SE464719B - Propulsion system - Google Patents
Propulsion systemInfo
- Publication number
- SE464719B SE464719B SE8703970A SE8703970A SE464719B SE 464719 B SE464719 B SE 464719B SE 8703970 A SE8703970 A SE 8703970A SE 8703970 A SE8703970 A SE 8703970A SE 464719 B SE464719 B SE 464719B
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- fuel
- oxidizer
- liner
- hydrogen
- hydrocarbon
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 263
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 78
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 60
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 39
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 39
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 17
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 89
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 89
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 86
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 86
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 79
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 78
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 48
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 27
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 26
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 26
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 25
- 239000000047 product Substances 0.000 description 24
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 17
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 16
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 15
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 13
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 12
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 12
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 12
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 11
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 10
- 239000011257 shell material Substances 0.000 description 9
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 5
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 5
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 4
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 4
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 4
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 4
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 3
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 3
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 2
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005830 Polyurethane Foam Polymers 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OQPDWFJSZHWILH-UHFFFAOYSA-N [Al].[Al].[Al].[Ti] Chemical compound [Al].[Al].[Al].[Ti] OQPDWFJSZHWILH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011236 particulate material Substances 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N phencyclidine Chemical compound C1CCCCN1C1(C=2C=CC=CC=2)CCCCC1 JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 239000011496 polyurethane foam Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 229910001088 rené 41 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002760 rocket fuel Substances 0.000 description 1
- 229930195734 saturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 description 1
- 229910021324 titanium aluminide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229930195735 unsaturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
- 238000010626 work up procedure Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K7/00—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
- F02K7/10—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines
- F02K7/18—Composite ram-jet/rocket engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K7/00—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
- F02K7/10—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines
- F02K7/14—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines with external combustion, e.g. scram-jet engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
- F02K9/08—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using solid propellants
- F02K9/32—Constructional parts; Details not otherwise provided for
- F02K9/34—Casings; Combustion chambers; Liners thereof
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
- F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
- F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
- F02K9/44—Feeding propellants
- F02K9/52—Injectors
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
- Feeding Of Workpieces (AREA)
- Vending Machines For Individual Products (AREA)
Description
464 719 2 att eliminera kravet på lagringstankar av vakuumtyp och andra skrymmande system för lagring av flytande bränslen i luftfarkoster. 464 719 2 to eliminate the requirement for vacuum-type storage tanks and other bulky systems for storing liquid fuels in aircraft.
Blandningar av kolväten och flytande syre har haft vidsträckt användning som drivmedel i framdrivningssystem för luftfarkoster. Det är känt att dylika kolvätebränslen brinner i förbränningskammare vid temperaturer överskridande 275006 (5000°F) och genererar en stor dragkraft. Drivsystem för nyare luft- farkostkonstruktioner kräver emellertid större draftkraft än vad som vanligen uppnås genom kolväte-flytande kväveblandningarna, och mer komplexa drivmedel i mer komplexa framdrivningssystem har utvecklats för att ge högre dragkraft. De flesta av dessa komplexa drivmedel kan ej användas i konventionella framdriv- ningssystem av olika skäl, såsom ytterst höga förbränningstemperaturer, och komplexa framdrivningssystem och lagringssystem måste utvecklas för att kunna ta hand om förbränningen av dylika drivmedel. De komplexa framdrivningssystem, som övervinner dessa svårigheter, bidrar väsentligt till luftfarkostens vikt. Av ovanstående framgår att det skulle vara fördelaktigt att kunna utnyttja mindre komplexa framdrivningssystem baserade på kolväte-flytande syre-blandningar för att övervinna de ovannämnda nackdelarna.Mixtures of hydrocarbons and liquid oxygen have been widely used as propellants in aircraft propulsion systems. It is known that such hydrocarbon fuels burn in combustion chambers at temperatures exceeding 27,5006 (5,000 ° F) and generate a large thrust. However, propulsion systems for newer aircraft designs require greater draft power than is usually achieved by the hydrocarbon-liquid nitrogen mixtures, and more complex fuels in more complex propulsion systems have been developed to provide higher traction. Most of these complex fuels cannot be used in conventional propulsion systems for various reasons, such as extremely high combustion temperatures, and complex propulsion systems and storage systems must be developed to handle the combustion of such fuels. The complex propulsion systems that overcome these difficulties contribute significantly to the weight of the aircraft. From the above it appears that it would be advantageous to be able to use less complex propulsion systems based on hydrocarbon-liquid oxygen mixtures in order to overcome the above-mentioned disadvantages.
Det är väl känt att vissa kemiska ämnen såsom kolväten med hög molekyl- vikt reagrerar endotermiskt för att alstra reaktionsprodukter, vilka kan använ- das som bränsle. Tidigare system har utvecklats, som omvandlar vissa kemiska ämnen genom endotermiska reaktiöher till bränslen, vilka kan förbrännas i en brännare. Många av dessa tidigare system är emellertid ofördelaktiga på grund av att den endotermiska reaktionsprocessen genererar vissa reaktionsprodukter, som kan bygga upp en icke önskvärd beläggning i brännaren. Det är därför önskvärt att åstadkomma ett framdrivningssystem, som utnyttjar de enkla kolvätena, såsom eten, etan, propen, och propan, som de kemiska ämnen, vilka endotermiskt reage- rar för att alstra företrädesvis endast reaktionsprodukter, som är användbara som bränslen i framdrivningssystem för luftfarkoster.It is well known that certain chemical substances such as high molecular weight hydrocarbons react endothermically to produce reaction products which can be used as fuel. Previous systems have been developed which convert certain chemical substances by endothermic reactors into fuels which can be combusted in a burner. However, many of these prior systems are disadvantageous because the endothermic reaction process generates certain reaction products, which can build up an undesirable coating in the burner. It is therefore desirable to provide a propulsion system which utilizes the simple hydrocarbons, such as ethylene, ethane, propylene, and propane, as the chemicals which react endothermically to produce preferably only reaction products useful as fuels in propulsion systems for aircraft.
I tidigare system, som utnyttjar bränslen, vilka alstrar höga tempera- turer i framdrivningssystemet, såsom i en förbränningskammare, har det varit svårt att finna material, som kan motstå de höga temperaturerna, dvs. 2750°C (5000°F) eller mera. Många typer av brännarfoder och halsfoder hos rakethöl- jen har föreslagits, vilka emellertid är komplexa och dyra eller uppvisar begränsad livslängd eller kräver cirkulation därigenom av stora kylmedelsmängder för att förhindra försvagning och/eller smältning av fodermaterialet. Det är följaktligen önskvärt att åstadkomma förbättrade brännar- och halskonstruktioner och -material i framdrivningssystem, som övervinner de ovannämnda nackdelarna. 464 719 Sammanfattning av uppfinningen.In previous systems which use fuels which generate high temperatures in the propulsion system, such as in a combustion chamber, it has been difficult to find materials which can withstand the high temperatures, ie. 2750 ° C (5000 ° F) or more. Many types of burner liners and neck liners of the rocket casing have been proposed, which, however, are complex and expensive or have a limited life or require circulation thereby of large amounts of coolant to prevent weakening and / or melting of the liner material. Accordingly, it is desirable to provide improved burner and neck constructions and materials in propulsion systems which overcome the above-mentioned disadvantages. 464 719 Summary of the Invention.
Ett huvudsyfte med föreliggande uppfinning är följaktligen att åstadkomma ett luftfarkost- och framdrivningssystem av den typ, som utnyttjar flera driv- medel.Accordingly, a principal object of the present invention is to provide an aircraft and propulsion system of the type which utilizes multiple propellants.
Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett framdrivnings- system och -sätt, som utnyttjar ett urval av drivmedel på ett systematiskt sätt för att uppnå flygning till omloppsbana i ett steg under hänsynstagande till kraven både på luftfarkostens och framdrivningssystemets konstruktion.Another object of the invention is to provide a propulsion system and method which utilizes a selection of propellants in a systematic manner to achieve flight to orbit in one step taking into account the requirements of both the aircraft and propulsion system design.
Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett bränslelagringssystem och -sätt för lagring av flera bränslen i en lätt och enkel kärlkonstruktion, och tillhandahållande av ett maximum av drivmedelsre- server i en luftfarkost av minimal storlek och vikt.Another object of the present invention is to provide a fuel storage system and method for storing several fuels in a light and simple vessel construction, and providing a maximum of fuel reserve in an aircraft of minimal size and weight.
Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en bränslelagrings- anordning och -sätt, som tillhandahåller maximala drivmedelsreserver under åstadkommande av optimal luftfarkostform med avseende på lyftförmåga och luft- friktion.Another object of the invention is to provide a fuel storage device and method which provides maximum fuel reserves while providing optimum aircraft shape with respect to lift capacity and air friction.
Ytterligare ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett framdrivningssystem och -metod, som utnyttjar brännarfoder och munstyckshals- foder för hållande av höga förbränningstryck, och som kan motstå höga förbrän- ningstemperaturer.A further object of the present invention is to provide a propulsion system and method which utilizes burner liners and nozzle neck liners to maintain high combustion pressures and which can withstand high combustion temperatures.
Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett framdrivningssystem och -metod, som utnyttjar en blandning av kolväte- och vät- gasbränsle med av flytande syre bestående oxidator för uppnående av höga förbränningstemperaturer från bränslen av låg molekylvikt. Ännu ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett framdrivnings- system och -metod för kylning av fodren hos brännar- och munstyckshals hos en raketmotor.A further object of the present invention is to provide a propulsion system and method which utilizes a mixture of hydrocarbon and hydrogen gas fuel with a liquid oxygen oxidizer to achieve high combustion temperatures from low molecular weight fuels. Yet another object of the invention is to provide a propulsion system and method for cooling the liners of the torch and nozzle neck of a rocket engine.
Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett för- bättrat framdrivningssystem och -metod, där brännarfodret och munstyckshalsfod- ret hos en raketmotor kyls genom den endotermiska sönderdelningen av bränslet.Another object of the present invention is to provide an improved propulsion system and method in which the burner liner and nozzle neck liner of a rocket engine are cooled by the endothermic decomposition of the fuel.
Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att åstadkomma en förbättrad raketbrännar- och munstyckshalskonstruktion, som ökar värmeöverföring och uppe- hållstid för endotermisk kylning av förbrännarfodret och munstyckshalsfodret.A further object of the invention is to provide an improved rocket burner and nozzle neck construction which increases heat transfer and residence time for endothermic cooling of the burner liner and nozzle neck liner.
Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett bränsleinjiceringsystem och injiceringssystem för flytande syre för injicering av bränsle och flytande syre i brännarkammaren hos ett framdrivningssystem. 464 719 Dessa och andra syften uppnås genom att framdrivningssystemet enligt föreliggande uppfinning erhållit de i krav 1 angivna kännetecknen.A further object of the present invention is to provide a fuel injection system and liquid oxygen injection system for injecting fuel and liquid oxygen into the burner chamber of a propulsion system. These and other objects are achieved in that the propulsion system according to the present invention has obtained the features stated in claim 1.
Framdrivningssystemet enligt föreliggande uppfinning utnyttjar kolväte- bränsle och innefattar ett rakethölje uppvisande ett brännarfoder och ett hals- foder, varvid en bränslepassage för kolvätebränsle befinner sig intill och omger brännarfodret och halsfodret, organ för åstadkommande av bränsleflöde i bränsle- passagen, organ för åstadkommande av ett stort värmeflöde till brännarfodret och halsfodret från förbränning inom rakethöljet, varvid fodrens temperatur över- skrider deras termiska begränsningar, samt organ för kylning av brännarfodret och halsfodret genom endotermisk pyrolys av kolvätet i bränslepassagen. Vid ett utförande utförs den endotermiska pyrolysen av kolväte i bränslepassagen i när- varo av väte, och vätet i bränslet accelererar hastigheten hos den endotermiska pyrolysen. Enligt ett annat utförande utförs den endotermiska pyrolysen av kol- väte i bränslepassagen i närvaro av katalysatormedel som accelerar takten hos den endotermiska pyrolysen. Den endotermiska pyrolysen hos de kolvätebränslen som används vid föreliggande uppfinning, i närvaro av väte och/eller katalysa- tor, ger en bränsleprodukt med högre förbränningshastigheter, en bränsleprodukt med högre förbränningstemperaturer och/eller en bränsleprodukt med lägre mole- kylvikt.The propulsion system of the present invention utilizes hydrocarbon fuel and includes a rocket housing having a burner liner and a neck liner, a hydrocarbon fuel fuel passage located adjacent to and surrounding the burner liner and liner, means for providing fuel flow in means of providing a fuel passage; large heat flow to the burner liner and neck liner from combustion within the rocket casing, with the liner temperature exceeding their thermal limitations, as well as means for cooling the burner liner and neck liner by endothermic pyrolysis of the hydrocarbon in the fuel passage. In one embodiment, the endothermic pyrolysis of hydrocarbon is performed in the fuel passage in the presence of hydrogen, and the hydrogen in the fuel accelerates the rate of the endothermic pyrolysis. According to another embodiment, the endothermic pyrolysis of hydrocarbon is carried out in the fuel passage in the presence of catalysts which accelerate the rate of the endothermic pyrolysis. The endothermic pyrolysis of the hydrocarbon fuels used in the present invention, in the presence of hydrogen and / or catalysts, yields a fuel product with higher combustion rates, a fuel product with higher combustion temperatures and / or a fuel product with a lower molecular weight.
Luftfarkosten enligt föreliggande har ett framdrivningssystem, som utnyttjar ett dubbelbränslesystem, där åtminstone ett av bränslena är ett kryo- gent bränsle. En innertank utan vakuum innehåller det kryogena bränslet och en yttertank utan vakuum, som omger innertanken, innehåller ett andra bränsle, vilket är ett bränsle med låg fryspunkt och hög kokpunkt, som verkar som en isolator för det kryogena bränslet i innertanken. Det andra bränslet i ytter- tanken kan också vara ett kryogent bränsle. Drivmedelstanken eller kärlsystemet innefattar ett trycksatt cylindriskt inre kärl eller tank för innehållande eller lagring av det flytande kryogena bränslet, t.ex. väte, och har en stel isolerad vägg. Den inre tanken för innehållande och lagring av flytande kryogent bränsle omges av en yttre tank för innehållande av det andra bränslet, som allmänt är ett flytande och/eller gasformigt kolväte. Genom att omge den exempelvis flytande väte innehållande innertanken med förkylt flytande och/eller gasformigt kolväte, förhindras överdriven bortkokning av det flytande vätet på höga höjder.The aircraft according to the present invention has a propulsion system which utilizes a dual fuel system, where at least one of the fuels is a cryogenic fuel. An inner tank without vacuum contains the cryogenic fuel and an outer tank without vacuum, which surrounds the inner tank, contains a second fuel, which is a fuel with a low freezing point and a high boiling point, which acts as an insulator for the cryogenic fuel in the inner tank. The other fuel in the outer tank can also be a cryogenic fuel. The fuel tank or vessel system comprises a pressurized cylindrical inner vessel or tank for containing or storing the liquid cryogenic fuel, e.g. hydrogen, and has a rigid insulated wall. The inner tank for containing and storing liquid cryogenic fuel is surrounded by an outer tank for containing the second fuel, which is generally a liquid and / or gaseous hydrocarbon. By surrounding the liquid hydrogen containing, for example, the inner tank with pre-cooled liquid and / or gaseous hydrocarbon, excessive boiling of the liquid hydrogen at high altitudes is prevented.
Skiktet av flytande och/eller gasformigt kolväte isolerar det flytande vätet, och undviker sålunda behovet av konventionella kryogenvakuumkärl som isolation.The liquid and / or gaseous hydrocarbon layer insulates the liquid hydrogen, thus avoiding the need for conventional cryogenic vacuum vessels as insulation.
Väggen hos den yttre tanken för kolväte utgör luftfarkostens skal. Den yttre tankens yttervägg anpassas sålunda till luftfarkostens aerodynamiska form. Det 5 464 719 förkylda kolvätet är i huvudsak okomprimerat och fyller därför hela utrymmet mellan tanken för flytande väte och luftfarkostens skal. Denna konstruktion och metod för lagring av bränslen i luftfarkosten medger formgivning av luftfarkosten för optimal lyftförmåga och luftmotstånd utan reducering av bränslereserver.The wall of the outer hydrocarbon tank forms the shell of the aircraft. The outer wall of the outer tank is thus adapted to the aerodynamic shape of the aircraft. The 5,464,719 pre-cooled hydrocarbon is substantially uncompressed and therefore fills the entire space between the liquid hydrogen tank and the shell of the aircraft. This design and method for storing fuels in the aircraft allows the design of the aircraft for optimal lifting capacity and air resistance without reducing fuel reserves.
Lagringsorgan för flytande oxidator är anordnade, och konventionella organ används för att hålla den flytande oxidatorn i underkylt tillstånd för att reducera bortkokning. Lagringsorganen för flytande oxidator kan vara arrangerade på lämpligt sätt för att fylla ett icke trycksatt kärl eller flera kärl, som passar till luftfarkostens form och det förbättrade bränslelagringsysstemet enligt föreliggande uppfinning.Liquid oxidizer storage means are provided, and conventional means are used to keep the liquid oxidant in the subcooled state to reduce boiling. The liquid oxidant storage means may be suitably arranged to fill a non-pressurized vessel or several vessels suitable for the shape of the aircraft and the improved fuel storage system of the present invention.
Enligt föreliggande uppfinning åstadkoms även ett framdrivningssystem uppvisande ett rakethölje innehållande en brännare, drivmedelsinjektorer, mun- styckshals samt munstycke, en bränslepassage, i vilken bränsle pyrolyseras, och som befinner sig intill och omger brännaren och munstyckshalsen, samt organ för att åstadkomma bränsleflöde i bränslepassagen, varvid förbättringen består av en av kiselkarbidfibrer vävd innervägg, som bildar ett brännarfoder och ett mun- styckshalsfoder, samt en av kiselkarbidfibrer vävd yttervägg, vilken är åtskild från inneväggen för bildande av bränslepassagen. Kiselkarbidfibrerna är vävda, företrädesvis kontinuerligt, och leder värme från brännaren och munstyckshalsen till bränslepassagen, varigenom yärme tillhandahålls för den endotermiska pyro- lysen av bränsle. Vid föredragna utföringsformer har innerväggen av vävda kisel- karbidfibrer en porositet för selektiv styrning av diffusion av väte från pas- sagen genom väggen in i brännaren och munstyckshalsen. Denna förbättring av framdrivningssystemet, dvs. i raketmotorer, där förbränningskammaren är fram- ställd av kontinuerligt vävda kiselkarbidfibrer, medger drift av raketmotorer vid mycket höga temperaturer medelst bränslen med låg molekylvikt, dvs. exem- pelvis bränslen såsom kolväten med låg molekylvikt och väte i närheten av oxidatorn, syre. Förbränningsprodukterna från dessa bränslen har en relativt låg molekylvikt. De här använda kolvätena med låg molekylvikt är omättade eller mättade kolväten uppvisande mindre än 4 kolatomer.According to the present invention there is also provided a propulsion system having a rocket housing containing a burner, fuel injectors, nozzle neck and nozzle, a fuel passage in which fuel is pyrolyzed, and which is adjacent to and surrounds the burner and nozzle neck, and means for providing fuel in fuel. wherein the improvement consists of an inner wall woven of silicon carbide fibers, which forms a burner liner and a nozzle neck lining, and an outer wall woven of silicon carbide fibers, which is separated from the inner wall for forming the fuel passage. The silicon carbide fibers are woven, preferably continuously, and conduct heat from the burner and nozzle neck to the fuel passage, thereby providing heat for the endothermic pyrolysis of fuel. In preferred embodiments, the inner wall of woven silicon carbide fibers has a porosity for selectively controlling diffusion of hydrogen from the passage through the wall into the burner and nozzle neck. This improvement of the propulsion system, i.e. in rocket engines, where the combustion chamber is made of continuously woven silicon carbide fibers, allows the operation of rocket engines at very high temperatures by means of low molecular weight fuels, ie. for example fuels such as low molecular weight hydrocarbons and hydrogen in the vicinity of the oxidizer, oxygen. The combustion products from these fuels have a relatively low molecular weight. The low molecular weight hydrocarbons used herein are unsaturated or saturated hydrocarbons having less than 4 carbon atoms.
Från det flytande vätet i kolväteblandningen tillgängligt väte förutom från den endotermiska sönderdelningen av kolväte i bränslepassagen erhållet väte, befrämjar bildningen av en stor fraktion av vattenånga med relativt liten molekylvikt i förbränningsprodukterna. Hög förbränningstemperatur i brännaren, och den höga temperaturen i munstyckshalsen, tillåts genom den kombinerade an- vändningen av kontinuerligt lindade kiselkarbidfibrer och genom filmkylning från vätet i bränslepassagen, där vätet diffunderar från bränslepassagen genom 464 719 5 brännarfodret och halsfodret in i brännkammaren resp. munstyckshalskammren.Hydrogen available from the liquid hydrogen in the hydrocarbon mixture in addition to the hydrogen obtained from the endothermic decomposition of hydrocarbon in the fuel passage promotes the formation of a large fraction of water vapor with a relatively small molecular weight in the combustion products. High combustion temperature in the burner, and the high temperature in the nozzle neck, are allowed by the combined use of continuously wound silicon carbide fibers and by film cooling from the hydrogen in the fuel passage, where the hydrogen diffuses from the fuel passage through the burner liner into the burner liner and neck liner. nozzle neck chambers.
Nettoresultatet blir ett förhållande mellan förbränningstemperatur och molekyl- vikt, som ger en hög ljudhastighet i raketmotorns munstyckshals och efter över- ljudexpansion, en hög utblåsningshastighet hos raketmotorn.The net result is a ratio between combustion temperature and molecular weight, which gives a high speed of sound in the nozzle neck of the rocket engine and after supersonic expansion, a high blowout speed of the rocket engine.
Enligt föreliggande uppfinning ger den vävda kiselkarbidfiberkonstruk- tionen hos brännarfodret och halsfodret hög ringhållfasthet, och fiberskikten åstadkommer svettningskylning genom den styrda porositeten hos de lindade kiselkarbidfibrerna, som medger migration eller diffusion av väte, men ej kol- väte, under tryck genom väggarna in i förbränningskammaren och munstyckshalskam- maren. Filmkylning av den varma sidan av väggen uppnås således under det att på samma gång tillförseln av väte minskar molekylvikten hos avgaserna, som ger högre halshastighet. Dessutom reducerar vätefilmen på förbrännar- och munstycks- halssidan av förbrännarfodret och munstyckshalsfodret fluidväggfriktion i mun- styckshalsen.According to the present invention, the woven silicon carbide fiber structure of the burner liner and neck liner provides high ring strength, and the fibrous layers provide sweat cooling through the controlled porosity of the wound silicon carbide fibers, which allows migration or diffusion of hydrogen, but not hydrocarbon, into pressurized hydrogen. and the nozzle neck chamber. Film cooling of the hot side of the wall is thus achieved while at the same time the supply of hydrogen reduces the molecular weight of the exhaust gases, which gives a higher neck velocity. In addition, the hydrogen film on the burner and nozzle neck side of the burner liner and the nozzle neck liner reduces fluid wall friction in the nozzle neck.
Enligt en annan aspekt av föreliggande uppfinning innefattar framdriv- ningssystemet ett rakethölje uppvisande en brännarkammare med ett brännarfoder och en munstyckshalskammare med ett munstyckshalsfoder, en bränslepassage intill och omgivande brännarfodret och munstyckshalsfodret, som bildar innerväggen av bränslepassagen, vars yttervägg är åtskild från innerväggen till bildande av passagen, organ för att åstadkomma bränsleflöde i bränslepassagen, samt ett flertal flödesriktande ledskenor anordnade i bränslepassagen för att rikta bränslet i bränslepassagen perifert. Bränslet rör sig således en längre banan genom passagen, vilket ökar bränslets upphållstid i passagen för att befrämja värmeöverföring till fluiden i bränslepassagen. Genom de flödesriktande ledskenorna föreligger det en längre fluiduppehållstid i bränslepassagen, och detta medför högre värmeöverföring och utsträckt tid för den endotermiska pyro- lysen eller sönderdelningen av kolvätebränslet.According to another aspect of the present invention, the propulsion system includes a rocket housing having a burner chamber with a burner liner and a nozzle neck chamber with a nozzle neck liner, a fuel passage adjacent and surrounding the burner liner and the nozzle neck liner forming the inner wall of the inner wall passageway. the passage, means for providing fuel flow in the fuel passage, and a plurality of flow directing guide rails arranged in the fuel passage for directing the fuel in the fuel passage peripherally. The fuel thus moves a longer path through the passage, which increases the residence time of the fuel in the passage to promote heat transfer to the fluid in the fuel passage. Due to the flow-directing guide rails, there is a longer fluid residence time in the fuel passage, and this results in higher heat transfer and extended time for the endothermic pyrolysis or decomposition of the hydrocarbon fuel.
Vid en ytterligare utföringsform injicerar ett flertal bränsleinjice- ringshål i brännarfodret bränsle i förbränningskammaren i en riktning, som be- främjar perifer rörelse av bränslet i förbränningskammaren. En oxidator införs också genom oxidatorinjiceringshål till centrum av förbränningskammaren för att injicera oxidator i förbränningskammaren i en riktning, som befrämjar perifer rörelse av oxidatorn. På detta sätt blandas bränslet och oxidatorn i kammaren före och under förbränning.In a further embodiment, a plurality of fuel injection holes in the burner liner inject fuel into the combustion chamber in a direction which promotes peripheral movement of the fuel in the combustion chamber. An oxidizer is also inserted through oxidizer injection holes to the center of the combustion chamber to inject oxidizer into the combustion chamber in a direction that promotes peripheral movement of the oxidizer. In this way, the fuel and oxidizer in the chamber are mixed before and during combustion.
Genom den föreliggande uppfinningen används kolvätebränsle för att gene- rera bränsleprodukter, som har åtminstone en av följande egenskaper: (1) högre förbränningshastigheter, (2) högre förbränningstemperaturer och (3) lägre mole- kylvikt före förbränningen i förbränningskammaren. Acetylen är exempelvis en 464 719 föredragen bränsleprodukt, som har en högre förbränningshastighet, en högre för- bränningstemperatur och en lägre molekylvikt än det kolväte från vilket det genereras.The present invention uses hydrocarbon fuel to generate fuel products which have at least one of the following properties: (1) higher combustion rates, (2) higher combustion temperatures and (3) lower molecular weight prior to combustion in the combustion chamber. Acetylene is, for example, a preferred fuel product which has a higher combustion rate, a higher combustion temperature and a lower molecular weight than the hydrocarbon from which it is generated.
Vid en utföringsform av uppfinningen omvandlas eten termiskt till acetylen och väte under användning av väte i bränslepassagen som en katalysator och/eller under användning av en ytterligare katalysator, medan överskottsväte från bränsleblandningen även verkar för att buffra och förhindra kolpolymerise- ring, vilket resulterar i koks eller i vissa fall, acetylendetonation.In one embodiment of the invention, ethylene is thermally converted to acetylene and hydrogen using hydrogen in the fuel passage as a catalyst and / or using an additional catalyst, while excess hydrogen from the fuel mixture also acts to buffer and prevent carbon polymerization, resulting in coke or in some cases, acetylenetonation.
Genom den föreliggande uppfinningen är det möjligt att framhäva förbruk- ningen av flytande syre, vätskeformigt och/eller gasformigt kolväte samt flytande väte i denna ordningsföljd. Detta är betydelsefullt på grund av att vid alla raketutblåsningshastigheter uppnås dragkraft genom drivmedelsmasstillförsel för impulsökning. Flytande syre, följt av flytande kolväte, har hög vätsketät- het, och därför hög drivmedelsandel relativt luftfarkostens storlek och fasta vikt.By means of the present invention it is possible to emphasize the consumption of liquid oxygen, liquid and / or gaseous hydrocarbon as well as liquid hydrogen in this order. This is significant due to the fact that at all rocket blowout speeds traction is achieved through fuel mass supply for impulse increase. Liquid oxygen, followed by liquid hydrocarbon, has a high liquid density, and therefore a high proportion of fuel relative to the size and fixed weight of the aircraft.
Framdrivningssystemen enligt föreliggande uppfinning kan användas i alla luftfarkoster, hos vilka motorn eller motorerna använder ett rakethölje. Så kan exempelvis uppfinningen bilda del av en raketmotor, rammotor, eller scrammotor.The propulsion systems of the present invention can be used in any aircraft in which the engine or engines use a rocket casing. For example, the invention may form part of a rocket motor, frame motor, or scram motor.
Kort beskrivning av ritningarna.Brief description of the drawings.
Uppfinningen skall nu beskrivas närmare nedan med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: fig. 1 är delvis isometrisk perspektivvy av en raketdriven luftfarkost, som visar drivmedelskärlen enligt föreliggande uppfinningen, fig. 2 är ett snitt utefter linjen 2-2 i fig. 1 visande drivmedels- och oxidatortankarna hos luftfarkosten, fig. 3 är en tvärsnittsvy av ett segment av drivmedelstankarna visande konstruktionen av tankarnas väggar, fig. 4 är en tvärsnittsvy av den övre delen av en raketmotor och visar bränslepassagen, halsmunstycksfodret, förbrännarfodret och oxidatorinjektorn enligt den föreliggande uppfinningen, fig. 5 är en tvärsnittsvy av raketmotorn utefter linjerna 5-5 i fig. 4 och visar ytterligare bränsleflödet i bränslepassagen och de flödesstyrande ledskenorna enligt föreliggande uppfinning, fig. 6 visar en tvärsnittsvy av förbrännarfodret enligt föreliggande uppfinning.The invention will now be described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 is a partially isometric perspective view of a rocket-propelled aircraft showing the propellant vessels of the present invention; Fig. 2 is a sectional view taken along line 2-2 of Fig. 1; the fuel and oxidizer tanks of the aircraft, Fig. 3 is a cross-sectional view of a segment of the fuel tanks showing the construction of the walls of the tanks, Fig. 4 is a cross-sectional view of the upper part of a rocket engine and shows the fuel passage, neck nozzle liner, combustion liner and oxidizer liner. Fig. 5 is a cross-sectional view of the rocket engine taken along lines 5-5 of Fig. 4 and further showing the fuel flow in the fuel passage and flow control guide rails of the present invention; Fig. 6 shows a cross-sectional view of the combustor liner of the present invention.
Detaljerad beskrivning av uppfinningen.Detailed description of the invention.
Fig. 1 visar en typisk luftfarkost 10 innefattande en kabin och/eller 464 719 8 nyttolastutrymme 24 i den främre delen av luftfarkosten, tre motorer 8 samt en stjärtsektion 22 i luftfarkostens bakre del, samt det förbättrade bränslelag- ringssystemet enligt föreliggande uppfinning innefattande en tank 4 för vätske- formigt väte omgiven av en kolvätetank 20 liksom tankar 6 för flytande syre belägna i de mittre till bakre sektionerna av luftfarkosten. Alla luftfarkost- konstruktioner kan användas tillsammans med det förbättrade framdrivningsystemet och metoderna enligt föreliggande uppfinning.Fig. 1 shows a typical aircraft 10 comprising a cabin and / or payload space 24 in the front part of the aircraft, three engines 8 and a tail section 22 in the rear part of the aircraft, and the improved fuel storage system according to the present invention comprising a tank 4 for liquid hydrogen surrounded by a hydrocarbon tank 20 as well as tanks 6 for liquid oxygen located in the middle to rear sections of the aircraft. All aircraft designs can be used in conjunction with the improved propulsion system and methods of the present invention.
Med hänvisning till fig. 1 och 2 är flytande och/eller halvfast väte in- neslutet och trycksatt i flytande vätetanken 4 hos den raketdrivna luftfarkosten eller flygplanet 10. Halvfast väte är en kombination av flytande och fast väte.Referring to Figures 1 and 2, liquid and / or semi-solid hydrogen is entrapped and pressurized in the liquid hydrogen tank 4 of the rocket-propelled aircraft or aircraft 10. Semi-solid hydrogen is a combination of liquid and solid hydrogen.
Kolvätetanken 20 omger tanken 4 för flytande väte. Här används tanken 4 för flytande väte i form av en icke-vakuum, inre tank för inneslutning av kryogent bränsle som väte, vilket normalt kräver en kryogen vakuumisolerande kammare eller kärl, och kolvätetanken 20 är i form av en icke-vakuum, yttre tank, vilken omger den inre tanken för inneslutning av ett andra bränsle, såsom ett bränsle uppvisande en låg fryspunkt och en hög kokpunkt, vilket verkar som isolator för det kryogena bränslet i den inre tanken 4.The hydrocarbon tank 20 surrounds the liquid hydrogen tank 4. Here, the liquid hydrogen tank 4 is used in the form of a non-vacuum, inner tank for entraining cryogenic fuel as hydrogen, which normally requires a cryogenic vacuum insulating chamber or vessel, and the hydrocarbon tank 20 is in the form of a non-vacuum, outer tank. which surrounds the inner tank for enclosing a second fuel, such as a fuel having a low freezing point and a high boiling point, which acts as an insulator for the cryogenic fuel in the inner tank 4.
Exempel på bränslen med en låg fryspunkt är de vilka har en fryspunkt i området från omkring 150°K till omkring 200°K och en hög kokpunkt, såsom från omkring 275°K till omkring 425°K. Kolvätebränslen ger, antingen det rör sig om vätskeformigt eller gasformigt skvalprum, och om de är belägna i ovan- nämnda fryspunkt- och kokpunktsområden, den nödvändiga termiska spärren för att förhindra väteavkokning. Isolationen i väggen, som skiljer flytande vätetanken 4 och kolvätetanken 20 är tillräcklig för att förhindra frysning av kolväte genom flytande väte under den tidsperiod, som normalt krävs för flyguppdrag. Vid ett tanktryck av 31 kp/mmz (20 p.s.i.a.), absorberar flytande väte vid en tempe- ratur av 36°K 2,8 kcal/kg (5 BTU per pound), och halvfast väte vid en tempera- tur av 25°K absorberar 14 kcal/kg (25 BTU per pound), innan kokning uppträder.Examples of fuels with a low freezing point are those which have a freezing point in the range from about 150 ° K to about 200 ° K and a high boiling point, such as from about 275 ° K to about 425 ° K. Hydrocarbon fuels, whether they are liquid or gaseous squeegee, and if they are located in the above-mentioned freezing and boiling point areas, provide the necessary thermal barrier to prevent hydrogen decoction. The insulation in the wall separating the liquid hydrogen tank 4 and the hydrocarbon tank 20 is sufficient to prevent the freezing of hydrocarbon by liquid hydrogen for the period of time normally required for flight missions. At a tank pressure of 31 kp / mm 2 (20 psia), liquid hydrogen at a temperature of 36 ° K absorbs 2.8 kcal / kg (5 BTU per pound), and semi-solid hydrogen at a temperature of 25 ° K absorbs 14 kcal / kg (25 BTU per pound) before boiling occurs.
Förutom låg fryspunkt måste kolvätet ha en hög kokpunkt (lågt ångtryck) så att det ej kräver komprimering på höga höjder. Enligt föreliggande uppfinning är en komprimering av mindre än omkring 3 kp/mmz ( 2 p.s.i.a.) acceptabel. Det låga ångtrycket hos kolvätebränslet tillåter önskad formgivning av kolvätetanken 20.In addition to low freezing point, the hydrocarbon must have a high boiling point (low vapor pressure) so that it does not require compaction at high altitudes. According to the present invention, a compression of less than about 3 kp / mm 2 (2 p.s.i.a.) is acceptable. The low vapor pressure of the hydrocarbon fuel allows the desired design of the hydrocarbon tank 20.
Kolvätetanken 20 kan följaktligen formas så att luftfarkosten 20 erhåller minskad aerodynamisk friktion och minskad atmosfärisk friktionsuppvärmning.Accordingly, the hydrocarbon tank 20 can be shaped so that the aircraft 20 receives reduced aerodynamic friction and reduced atmospheric frictional heating.
Kolvätebränslen, som kan användas enligt ovannämnda parametrar för att ge den nödvändiga isolationen för flytande väte, innefattar eten, etan, propylen, propan och blandningar av dessa. Eftersom dessa bränslen även är kryogena bränslen, kan bränslet i yttertanken 20 likaledes vara ett kryogent bränsle. 9 464 71.9 Följande tabell visar exempel på typiska kolvätebränslen, som kan användas i kolvätetanken 20 enligt föreliggande uppfinning.Hydrocarbon fuels which can be used according to the above parameters to provide the necessary insulation for liquid hydrogen include ethylene, ethane, propylene, propane and mixtures thereof. Since these fuels are also cryogenic fuels, the fuel in the outer tank 20 can likewise be a cryogenic fuel. 9 464 71.9 The following table shows examples of typical hydrocarbon fuels that can be used in the hydrocarbon tank 20 of the present invention.
TABELL Kolvätebränslen Kokpunkt Fryspunkt Vätsketäthet vid (°K) (°K) 2400 K kg/m3 Eten 305 188 608 CZH4 Etan 333 182 608 C2H6 Propylen 406 159 640 C3H6 Propan 416 150 624 C3Hs ' De i ovanstående tabell visade bränslena kan underkylas om så önskas för att reducera deras ångtryck och undvika kokning på hög höjd. Bränslena i ovan- stående tabell kan exempelvis underkylas till 240°K. Vätsketätheten vid 240°K visas för vart och ett av kolvätebränslen i tabellen.TABLE Hydrocarbon fuels Boiling point Freezing point Liquid density at (° K) (° K) 2400 K kg / m3 Ethylene 305 188 608 CZH4 Ethane 333 182 608 C2H6 Propylene 406 159 640 C3H6 Propane 416 150 624 C3Hs' The fuels shown in the table above can be reduced. desired to reduce their vapor pressure and avoid boiling at high altitudes. The fuels in the table above can, for example, be subcooled to 240 ° K. The liquid density at 240 ° K is shown for each of the hydrocarbon fuels in the table.
Innertanken 4 för flytande väte är väsentligen cylindrisk, såsom framgår av fig. 1 och 2. Vid föredragna utföringsformer är tanken 4 en långsträckt cylindrisk tank, som sträcker sig väsentligen från kabin- och lastsektionen 24 hos luftfarkosten 10 utefter farkostens hela längd till dess raketsektion.The liquid liquid inner tank 4 is substantially cylindrical, as shown in Figures 1 and 2. In preferred embodiments, the tank 4 is an elongate cylindrical tank extending substantially from the cabin and cargo section 24 of the aircraft 10 along the entire length of the aircraft to its rocket section.
Tanken 4 är exempelvis belägen väsentligen centralt i luftfarkosten, såsom fram- går av fig. 2 och sträcker sig från approximativt linjen 26 till linjen 28 i luftfarkosten 10 såsom framgår av fig. 1. En bränsleledning 16 för flytande väte är ansluten till en konventionell pump 18 för flytande väte för tillförsel av flytande väte till lämpliga ledningar och en dörr i och för fördelning till bränsleledningarna och passagerna i framdrivningssystemet enligt föreliggande uppfinning. Ehuru endast en bränsleledning och en pump för flytande väte visas i fig. 1, inser fackmannen att ett önskat antal sådana bränsleledningar och pumpar kan användas, liksom tillhörande hjälputrustning och styrorgan för fördelningen av det flytande vätet. 464 719 1° Tanken 4 för flytande väte kan konstrueras av lämpliga isolationsmateri- al, hos vilka en rimlig tjocklek förhindrar flytande väte från att frysa kol- vätet i tanken 20 under en tidsperiod, som är tillräcklig för flyguppdrag, Såsom framgår av fig. 3 innefattar en typisk lättvikts väggkonstruktion hos tanken 4 för flytande väte grafit-epoxiplastväggar 30, som företrädesvis är fiberarmera- de, t.ex. med grafitfiber, och separerade av ett isolationsmaterial 40. Isola- tionsmaterialet kan exempelvis vara omkring 25 mm flytande polyuretanskum injicerat i och härdat mellan grafit-epoxiplastväggarna 30 till bildande av polyuretanisolationen 40. Andra typiska isolationsmaterial, som kan motstå de låga temperaturerna, innefattar exempelvis kompaktgjort kvarts. Isolationsmate- rialet 40 förhindrar frysning av det flytande kolvätet i tanken 20 genom det flytande vätet i tanken 4. Innerytan hos tanken 4 för flytande väte är före- trädesvis belagd med ett material, som förhindrar diffusion av väte genom väg- garna 38. Så är exempelvis en metallfolie lämplig för beläggningen 42 på tankens 4 innervägg, vilken innefattar en järn-nickellegering innehållande omkring 40 - omkring 50% nickel och uppvisande en låg värmeutvidgningskoefficient. Ett kom- mersiellt tillgängligt folie, som kan användas för detta ändamål, är i USA känt under varumärkesnamnet INVAR.For example, the tank 4 is located substantially centrally in the aircraft, as shown in Fig. 2 and extends from approximately line 26 to line 28 in the aircraft 10 as shown in Fig. 1. A liquid hydrogen fuel line 16 is connected to a conventional pump. 18 for liquid hydrogen for supplying liquid hydrogen to suitable lines and a door for distribution to the fuel lines and passages in the propulsion system of the present invention. Although only a fuel line and a liquid hydrogen pump are shown in Fig. 1, those skilled in the art will recognize that a desired number of such fuel lines and pumps may be used, as well as associated auxiliary equipment and control means for the distribution of the liquid hydrogen. 464 719 1 ° The liquid hydrogen tank 4 can be constructed of suitable insulating materials, in which a reasonable thickness prevents liquid hydrogen from freezing the hydrocarbon in the tank 20 for a period of time sufficient for flight missions, As shown in Fig. 3. comprises a typical lightweight wall construction of the tank 4 for liquid hydrogen graphite-epoxy plastic walls 30, which are preferably fiber-reinforced, e.g. with graphite fiber, and separated by an insulating material 40. The insulating material may be, for example, about 25 mm of liquid polyurethane foam injected into and cured between the graphite epoxy plastic walls 30 to form the polyurethane insulation 40. Other typical insulating materials which can withstand the low temperatures include, for example, compacted quartz. The insulating material 40 prevents freezing of the liquid hydrocarbon in the tank 20 by the liquid hydrogen in the tank 4. The inner surface of the liquid hydrogen tank 4 is preferably coated with a material which prevents diffusion of hydrogen through the walls 38. Thus, for example a metal foil suitable for the coating 42 on the inner wall of the tank 4, which comprises an iron-nickel alloy containing about 40 - about 50% nickel and having a low coefficient of thermal expansion. A commercially available foil, which can be used for this purpose, is known in the United States under the brand name INVAR.
Enligt föreliggande uppfinning är den yttre tankens yttre vägg, dvs. den yttre väggen hos den yttre tanken 20 luftfarkostens 10 skal 30. Den yttre tankens 20 yttre vägg anpassar sig således till luftfarkostens 10 aerodynamiska form. Luftfarkostens 10 skal 30, som representerar kolvätetankens 20 yttre vägg, är företrädesvis omkring 25 mm tjock och är i form av en s.k. "isogrid". Typiska skalmaterial är välkända inom tekniken. Högtemperaturmaterial (omkring 870°C) såsom titanaluminid eller vissa nickebaserade varmhållfasta legeringar, såsom Rene 41, kan användas som luftfarkostens skal. Det yttre skalet 30 är bundet vid ett isolermaterial 36 av högtemperaturtyp, såsom det i USA kommersiellt till- gängliga Min-K, som är en värmeisolering armerad med fibröst material och mycket fint, värmebeständigt partikelformigt material och har en mikroporös struktur med mycket låg värmeledningsförmåga och låg värmediffusionsförmåga. Alternativt kan exempelvis kompaktgjort eller pressat kvarts, kompaktgjort kvarts innehål- lande fibröst material och mycket fint, värmebeständigt partikelformigt materi- al, med en mikroporös struktur med låg värmeledningsförmåga och låg värmediffu- sionsförmåga, även användas som högtemperaturisolationsmaterial 36. Innerytan hos tankens 20 yttervägg är likaså belagd med ett lämpligt material för att re- ducera strålning. Så kan exempelvis en järn-nickellegering innehållande omkring 40% till omkring 50 % nickel i form av ett folie användas som strålningsspärren 34 och beläggningen 34 på kolvätetankens 20 vägg. Folien 34 laminerad med vi 11 464 719 p- högtemperaturisoleringen 36 reducerar likaledes strålning. Metallfolien 34 användes även för att reducera värmeutvidgningsgradienter i tanken.According to the present invention, the outer wall of the outer tank, i.e. the outer wall of the outer tank 20 of the shell 30 of the aircraft 10. The outer wall of the outer tank 20 thus adapts to the aerodynamic shape of the aircraft 10. The shell 30 of the aircraft 10, which represents the outer wall of the hydrocarbon tank 20, is preferably about 25 mm thick and is in the form of a so-called "isogrid". Typical shell materials are well known in the art. High temperature materials (about 870 ° C) such as titanium aluminide or some nickel-based heat-resistant alloys, such as Rene 41, can be used as the aircraft shell. The outer shell 30 is bonded to a high temperature type insulating material 36, such as the Min-K commercially available in the United States, which is a thermal insulation reinforced with fibrous material and very fine, heat resistant particulate material and has a microporous structure with very low thermal conductivity and low heat diffusion capacity. Alternatively, for example, compacted or pressed quartz, compacted quartz containing fibrous material and very fine, heat-resistant particulate matter, with a microporous structure with low thermal conductivity and low thermal diffusion capacity, can also be used as high temperature insulation material 36. The inner surface of the tank 20 is the outer wall. also coated with a suitable material to reduce radiation. For example, an iron-nickel alloy containing about 40% to about 50% nickel in the form of a film can be used as the radiation barrier 34 and the coating 34 on the wall of the hydrocarbon tank 20. The foil 34 laminated with the high temperature insulation 36 likewise reduces radiation. The metal foil 34 is also used to reduce heat expansion gradients in the tank.
För att undvika frysning av fukt på luftfarkostens 10 yttre skal 30 används spolgas i isogridstrukturens 31 utrymmen 32. Varmt gasformigt kväve kan exempelvis ledas som spolgas genom utrymmena 32 hos isogridstrukturen 31 för att värme det yttre skalet 30.To avoid freezing of moisture on the outer shell 30 of the aircraft 10, purge gas is used in the spaces 32 of the isogrid structure 31. Hot gaseous nitrogen can, for example, be passed as purge gas through the spaces 32 of the isogrid structure 31 to heat the outer shell 30.
Enligt föreliggande uppfinning anvisas en metod att lagra bränslen i en luftfarkost uppvisande ett framdrivningssystem, som utnyttjar ett dubbelbränsle- system, där ett av bränslena är ett kryogent bränsle, som normalt kräver en kryogen vakuumisolation. Det kryogena bränslet, som normalt kräver ett kryogent vakuumkärl, placeras i en inre, icke-vakuumtank och ett andra bränsle med låg fryspunkt och hög kokpunkt placeras i det innertanken omgivande området, varvid det andra bränsle utgör en isolator för det kryogena bränslet i innertanken.According to the present invention there is provided a method of storing fuels in an aircraft having a propulsion system utilizing a dual fuel system, one of the fuels being a cryogenic fuel which normally requires cryogenic vacuum insulation. The cryogenic fuel, which normally requires a cryogenic vacuum vessel, is placed in an inner, non-vacuum tank and a second low freezing point and high boiling point fuel is placed in the area surrounding the inner tank, the second fuel being an insulator for the cryogenic fuel in the inner tank.
Med hänvisning till fig. 1 är kolvätebränsleledningen 17 ansluten till kolvätebränslepumpen 15 för tillförsel av kolvätebränsle till rätt ledningar och samlingsrör enligt uppfinningen. Bränsleledningen 12 för flytande syre tillför flytande syre till lämpliga ledningar och samlingsrör via en bränslepump 14 för flytande syre. Konventionella bränsletillförselsystem innefattande bränsleled- ningar, bränslepumpar och bränslesamlingsrör och flera uppsättningar av dessa, liksom styranordningar och hjälputrustningar (ej visad) kan användas för att tillföra bränslen och oxidator till framdrivningssystemet enligt föreliggande uppfinning.Referring to Fig. 1, the hydrocarbon fuel line 17 is connected to the hydrocarbon fuel pump 15 for supplying hydrocarbon fuel to the correct lines and manifolds according to the invention. The liquid oxygen fuel line 12 supplies liquid oxygen to suitable lines and manifolds via a liquid oxygen fuel pump 14. Conventional fuel supply systems including fuel lines, fuel pumps and fuel manifolds and several sets thereof, as well as control devices and auxiliary equipment (not shown) can be used to supply fuels and oxidizer to the propulsion system of the present invention.
I fig. 4 visas en tvärsnittsvy av ett typiskt rakethölje 8, som är kon- struerat att utnyttja de enligt föreliggande uppfinning föreslagna bränslena.Fig. 4 shows a cross-sectional view of a typical rocket casing 8, which is designed to utilize the fuels proposed according to the present invention.
Rakethöljet 8 kan bilda del av en raketmotor, av en rammotor eller av en scram- motor. En blandning av väte och kolväte, som tillförs från tankarna 4 resp. 20, jfr. fig. 1, genom resp. bränsleledningar och bränslepumpar leds till ett sam- lingsrör 50. Samlingsröret 50 är företrädesvis perifert anordnat runt raketmo- torns 8 munstycke och kommunicerar med bränslehålrummet eller passagen 56 mellan bränsleväggen 54 och väggen 52. Väggarna 54 och 52 bildar munstyckshals 62 och förbrännarkammare 64 hos rakethöljet 8. Bränslepassagen 56, som tillförs bränsle från samlingsröret 50 och i vilken bränsle strömmar i pilarnas 58 riktning, är beläget intill och omger den allmänt som området 64 i fig. 4 visade brännarsek- tionen eller -kammaren, och den allmänt som området 62 i fig. 4 visade mun- styckshalsen. I föredragna utföringsformer omger bränslepassagen 56 hela raket- höljet så att bränsle tillförs till förbränningskammaren från rakethöljets hela periferi. Bränslepassagen kan ha dimensioner som är tillräckliga för att medge tillräcklig tillförsel av bränsle till förbränningskammaren och kan lätt bestäm- mas av fackmannen. 464 719 12 Enligt föreliggande uppfinning är bränsleväggen eller yttre väggen 54 och innerväggen 52, även benämnda munstycksväggfoder 52, munstyckshalsfoder 52 och brännarfoder 52, i beroende på sitt läge i rakethöljet 8, framställda av vävda kiselkarbidfibrer. Kiselkarbidfibrerna eller -trådarna är vävda och leder ifråga om innerväggen 52 värme från brännaren 64 och nunstyckshalsen 62 till bränsle- passagen 56, och tillhandahåller därigenom värme för den endotermiska pyrolysen av bränslet i bränslepassagen 56. Kiselkarbidfibrer för höga temperaturer är väl kända inom tekniken och lindas väsentligen i perifer riktning för att ge hög- trycksinneslutning för raketmotorn. Kiselkarbidfibrerna fungerar upp till om- kring 120000 utan kylning.The rocket housing 8 can form part of a rocket motor, of a frame motor or of a scram motor. A mixture of hydrogen and hydrocarbon, which is supplied from tanks 4 and 4, respectively. 20, cf. Fig. 1, by resp. fuel lines and fuel pumps are led to a manifold 50. The manifold 50 is preferably arranged peripherally around the nozzle of the rocket engine 8 and communicates with the fuel cavity or passage 56 between the fuel wall 54 and the wall 52. The walls 54 and 52 form the nozzle neck 64 and the combustion neck sleeve 62 and The fuel passage 56, which is supplied with fuel from the manifold 50 and in which fuel flows in the direction of the arrows 58, is located adjacent to and surrounds the burner section or chamber shown generally in the area 64 in Fig. 4, and in the area 62 in fig. 4 showed the nozzle neck. In preferred embodiments, the fuel passage 56 surrounds the entire rocket casing so that fuel is supplied to the combustion chamber from the entire periphery of the rocket casing. The fuel passage can have dimensions that are sufficient to allow a sufficient supply of fuel to the combustion chamber and can be easily determined by the person skilled in the art. According to the present invention, the fuel wall or outer wall 54 and the inner wall 52, also called nozzle wall liner 52, nozzle neck liner 52 and burner liner 52, depending on their position in the rocket casing 8, are made of woven silicon carbide fibers. The silicon carbide fibers or threads are woven and conduct heat along the inner wall 52 from the burner 64 and the nozzle neck 62 to the fuel passage 56, thereby providing heat for the endothermic pyrolysis of the fuel in the fuel passage 56. The silicon carbide fibers are well known for high temperatures. substantially in the peripheral direction to provide high pressure containment for the rocket engine. The silicon carbide fibers work up to about 120,000 without cooling.
I föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinningen framställs innerväggen 52, dvs. munstyckshalsfodret och brännarfodret, av en kiselkarbid- fiberväv med en sådan porositet att man uppnår selektiv styrning av diffusionen av väte från passagen 56 genom väggen 52 in i brännarkammaren 64 och munstycks- halsen 62. Ytterväggen 54 hos bränslepassagen 54 är framställd av vävd kiselkar- bidfiber av högtemperaturtyp och är icke-porös, så att vätet ej kommer att dif- fundera genom väggen 54. Väggen 52 är porös så att väte i bränslepassagen 56 vid ett högre tryck. t.ex. omkring 6300 kp/mmz (4000 p.s.i.a.) kan passera eller diffundera genom väggen 52 till munstyckshalsen och brännarkammaren, vilka har ett mindre tryck än bränsletrycket i bränslepassagen 56, t.ex. omkring 4700 kp/mmz (3000 p.s.i.a.) Denna diffusion av väte genom väggen 52 in i de inre kamrarna hos rakethöljet 3 ger filmkylning, såsom visas genom pilen 90 och skiktet 92 i fig. 6.In preferred embodiments of the present invention, the inner wall 52, i.e. the nozzle neck liner and the burner liner, of a silicon carbide fiber web having such a porosity to achieve selective control of the diffusion of hydrogen from the passage 56 through the wall 52 into the burner chamber 64 and the nozzle neck 62. The outer wall 54 of the fuel passage 54 is made of woven silicon fiber of the high temperature type and is non-porous, so that the hydrogen will not diffuse through the wall 54. The wall 52 is porous so that hydrogen in the fuel passage 56 at a higher pressure. for example about 6300 kp / mm 2 (4000 p.s.i.a.) may pass or diffuse through the wall 52 of the nozzle neck and the burner chamber, which have a smaller pressure than the fuel pressure in the fuel passage 56, e.g. about 4700 kp / mm 2 (3000 p.s.i.a.) This diffusion of hydrogen through the wall 52 into the inner chambers of the rocket casing 3 provides film cooling, as shown by the arrow 90 and the layer 92 in Fig. 6.
Såsom framgår av fig. 6, som visar en förstorad del av brännarfodret 52, passerar eller diffunderar vätgas 90 genom brännarfodret eller munstyckshals- fodret 52 in i brännarkammaren eller munstyckshalskammaren genom diffundering genom den porösa, kontinuerligt lindade kiselkarbidfiberväggen 52 till bildande av en film 92 av väte på den sida av väggen som är vänd mot brännarkammaren och munstyckshalsen. Vätediffusionen genom väggen 52 ger transpirationskylning genom migrering av väte under tryck genom väggen såsom beskrivits ovan, och är möjlig på grund av väggens porositet. Det är denna effekt, som bidrar till att vidmakt- hålla temperaturen hos brännarfodret och munstyckshalsfodret 52 vid en tempera- tur, som är mindre än sönderfallstemperaturen hos kiselkarbidtrådarna, exempel- vis så att temperaturen hos väggen 52 hålls på mindre än omkring 980°C till omkring 1200°C.As shown in Fig. 6, which shows an enlarged portion of the burner liner 52, hydrogen gas 90 passes or diffuses through the burner liner or nozzle neck liner 52 into the burner chamber or nozzle neck chamber by diffusion through the porous, continuously wound silicon carbide fiber wall 52 to form a film 92. hydrogen on the side of the wall facing the burner chamber and the nozzle neck. The hydrogen diffusion through the wall 52 provides perspiration cooling by migrating hydrogen under pressure through the wall as described above, and is possible due to the porosity of the wall. It is this effect which helps to maintain the temperature of the burner liner and the nozzle neck liner 52 at a temperature which is less than the decomposition temperature of the silicon carbide wires, for example so that the temperature of the wall 52 is kept at less than about 980 ° C to about 1200 ° C.
För framställning av brännarfodret och munstyckshalsfodret för ett raket- hölje innefattande en brännare, drivmedelsinjektorer, munstyckshals och noe H 464 719, munstycke, en bränslepassage i vilken bränsle pyrolyseras endotermiskt, och som är närbelägen till och omger brännaren och munstyckshalsen, samt uppvisar organ för att åstadkomma bränsleflöde i bränslepassagen, vävs kiselkarbidfibrer i ett flertal skikt i ett mönster, som befrämjar högtrycksinneslutning för brännaren och munstyckshalsen, och de vävda kiselkarbidsfibrerna formas till formen hos en brännare och en munstyckshals. Väggarna 52 och 54 konstrueras sålunda genom att integrera trådar av kiselkarbidfibrer, företrädesvis i skikt, som är perifert lindade i ett kontinuerligt vävt mönster. Trådarna eller fibrerna av kiselkarbid befrämjar inte bara högtrycksinneslutning för brännaren och munstyckshalsen, utan är även verksamma för att leda värme bort från brännkammarområdet 64 och munstyckshalsfodret 62 hos rakethöljet 8. Vid lindning av kiselkarbidtrådarna eller -fibrerna, kan konventionell teknik, såsom lindning av fibrerna runt en fast kärna, lätt utföras av en fackman, och vävens mönster kan väljas för att uppnå den porositet, som krävs hos väggen 52 och oporositeten hos väggen 54. De lindade och formade kiselkarbidfibrerna kan lätt monteras till bildande av bränslepassagen 56 med optimala dimensioner på inom tekniken välkänt sätt.For the manufacture of the burner liner and nozzle neck liner for a rocket casing comprising a burner, fuel injectors, nozzle neck and some H 464 719, nozzle, a fuel passage in which fuel is endothermally pyrolyzed, and which is adjacent to and surrounds the burner and nozzle to provide fuel flow in the fuel passage, silicon carbide fibers are woven into a plurality of layers in a pattern that promotes high pressure containment of the burner and nozzle neck, and the woven silicon carbide fibers are formed into the shape of a burner and a nozzle neck. The walls 52 and 54 are thus constructed by integrating threads of silicon carbide fibers, preferably in layers, which are circumferentially wound in a continuously woven pattern. The silicon carbide threads or fibers not only promote high pressure containment of the burner and nozzle neck, but are also effective in dissipating heat away from the combustion chamber region 64 and the nozzle neck liner 62 of the rocket casing 8. When winding the silicon carbide threads or fibers around conventional technology, a solid core, easily performed by a person skilled in the art, and the pattern of the fabric can be selected to achieve the porosity required of the wall 52 and the porosity of the wall 54. The wound and shaped silicon carbide fibers can be easily mounted to form the fuel passage 56 with optimal dimensions of within technology well known way.
För att uppnå den önskade porositeten för att selektivt styra diffusionen av väte genom den vävda kiselkarbiden hos väggen 52, kan olika väl kända förfaranden användas, t.ex. kemisk ångutfällning och/eller kemisk änginfiltre- ring kan användas för att avsätta eller infiltrera de lindade eller vävda kisel- karbidfibrerna med organometalliska ämnen, som selektivt tillåter diffusion av väte genom den vävda kiselkarbiden.To achieve the desired porosity to selectively control the diffusion of hydrogen through the woven silicon carbide of the wall 52, various well known methods can be used, e.g. chemical vapor deposition and / or chemical vapor infiltration can be used to deposit or infiltrate the wound or woven silicon carbide fibers with organometallic substances which selectively allow diffusion of hydrogen through the woven silicon carbide.
Med hänvisning till fig. 4 och 5 är i bränslepassagen 56 en serie flödes- riktande ledskenor 80 belägna för att rikta i bränslepassagen 56 strömmande bränsle i pilarnas 58 riktning perifert så att bränslet rör sig en längre sträc- ka genom passagen 56 och därigenom ökar bränslets uppehållstid i passagen för att befrämja värmeöverföring till fluiden och/eller gasen och förlänga reaktionstiden för den endotermiska pyrolysen av bränslet. Virvelledskenor 80 bringar det gasformiga bränslet, t.ex. väte och kolväte, till rotation i ändamål att befrämja värmeöverföringen. Virvelledskenorna 80 kan vara konstruerade som en med ytterväggen 54 integrerad del, eller kan vara inviduellt monterade på ytterväggen 54. Virvelledskenorna kan vara av ett lämpligt material, som kan motstå temperaturen och trycken i bränslepassagen 56, och framställs företrädes- vis av lager eller laminat av de vävda, högtemperaturbeständiga kiselkarbid- trådarna eller fibrerna. De flödesriktande ledskenorna 80 är anordnade så att de bringar bränslet till rotation när det rör sig från samlingsröret 50 i riktning mot brännarsektionen 64 hos rakethöljet 8. De flödesriktande ledskenorna kan vara anordnade i hela bränslepassagen eller i segment av densamma. Vid de flesta 464 719 14 föredragna utföringsformer av uppfinningen är ledskenorna 80 belägna åtminstone i bränslepassagen 56 inom området för brännkammaren 64.Referring to Figs. 4 and 5, in the fuel passage 56 a series of flow directing guide rails 80 are located to direct fuel flowing in the fuel passage 56 in the direction of the arrows 58 peripherally so that the fuel moves a longer distance through the passage 56 and thereby increases the fuel flow. residence time in the passage to promote heat transfer to the fluid and / or gas and extend the reaction time for the endothermic pyrolysis of the fuel. Swirl rails 80 bring the gaseous fuel, e.g. hydrogen and hydrocarbons, for rotation for the purpose of promoting heat transfer. The vortex rails 80 may be constructed as an integral part of the outer wall 54, or may be individually mounted on the outer wall 54. The vortex rails may be of a suitable material which can withstand the temperature and pressures of the fuel passage 56, and are preferably made of layers or laminates of the woven, high temperature resistant silicon carbide threads or fibers. The flow directing guide rails 80 are arranged to cause the fuel to rotate as it moves from the manifold 50 toward the burner section 64 of the rocket housing 8. The flow directing guide rails may be provided throughout the fuel passage or in segments thereof. In most preferred embodiments of the invention, the guide rails 80 are located at least in the fuel passage 56 within the area of the combustion chamber 64.
Bränsleinjiceringsöppningar 68, företrädesvis i form av cirkulära hål i väggen S2 inom området för brännkammaren 64 är anordnade i väggen 52 på sådant sätt att de fortsätter eller befrämjar virvelrörelsen av det heta gasformiga bränslet representerat av pilarna 78, när det passerar från bränslepassagen 56 in i brännkammaren. Varje önskat antal bränsleinjiceringsöppningar 68 kan an- vändas enligt föreliggande uppfinning. Vid de flesta utföringsformer överstiger injiceringshastigheten av det heta gasformiga bränslet i förbränningskammaren omkring 300 m/s (1000 fot per sekund) vid omkring 1500 kp/mmz (1000 p.s.i.) tryckfall. Ett flertal bränsleinjiceringshål 68 är anordnade i brännarfodret 52 för att injicera bränsle i brännkammaren i en riktning som understödjer bränslets perifera rörelse. Vid föredragna utföringsformer, där brännarfodret är väsentligen cirkulärt i tvärsnitt, är bränsleinjiceringshålen i brännarfodret orienterade i brännarfodret under en vinkel mindre än 900 mot en vinkelrät linje mot brännarfodrets tangent. Vid de flesta utföringsformer är denna vinkel omkring 300 till omkring 600. Varje vinkel mindre än 900, som är tillräck- lig för att understödja bränslets perifera rörelse när det inträder från bräns- lepassagen i brännkammaren kan emellertid användas.Fuel injection openings 68, preferably in the form of circular holes in the wall S2 within the area of the combustion chamber 64 are arranged in the wall 52 in such a way that they continue or promote the vortex movement of the hot gaseous fuel represented by the arrows 78 as it passes from the fuel passage 56 into the combustion chamber 56. . Any desired number of fuel injection openings 68 may be used in accordance with the present invention. In most embodiments, the injection rate of the hot gaseous fuel into the combustion chamber exceeds about 300 m / s (1000 feet per second) at about 1500 kp / mm 2 (1000 p.s.i.) pressure drop. A plurality of fuel injection holes 68 are provided in the burner liner 52 for injecting fuel into the combustion chamber in a direction which supports the peripheral movement of the fuel. In preferred embodiments, where the burner liner is substantially circular in cross section, the fuel injection holes in the burner liner are oriented in the burner liner at an angle less than 90 ° to a perpendicular line to the tangent of the burner liner. In most embodiments, this angle is about 300 to about 600. Any angle less than 900, which is sufficient to support the peripheral movement of the fuel as it enters from the fuel passage into the combustion chamber can be used.
Framdrivningssystemet enligt föreliggande uppfinning innefattar även organ för införing av oxidator,,såsom flytande syre, från oxidatorledningen 72, som förses med oxidator från de i fig. 1 och 2 visade oxidatortankarna 86.The propulsion system of the present invention also includes means for introducing oxidant, such as liquid oxygen, from the oxidizer line 72, which is provided with oxidizer from the oxidizer tanks 86 shown in Figures 1 and 2.
Oxidatorn införs i brännkammaren genom oxidatorinjiceringsöppningar 66 såsom framgår av fig. 4 och 5. Oxidatorledningen 72 är centralt belägen i brännkam- maren och har ett flertal oxidatorinjiceringshål eller öppningar 66 för införing av oxidator till centrum av förbränningskammaren. Oxidatorn injiceras företrä- desvis i brännkammaren i en riktning, som understödjer oxidatorns perifera rörelse när den inträder i förbränningskammaren från oxidatorledningen 72, så att bränsle och oxidator blandas i kammaren före och under förbränning. Vid föredragna utföringsformer är anordningen för införing av oxidator i brännkam- maren väsentligen cirkulär i tvärsnitt, och oxidatorinjiceringshålen eller öpp- ningarna 66 är orienterade under en vinkel mindre än 900 mot en vinkelrät linje mot tangenten till anordningen för införing av oxidator i kammaren. Vid föredragna utföringsformer är oxidatorinjiceringsöppningarnas vinkel omkring 300 till omkring 600. Varje vinkel som är tillräcklig för att understödja oxidatorns perifera rörelse när den inträder i förbränningskammaren kan emeller- 9 tid användas. 15 464 719 Vid vissa föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinning omfattar framdrivningssystemet ett antal bränsleinjiceringsöppningarna 66 och oxidatorin- jiceringsöppningarna 68 anordnade i sicksack för att befrämja överlappning av bränsle och oxidator i brännkammaren och vidare befrämja blandning av oxidator och bränsle före och under förbränning. På detta sätt skiktas genom injicerings- öppningarna 68 injicerat bränsle och genom injiceringsöppningarna 66 injicerad oxidator så att ömsesidig inträngning uppträder mellan drivmedlen och oxidator före och under förbränning. På detta sätt uppnås ett högt utvecklat tillstånd av blandning och snabb förbränning, när bränsleblandningen antänds.The oxidizer is introduced into the combustion chamber through oxidizer injection openings 66 as shown in Figs. 4 and 5. The oxidizer line 72 is centrally located in the combustion chamber and has a plurality of oxidizer injection holes or openings 66 for introducing oxidizer to the center of the combustion chamber. The oxidizer is preferably injected into the combustion chamber in a direction which supports the peripheral movement of the oxidizer as it enters the combustion chamber from the oxidizer line 72, so that fuel and oxidant are mixed in the chamber before and during combustion. In preferred embodiments, the oxidizer insertion device into the combustion chamber is substantially circular in cross section, and the oxidizer injection holes or openings 66 are oriented at an angle less than 900 ° to a perpendicular line to the tangent of the oxidizer insertion device into the chamber. However, in preferred embodiments, the angle of the oxidizer injection ports is about 300 to about 600. Any angle sufficient to support the peripheral movement of the oxidizer as it enters the combustion chamber may be used. In certain preferred embodiments of the present invention, the propulsion system comprises a plurality of fuel injection openings 66 and oxidizer injection openings 68 arranged in a zigzag to promote overlap of fuel and oxidant in the combustion chamber and further promote mixing of oxidant and fuel before and during fuel. In this way, fuel injected through the injection openings 68 and oxidizer injected through the injection openings 66 so that mutual penetration occurs between the fuels and oxidizer before and during combustion. In this way, a highly developed state of mixing and rapid combustion is achieved when the fuel mixture is ignited.
Bränsleinjiceringsledningen 72 innefattar en porös hylsa, som företrädes- vis är framställd av vävda kiselkarbidfibrer. Väte 70 införs genom väteinjice- ringsledningar 74. Den porösa väteinjiceringsledningen 74 åstadkommer även transpirationskylningen av injiceringsledningen 74 såsom diskuterats ovan för brännarfodret 52 och munstyckshalsen 52. Det genom väteinjiceringsöppningarna 76 införda vätet 70 blandas även med oxidatorn för att igångsätta förbränning och kyla syreinjiceringsledningen.The fuel injection line 72 comprises a porous sleeve, which is preferably made of woven silicon carbide fibers. Hydrogen 70 is introduced through hydrogen injection lines 74. The porous hydrogen injection line 74 also provides the perspiration cooling of the injection line 74 as discussed above for the burner liner 52 and nozzle neck 52. The hydrogen 70 introduced through the hydrogen injection ports 76 is also mixed with the oxidizer to initiate combustion and cooling line.
Vid vissa utföringsformer av föreliggande uppfinning är bränslets peri- fera rörelse från bränsleinjiceringshålet i brännarfodret väsentligen medurs, och oxidatorns perifera rörelse genom oxidatorinjiceringshålen in i brännkam- maren är väsentligen moturs. Vid andra utföringsformer är bränslets perifera rörelse genom bränsleinjiceringshålen i brännarfodret väsentligen moturs, och oxidatorns perifera rörelse genom oxidatorinjiceringshålen i anordningen för in- föring av oxidator är väsentligen medurs.In certain embodiments of the present invention, the peripheral movement of the fuel from the fuel injection hole in the burner liner is substantially clockwise, and the peripheral movement of the oxidizer through the oxidizer injection holes into the combustion chamber is substantially counterclockwise. In other embodiments, the peripheral movement of the fuel through the fuel injection holes in the burner liner is substantially counterclockwise, and the peripheral movement of the oxidizer through the oxidizer injection holes in the oxidizer insertion device is substantially clockwise.
Enligt föreliggande uppfinning erhålles ett framdrivningssystem, som ut- nyttjar ett kolvätebränsle, där organ är anordnade för att åstadkomma stort värmeflöde till brännarfodret och halsfodret, vilken värme erhålls från förbrän- ning inom rakethöljet eller raketkammaren och munstyckshalsen, varvid fodrens temperatur överskrider deras termiska gränser på grund av förbränning i raket- höljet, samt organ för kylning av brännarfodret och munstyckshalsfodret genom endotermisk pyrolys av kolväte i bränslepassagen. Förutom konvektions- och film- kylning genom bränslet, såsom diskuterats ovan, sker sålunda sönderdelning, krackning och/eller dehydrering av kolväte genom endotermisk pyrolys i bränsle- passagen 56 före förbränning. Med användning av etylen (CZH4) som exempel, uppträder följande reaktion i bränslepassagen i närvaro av värme och i frånvaro av katalysator: 464 719 16 2C2H4 --> C4Hs VÄRME C4H8 ___) H2 + C4H6 VÄRME H2 + C4H5 ___) 2H2 + 2C2H2 VÄRME Ovanstående endotermiska reaktion ger 0,9 kg (2 pound) vätgas och 12 kg (26 pound) acetylengas (CZHZ) av 12,7 kg (28 pound) etylen (C2H4)- Det under reaktionen absorberade värmet är 1340 kcal/kg (2413 BTU per pound) etylen.According to the present invention, a propulsion system is obtained which utilizes a hydrocarbon fuel, wherein means are provided for providing high heat flow to the burner liner and neck liner, which heat is obtained from combustion within the rocket casing or rocket chamber and nozzle neck, the thermal temperature of the liner exceeding due to combustion in the rocket casing, as well as means for cooling the burner liner and the nozzle neck liner by endothermic pyrolysis of hydrocarbon in the fuel passage. Thus, in addition to convection and film cooling by the fuel, as discussed above, decomposition, cracking and / or dehydration of hydrocarbon by endothermic pyrolysis occurs in the fuel passage 56 prior to combustion. Using ethylene (CZH4) as an example, the following reaction occurs in the fuel passage in the presence of heat and in the absence of catalyst: 464 719 16 2C2H4 -> C4Hs HEAT C4H8 ___) H2 + C4H6 HEAT H2 + C4H5 V2M2H2H2H2 The above endothermic reaction gives 0.9 kg (2 pounds) of hydrogen and 12 kg (26 pounds) of acetylene gas (CZHZ) of 12.7 kg (28 pounds) of ethylene (C2H4) - The heat absorbed during the reaction is 1340 kcal / kg (2413 BTU per pound) ethylene.
På grund av sin ytterst höga förbränningstemperatur, är acetylen endast under- lägset väte i fråga om maximal raketdragkraft och specifik impuls. Enligt före- liggande uppfinning är sålunda etylen den mest föredragna resulterande produkten från endotermisk pyrolys av kolvätena.Due to its extremely high combustion temperature, acetylene is only inferior to hydrogen in terms of maximum rocket traction and specific impulse. Thus, according to the present invention, ethylene is the most preferred resulting product from endothermic pyrolysis of the hydrocarbons.
När kolvätebränslet är eten innefattar således produkterna av endotermisk pyrolys acetylen och väte. När kolvätebränslet är etan innefattar produkterna av endotermisk pyrolys metan, etylen och väte liksom spårmängder av olika andra kolväten. När kolvätet är propylen, innefattar produkterna av endotermisk pyro- lys metan, etan, etylen, acetylen och väte och spårmängder av andra kolvätepro- dukter. När kolvätebränslet är propan, innefattar produkterna av endotermisk pyrolys metan, etan, eten, acetyflen, propylen och väte och spårmängder av olika andra kolväteprodukter. Naturligtvis ligger det inom ramen för föreliggande upp- finning att använda olika blandningar av ovanstående kolväten. I varje fall är de kolvätebränslen, som används enligt föreliggande uppfinning, de hos vilka endotermisk pyrolys ger en bränsleprodukt med högre förbränningshastigheter, en bränsleprodukt med högre förbrännningstemperaturer och/eller en bränsleprodukt med lägre molekylvikt än det kolvätebränsle från vilket det härrör. Såsom angivits ovan bildas bränsleprodukterna i bränslepassagen 56 i närvaro av den värme, som genereras i bränslekammaren och halsmunstycket och som leds genom väggen 52.Thus, when the hydrocarbon fuel is ethylene, the products of endothermic pyrolysis include acetylene and hydrogen. When the hydrocarbon fuel is ethane, the products of endothermic pyrolysis include methane, ethylene and hydrogen as well as trace amounts of various other hydrocarbons. When the hydrocarbon is propylene, the products of endothermic pyrolysis include methane, ethane, ethylene, acetylene and hydrogen and trace amounts of other hydrocarbon products. When the hydrocarbon fuel is propane, the products of endothermic pyrolysis include methane, ethane, ethylene, acetylene, propylene and hydrogen and trace amounts of various other hydrocarbon products. Of course, it is within the scope of the present invention to use different mixtures of the above hydrocarbons. In any case, the hydrocarbon fuels used in the present invention are those in which endothermic pyrolysis produces a fuel product with higher combustion rates, a fuel product with higher combustion temperatures and / or a fuel product with a lower molecular weight than the hydrocarbon fuel from which it is derived. As stated above, the fuel products are formed in the fuel passage 56 in the presence of the heat generated in the fuel chamber and the nozzle and which is conducted through the wall 52.
Katalysator kan användas i samband med kolvätebränslet för att accelerera ändringen av kolvätebränslets sammansättning, vilket sålunda ger ytterligare endotermisk kylning av väggen 52 och i vissa fall, såsom vid acetylen, erhålles en överlägsen raketbränsleprodukt från den endotermiska pyrolysen. Så kan exem- pelvis katalysatoranordningen för den endotermiska pyrelysen vara en katalysatorbädd i bränslepassagen 56, såsom visas i fig. 5, där katalysatorn 84 visas i form av i passagen belägna kulor. Katalysatorn kan även vara belagd på en vägg i bränslepassagen 56, såsom väggen 54 och/eller väggen 52. Katalysatorn u: 464 719 g 17 kan även ingå i kolvätebränslet så att när bränslet drivs genom bränslepassagen 56 katalysatorn i bränslet accelererar den endotermiska pyrolysen av kolväte- bränslet. Varje katalysator av det slag som är välkänd inom tekniken för endo- termisk pyrolys och krackning, kan användas vid föreliggande uppfinning, inne- fattande sådana katalysatorer som platina och palladium.Catalyst can be used in conjunction with the hydrocarbon fuel to accelerate the change in the composition of the hydrocarbon fuel, thus providing additional endothermic cooling of the wall 52 and in some cases, such as with acetylene, a superior rocket fuel product is obtained from the endothermic pyrolysis. For example, the catalyst device for the endothermic pyrolysis may be a catalyst bed in the fuel passage 56, as shown in Fig. 5, where the catalyst 84 is shown in the form of balls located in the passage. The catalyst may also be coated on a wall of the fuel passage 56, such as the wall 54 and / or the wall 52. The catalyst u: 464 719 g 17 may also be included in the hydrocarbon fuel so that when the fuel is driven through the fuel passage 56 the catalyst in the fuel accelerates the endothermic pyrolysis of hydrocarbon - the fuel. Any catalyst of the type well known in the art of endothermic pyrolysis and cracking can be used in the present invention, including such catalysts as platinum and palladium.
I ovanstående process uttages energi från brännaren och munstyckshalsen genom väggen 52 till bränslet i bränslepassagen 56, därpå tillbaka till förbrän- ningskammaren medelst bränsleinjiceringsöppningarna 68. Det uppträder ingen nettoförlust eller -vinst av värmeenergi, men väggen 52 kyls av den endotermiska reaktionen, och mera fördelaktiga förbränningstemperaturer och förbränningspro- dukter erhålls, varigenom högre raketmunstyckeshastighet och högre dragkraft erhålls.In the above process, energy is taken from the burner and nozzle neck through the wall 52 to the fuel in the fuel passage 56, then back to the combustion chamber through the fuel injection ports 68. There is no net loss or gain of heat energy, but the wall 52 is cooled by the endothermic and reactive thermal reaction. combustion temperatures and combustion products are obtained, whereby higher rocket nozzle velocity and higher traction are obtained.
Genom den föreliggande uppfinningen anges sålunda en metod att förbättra bränslesystem hos ett framdrivningssystem uppvisande ett rakethölje med en för- brännningskammare, som har ett brännarfoder och en utblåsningsgashals med ett halsfoder, varvid en bränslepassage är belägen intill och omger brännarfodret och halsfodret. Kolvätebränslet leds genom bränslepassagen. Värme från förbrän- ningen av bränsle i brännkammaren avges till bränslepassagen medelst strålning genom brännarfodret och halsfodret. Kolvätebränslet uppvärms vid en tillräcklig temperatur för att medföra endotermisk pyrolys av kolvätet i bränslepassagen, varvid från brännkammaren genomebrännarfodret och halsfodret avlägsnat värme reducerar temperaturen i brännkammaren och brännarfodret och halsfodret så att de termiska begränsningarna för brännarfodret och halsfodret ej överskrids.Thus, the present invention provides a method of improving the fuel system of a propulsion system having a rocket housing having a combustion chamber having a burner liner and an exhaust gas neck having a neck liner, a fuel passage being adjacent to and surrounding the burner liner and neck liner. The hydrocarbon fuel is led through the fuel passage. Heat from the combustion of fuel in the combustion chamber is emitted to the fuel passage by radiation through the burner lining and the neck lining. The hydrocarbon fuel is heated at a sufficient temperature to cause endothermic pyrolysis of the hydrocarbon in the fuel passage, whereby heat removed from the combustion chamber and the neck liner reduces the temperature in the combustion chamber and the burner liner and neck liner so that the thermal constraints of the burner liner neck are exceeded.
Förutom drivmedlets flödeshastighet, som bestämer förbränningstrycket (rakethals strypt vid ljudhastighet) och blandningsförhållandet, som bestämmer förbränningstemperaturen, kan förhållandet mellan väte och kolvätebränsle vari- eras för att styra temperaturen hos konstruktionen (förutom raketdragkraften).In addition to the propellant flow rate, which determines the combustion pressure (rocket neck throttled at speed of sound) and the mixing ratio, which determines the combustion temperature, the ratio of hydrogen to hydrocarbon fuel can be varied to control the temperature of the structure (except rocket traction).
Väte i överskott ökar filmkylningen, reducerar förbränningstemperaturen (bränslerikt), reducerar strålning från kolföreningar (kolvätebränsle) och be- främjar bildning av vatten med relativt låg molekylvikt. Förhållandet mellan väte och kolväte kan inställas av fackmannen för att uppnå den mest önskvärda kombinationen av föregående variabler, men i de flesta fall har ett massförhål- lande av 50 vikt% väte och 50 vikt% kolväte i allmänhet visat sig önskvärt.Excess hydrogen increases the film cooling, reduces the combustion temperature (fuel-rich), reduces radiation from carbon compounds (hydrocarbon fuel) and promotes the formation of water with a relatively low molecular weight. The ratio of hydrogen to hydrocarbon can be adjusted by those skilled in the art to achieve the most desirable combination of the foregoing variables, but in most cases a mass ratio of 50% by weight hydrogen and 50% by weight hydrocarbon has generally been found to be desirable.
Genom den föreliggande uppfinningen föreslås en systematisk användning av kolväte- och vätebränsle, och därvidlag föreligger det-ingen begränsning med avseende på de anordningar, medelst vilka kolväte sönderdelas eller omvandlas till någon annan form av kolväte. Så är exempelvis omvandling av eten eller etan till acetylen välkänt inom tekniken. Denna omvandling innebär emellertid typiskt 464 719 ”i svårigheter med avseende på uppnående av maximalt omvandlingsutbyte (omkring 70 % utbyte per viktenhet acetylen från eten) inom en kort tidsrymd (mindre än 5 millisekunder) vid förhöjda temperaturer. Vidare kan omvandlingsprocessen, antingen den är pyrolytisk och/eller katalytisk, bilda ej önskvärda kolproduk- ter, såsom kol-kolmolekyler (koks) eller metallkarbider (av katalysatorn). En särskilt ogynnsam reaktion är acetylenexplosion på grund av kol-kolpolymerisa- tion.The present invention proposes a systematic use of hydrocarbon and hydrogen fuel, and in doing so there is no limitation on the devices by which hydrocarbon is decomposed or converted to any other form of hydrocarbon. For example, the conversion of ethylene or ethane to acetylene is well known in the art. However, this conversion typically involves 464,719 ”in difficulty in achieving maximum conversion yield (about 70% yield per unit weight of acetylene from ethylene) within a short period of time (less than 5 milliseconds) at elevated temperatures. Furthermore, the conversion process, whether pyrolytic and / or catalytic, can form undesirable carbon products, such as carbon-carbon molecules (coke) or metal carbides (of the catalyst). A particularly unfavorable reaction is acetylene explosion due to carbon-carbon polymerization.
Enligt en aspekt av föreliggande uppfinning omvandlas kolvätena till mer gynnsamma produkter, dvs. bränsleprodukter med högre förbränningshastigheter, högre förbränningstemperatur och/eller lägre molekylvikter, genom termisk omvandling vid omkring 925°C (l700°F) till omkring 1200°C (2200°F), med användning av det redan tillgängliga vätebränslet i den bränsleblandning, som erhålls från samlingsröret 50, för att accelerera en molekylär reaktion, där en enda vätemolekyl dissocieras från kolvätet och kombineras med två väteatomer från kolvätet till bildande av en mera önskvärd produkt, nämligen acetylen. Vid omkring 925°C (l700°F) bildar exempelvis eten i närvaro av väte acetylen.According to one aspect of the present invention, the hydrocarbons are converted to more favorable products, i.e. fuel products with higher combustion rates, higher combustion temperatures and / or lower molecular weights, by thermal conversion at about 925 ° C (1700 ° F) to about 1200 ° C (2200 ° F), using the hydrogen fuel already available in the fuel mixture obtained from the manifold 50, to accelerate a molecular reaction, where a single hydrogen molecule is dissociated from the hydrocarbon and combined with two hydrogen atoms from the hydrocarbon to form a more desirable product, namely acetylene. At about 925 ° C (1700 ° F), for example, ethylene in the presence of hydrogen forms acetylene.
Aktiveringsenergin reduceras och omvandlingshastigheten accelereras. Dessutom buffrar överskottet av väte bildningen av kol-kolmolekyler innefattande kolpoly- merisering på grund av att vätemolekyler passar inom den fria medelväglängden hos fria kolatomer och därför blockerar en kolatom från en annan kolatom. Natur- ligtvis kan ytterligare katalysatoranordningar även användas med medlen för kyl- ning av brännarfodret och halsfodret genom endotermisk pyrolys av kolväte i när- varo av väte i bränslepassagen, varvid vätet i bränslet accelererar hastigheten hos den endotermiska pyrolysen. När kolvätebränslet är ett kolväte, vars endo- termiska pyrolys resulterar i bildning av koks och kolpolymerer, imdertrycker vätet i bränslet även bildningen av koks och polymerisering av kol, varigenom explosion i bränslepassagen förhindras. Konventionella katalysatoranordningar enligt ovan kan även användas i detta framdrivningssystem. Ehuru avsikten ej är att begränsa den endotermiska pyrolysen till någon särskild temperatur, upphet- tas allmänt enligt föreliggande uppfinning kolvätebränslet och vätet i bränsle- passagen vid en temperatur av omkring 925°C (l700°F) till omkring 1200°C (2000°F). Ehuru kolvätet i bränsletanken är en gas eller en vätska eller en blandning därav, och ehuru vätet i bränsletanken är en vätska eller halvfast, är kolvätet och vätet i bränslepassagen 56 i allmänhet i gasformigt tillstånd på grund av den höga temperaturen i passagen.The activation energy is reduced and the conversion speed is accelerated. In addition, the excess hydrogen buffers the formation of carbon-carbon molecules including carbon polymerization because hydrogen molecules fit within the free average path length of free carbon atoms and therefore block one carbon atom from another carbon atom. Of course, additional catalyst devices can also be used with the means for cooling the burner liner and the neck liner by endothermic pyrolysis of hydrocarbon in the presence of hydrogen in the fuel passage, the hydrogen in the fuel accelerating the rate of the endothermic pyrolysis. When the hydrocarbon fuel is a hydrocarbon, the endothermic pyrolysis of which results in the formation of coke and carbon polymers, the hydrogen in the fuel also suppresses the formation of coke and the polymerization of carbon, thereby preventing explosion in the fuel passage. Conventional catalyst devices as above can also be used in this propulsion system. Although not intended to limit endothermic pyrolysis to any particular temperature, according to the present invention, the hydrocarbon fuel and hydrogen are generally heated in the fuel passage at a temperature of about 925 ° C (1700 ° F) to about 1200 ° C (2000 ° F). ). Although the hydrocarbon in the fuel tank is a gas or a liquid or a mixture thereof, and although the hydrogen in the fuel tank is a liquid or semi-solid, the hydrocarbon and hydrogen in the fuel passage 56 are generally in a gaseous state due to the high temperature in the passage.
Ehuru ej visat, kan fackmannen lätt införa organ för antändning av bränslet i närvaro av oxidator i förbränningskammaren. Tändanordningen kan exem- pelvis vara ett elektriskt system, som ger en elektrisk båge inom området för 19 464 719 bränsïeinjiceringssystemet, exempeïvis väteöppningarna 76, bränsïeinjicerings- öppningarna 68 och oxidatorinjiceringsöppningarra 66.Although not shown, those skilled in the art can easily insert means for igniting the fuel in the presence of oxidizer in the combustion chamber. The igniter may be, for example, an electrical system which provides an electric arc within the range of the fuel injection system, for example the hydrogen openings 76, the fuel injection openings 68 and the oxidizer injection openings 66.
De ovan beskrivna egenskaperna och kännetecknen var för sig eHer i kombination ger förbättrade framdrivningssystem och -metoder, som utnyttjar koïvätebränsïen eïïer kolvätebränslen i kombination med vätebränsïe i närvaro av oxidator. De ovannämnda systemen möjïiggör även användning av förbättrade luftfarkoster med framdrivningssystem, vi1ka utnyttjar ett dubbeibränsiesystem samt en metod för Iagring av bränsle i ett fiygpïan vars framdrivningssystem använder ett dubbeïbränsïesystem.The properties and characteristics described above individually or in combination provide improved propulsion systems and methods which utilize the hydrocarbon fuel or hydrocarbon fuels in combination with the hydrogen fuel in the presence of oxidizer. The above-mentioned systems also enable the use of improved aircraft with propulsion systems, which utilize a twin fuel system and a method of storing fuel in a vehicle whose propulsion system uses a twin fuel system.
Claims (6)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US91821786A | 1986-10-14 | 1986-10-14 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SE8703970D0 SE8703970D0 (en) | 1987-10-13 |
SE8703970L SE8703970L (en) | 1988-04-15 |
SE464719B true SE464719B (en) | 1991-06-03 |
Family
ID=25440002
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SE8703970A SE464719B (en) | 1986-10-14 | 1987-10-13 | Propulsion system |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63120842A (en) |
CN (1) | CN87106913A (en) |
DE (1) | DE3734099A1 (en) |
FR (1) | FR2605053A1 (en) |
GB (1) | GB2196394B (en) |
IT (1) | IT1225459B (en) |
NO (1) | NO874263L (en) |
SE (1) | SE464719B (en) |
Families Citing this family (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3911655C1 (en) * | 1989-04-10 | 1990-06-07 | Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh, 8012 Ottobrunn, De | Cryogenic supersonic aircraft fuel tank - is surrounded by fuel pipe harness to permit heating or cooling |
DE4437524C2 (en) * | 1994-10-20 | 1997-04-24 | Kunkel Klaus Dr Ing | Method for operating a missile propulsion system and missile propulsion |
DE19927735B4 (en) * | 1999-06-17 | 2005-10-06 | Eads Space Transportation Gmbh | Thrust chamber arrangement for aerospace engines |
US7213392B2 (en) | 2003-06-10 | 2007-05-08 | United Technologies Corporation | Rocket engine combustion chamber |
DE102014107316A1 (en) * | 2014-05-23 | 2015-11-26 | Airbus Operations Gmbh | Tank system for the cryogenic storage of hydrogen and aircraft with a tank system for the cryogenic storage of hydrogen |
DE102017106758A1 (en) * | 2017-03-15 | 2018-09-20 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Thrust chamber device and method for operating a thrust chamber device |
CN109162831A (en) * | 2018-09-05 | 2019-01-08 | 北京航空航天大学 | Solid-liquid power engine and the rocket for applying it |
RU2752960C1 (en) * | 2020-07-03 | 2021-08-11 | Виктор Николаевич Исаков | Combustion chamber with catalytic coating for ramjet engine and method for applying a catalytic coating |
DE102020123422A1 (en) * | 2020-09-08 | 2022-03-31 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Thrust chamber device and method for operating a thrust chamber device |
CN112298502A (en) * | 2020-10-20 | 2021-02-02 | 广东石油化工学院 | Wingless electric extrusion spiral rotation forward type intelligent underwater unmanned vehicle |
CN112298501B (en) * | 2020-10-20 | 2023-06-16 | 广东石油化工学院 | Winged electric extrusion propulsion type intelligent underwater unmanned aircraft |
CN113357052B (en) * | 2021-06-25 | 2022-07-19 | 中国科学院力学研究所 | Method for controlling uniform retreating of combustion surface of explosive column of solid-liquid engine |
Family Cites Families (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE716175C (en) * | 1935-02-09 | 1942-01-14 | Eugen Saenger Dr Ing | Rocket engine |
DE1085719B (en) * | 1944-12-04 | 1960-07-21 | Dr Eberhard Schneller | Rocket propulsion and training |
US2526222A (en) * | 1948-01-02 | 1950-10-17 | Daniel And Florence Guggenheim | Cooling and feeding means for rocket type combustion chambers |
BE490776A (en) * | 1948-10-26 | |||
US2695496A (en) * | 1952-03-05 | 1954-11-30 | Daniel And Florence Guggenheim | Structure for feeding, intermingling, vaporizing, and igniting combustion liquids ina combustion chamber for rocket-type propulsion apparatus |
GB793300A (en) * | 1953-06-19 | 1958-04-16 | Havilland Engine Co Ltd | Rocket motors |
US2749706A (en) * | 1953-10-29 | 1956-06-12 | Daniel And Florence Guggenheim | Mechanism for cooling a combustion chamber in propulsion apparatus and for feeding combustion liquids thereto |
GB800354A (en) * | 1955-12-23 | 1958-08-27 | Aerojet General Co | Combustion chamber for gas generation provided with cooling means and a system for operating the same |
GB865942A (en) * | 1958-10-10 | 1961-04-26 | Gen Motors Corp | Improvements relating to exhaust ducts included in jet propulsion engines |
US3067594A (en) * | 1959-05-11 | 1962-12-11 | Catacycle Company | Cooling with endothermic chemical reactions |
DK102875C (en) * | 1962-04-17 | 1965-10-18 | Anders Folke Anden | Burner for liquid fuel. |
GB1196489A (en) * | 1966-11-29 | 1970-06-24 | Lutz Tilo Kayser | Improvements in or relating to Rocket Engines |
DE1626066C3 (en) * | 1967-09-23 | 1974-06-12 | Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh, 8000 Muenchen | Process for generating pressurized gas by catalytic decomposition of a liquid monergol and device for carrying out the process |
US4271675A (en) * | 1977-10-21 | 1981-06-09 | Rolls-Royce Limited | Combustion apparatus for gas turbine engines |
CA1159356A (en) * | 1979-10-25 | 1983-12-27 | Kurt Skoog | Method and device for producing microdroplets of fluid |
US4535518A (en) * | 1983-09-19 | 1985-08-20 | Rockwell International Corporation | Method of forming small-diameter channel within an object |
-
1987
- 1987-10-08 FR FR8713896A patent/FR2605053A1/en not_active Withdrawn
- 1987-10-09 IT IT8722207A patent/IT1225459B/en active
- 1987-10-09 DE DE19873734099 patent/DE3734099A1/en not_active Withdrawn
- 1987-10-13 NO NO874263A patent/NO874263L/en unknown
- 1987-10-13 SE SE8703970A patent/SE464719B/en not_active IP Right Cessation
- 1987-10-13 CN CN198787106913A patent/CN87106913A/en active Pending
- 1987-10-13 JP JP62256460A patent/JPS63120842A/en active Pending
- 1987-10-14 GB GB8724107A patent/GB2196394B/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
IT8722207A0 (en) | 1987-10-09 |
GB8724107D0 (en) | 1987-11-18 |
NO874263D0 (en) | 1987-10-13 |
CN87106913A (en) | 1988-07-13 |
FR2605053A1 (en) | 1988-04-15 |
SE8703970D0 (en) | 1987-10-13 |
DE3734099A1 (en) | 1988-04-21 |
IT1225459B (en) | 1990-11-14 |
NO874263L (en) | 1988-04-15 |
SE8703970L (en) | 1988-04-15 |
GB2196394A (en) | 1988-04-27 |
JPS63120842A (en) | 1988-05-25 |
GB2196394B (en) | 1991-06-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4817890A (en) | Multiple-propellant air vehicle and propulsion system | |
US4841723A (en) | Multiple-propellant air vehicle and propulsion system | |
US4840025A (en) | Multiple-propellant air vehicle and propulsion system | |
US4811556A (en) | Multiple-propellant air vehicle and propulsion system | |
EP1741917B1 (en) | Booster rocket engine using gaseous hydrocarbon in catalytically enhanced gas generator cycle | |
SE464719B (en) | Propulsion system | |
US4835959A (en) | Multiple-propellant air vehicle and propulsion system | |
US20090235636A1 (en) | Reinforced, regeneratively cooled uni-body rocket engine | |
GB2196393A (en) | Propulsion apparatus and method | |
US20200049103A1 (en) | Aerospike Rocket Engine | |
JP2009041418A (en) | Air-breathing engine for space transport and method of improving its accelerating performance | |
US3744427A (en) | Fuel grain with open-celled matrix containing lithium | |
US3270496A (en) | Gaseous vortex reactor for a rocket motor | |
US7000398B2 (en) | Ramjet engine combustion chamber and ramjet engine equipped with same | |
US3107485A (en) | Propulsion means and method for space vehicles employing a volatile alkene and metalcarbonyl | |
Broquere et al. | Carbon/carbon nozzle exit cones-SEP's experience and new developments | |
US3893294A (en) | Catalytic monopropellant reactor with thermal feedback | |
US20220344067A1 (en) | Space nuclear propulsion reactor aft plenum assembly | |
EP0178754B1 (en) | Single stage autophage rocket | |
US3426533A (en) | Liquid core nuclear propulsion reactor | |
US3230705A (en) | Chemically cooled rocket | |
Schoerman | High-pressure propulsion-advanced concepts for cooling | |
WO2024017865A1 (en) | Aerospace vehicle having a spike engine, and methods of operating and simulating thereof | |
Yu et al. | Effect of Penetrative Combustion on Regression Rate of 3D Printed Hybrid Rocket Fuel. Aerospace 2022, 9, 696 | |
Linne et al. | A rocket engine for Mars sample return using in situ propellants |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NUG | Patent has lapsed |
Ref document number: 8703970-7 Effective date: 19930510 Format of ref document f/p: F |