DE973448C - Heisswasserrakete, insbesondere Starthilfe fuer bemannte oder unbemannte Flugkoerper - Google Patents

Description

• Heißwasserrakete, insbesondere Starthilfe für bemannte oder unbemannte Flugkörper Es sind Vorschläge bekannt, Wasserraumspeicher für Wasserdampf nach dem Prinzip der Ruthsspeicher dadurch unmittelbar als Raketenantriebe zu verwenden, daß der bei Druckentlastung des Wasserraumpeichers entstehende und ausströmende Wasserdampf einen schnellen Alassenstrahl bildet, dessen Reaktion ohne weiteres als Antriebskraft benutzt wird.
• Wegen der gegenüber üblichen Verbrennungsraketen mäßigen Ausströmgeschwindigkeiten von nur etwa 400 bis IOOO m/Sek. ist der Atassenverbrauch pro Antriebseinheit zwar mehrfach höher, der zum vorherigen Aufheizen des Wassers benötigte Brennstoftverbrauch pro Antriebseinheit jedoch niedriger als bei Verbrennungsraketen, so daß derartige Heißwasserraketen bei manchen Anwendungen wirtschaftlich überlegen sein können.
• Man hat sie daher besonders als Starthilfen und Steighilfen für bemannte und unbemannte Fluggeräte, als Energiequellen für Injektorwindkanäle und ähnliche Verwendungszwecke in Erwägung gezonen, wo gegenwärtig die wesentlich teureren Feststoffraketen (Pulverraketen, Asphaltraketen usw.) oder Flüssigkeitsverbrennungsraketen (Salpetersäureraketen usw.) benutzt werden.
• Die obengenannten Auströmgeschwindigkeiten bei der Entspannung des überhitzten ; Wassers während des Durchströmens einer Ausdußöffnung bzw. lavaldüse vom Kesel auf den niedrigen Umgebungsdruck setzen voraus, daß während des Ausströmvorganges sich jederzeit wenigstens angenähertthermodynamisches Gleichgewichtzwischen der flüssigen und dampfförmigen Phase des Arbeitsmediums einstellt.
• Beim fast stationären Ausströmvorgang senkt sich der Druck im überhitzten Wasser aber erst nach dem Eintritt in die Ausströmöffnung und während des Durchströmens derselben so wesentlich ab, daß im thrmodynamischen Gleichgewichtsfalle mit entsprechend hoher Dampfausscheidung gerechnet werden könnte.
• Die Durchströmzeiten der Ausströmöffnung bzw. Lavaldüse liegen für ein einzelnes Wasserpartikel in der Größenordnung von tausendstel Sekunden.
• Wegen des bekannten Phänomens des Siedeverzuges überhitzter Flüssigkeiten besteht daher die Neigung, daß sich innerhalb solch kurzer Ausströmzeiten kein thermodvnamischesGleichgewicht zwischen flüssiger und dampfförmiger Phase des ausströmenden Alediums 5 einstellt, sondern daß zunächst Dampf mit wesentlich höherem Wassergehalt die Ausströmöffung verläßt, als dem Gleichgewicht entsprechen würde, diese Wasser dampfmasse daher aud mit merkbar geringerer Ausströmgeschwindigkeit und entsprechend geringerem Impuls die Ausströmdüse verläßt und sich erst außerhalb der Ausströmdüse und damit nutzlos für den Raketenschub auf das dem niedrigen Außendruck entsprechende Gleichgewicht durch zusätzliche Dampfabscheidung einstellt.
• In diesem Fall wird also im wesentlichen ein Wasserpfropfen aus der Rakete mit geringer Geschwindigkeit und mit geringem Schub ausgestoßen, in ähnlicher Weise: wie man dies mitunter beim Öffnen einer Champagnerflasche beobachtet.
• Obwohl die Erscheinung des Siedeverzuges an sich bekannt ist, wurde inhrer Bedeutung für den Ausströmvorgang an einer Heißwasserraktet nicht genügend Rechnung getragen. So wurde zwar bereits empfohlen. den Siedeverzug dadurch aufzuheben, daß man dem Wasser einen großen Anreiz zum Ausdampfen gibt. Zu diesem Zweck sollte das Wasser beim Eintritt in die Düse durch Wirbelkörper mechanisch be+ Ablösung mit starker Turbulenz zerrissen werden. Silan nahm jedoch an, sobald der Vorgang der Verdampfung einmal eingeleitet worden sei, daß das weitere Ausdampfen in kürzester Zeit vor sich ginge; auch wurde angenommen, daß die Bestimmung des engsten Querschnittes einer Düse für ein Dampfwassergemisch in gleicher Weise vorgenommen werden könne wie die Berechnung- einer reinen Dampfdüse.
• Bei einem anderen früheren Vorschlag für eine Heißwasserrakte ist ein mit Flüssigkeit von Siedetemperatur gefüllter. unter hohem ueberdruck stehender Ressel vorgesehen, welcher über ein nur Flüssigkeit führendes. mit einem Absperrhahn und einer Zerstäuberdüse ausgeriistetes Rohr mit dem Außenraum in Verbindung gebracht werden kann.
• Eine besondere Ausströmdüse wird hierbei entweder nicht verwendet, oder es ist der Auisströmdüse ein stark erweiterter Druckkessel vorgeschaltet, der den ausströmvogang des Wasserdampfgemisches in unerwünschter Weise unterbricht.
• Die Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß die bisherigen Vorschläge den Einfluß der Ausströ,mdüse und der sich in ihr abspielenden Vorgänge auf den Siedeverzung nur durchaus unzulänglich berücksichtien, da die sich in der ausströmdüse ahspielenden Strömungs- und Verdampfungsvorgänge tatsächlich von größter Bedeutung für die vollständige Verdampfung des Wasserdampfgemisches sind.
• Die Erfindung bezweckt demgemäß vor allem, die für die Impulserzeugung bei Heißwasserraketen schädliche Verzögerung der Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes zwischen flüssiger und dampfförmiger Wasserphase zu vermindern, und besteht im wesentlichen darin, daß zur rechtzeitigen Einstellung dieses Gleichgewichtes vor dem Verlassen der Ausströmdüse folgende Maßnahmen je für sich oder in Vereinigung miteinander vorgesehen sind: a) zur Verlängerung der Verdampfungszeit, diu für die thermodynamische Gleichgewichtseinstellung des Heißwasserdanipfes bis zum Durchströmen desselhen durch die Ausströmdüse zur Verfügung steht, ist die Ausströmdüse als langgestreckte Düse ausgebildet und derselben - ohne Zwischenschaltung einer gegenüber der Verdampferleitung wesentlich erweiterten Kammer - eine Verdampferleitung vorgeschaltet. welche unmittelbar in die Ausströmdüse übergeht und zusammen mit der vorgeschalteten Verdampferleitung eine Vorverdampferkammer von einer dem Vielfachen des engsten Durchmessers entsprechenden Länge und mit langen - gegebenenfalls gekrümmten - Strömung fäden hildet; h) das durch die Ausströmdüse ausströmende verdampfende Heißwasser wird an einer solchen - vorzugsweise dem Ausströmende der Düse gegenüberliegenden - Stelle des Heißwasserhehälters entnommen, an welcher sich unter den jeweils gegebenen Verhältnissen, insbesondere unter den Beschleunigungskräften oder Schwerkräften, die aus dem heißwasser ausgeschiedenen Dampfteilchen natürlicherweise zu sammcln trachten.
• Vorzugsweise sind ferner gleichzeitig zur Erhöhung der Siedebereitschaft des Heißwassers Mittel zur Ströinungsdrosselung, zur partiellen Druckabsenkung, zur Erzeugung von Kavitationsvorgängen in der Strömung, zu starker Verwirbelung und/oder Berührung mit Siedeerleichterern, eingehlasenen Gasen od. dgl. bereits am Anfang der Verdampferleitung in einem möglichst großen Abstand von der Ausströmdüse vorgesehen. Hierfür können scharfkantige Teile, das Wasserdampfgemisch verwirbehlnde Ablenkflächen oder Prallkörper, poröse Körper, Siedekappilare, Gaseinblasevorrichtungen od. dgl. dienen.
• Vorzugsweise bildet die Vorverdampfungskammer gleichzeitig einen Teil der Ausströmdüse, indem sich ihr Strömungsquerscnitt bis zu einem engsten ausströmquerschnitt almählich verjüngt, wobei deie nach Art einer Lavaldüse ausgebildete Aussrömdiise zwischen der beginnenden konischen Verjüngung und der engsten Stelle der Düse ein Durchmesserverhältnis von ungefähr 2 : 1 bei einer Läne von mindestens etwa dem 8fachen kleinsten Durchmesser aufeist.
• Durch diese ktaßnahmen kann das thermodynamische (ileichgewicht so rechtzeitig vor dem Austritt des Heißwassers aus der Ausströmdüse erreicht werden, daß praktisch die gesamte, im glkeichgewichtsfalle überhaupt verdampfbare ausströmende eißwassermenge in Dampf verwandelt wird, bevor sie die Ausströmdüse verläßt. Die für den vortrieb der Rakete verlorene Leistung kann auf ein Mindestmaß beschr?nkt werden.
• Diesem Zweclu dient auch die Anordnung der Vorverdampferkammer bzw. deren Einströmöffnungen im Bereiche des vorderen Endes des heißwasserbehälters, indem z. B bei aufsteigenden Raketen die Beschleunigung tennend auf Dampf und Nasser wirkt.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
• Der Heißwasserdruckkessel I ist in der gezeichnetzen Stellung des Üffnungsventils oder Schiebers 2 und des zugehörigen Regelkolbens 3 geschlossen und mit Wasser gefüllt. Die Vorverdampferkammer 4 ist daher trocken und drucklos.
• NIan kann also durch die Lavaldüse 5 eine beispielsweise elektrische Heizvorrichtung in die Kammer 4 einführen und damit von der Kammer 4 aus den Wasservorrat im geschlossenell Druckkessel I auf die gewünschte Temperatur und den zugehörigen Druck bringen, der zugleich das Ventil belastet und dichtet. Nach Entfernung der Heizvorrichtung aus der Kammer 4 ist die Rakete betriebsbereit. Natürlich ist auch eine andere Beheizung des Wasservorrats möglich.
• Um sie in Betrieb zu setzen, wird mittels des . \lehrwegehahlles 6 der Druckraum I mit dem Regelzylinderraum 7 verbunden, wodurch sich der Regelkolben 3 in die Stellung 3' verschiebt und das Öffnungsventil bzw. den Schieber 2 in die Stellutig 2' hringt.
• Damit ist die Druckkammer I geöffnet, und das verdampfende Wasser strömt durch die Öffnungen 8 in die Vorverdampferkammer 4 und von dieser durch die Lavaldüse 5 ins Freie.
• Wünscht man die Rakete zu drosseln, so kann mittels des Mehrweghanes 6 der Regelzylinderraum 7 entlastet und der Regelzylinderraun 9 unter Druck gesetzt werden und dadurch das Ventil bzw. der Schieber 2 in jede beliebige Drosselstellung bis zum vollständigen Abschluß gehracht werden. Eine Feder vor dem Regelkolhen 3 kann für die geschlossene Stellung des Schiebers 2 im drucklosen Zustand der Regelzylinderräume 7 und 9 sorgen.
• Die angestrebte heschleunigte Einstellung thermischen Gleichgewichtes zwischen flüssiger und dampfförmiger Phase des Wassers vor Eintritt desselben in die Lavaldüse 5 tritt bei dieser baulichen Anordnung durch eine oder mehrere oder alle der nachgenannten Wirkungen ein: a) Die Öffnungen 8 (Schlitze, Bohrungen usw.) liewirken, daß die Wasserströmung beim Durchtritt gedrosselt wird und z. B. infolge von scharfen Kanten abreißt, so daß Kavitationsgebiete lokalen sehr niedrigen Druckes gebildet werden, die zahlreiche lokale Verdampfungskeime bewirken; b) durch entsprechende relative Bemessung des Gesamtquerschnittes der Offnungen 8, es Druchströmquerschnittes der Vorverdampferkammer 4 und des Halsquerscnittes der lavaldüse 5 kann erreicht werden, daß die Vorverdampferkammer bei niedrigerem Druck als der Heißwasserbehälter I mit nicht zu hoher Geschwindigkeit durchströmt wird, so daß ausreichend lange Verdampfungszeiten zur Einstellung thermischen Gleichgewichtes entstehen, die noch durch die Reibungslverluste und Turbulenzvorgänge in der Vorverdampferkammer begünstigt werden; c) gegebenenfalls kann ein Siedeverzug noch durch Anbringung bekannter Siedeerleichterer (z. B. Vorrichtungen zum Einblasen von Gas, poroser Körper, Siedekapillaren, Metallstückchen usw.) an den Einströmöffnungen 8 oder in der Vorverdampferkammer 4 oder in beiden vermindert werden. d) um eine Dampfausscheidung bei der letzten und entscheidenden Druckabsenkung in der Lavaldüse zu begünstigen, ist diese verhältnismäßig lang, sowohl im konvergenten als auch im divergenten Teil, ausgebildet: der konvergente Düsenteil umfaßt hierbei einen wesentlichen Teil der Vorverdampferkammer, welche gegebenenfalls auch völlig konvergent geformt sein kann; e) wenn die Rakete im Betrieb in ihrer Achsrichtung beschleunigt wird, sammelt sich wegen der verschiedenen spezifischen Gewichte von Dampf und Wasser der Dampf bevorzugt am vorderen Ende des Hochdruckbehälters, weswegen die Dampfentnahmestelle an diesem vorderen Ende liegt. Dieselbe Erwägung gilt auch für den schrägen oder senkrechten Aufstieg der Rakete, wo auch die Schwerebeschleunigung im selben Sinne trennend auf Dampf und Wasser wirkt.
• Gegebenenfalls kann der Erfindungsgedanke auch durch andere technische Anordnungen, etwa durch rohrschlangenartige Ausbildung des Heißwasserbehälters oder/und der Vorverdampfungskammer verwirklicht werden. Auch kann die im Beispiel aus Gründen der Anschaulichkeit dargestellte Anordnung und Betätigung des Öffnungsventils durch eine wesentlich andere Anordnung und Steuerung des Heißwasserzutritts zur Düse ersetzt werden.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Heißwasserrakete, insbesondere Starthilfe für bemannte oder unbemannte Flugkörper, dadurch gekennzeichnet, daß zur rechtzeitigen Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Wasserphase vor dem Verlassen der Ausströmdüse folgende Maßnahmen je für sich oder in Vereinigung miteinander vorgesehen sind: a) zur Verlängerung der Verdampfungszeit, die für die thermodynamische Gleichgewichtseinstellung des Heißwasserdampfes bis zum Durchströmen desselben durch die Ausströmdüse zur Verfügung steht, ist die Ausströmdüse als langgestreckte Düse ausgebildet und derselben - ohne Zwischenschaltung einer gegenüber der Verdampferleitung wesentlich erweiterten Kammer - eine Verdampferleitung vorgeschaltet, welche unmittelbar in die Ausströmdüse übergeht und zusammen mit der vorgeschalteten Verdampferleitung eine Vorverdampferkammer von einer dem Vielfachen des engsten Durchmessers entsprechenden Länge und mit langen - gegebenenfalls gekrümmten -Strömungsfäden bildet; b) das durch die Ausströmdüse ausströmende verdampfende Heißwasser wird an einer solchen - vorzugsweise dem Ausströmende der Düse gegenüberliegenden - Stelle des Heißwasserbehälters entnommen, an welcher sich unter den jeweils gegebenen Verhältnissen, insbesondere unter den Beschleunigungskräften oder Schwerkräften, die aus dem Heißwasser ausgeschiedenen Dampfteilchen natürlichenveisezu sammeln trachten.
2. 2. Heißwasserrakete nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Siedebereitschaft des Heißwassers Mittel zur Strömungsdrosselung, zur partiellen Druckabsendung, zur Erzeugung von Kavitationsvorgängen in der Strömung, zu starker Verwirbelung und/oder Berührung mit Siedeerleichterern, eingeblasenen Gasen od. dgl. bereits am Anfang der Verdampferleitung in einem möglichst großen Abstand von der Ausströmdüse vorgesehen sind.
3. 3. Heißwasserrakete nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt der Vorverdampfungskammer (4) sich als Teil der Ausströmdüse (5) bis zu einem engsten Ausströmquerschnitt derselben allmählich verjüngt.
4. 4. Heißwasserrakete nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Art einer Lavaldüse ausgebildete Ausströmdüse (5) zwischen der beginnenden konischen Verjüngung und der engsten Stelle der Düse ein Durchmesserverhältnis von ungefähr 2 : 1 bei einer Länge von mindestens etwa -dem 8fachen kleinsten Durchmesser aufweist.
5. 5. Heißwasserrakete nach Anspruch I bis. dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverdampferkammer (4) bzw. deren Einströmöffnungen (8) in Beschleunigungsrichtung der Rakete im Bereich des vorderen Endes des Heißwasserbehälters (I) angeordnet ist.
6. 6. Heißwasserrakete nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverdampferkammer (4) und die Ausströmdüse (5) innerhalh des Heißwasserbehälters (I), vorzugsweise konzentrisch zu diesem, untergebracht ist, insbesondere derart, daß die rohrförmige koaxial zur Ausströmdüse angeordnete Vorverdampferkammer (4) am vorderen Ende des Heißwasserbehälters (I) mit diesem durch auf den Umfang verteilte. z. B. schlitzförmige Einströmöffnungen (8) verwunden ist.
7. 7. Heißwasserrakete nach Anspruch I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Anfang der vom Heißwasserlehälter (I) zur Ausströmdüse (5) führenden Verdampferleitung (4) Drosselstellen. z. B. Schlitze (8) oder Bohrungen, ein Abreißen der Strömung bewirkende, insbesondere scharfkantige Teile, das Wasserdampfgemisch verwirbelnde Ablenkflächen oder Prallkörper und/oder eine Auflockerung der Wasserteilchen bewirkende poröse Körper, 5 iedekapi il are, Gaseinbla&evorrichtungen od. dgl. vorgesehen sind.

   S. Heißwasserrakete nach Anspruch I bis 7, dadurch gekenn'zeichnet, daß das zur Sperrung des llleißwasserdurchtrittes zur Ausströmdüse (5) dienende, z. B. durch den Druck des Heißwassers (mittels 3) gesteuerte Ventilorgan (2) derart. insbesondere axial zur Vorverdampferkammer (4), angeordnet und verstellbar ist, daß es mit Bezug auf die Einströmöffnungen (8) der Vorverdampferkammer sich in Absperrstellung (2) auf der Seite der Ausströmdüse (5) und in Öffnungsstellung (2') auf der entgegengesetzten Seite befindet.

   In Betracht gezogene Druckschriften : Dipl.-Ing. Otto M ü h 1 h ä u se r: »Die Heißwasser-Rakete«, Forschungsanstalt Graf Zeppelin, Stuttgart, 1944.