DE19650411A1

DE19650411A1 - Maximierung der Treibstoffregressionsraten von Hybridraketen

Info

Publication number: DE19650411A1
Application number: DE1996150411
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Stinnesbeck
Original assignee: Individual
Current assignee: Stinnesbeck Thomas Dr 53547 Huemmerich De
Priority date: 1996-12-05
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 1997-06-19

Description

Stand der Technik

Die aktuellen Problematiken bei der Konstruktion großer Hybridraketentriebwerke sind in der Schrift DE 22 44 195 des gleichen Autors sowie in der dort angegebenen Sekundärliteratur hinreichend beschrieben.

Insbesondere sei noch einmal das Problem der Treibstoffregression betont, also der Menge festen Treibstoffes, die pro Zeiteinheit für den Verbrennungsvorgang verfügbar gemacht werden kann und somit den Maximalschub des Triebwerkes bestimmt.

Kritik am Stand der Technik

Es ist davon auszugehen, daß das in DE 44 22 195 vorgeschlagene Einspritzverfahren die Regressionsraten wesentlich verbessern wird, u. a. durch die Schaffung multipler Brennherde direkt auf der Treibstoffoberfläche und durch die Entwicklung heißer Flammfronten in geringem Abstand über der Treibstoffoberfläche. Dennoch kann diese Annahme bis zur experimentellen Verifikation nicht als gesichert gelten. Dagegen ist hinreichend demonstriert worden, daß die Treibstoffregression in Hybridraketen mit der zur Verfügung stehenden Treibstoffoberfläche korrelliert (dies selbstverständlich unter der Voraussetzung, daß eine hinreichende Durchmischung von Oxydator und vaporiertem Treibstoff und damit eine möglichst vollständige Verbrennung stattfindet). Insofern sind zur Optimierung der Regression Gestaltungsvarianten von DE 44 22 195 zu prüfen, die eine Maximierung der Treibstoffoberfläche zulassen. Eine solche wäre z. B. die bereits in der o.g. Schrift kurz erwähnte Ausgestaltung des innenbrennenden Treibstoffblockes als Stern, Dendrit o. ä. Zu bevorzugen sind jedoch einfache Brennkammer- und Treibstoffblockgestaltungen, also primär der Zylinder.

Erfindung

Die Erfindung beschreibt eine Verbesserung des Einspritzsystems nach DE 44 22 195 auf der Basis zylindrischer Innenbrennerbrennkammern wie folgt (siehe hierzu auch Zeichnung 1):

In dieser Ausführung wird die flüssige Komponente (meist der Oxydator) durch ein Rohrleitungs- und Kanalsystem wie in DE 44 22 195 hinreichend beschrieben geführt. Die einzelnen Kanäle (1) queren jedoch nicht oder zumindest nicht in ihrer Gesamtheit den Brennstoffblock, um auf der Oberfläche eines einheitlichen Brennraumes zu münden. Vielmehr enden eine Vielzahl der o.g. Kanäle kopfseitig in kleineren Brennkammern (2), die ihrerseits in den Hauptbrennraum (3) münden. Auf diese Weise wird bei einer substantiellen Vergrößerung der Gesamtoberfläche des Brennraumes die Bündelung vieler kleinerer Brennkammern erreicht, die bei individueller Betrachtung vielen kleinen Hybridtreibsätzen mit kopfseitiger Einspritzung ähneln, welche mit geringem experimentellem Aufwand ausgetestet werden können. Durch deren Multiplikation bzw. die im Effekt resultierende Bündelung dieser vielen kleinen Brennkammern kann auf den Gesamtschub eines wesentlich größeren Aggregates geschlossen werden, wobei die Innenfläche der Hauptbrennkammer weiterhin zu berücksichtigen ist. Die kleinen Brennkammern können durch Aufbohrung der zuführenden Oxydatorkanäle hergestellt werden, sofern es sich hierbei selbst um Bohrungen und nicht um Röhrchen handelt. Die Länge eines einzelnen kleinen Brennraumes kann eine Teilstrecke der Dicke des Treibstoffblockes (4) betragen (Zeichnung 1a) oder dessen gesamte Dicke durchmessen (Zeichnung 1b).

Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung

Für Triebwerke kleinerer und mittlerer Größe empfiehlt sich eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung und Herstellung des Triebwerkes wie nachfolgend beschrieben (Zeichnung 2):

Hierzu wird zunächst der Treibstoffblock [4] selbst durch übliche Verfahren, wie Guß, Extrusion, Herausarbeiten aus dem Vollen etc. hergestellt. In dessen äußeren Mantel werden in Längsrichtung Nuten zur Aufnahme der oxydatorzuleitenden Fallrohre gefräst. Die multiplen kleinen Brennkammern [2] werden durch Bohrung oder Fräsung durch den Treibstoffblock von dessen Außenmantel in Richtung zum Hauptbrennraum hergestellt. An der Kopfseite der Hauptbrennkammer befindet sich zentriert ein Verteiler [5] für den Oxydator (Zeichnung 2b), der durch eine zentrale Oxydatorzuleitung [6] und mehrere seitliche Abgänge [7] für die Fallrohre gekennzeichnet ist, deren Abgangswinkel und Ausgestaltung den Außenkonturen des Brennstoffblockes angepaßt ist. In die Fallrohre werden treibstoffseitig Bohrungen eingebracht, die die eigentlichen Einspritzöffnungen [1] darstellen und die mit den zuvor in den Treibstoffblock eingebrachten kleinen Brennkammern Paß sein müssen. An ihrem unteren Ende sind die Fallrohre verschlossen. Fallrohre und Einspritzkopf werden zusammenmontiert, auf den Brennstoffblock aufgesetzt und die Fallrohre selbst werden in die Nuten eingelegt bzw. mit einem geeigneten Kleber (Cyanacrylat, Epoxid o. ä.) dort eingeklebt. Der Druckkörper [8] des Triebwerkes wird als Rovingkörper (mehrlagige gegeläufige Gelege aus zugfesten Glasfaser-, Karbon- oder Aramidfasern in einer Epoxidharzmatrix) ausgebildet, wobei die Konvergenz-Expansionsdüse [9] vorteilhafterweise mitlaminiert wird. Diese besteht somit wie der Druckkörper ebenfalls nur aus Faserverbundwerkstoff. Sie wird durch Ablation gekühlt. Auf diese Weise entsteht ein einheitlicher Druck/Düsenkörper mit innenliegendem Treibstoffblock und Einspritzsystem.

In den Druckkörper und hier speziell im Düsenhalsbereich können während des Laminiervorganges zusätzlich dünne Kupferlackdrähte eingelegt werden, deren Durchbrennen während des Betriebes Stomkreise unterbricht und so einen Fehlerzustand bzw. das Maß der Abtragung im Düsenhalsbereich anzuzeigen geeignet ist.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführung ist nur noch eine zentrale Oxydatorzuleitung vorhanden, Schweißnähte, Schraubverbindungen, Dichtungen o. ä. sind nicht erforderlich, wodurch die Störanfälligkeit des Triebwerkes erheblich herabgesetzt wird. Ferner werden hohe Massenverhältnisse erreicht.

Diese Ausführung eignet sich speziell auch für hypergole Treibstoffkombinationen, so wie sie bevorzugt für militärische Zwecke eingesetzt werden.

Vorteile der Erfindung

Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Leichtigkeit, mit der zum einen die Brennoberfläche des Treibstoffes den initialen Schuberfordernissen angepaßt werden kann, sowie zum anderen darin, daß vom im Experiment leicht zu verifizierenden Verhalten der individuellen Brennkammer auf das Verhalten eines sehr viel größeren Aggregates, welches im Effekt eine Bündelung einer Vielzahl kleinerer gleich aufgebauter Brennkammern zusätzlich zur Oberfläche der Hauptbrennkammer darstellt, geschlossen werden kann. Weiterhin wird eine gewisse Konstanz der Gesamtbrennfläche während des Abbrandvorganges dadurch erreicht, daß die Verringerung der Oberfläche der zutragenden kleinen Brennkammern durch Abbrand in deren Längsrichtung durch eine Aufweitung des Radius und damit Vergrößerung der Oberfläche der Hauptbrennkammer kompensiert wird. Auf diese Weise läßt sich eine weitgehende Konstanz der Gesamt- Brennoberfläche des Triebwerkes während des Betriebes erreichen. Auch wird die Herstellung des Treibstoffblockes gegenüber solchen Konstruktionen vereinfacht, in denen die oxydatordurchleitenden Kanäle als Röhrchen und nicht als Bohrung ausgeführt sind.

Claims

1. Maximierung der Treibstoffregressionsraten von Hybridraketentriebwerken, dadurch gekennzeichnet, daß die in DE 44 22 195 beschriebenen oxydatorführenden Kanäle innerhalb des Treibstoffblocks auf ihrer Gesamt- oder einer Teilstrecke durch eine deutliche und gegen den Treibstoff nicht abgeschirmte Lumenerweiterung zu einer Vielzahl kleinerer und eigenständig zu betrachtender, dem Treibstoffblock innenliegender Brennkammern aufgeweitet werden, in die der Oxydator somit kopfseitig eingespritzt wird, wobei die Ausströmrichtung der Verbrennungsgase aus diesen kleineren Brennkammern die Hauptstromrichtung der Brenngase in der Hauptbrennkammer winklig schneidet, so daß eine optimale Durchmischung aller Brenngase bis zum Verlassen der Hauptbrennkammer gewährleistet ist und insgesamt eine wesentliche Vergrößerung der den Verbrennungsprozeß unterhaltenden Treibstoffoberfläche erzielt wird.

2. Vorteilhafte spezielle Ausführung der Erfindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Oxydator über einen am Brennstoffblock kopfseitig angebrachten Verteiler in Längsrichtung axial zentral zugeleitet und auf einzelne seitlich abgehende Fallrohre verteilt wird, welche in längslaufenden Nuten an der Außenseite des Brennstoffblockes geführt werden und an deren Innenseite sich die Austrittsöffnungen für den Oxydator in Deckung mit durch den Treibstoffblock niedergebrachten Durchbohrungen befinden.
- daß das so dargestellte Oxydatorverteilungs- und einspritzsystem samt Treibstoffbolck zwecks Ausbildung eines Druckkörpers mit geeigneten zugfesten Faserverbundwerkstoffen bis auf die zentrale Zuleitung vollständig einlaminiert wird
- daß bei dieser Ausbildung vorteilhafterweise auch die Konvergenz-Expansionsdüse als Laminatkörper in Einheit mit dem Druckkörper hergestellt wird.
- daß durch Einlegen von Kupferlackdrähten in das Laminat, speziell auch am Düsenhals, Fehlzustände wie Bersten oder Durchbrennen des Druckkörpers sowie der Grad der Abtragung am Düsenhals während des Betriebes erfaßt werden können.