DE2347893C3 - Außenbrennertreibsatz Tür Raketentriebwerke - Google Patents
Außenbrennertreibsatz Tür RaketentriebwerkeInfo
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- 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
- F02K9/10—Shape or structure of solid propellant charges
- F02K9/20—Shape or structure of solid propellant charges of the external-burning type
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Description
Die Erfindung tetrifft einen Außenbrennertreibsatz für Raketentncbi« srke nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs.
Es ist bereits ein Außentrennertreibsau für Raketentriebwerk«
bekanr-; (vgl. FR-PS 1Γ 12 621), der eine im
wesentlichen konstante Brennfläche aufweist und dessen Außenfläche mit einem Zylinder einbeschrieben
ist, der eine Punktsymmetrieachse mindestens der Ordnung cwei hat und dessen Querschnitt mehrere
gleiche nach außi η verlaufende Lappen bzw. Arme
aufweist, wobei die Arme an ihrem Fuß im wesentlichen unmittelbar in die jeweils benachbarten Arme übergehen,
da sie jeweils durch einen Halbkreis mit kleinem Radius verbunden üind. Das Profil jedes Arms besteht
jeweils au:* zwei Kreisbögen, deren Radius gleich der Brenndick': des Tidbsatzes ist und die jeweils durch
einen zwischenlieg enden Kreisbogen miteinander verbunden sird, der it bezug auf den Zylindermittelpunkt
einein öffn jngswin ι »I von 2 γ aufweist und einen Radius
gleich dem halben Ilylinderradius hat, so daß der mittige
Kreisbogen und d·.· unmittelbar an ihn angrenzende Abschnitt der beide ι äußeren Kreisbögen den Zylinder
durchgehend beruh en. Auch wenn dabei der Winkel y
klein gewühlt weni;n soll, kommt es zur Entstehung eines mittlren Abbmndrestes besonderer Form, dessen
Arme zurächst ein Visleck mit konkaven Seiten, symmetrisch zur Achse des Zylinders, bilden, wobei sich
aber jeder Abbramlrest-Arm radial nach außen in eine
zweite Armhälfte fortsetzt, die sehr ähnlich einem Spiegelbild der ers'cn Armhälfte ist (es sind also η + 1
Abbrandreste bei n'!'reibsatzarmen vorhanden).
Dieser bekannte Außenbrennertreibsatz hat verschiedene Nachteile
Das Verhältnis von Brenndicke zu Zylinder-Radius läßt sich nur unstetig ändern, nämlich durch
Änderung der,' rm-Anzahl;
womit auch zu üimmenhängt, daß dieses Verhältnis nur relativ schwierig klein gemacht werden kann, da zu diesem ;: veck die Anzahl der Arme erhöht werde ι muß, ν is auch die mechanische Festigkeit des Treibsatzes verringert;
das Verhältnis des mittigen Abbrandrestes bei Brennschluß zur Treibstoffmenge bei Brennbeginn ist. verhältnismäßig hoch, so daß relativ viel S Treibstoff bei Brennschluß verlorengeht;
womit auch zu üimmenhängt, daß dieses Verhältnis nur relativ schwierig klein gemacht werden kann, da zu diesem ;: veck die Anzahl der Arme erhöht werde ι muß, ν is auch die mechanische Festigkeit des Treibsatzes verringert;
das Verhältnis des mittigen Abbrandrestes bei Brennschluß zur Treibstoffmenge bei Brennbeginn ist. verhältnismäßig hoch, so daß relativ viel S Treibstoff bei Brennschluß verlorengeht;
der Füllkoeffizient, d.h. das Verhältnis zwischen
der Querschnittsfläche des Treibstoffs und der Querschnittsfläche des Zylinders, ist verhältnismäßig
gering und
ίο die zwar weitgehend konstante Brennfläche ist
ebenfalls verhältnismäßig klein, so daß der vom
ausgehend von dem aus der FR-PS 10 12 621 bekannten
is Außenbrennertreibsatz zu erreichen, daß die Brenndikke
stetig geändert und ohne Schwierigkeiten klein gemacht werden kann, ferner den Anteil des mittigen
und die Abbrandfläche zu erhöhen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs.
Der erfindungsgemäße Außenbrennertreibsatz ermöglicht nicht nur große Füllkoeffizienten und Brennflächen
sowie kleine relative Brenndicken, die zudem in sehr weiten Grenze.ni ohne weiteres stelig veränderlich
sind, sondern zeichnet sich auch durch einen verhältnismäßig kleinen mittigen einteiligen Abbrandrest aus.
Vorzugsweise beträgt die Brenndicke e des Treibsatzes im wesentlichen etwa 0,05 R<
e< R/3 mit R als dem Zylinderradius. Diese geringen relativen Brenndicken
können ohne größere Arm-Anzahl erzielt werden, was die Herstellung beträchtlich erschweren oder sogar
unmöglich machen würde. So sind bei den bekannten Treibsätzen (vgl. FR-PS 10 12 621) sechs Arme für eine
relative Brenndicke e/R von 0,31 nötig, während
erfindungsgemäß für dieselbe relative Brenndicke nur drei Arme genügen.
(vgl. DE-AS 12 78 795), bei Außenbrennertreibsätzen
einseitig gekrümmte Arme vorzusehen, und zwar mit einem spiralförmigen Querschnitt, so daß sich im
parallel zur Zylinder-Achse und radial nach außen erstrecken, wobei jeweils die eine der beiden gekrümmten
Oberflächen auf einen größeren Abschnitt ihrer
An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 schematisch den Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Treibsatzes
und
F i g. 2—4 Teilschnitte durch andere Ausführungsbeispiele.
ss Querschnitt des erfindungsgemäßen Treibsatzes eine
Zeichenebene senkrechte, durch 0 gehende Achse ist eine Symmetrieachse der Ordnung 5.
Der von 0 am weitesten entfernte Teil der Arme 1,2, 3, 4 und S ist rückwärts in geschwungenem Profil
gebogen, das einen Halbkreis A]B], A2B2... oder Ai B-,
enthält, dessen Endpunkt A\, Aj oder Ai den Berührungspunkt
des Halbkreises mit dem umschriebenen Kreis 6 vom Radius R entspricht. Der Halbkreis A1 B],
A-i Bi... oder Ai Bi hat als Radius die Strecke e, die
gleich der Brenndicke des Treibsatzes ist.
Die genannten Halbkreise sind miteinander durch Kreisbögen A\ Q, Ai Q... oder Ai Cj, die sowohl die
Halbkreise als auch den umschriebenen Kreis 6 berühren und deren Mittelpunkte in Bi Bi oder B% liegen,
und durch Kreisbögen Q B2, C2 B3...oder C5 Bu deren
Mittelpunkte in Ci, C3 oder C5 liegen, verbunden.
In Fig. 1 ist ferner durch eine mittlere schraffierte Fläche die Lage des einzigen Abbrandrests 7 dargestellt;
dessen Außenprofil liegt in einem Abstand e von dem Außenprofil jedes Arms.
In F i g. 1 ist auch gezeigt, daß das Außenprofil 8 des
Treibsatzes diejenige Hüllkurve ist, die durch einen Kreis mit dem Radius e erzeugt ist, dessen Mittelpunkt
eine geschlossene Kurve beschreibt, welche eine Punktsymmetrieachse der Ordnung n, die in F i g. 1
gleich fünf ist, hat und durch die Außenprofile 9 des
Abbrandrests 7 gebildet wird. Die genannte geschlossene Kurve enthält ebenfalls zurückgebogene Doppel-Linien
9a, 9b... 9e, welche jeden Scheitelpunkt des Abbrandrestprofils fortsetzen und sich bis zu den
Punkten M\, Mi ■ ■ ■ Ms erstrecken, die im Abstand R-e
von 0 liegen.
Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform sind die Düppel-Linien im wesentlichen durch Doppel-Kreisbögen
mit den Mittelpunkten B\, Bi... Bs gebildet, die sich
in Stücken von Doppel-Geraden bis zu den Scheitelpunkten des Abbrandrestprofils 7 fortsetzt
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Treibsatzes ist wie folgt:
Nach dem Zünden der Außenfläche 8 des Treibsatzes schreitet die Brennfläche (auch Flammenfront genannt)
zum Inneren des Treibsatzes hin vor. Diese Brennfläche
bleibt stets parallel zur Außenfläche 8 (der Anfangs-Brennfläche),
bis die gesamte Brenndicke e verbraucht ist, wie das z. B. die Brennfläche 8a zeigt, die sich ergibt,
wenn die Brenndicke e/2 verbraucht ist
Die Entwicklung der Brennfläche 8 ist eine lineare, nur wenig fallende Funktion der verbrauchten Treibstoffdicke.
Wenn Hie gesamte Dicke e verbraucht ist fällt die erreichte Brennfläche mit der Außenfläche 9 des
Abbrandrests zusammen, jenseits dieser Grenze nimmt die Brennfläche sehr schnell ab.
Nun seien im einzelnen verschiedene — keineswegs alle möglichen — Ausführungsbeispiele von Treibsätzen
beschrieben.
Der Einfachheit halber sei der Querschnitt nur eines einzigen Arms des erfindungsgemäßen Treibsatzes
beschrieben; die übrigen ergeben sich durch eine gleiche Drehung um 2 π/π urr<
die Treibsatzachse, wobei π die Symmetrie-Ordnungszahl dieser Achse ist.
Bei alien diesen Beispielen enthält das Außenprofil
Fi Fj des Arms einen Halbkreis Q B\, der den Radius e
hat und in C\ den umschriebenen Kreis von Radius R berührt Dieser Halbkreis setzt sich an einem seiner
Rnden in einem Kreisbogen, der ihn berührt und dann in manchen Fällen in einem Stück einer Geraden, die ihn
berührt, und am anderen Ende in einem anderen Kreisbogen, der ihn berührt, oder in einem Kreisbogen
und einem den Bogen berührenden Geraden-Stück fort je nach der gewünschten relativen Brenndickc el R.
Beispiel 1
(siehe Fig. 2)
(siehe Fig. 2)
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Außenprofil Fi Fi durch einen Halbkreis C\ B\ mit dem Radius e und
dem Mittelpunkt M1 fibildet, der den umschriebenen
Kreis mit dem Radius R und dem Mittelpunkt 0 in Ci berührt Das Ende Ct des Halbkreises C\ B\ setzt sich in
einem Kreisbogen Ci p, mit dem Radius 2 e und dem
Das Ende fl| des Halbkreises C( B| setzt sich in einem
Kreisbogen B) Fi mit Radius 2eund dem Mittelpunkt Fi
fort, wobei der Punkt Fi der Schnittpunkt des
Kreisbogens Ci Fi mit dem entsprechenden (nicht
gezeichneten) Kreisbogen B1 F2 des Nachbararms ist
Der zwischen OFi und OFi eingeschlossene Winkel ist
a = 2jr/n, worin η gleich der Anzahl der Arme des
Treibsatzes ist
Dieses Ausführungsbeispiel, welches besonders einfach
ist eignet sich für verhältnismäßig große Brenndicken, im wesentlichen etwa für
0,23Ä<e<031 R,
wobei die Arm-Anzahl zwischen 2 und 5 beträgt
haben in allen Fällen eine nur seH- wenig abnehmende
Brennfläche, hohen Füllkoeffizier1? und geringes Abbrandrestvolumen.
dem Kreisbogen F2 C2 (der dem Bogen Fi Ci entspricht)
ist vorzugsweise etwa
0,03Ä<</<0,06R,
worin der untere Grenzwert 0,03 R durch die Möglichkeiten der Treibsatzherstellung gegeben und der obere
Grenzwert 0,06 R durch das Bemühen bestimmt ist, einen richtigen Füllkoeffizient zu erhalten.
Wenn man bei zeichnerischem Entwurf eines Treibsatzes mit gegebenem Wert e/R und gegebener
Arm-Anzahl η feststellt daß der Abstand d kleiner als der gewählte untere Grenzwert wird, muß man den
Entwurf mit der Arm-Anzahl π + 1 wiederholen.
Wenn beim Entwurf d größer als der gewählte Grenzwert wird, empfiehlt es sich, den Entwurf mit der
Arm-Anzahl π — 1 zu wiederholen oder aber den Treibsatz nach den folgenden Beispielen 2 und 3 zu
restalten.
Beispiel 2
(siehe F i g. 3)
(siehe F i g. 3)
Bei diesem Ausführungsbeispiel is«, das Außenprofil des Arms Fi F2 ein Halbkreis Ci Bi mit dem Radius eund
dem Mittelpunkt M\, der den mit dem Radius R und dem Mittelpunkt 0 umschriebenen Kreis berührt. Das Ende
Ci des Halbkreises Ci Bi setzt sich in einem Kreisbogen
Ci Fi fort dessen Mittelpunkt Ni auf der Linie Bi 0 liegt
und dessen Radius der höchste Wert ist welcher bei dem nach den obengenannten Kriterien gewänlte
Abstand d zulässig ist Das Ende Si des Halbkreises
Ci Bi setzt sich in einem Kreisbogen Bi F2 fort, der den
Halbkreis Ci Bi in Bi berührt und den Mittelpunkt N1
hat
ken e, die kleiner ais diejenigen des vorhergehenden
0,15/?:Se<0,23/?,
worin die Arm-Anzahl η zwischen 5 und 8 liegen kann.
Die Treibsätze, die diesen Merkmalen entsprechen, bieten praktisch konstante Brennfläche, guten Füllkoeflizient und geringes Abbrandrestvolumen, jedoch ist dieses Kroßer als beim vorher beschriebenen Beispiel
Die Treibsätze, die diesen Merkmalen entsprechen, bieten praktisch konstante Brennfläche, guten Füllkoeflizient und geringes Abbrandrestvolumen, jedoch ist dieses Kroßer als beim vorher beschriebenen Beispiel
23 5 7
Beispiel 3
(siehe F i g. 4)
(siehe F i g. 4)
Bei diesem Ausführungsbeispiei ist das AuQenprofi
F] Fi des Arms ein Halbkreis Q B] mit dem Radius e un<
; dem Mittelpunkt M\, der den mit dem Radius R um der
Mittelpunkt M] umschriebenen Kreis in Ci berührt. Da:
Ende Q des Halbkreises Q B1 setzt sich in einen
Kreisbogen Q D- fort, dessen Mittelpunkt N] auf de;
Linie B1O liegt und dessen Radius gleich dem höchste!
Wert ist, der bei dem nach den oben beschriebenei Kriterien gewählten Abstand dzulässig ist. Das. Ende B
des Halbkreises Q B\ setzt sich in einem Kreisbogei ßi A\ fort, der den Halbkreis Q B\ in Si berührt und der
Mittelpunkt N\ hat. Der Kreisbogen Si A\ setzt sich ir ι5
einem Geraden-Stück A\ Fi fort, das den Bogen B\ A\\\
A] berührt und parallel zum Geraden-Stück OHi ist
weiches ucii iu (Jen Bügen S\ A] und Ci D\ äqüiijiätänici
Bogen M] H\ in H1 berührt. Der Kreisbogen Ci D1 setz
sich in einem Geraden-Stück D] F] fort, das den Boger
Ci D] in Di berührt und parallel zum Geradsn-Stück
OWi ist. Es bezeichnen F2' die Schnittpunkte dei
Fortsetzungen der Kreisbögen B\ A] und Ci D.<
und dei Kreisbögen Bi Ai und Ci Di usw. ferner Fj den derr
Punkt Fj' entsprechenden Punkt des benachbarter
Anns Fi Fy, der zwischen N] F2' und Fi N2 eingeschlossene
Winkel a ist größer als 2 n/n, wenn π die Anzafv
der Arme ist.
Dieses Ausführungsbeispie! eignet sich für sehr geringe Brenndicken e, im wesentlichen für etwa
0,05Ä<e<0,15/?,
worin die Arm-Anzahl /»zwischen 7 und 15 liegt.
Die Außenprofile der in den Beispielen 1—: 3·;
beschriebenen Ausführungsformen können abgewandelt werden.
Zum Beispiel kann das Außenprofil Fi Fi der in F i g. A
gezeigten Ausführungsform durch die Hüllkurve dargestellt werden, die von einem Kreis vom Radius <
beschrieben wird, dessen Mittelpunkt das Profil de; Abbrandrests (die schraffierte Fläche) beschreibt, derer
Scheitelpunkte sich in Doppel-Geraden-Stücki:n und ir
Doppel-Kreisbögen fortsetzen, deren Endpunkt M] unc
deren Mittelpunkt N] ist »5
Die Treibsätze, die den beschriebenen Mrrkmaler entsprechen, bieten eine Brennfläche, die man ah
konstant bezeichnen kann, ferner einen guten Füllkoef
fizient und ein Abbrandrestvolumen, das meisten: niedriger als 10% \Λ — ein noci annehmbarsr Wert
ferner läßt sich das Volumen des Abbrandrestes noch mehr verringern, wenn man eine: Verankerungsstangc
von ausreichendem Außendurchmesser verwerdet
weisen also relative Brenndicken auf, die man innerhalb sehr weiter Grenzen stetig verändern kann, indem man
die Form der Arme und i;gf. die Anzahl der Arme ändert.
Zum Beispiel ist bei geringen Brenndicken von etwa 0,1 /?die Anzahl der Armt; 11, was nicht sehr viel ist;dies
bietet keine Herstellungsschwierigkeiten.
Zur besseren Beschreibung der Parameter des erfindungsgemäßen Außenbrennertreibsatzes seien folgende
Größen eingeführt:
k — Verhältnis zwischen Umfang Po der Anfangs-Brennfläche
(Umfang des Treibsatz-Querschnitts) zum Umfang des Zylinders mit dem
Radius Sl,
Pf - Umfang des Treibsatzes bei Brennschluß, wenn
die Brenndicke eaufgezehrt ist;
rm — uniiuii.;
P0IP,- ki(k-e/R)
Po/Pn,- k/(k-e/2Rl·
ρ = Füllungskoeffizient des Treibsatzes; er ist gleich
dem mit 100 multiplizierten Verhältnis des um das Abt-ranclrestvolumen verminderten Treibsatzvolumens
zu dem Volumen des umschreibenden Zylinders; weshalb ρ folgendermaßen ausgedrückt
werden kann:
p= 100(2 ke/R-<*/#).
Umfangreiche experimentelle Untersuchungen haber für erfindungs|;emäße Außenbrennertreibsätze folgendes
gezeigt:
Die Verhältnisse Po/P, und P0ZPn, betragen ziemlich
genau l,d. h„die Brennfläche nimmt nur sehr wenig ab;
der Füllkoeffizient ρ beträgt mehr als 63%, d. h. isl
ziemlich hoch;
der relative Abbrandrest beträgt bei einer relativer Brenndicke von 0,20-0,10 höchstens gleich 10% und isl
auch für eine relative Brenndicke von 0,31—0,20 sehi
klein.
Diese Parameter-Werte sind beträchnlich günstigei
als bei den bekannten Außenbrennertreibsätzen.
Hinzu kommt, daß eine relative Brenndicke von O1K
unschwer erreicht werden kann, was bisher nich möglich war.
Die erfindungsgemäßen Treibsätze lassen sich ohn( Schwierigkeiten aus bekannten Treibstoff-Zusaminin
Setzungen nach den bekannten Verfahren von Formgul und Strangpressen herstellen, und zwar wird Formgul
bei dicken Treibsätzen und Strangpressen bei dünner Treibsätzen angewendet
Claims (1)
- Patentanspruch:Außenbrenn ^treibsatz für Raketentriebwerke, der eine im wesentlichen konstante Brennfläche aufweist und dessen Außenfläche in einem Zylinder einbeschrieben ist, der eine Punktsymmetrieachse mindestens der Ordnung zwei hat und dessen Querschnitt mehrere gleiche nach außen verlaufende Arme aufweist, wobei die Arme an ihrem Fuß unmittelbar in die jeweils benachbarten Arme übergehen, wobei die Arme in einem Halbkreis nach außen hin auslaufen, dessen Radius gleich der Brenndicke des Treibsatzes ist und der den Zylinder tangential in einem Punkt berührt, wobei der mittige Abbrandrest bei Brennschluß ein Vieleck mit konkaven Seilen, symmetrisch zur Achse des Zylinders, ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibsatz den Zylinder an einem Endpunkt des Halbkreises berührt und daß der einseitig gekrümmte Arm sich über diesen Endpunkt hinaus knickfrei in einen Kreisbogen fortsetzt, dessen Radius mindestens gleich der doppelten Brenndicke des Treibsatzes ist
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---|---|---|---|
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DE2347893C3 true DE2347893C3 (de) | 1978-04-27 |
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ID=9104765
Family Applications (1)
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US5821449A (en) * | 1995-09-28 | 1998-10-13 | Alliant Techsystems Inc. | Propellant grain geometry for controlling ullage and increasing flame permeability |
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GB1413609A (en) | 1975-11-12 |
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Legal Events
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