem Bereich des Düsenhalses
dar.
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2 stellt
den vergrößerten Bereich
A dar, welcher in den 1 und 3 bis 5 in
einem kleineren Maßstab
dargestellt ist.
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Die 3 stellt
das Brennkammergehäuse mit
einer geschichteten Beschichtung auf der inneren Feuerwand der Düse dar.
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Die 4 stellt
das Brennkammergehäuse mit
einer geschichteten Beschichtung auf der inneren Feuerwand des gesamten
Gehäuses
dar.
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Die 5 stellt
das Brennkammergehäuse mit
einer Nickelbeschichtung auf der inneren Feuerwand der Brennkammer
und mit einer geschichteten Beschichtung auf der inneren Feuerwand
des Hauptabschnittes der Düse
dar.
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Die 6 stellt
den vergrößerten Bereich
B dar, welcher in der 5 in einem kleineren Maßstab dargestellt
ist.
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Beschreibung
der vorzuziehenden Ausführungen
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Die 1 zeigt
einen Teil der Brennkammer 1 (über der Länge L1)
und einen Teil der Düse 2 (über der
Länge L2). Die Düse 2 umfasst
einen Unterschallabschnitt 3 (gezeigt über der Länge L3)
und einen Überschallabschnitt 4 (gezeigt über der
Länge L4), wobei II-II den Düsenhals darstellt und d den
gesagten Halsdurchmesser darstellt. Der Überschallabschnitt der Düse 4 besteht
aus einem Einlassbereich 5 (gezeigt über der Länger L5)
und einem Auslassbereich 6 (gezeigt über der Länge L6).
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Die
zuvor aufgelisteten Komponenten des Brennkammergehäuses formen
die äußere Strukturverkleidung
(Strukturhülle)
und die innere Feuerwand der Brennkammer, wobei die gesagte Verkleidung und
die gesagte Feuerwand einen Kanal zur regenerativen Kühlung ausbilden.
Die äußere Strukturverkleidung
ist aus Stahl oder einer Nickellegierung hergestellt, und die innere
Feuerwand ist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt.
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In
dem Bereich des Querschnittes II-II des Düsenhalses ist der Bereich 7 der
internen Feuerwand auf der Seite des Feuerhohlraums mit einer geschichteten
Beschichtung versehen, welche weiter unten mit Bezug auf die 2 beschrieben
wird. Dieser Bereich erstreckt sich über nicht weniger als 0,3 Halsdurchmesser
in der Längsrichtung
(Länge
L7). Eine kleinere Länge der Beschichtungen ist
in dieser Ausführung
nicht möglich,
weil eine nackte Feuerwand in Brennkammern mit einer verlängerten
Gebrauchsdauer anfällig
gegenüber
Abbrand (Burnouts) ist.
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In
der 2, welche den Bereich A (in der 1 angedeutet)
in größerem Maßstab darstellt, bezeichnet
die Ziffer 8 die äußere Strukturverkleidung,
die Ziffer 9 die innere Feuerwand und die Ziffer 10 den
Kanal zur regenerativen Kühlung.
Die geschichtete Beschichtung ist auf der inneren Feuerwand 9 aus
Kupfer oder einer Kupferlegierung auf der Seite des Feuerhohlraums
der Brennkammer aufgebracht. Die Dicke einer ersten Nickelschicht 11 von
dieser Beschichtung reicht von 50 Mikrometer bis 1000 Mikrometer,
und die einer zweiten Chromschicht 12 von 10 Mikrometer
bis 500 Mikrometer.
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Die 3 zeigt
die Ausführung
des LRE-Brennkammergehäuses
mit einer geschichteten Beschichtung auf der Seite der inneren Feuerwand der
Düse. Die
Ausführung
des Gehäuses
in dieser Ausführung
ist vollständig
identisch zu der Ausführung,
welche in der 1 dargestellt ist, mit der Ausnahme,
dass die geschichtete Beschichtung der Düse hier im Unterschallabschnitt 3 auf
der Seite des Feuerhohlraums aufgebracht ist, und in dem Überschallabschnitt
in dem Bereich 5 auf der Einlassseite. Die Beschichtungseigenschaften
sind dieselben wie in der ersten Ausführung (1), aber
ihre Position ist hier abweichend, weil die Beschichtung in dem
gesagten Bereich 5 aufgebracht ist, welcher durch die axialen
Größen L3 und L5 gebildet
wird, wie in den 1 und 3 gezeigt
ist. Die Beschichtungen werden oben mit Bezug auf die 2 beschrieben.
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Die 4 zeigt
eine Gehäuseausführung mit einer
geschichteten Beschichtung auf der inneren Feuerwand des Gehäuses, das
heißt
der Brennkammer 1 und der Düse 2 (die Beschichtung
ist auf den Oberflächen
aufgetragen, welche durch die axialen Größen L1 und
L2 definiert werden, wie in den 1 und 4 gezeigt
ist). Die Ausführung
des Gehäuses
ist ähnlich
zu derjenigen, welche in der 1 dargestellt
ist. Die Beschichtungen werden oben mit Bezug auf die 2 beschrieben.
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In
den Gehäuseausführungen,
welche in den 1, 3 und 4 dargestellt
sind, ist die äußere Strukturverkleidung
aus Stahl oder einer Nickellegierung hergestellt, wohingegen die
innere Feuerwand aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (zum Beispiel
Bronze) hergestellt ist. Die geschichtete Beschichtung, welche auf
den Gehäusen
aufgebracht ist, wird oben mit Bezug auf die 2 beschrieben.
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Die
Ausführung,
welche in der 5 dargestellt ist, weicht von
denjenigen, welche in den 1, 3 und 4 dargestellt
sind, darin ab, dass die innere Feuerwand eines Bereiches des Überschallabschnitts 13 der
Düse auf
der Auslassseite (über der
Länge L6 in den 1 und 5)
aus Stahl oder einer Nickellegierung hergestellt ist. Dieser Bereich weist
keine Beschichtung auf. Die Beschichtung der Düse in dem Unterschallabschnitt 3 und
in dem Bereich des Überschallabschnittes
auf der Seite des Einlasses 5 (das heißt über den Längen L3 und
L5 in den 1 und 5)
ist ähnlich
zu den Beschichtungen, welche in der 2 gezeigt
sind und mit Bezug darauf beschrieben worden sind.
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Die
innere Feuerwand in der Brennkammer 1 auf der Seite des
Feuerhohlraumes (das heißt über der
Länge L1) ist mit einer Nickelbeschichtung versehen,
die 50 Mikrometer bis 1000 Mikrometer dick ist. Der Bereich B der
Beschichtung (siehe die 5) ist in der 6 in
größerem Maßstab dargestellt.
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In
der Ausführung,
welche in der 6 dargestellt ist, umfasst die
Strukturverkleidung 8 die innere Feuerwand 9,
welche mit Rippen und Schlitzen (in den Figuren nicht gezeigt) versehen
ist, die den Kanal 10 zur regenerativen Kühlung ausbilden.
Die innere Feuerwand 9 weist eine Nickelbeschichtung 11 auf,
welche in dem vorhergehenden Absatz beschrieben worden ist.
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Bezeichnenderweise
kann der Überschallabschnitt
der Düse
auf der Auslassseite in der Form einer wärmebeständigen Metallverkleidung (Metallhülle) ausgeführt werden,
welche gleichzeitig die Funktion einer inneren Feuerwand aufweist.
Dieser Teil der Verkleidung kann zum Beispiel aus Molybdän oder einem
wärmebeständigen Nichtmetallwerkstoff hergestellt
werden, in welchen Fällen
er keinerlei Beschichtung benötigt.
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Die
Dickenwerte der Beschichtungen in den Ausführungen, welche in den 2 und 6 dargestellt
sind, sind optimal. Kleinere Dickenwerte neigen dazu, die Wirksamkeit
der Beschichtungen zu vermindern, wohingegen größere Beschichtungen komplexere
Herstellungsverfahren und -techniken erfordern, welche häufig unter
dem wirtschaftlichen Gesichtspunkt nicht praktikabel sind.
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Neben
den Beschichtungen, welche in den 2 und 6 dargestellt
sind, ist es ferner möglich,
zusätzliche
Beschichtungen aufzubringen, zum Beispiel im Hinblick darauf, einen
mechanischen Schaden an der Hauptbeschichtung und an der inneren
Feuerwand des Gehäuses
zu vermeiden. Solche Beschichtungen sind jedoch für die vorgeschlagene Ausführung von
geringer Bedeutung.
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Es
ist es wert, festzuhalten, dass die Brennkammer nicht notwendigerweise
zylindrisch sein braucht. Sie kann konisch, birnenförmig oder
von jeder anderen Form sein.
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Der
Kanal zur regenerativen Kühlung
kann verschiedene Formen aufweisen, und seine Einlass- und Auslassbereiche
können
an verschiedenen Orten angeordnet sein. Die Brennkammer kann innere geschlitzte
Komponenten zum Kühlen
(Gassiebgürtel/gas
screen belts) umfassen, welche mit dem hydraulischen Kanal in Verbindung
stehen.
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Typischerweise
zeigen die Querschnitte des Brennkammergehäuses, welche in der Längsrichtung
ausgeführt
sind, Unterschiede in der Form und den Größen der Kühlkanäle, den äußeren Strukturverkleidungen
und den inneren Feuerwänden.
Aus Gründen
der Vereinfachung wurden jedoch in einer Anzahl von Querschnitten
der Bereiche A und B, welche die vorzuziehenden Ausführungen
darstellen, solche Unterschiede als unwesentlich für die Essenz der
vorliegenden Erfindung ignoriert.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Das
beanspruchte Brennkammergehäuse für Flüssigtreibstoffraketentriebwerken
ist primär
für Brennkammern
hohen Schubes von Sauerstoff-Kerosin-Flüssigraketentriebwerken
ausgeführt.