DE976057C - Rakete - Google Patents

Description

• Rakete Die Erfindung betrifft eine Rakete oder eine ähnliche durch Rückstoß von Verbrennungsgasen angetriebene, eine Brennkammer und eine Düse aufweisende Vorrichtung, deren Brennstoff und/ oder Oxydationsmittel in fester Form vorhanden sind.
• Die Abbrenngeschwindigkeit und damit die Schubkraft dieser sogenannten Feststoffraketen wird durch eine entsprechende Mischung von festen Oxydationsmitteln und festen Brennstoffen in feinverteilter, innig vermischter Form bestimmt, wobei zur Erzielung eines möglichst großen Schubes hochkalorische Brennstoffe verwendet werden.
• Zwecks leichterer Handhabung wird das Gemisch zu einem festen, als Treibsatz dienenden Preßling komprimiert. Derartige Treibsätze sind aber sehr instabil und besitzen eine nur geringe Lagerfähigkeit. Vor allem ist diesen festen Gemisch-Treibsätzen durch die bei höheren Abbrenngeschwindigkeiten bestehende Explosionsgefahr eine Grenze der Schubleistung und damit ihrer Verwendungsmöglichkeit gesetzt.
• Diese Nachteile sollen durch die Erfindung behoben werden, gemäß der der Brennstoff und/oder das Oxydationsmittel nicht in feiner Verteilung miteinander vermischt werden, sondern - jeweils voneinander getrennt - in Form mehr oder weniger großer Stücke oder Volumina vorgesehen sind.
• Im einfachsten Falle können diese Stücke in Form von Stäben, Kuben, Quadern eingesetzt werden, wobei erforderlichenfalls chemisch mit ihnen nicht reagierende Schutzüberzüge, Trennlamellen od. dgl. vorgesehen sein können.
• Dadurch, daß kein reaktionsfähiges Gemisch von Brennstoff und Sauerstoffträger vorhanden ist, wird die Gefahr einer Explosion vermieden unter gleichzeitiger erheblicher Steigerung der Schubkraft beim noch zu beschreibenden Abbrennen.
• Gemäß der Erfindung werden die der Brennkammer der durch Rückstoß von Verbrennungsgasen angetriebenen Vorrichtung zuzuführenden brennbaren Gase in einer Schwelkammer erzeugt, wobei die vorzugsweise gasförmigen Oxydationsmittel getrennt von den brennbaren Gasen der Brennkammer zugeführt werden.
• In diesem einen geeigneten Schwelkörper enthaltenden Schwelbrenner werden beim Abbrand dieses Schwelkörpers brennbare, flüchtige Substanzen (Gase, Dämpfe oder Aerosole) erzeugt. Der Schwelkörper besteht erfindungsgemäß aus festen, pastenförmigen oder mehr oder minder flüssigen chemisch einheitlichen Verbindungen oder Gemischen derartiger Verbindungen, deren Gehalt an aktivem Oxydationsmittel so bemessen ist, daß einerseits eine stabile unvollkommene Verbrennung und anderseits eine bestimmte Verschwelgeschwindigkeit unter vorgegebenen Bedingungen eingehalten wird.
• Die Schwelprodukte sollten den Schwelkörper vorzugsweise brennend verlassen, ohne daß diese Forderung zwingend wäre. Um ein Fließen eines schmelzenden Brennstoffes zu verhüten, können ihm nicht schmelzende Stoffe - wie z. B. Dextrin od. dgl. - zugesetzt werden.
• Der Schwelbrenner kann als Brennstoff Polymerisate enthalten, in die die zur Aufrechterhaltung des Schwelvorganges erforderlichen Sauerstoffträger eingebaut sind.
• Für den Schwelvorgang kann man verschiedene Abwandlungen wählen. Bei einer Form verläuft er mit einer solchen Wärmetönung, daß eine chemische Substanz unter Abgabe von flüchtigen Oxydationsmitteln - wie z. B. 02, N20 oder anderen Oxyden des Stickstoffes, C12, C102 u. dgl. m. -zersetzt wird.
• Diese Oxydationsmittel können dabei mit anderen Zersetzungsprodukten - wie z. B. H20, N2, HCl u. a. - vermischt sein. Hierbei können sowohl die verschwelende als auch die Oxydationsmittel bildende Substanz Stoffe enthalten, die den Ablauf der betreffenden chemischen Reaktionen in vorgegebener Weise regeln oder unter den gegebenen Bedingungen - z. B. niederer Brennkammerdruck, tiefe Außentemperaturen u. a. -erst ermöglichen.
• Wie der Schweler zur Erzeugung der brennbaren Gase nur einen geringen Zusatz von zur Aufrechterhaltung des Schwelprozesses erforderlichen Oxydationsmitteln enthalten kann, so kann man in analoger Weise zur Erzeugung der oxydierenden Gase od. dgl. einen Oxydator verwenden, der möglichst wenig Brennstoff enthält, also unter Abgabe von oxydierenden Gasen »schwelt«. Bei einer anderen Ausführungsform des Schwelbrenners werden unter Anwendung des obengenannten Prinzips die Schwelgase und die Oxydationsmittel durch einen gesonderten, Wärme liefernden Satz erzeugt. In diesem Falle ist ein Gehalt an Oxydationsmitteln im Schwelkörper nicht unbedingt erforderlich.
• Bei einer dritten Ausführungsform des Prinzips werden die Schwelgase allein nach der ersten oder zweiten Art erzeugt, während die Oxydationsmittel auf die gleiche oder eine andere Art in einem gesonderten Generator erzeugt oder einem Behälter entnommen werden.
• Bei der einfachsten Ausführungsform einer Rakete od. dgl. mit Schwelbrenner (vgl. das in Fig. i dargestellte Ausführungsbeispiel) besteht das Gerät aus der Triebwerkskammer K mit einem Zylindermantel T, der sich nach hinten fortsetzt und durch die querverlaufende Zwischenwand Z mit der Ausströmdüse D, verschlossen ist. Die Triebwerkskammer wird durch die Zwischenplatte Z in die eigentliche Brennkammer Bk und den Generatorteil Gt mit dem Schwelkörper S und dem Erzeuger 0 des Oxydationsmittels - im folgenden kurz O-Generator genannt - unterteilt.
• Der von dem Schwelkörper S eingenommene Schwelraum und der O-Generator stehen miteinander über die Wärme leitende Trennwand T in Wärmekontakt. Das in dem O-Generator erzeugte Oxydationsmittel kann durch die Düsen D, in die Brennkammer Bk einströmen. Die Zündung erfolgt über den seitlich aus der Wand der Triebwerkskammer K herausragenden Zünder I durch den Pulversatz P, der den kleinen hochkalorischen Pulversatz H in Brand setzt. Dadurch wird von Anfang an ein hoher Druck aufgebaut, durch den das Gerät bis zum Ingangkommen der O-Erzeugung und dem damit verbundenen Beginn des Arbeitens der Rakete angeschoben wird. Die O-Erzeugung setzt mit der Zündung ein und erreicht nach einer bestimmten - möglichst kurzen - Zeit ihren Sollwert.
• Die von dem Schwelkörper S erzeugten brennenden Schwelgase, die aus der in der Mitte der Zwischenplatte Z angebrachten Düse D, ausströmen, reagieren innerhalb der Brennkammer Bk mit dem Oxydationsmittel, das aus den seitlichen Düsen D, der Zwischenwand Z, die auch zu einer Ringdüse zusammengezogen sein können, strömt. In der Brennkammer Bk findet die eigentliche Verbrennung statt, wobei aber dafür gesorgt ist, daß die Gasdrücke im Generatorteil Gt stets höher sind als in der Brennkammer Bk, weil andernfalls die Verbrennung in den Generatorteil zurückschlagen könnte.
• Bei dem in Fig. i dargestellten Ausführungsbeispiel ist die den zylindrischen Schwelkörper S enthaltende Schwelkammer von dem zylinderringförmigen O-Generator 0 umgeben. Innerhalb des Schwelkörpers S kann - wie der in Fig. a dargestellte Querschnitt einer abgewandelten Ausführungsform zeigt - noch ein zylindrischer O-Generator 0I untergebracht sein, oder es können - wie der in Fig. 3 dargestellte Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispieles zeigt - vier einzelne zylinderförmige Schwelkammern mit Schwelkörpern S innerhalb des zylindrischen, sie allseitig umgebenden O-Generators O angeordnet sein.
• Da die Rakete starken thermischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, müssen sowohl für die Trennwand T als auch insbesondere für die Zwischenplatte Z und die Ausströmdüsen D besonders widerstandsfähige Werkstoffe verwendet werden.
• Für kurz brennende Geräte kann für die Zwischenplatte Z und die Ausströmdüsen D Graphit als Werkstoff verwendet werden, während für länger brennende Triebwerke eine besondere Kühlung vorgesehen werden muß, beispielsweise die eine oder andere der verschiedenen Arten der sogenannten Regenerativ-, Schwitz- oder Schleierkühlung.
• Als Werkstoff für die Trennwand T kann ein widerstandsfähiges Metall - beispielsweise Stahl - verwendet werden. Um ein möglichst gleichmäßiges Absinken der Brennzone des Schwelkörpers S und der Zersetzungszone innerhalb des O-Generators zu erreichen, wird durch geeignete Maßnahmen dafür gesorgt, daß in der Axialrichtung der hohlzylindrischen Trennwand T keine zu große Wärmeleitung erfolgt, weil dadurch diese Zonen in der Nähe der Trennwand T in unerwünschter Weise nach dem vorderen Ende des Generatorteiles Gt zu ausgebuchtet würden. Zur Erhöhung der Radialleitung kann die Trennwand T beiderseitig mit Rippen versehen werden.
• Der in der Praxis mögliche ideale Fall ist in Fig. q. schematisch dargestellt, welche an einem Teillängsschnitt des Generatorteils die zweckmäßige jeweilige Lage der Brennzone BZ des Schwelkörpers S und der Zersetzungszone ZZ innerhalb des zylinderförmigen 0-Generators gemäß. dem Ausführungsbeispiel der Fig. i zeigt. Durch geeignete Maßnahmen in der Art und Weise des Aufbaues der Trennwand T und der hierbei verwendeten Werkstoffe läßt sich dieser wünschenswerte Zustand ohne weiteres mehr oder minder vollkommen erreichen.
• Bei den bisher bekannten Pulver-Triebwerken erfolgte die Regelung der Größe des Vorschubs entweder stufenweise, indem von einer Anzahl von Triebwerken wahlweise mehr oder weniger in Betrieb genommen wurden, oder aber durch sogenannte Regeldüsen.
• Bei dem Schwelbrenner-Triebwerk gemäß der Erfindung wird mit unvollkommener Verbrennung im Schweler gearbeitet, so daß durch Steigerung oder Minderung der Menge des der Brennkammer Bk zugeführten Oxydationsmittels eine Erhöhung oder Verminderung der Rückstoßkräfte erzielt werden kann.
• Zu diesem Zweck kann beispielsweise - wie dies in Fig. 5 schematisch dargestellt ist - ein innerer, axial verschieblicher O-Generator 01 mittels eines Servosystems M über ein von dem Druckfühler D f gesteuertes Regelgerät R mehr oder minder in die Nähe der Brennzone des von dem zylinderringförmigen 0-Generator O umgebenen zylinderringförmigen Schwelkörpers S gebracht und dadurch die Menge des in die Brennkammer eintretenden Oxydationsmittels selbsttätig gesteuert werden.
• Mit diesem Ausführungsbeispiel soll jedoch keineswegs eine Beschränkung des Steuerungsprinzips zum Ausdruck gebracht werden. So kann beispielsweise auch die teilweise mit einer Isolierwand versehene Schwelkammer drehbar gemacht werden, wodurch der Wärmefluß vom Schwelkörper zum O-Generator verändert wird.
• Es bedeutet keine Abweichung von dem Prinzip der vorliegenden Erfindung, wenn die Brennkammer Bk von dem Generatorteil Gt getrennt ist, wie dies der Schnitt gemäß Fig.6 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt. Hier ist die Brennkammer Bk mit der Schwelkammer S und dem 0-Generator O durch gesonderte röhrenförmige Zuleitungen E verbunden, in denen ein den Durchfluß steuerndes und eventuell einen freien Austritt nach außen ermöglichendes Regelorgan eingebaut sein kann.
• Anstatt das Oxydationsmittel aus einem festen Satz von Oxydationsmittelträgern herzuleiten, ist es auch möglich, ein flüssiges Oxydationsmittel zu verwenden, das (vgl. Fig. 7) in einem Flüssigkeitstank Ft enthalten ist und der Brennkammer durch die Zuleitungen E und die Einspritzdüsen J zugeleitet wird, wobei es zuvor in an sich bekannter Weise zur Regenerativkühlung der Rakete oder eines ähnlichen Antriebes verwendet werden kann.
• Der Längsschnitt der Fig. 8 zeigt die Anwendung des Prinzips der Schwelbrenner auf ein Staustrahltriebwerk. Dem im wesentlichen zylindrischen, offenen Ofen Bk ist eine Schwelkammerbatterie SB vorgeschaltet; vor dem eigentlichen Schwelkörper der einzelnen Schwelkammern können Raketensätze R zum Anschieben des Gerätes angebracht sein. Auf der Höhe der Ebene A werden zusätzlich flüssige Brennstoffe in die aufgestaute Luft eingespritzt, die in dem eigentlichen offenen Ofen Bk zusammen mit der unter Druck zugeführten Verbrennungsluft verbrannt werden. Auf diese Weise ist es möglich, einen stabilen Abbrand zu erzielen, indem die heißen Schwelgase auch bei an sich instabilem Betrieb des Staustrahltriebwerkes als Dauerzünder wirken.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Rakete oder ähnliche durch den Rückstoß von Verbrennungsgasen angetriebene Vorrichtung mit Brennkammer und Düse, wobei der Brennstoff und/oder das Oxydationsmittel in fester Form vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff und/oder Oxydationsmittel nicht in feiner Verteilung miteinander vermischt, sondern jeweils voneinander getrennt in Form mehr oder weniger großer Stücke oder Volumina vorgesehen sind. a. Rakete od. dgl. nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die der Brennkammer zugeführten brennbaren Gase in einer Schwelkammer erzeugt werden, während die vorzugsweise gasförmigen Oxydationsmittel getrennt von den brennbaren Gasen der Brennkammer zugeführt werden. 3. Rakete od. dgl. nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die brennbaren Gase oder Dämpfe erzeugende Schwelkammer einen unterstöchiometrischen Abbrand aufweisende feste oder pastenförmige oder flüssige, brennbare chemisch einheitliche Verbindungen oder Gemische derartiger Verbindungen, z. B. Kohlenwasserstoffe od. dgl., mit den Abbrand steuernden Katalysatoren enthält. 4. Rakete od. dgl. nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fließen eines in der Hitze schmelzenden Brennstoffes durch den Zusatz von nicht schmelzbaren Stoffen - beispielsweise Dextrin - verhindert wird. 5. Rakete od. dgl. nach einem oder mehreren der Ansprüche i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwelbrenner als Brennstoff Polymerisate enthält, in die der zur Aufrechterhaltung des Schwelvorganges erforderliche Sauerstoffträger eingebaut ist. 6. Rakete od. dgl. nach den Ansprüchen i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sauerstoffgenerator eine geringe Menge von Brennstoff enthalten ist, der eine manipulierte, zur Erzeugung des gas- oder dampfförmigen Oxydationsmittels ausreichendeSchwelung oder Verbrennung aufrechterhält. 7. Rakete od. dgl. nach einem der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das der Brennkammer zugeführte Oxydationsmittel einem Sauerstoffgenerator entnommen wird, der durch die in der Schwelkammer erzeugte Hitze betrieben wird. B. Rakete od. dgl. nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schwelgase erzeugende Schwelkammer von einem von ihr durch eine Trennwand getrennten, das Oxydationsmittel erzeugenden Generator umgeben ist dergestalt, daß die in dem Schwelbrenner entstehende Hitze durch die Trennwand dem Oxydationsmittelträger zugeführt wird (vgl. Fig. i). 9. Rakete nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich im Innern des Schwelbrenners ein 0-Generator angeordnet ist (vgl. Fig. 2). io. Rakete od. dgl. nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schwelbrenner parallel zueinander in einen größeren 0-Generator. eingebettet sind (vgl. Fig. 3). i i. Rakete od. dgl. nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände zwischen Schwelbrenner und 0-Generator so ausgebildet sind und eine solche Quer-Wärmeleitfähigkeit besitzen, daß die Brennzone der Schwelbrenner etwa stets auf der Höhe der Zersetzungszone des 0-Generators liegt (vgl. Fig. 4). 12. Rakete od. dgl. nach Anspruch i i, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände zwischen Schwelbrenner und 0-Generator mit Rippen versehen sind. 13. Rakete od. dgl. nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der 0-Generatoren relativ zu dem Schwelbrenner verschieblich ist, wodurch eine Regelung des von den austretenden Verbrennungsgasen erzeugten Schubes möglich ist (vgl. Fig.5). 14. Rakete od. dgl. nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmefluß vom Schwelbrenner zum 0-Generator durch eine verstellbare, zwischen ihnen angeordnete Wärmedämmwand verändert wird. 15. Rakete od. dgl. nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Wärmeübergangsfläche zwischen Schwelbrenner und 0-Generator durch axiale Drehung des letzteren verändert wird. 16. Rakete od. dgl. nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schwelbrenner sowie der oder die 0-Generatoren in dem gleichen Gehäuse wie die Brennkammer untergebracht sind, wobei sie von der Brennkammer durch eine Zwischenplatte (Z) getrennt sind, in der für jede der die brennbaren Gase und die Oxydationsmittel erzeugenden Kammern eine besondere Leitung zur Brennkammer angebracht ist, so daß diese verschiedenen Gase erst in der Brennkammer zusammentreten können. 17. Rakete od. dgl. nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung des Brennstoffes und/oder des Oxydationsmittels zur Brennkammer ein den Durchfluß steuerndes und eventuell den freien Austritt nach außen ermöglichendes Regelorgan eingebaut ist. 18. Rakete od.- dgl. nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Zwischenwand (Z) angebrachten Öffnungen in an sich bekannter Weise etwa auf den Mittelpunkt der Brennkammer gerichtet sind. i9. Rakete od. dgl. nach einem der Ansprüche i bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Schwelkammer befindliche Schwelsatz so zusammengesetzt ist, daß die in die Brennkammer eintretenden Schwelgase noch brennen oder aber mindestens brennende Partieelchen enthalten, so daß der Brand in der Brennkammer aufrechterhalten wird. 2o. Rakete od. dgl. nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwelmasse mit einem vorzugsweise hochkalorischen Brennsatz und einer Pulverschicht bedeckt sind, welch letztere zwecks Inbetriebnahme der Rakete durch einen von außen durch die Wände zugeführten Zünder od. dgl. in Brand gesetzt werden kann. 21. Rakete od. dgl. nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß_ die der Brennkammer zugeführten Oxydationsmittel flüssig sind und einem besonderen Flüssigkeitstank entnommen werden (vgl. Fig. 7). 22. Rakete od. dgl. nach einem der Ansprüche i bis 2o, dadurch gekennzeichnet, daß in die mit gas- oder dampfförmigen Oxydationsmitteln aus dem 0-Generator gefüllte Brennkammer flüssiger Brennstoff eingespritzt wird. 23. Strahlantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schwelkörper zu einer Batterie kombiniert als Stau-Strahltriebwerk verwendet werden (vgl. Fig.8). 24. Strahlantrieb nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwelsätze durch Raketensätze abgedeckt sind, deren Abbrand zum Anschieben des Gerätes dient. 25. Strahlantrieb nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich vor den Düsen der Schwelkörperbatterie flüssige Brennstoffe in die der Brennkammer zuströmende Verbrennungsluft eingespritzt werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 941 io2, 618668, 6o8242, 484o64, 248 4i 9; schweizerische Patentschrift Nr. 279 732; französische Patentschriften Nr. i 077 744 i o52 196; USA.-Patentschriften Nr. 2714:286, 2544419-