DE2633649A1

DE2633649A1 - Feststoffrakententriebwerk

Info

Publication number: DE2633649A1
Application number: DE19762633649
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Ing Weyl
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-07-27
Filing date: 1976-07-27
Publication date: 1978-02-09
Also published as: GB1586109A; IT1081186B; FR2359981A1

Description

MESSERSCHMITT-BÖLKOW-BLOHM O Ottobrunn, 19. Juli 1976 GESELLSCHAFT BTO13 MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG Jk/Ke

MÜNCHEN

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Feststoffraketentriebwerk

Die Erfindung betrifft ein Feststoffraketentriebwerk, insbesondere zum Beschleunigen einer Nutzlast in einem Abschußrohr auf ihre Abschußgeschwindigkeit.

Die bekannten Feststoffraketentriebwerke eingangs genannter Gattung weisen in der Regel ein Brennkammergehäuse zur Aufnahme des Feststofftreibsatzes auf, das auf seiner in Schubrichtung gesehen hinteren Stirnseite für die Zufuhr des beim Treibsatzabbrand erzeugten Treibgases zu einer koaxial nachgeordneten Schubdüse offen ausgebildet ist, wobei die Treibsatzkonfiguration ein axiales Abströmen der Treibgase zur Schubdüse bewirkt. Es hat sich gezeigt, daß besagte Triebwerke vielfach zu wünschen übrig lassen, und zwar in denjenigen Anwendungβ-fällen, in denen es - wie beim Ausstoß von Gefechteladungen aus dafür vorgesehenen Rohren von Streuwaffenbehältern oder

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beim Verschießen von Flugkörpern zur Panzerbekämpfung aus tragbaren Abschußrohren - auf extrem hohe querschnittsbezogene Schübe und somit entsprechende Massenflüsse bei sehr kurzen Brennzeiten beispielsweise in der Größenordnung von 0,006 bis 0,02*1 s ankommt. Oa die vorhandenen Festtreibstoffe Abbrandgeschwindigkeiten von maximal lediglich 30 bis 5° mm/s aufweisen, vermögen Raketentriebwerke vorbeschriebener herkömmlicher Bauweise mit axialer Abströmung des Treibgases aus dem Brennkammergehäuse zur unmittelbar nachgeordneten Schubdüse die letzterwähnten Forderungen nämlich nur bei entsprechend groß bemessenen Treibsatzabbrandflächen zu erfüllen. Zu diesem Zweck ist es u. a. gebräuchlich, im Brennkammergehäuse auf Halterungselementen eine Vielzahl kleinvolumiger Außenbrenner-Sterntreibsätze oder einen spiralförmigen Folienwickel aus formbarem Geflecht mit dünnlagig aufgewalztem Festtreibstoff anzuordnen. Als nachteilig wird dabei empfunden, daß mit allen bekannten Treibsatzkonfigurationen, die - wie die vorbeschriebenen - bezogen auf die Festtreibstoffmenge sehr große Abbrandflachen garantieren, im vorliegenden Fall nur geringe Ladedichten realisierbar sind, was bei zumeist vorgegebenem Kaliber zu großen Triebwerksbaulängen und dementsprechenden Zunahmen des Triebwerkegewichts auf Kosten des Nutzlastgewichts führt. Die geringe Ladedichte erklärt sich unter den geschilderten Bedingungen wie folgt: Die in Rede stehenden Treibsatzanordnungen stellen in Längeacherichtung des Brennkammergehäuses nur wenig belastbare Festigkeitsverbände dar. Diesem Umstand muß durch vergleichsweise niedrige Geschwindigkeiten der axialen Treibgasströmung in der Brennkammer Rechnung getragen werden, deren Verwirklichung sehr große Strömungsquerschnitte voraussetzt. Aus Gründen der Treibaatsgeometrie und -anordnung liegt die Geschwindigkeit der axialen Treibgasströmung in der Brennkammer zumeist sogar noch unter dem maximal zulässigen Wert. Auf dieselben Gründe ist es letztlich auch zurückzuführen, daß in besagter Treibgasströmung keine Geschwindigkeitskonstanz über die Länge der Treibsatzanordnung erreichbar ist. Schließlich sind es die bereits an anderer Stelle erwähnten

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Halterungselemente, die von dem im Brennkammergehäuse für den Festtreibstoff verbleibenden Querschnitt einen beträchtlichen Anteil für sich beanspruchen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein im Aufbau einfaches Feststoffraketentriebwerk eingangs genannter Gattung zu entwickeln, das den gattungsgleichen, bekannten Triebwerksausführungen im Anwendungsfall als Kurzzeitantrieb mit extrem hoher querschnxttsbezogener Schubdichte weit überlegen ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäfl durch eine Schubdüsenanordnung in einem zum Brennkammergehäuse konzentrischen peripheren Ringraum, eine geschlossene Ausbildung des Brennkammergehäuses an beiden Stirnseiten, eine Vielzahl von Gasauslaßöffnungen radialer Erstreckung im Gehäusemantel und einen Strömungskanal auf der Außenseite des letzteren zum Umlenken der radial gerichteten Treibgasströme aus dem Brennkammergehäuse in dessen Längsachsrichtung zum Schubdüseneintritt.

Zu den Vorteilen, welche die erfindungsgemäß ergriffenen und ohne großen Aufwand zu verwirklichenden Maßnahmen mit sich bringen, zählen folgende:

Durch die spezielle Ausbildung des Brennkammergehäuses und die getroffene Zuordnung des Strömungskanals ist auf einfachem Weg dafür Sorge getragen, daß die beim Treibsatzabbrand im Brennkammergehäuse erzeugten Treibgase auf der gesamten Länge des Treibsatzbereichs radial aus dem Brennraum in den Strömungskanal überströmen, um erst darin eine Umlenkung in axiale Richtung zu erfahren, und zwar zu einer Schubdüsenausführung hin, die aufgrund der gewählten Anordnungsweise wesentlich kürzer ausfällt als die Schubdüse eines vergleichbaren Feststoffraketentriebwerks mit axialer Brennkammerströmung. Bei diesem Sachverhalt steht nichts mehr im Wege, mit Hilfe spezieller, hohe Ladedichten ergebender und folglich eine beträchtliche Verkürzung der Triebwerksbaulänge zulassender Treibsatz-

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anordnungen, wie sie aus bereite genannten Gründen für herkömmliche Triebwerksausführungen mit axialer Brennkammer-Strömung nicht in Betracht kämen, im gesamten Anordnungsbereich radial nach außen zu den Auslaßöffnungen im Gehäusemantel gerichtete Treibgasströme mit überall konstanter Geschwindigkeit optimaler Höhe herbeizuführen.

Folgende ausgestaltende Erfindungsmerkmale haben eine besonders empfehlenswerte Treibsatzanordnung letztbeschriebener Art zum Resultat: Im Brennkammergehäuse ist mit radialem Abstand zu dessen Mantel und mit gegenseitigem axialen Abstand zur Bildung radial nach außen führender Spalte eine Vielzahl Feststofftreibsätze in Form von Kreisringscheiben, beispielsweise solchen mit über den Radius konstanter oder radial nach außen abnehmender Dicke, um ein zentrales Halterohr mit im Rohrinnern untergebrachter Anfeuerungsiadung und mit vom Rohrinnern in radialer Richtung durch den Rohrmantel zu den Spalten zwischen den Treibsatzscheiben führenden Überströmöffnungen angeordnet. Vor allem dann, wenn besagte Treibsatzscheiben zusätzlich auf zum Halterohr achsparallelen Haltebolzen mit Distanzstücken zur Wahrung der axialen Scheibenabstände aufgereiht sind, stellen sie einen für hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Spalten zwischen ihnen besonders günstige Festigkeitsverband dar.

Gemäß weiteren ausgestaltenden Erfindung«merkmalen weist der Mantel des Brennkanunergehäuses eine konische Verjüngung in Durchflußrichtung des Strömungskanals und letzterer eine äußere Begrenzung in Gestalt eines Rohrabschnitts mit über dessen Länge konstantem Durchmesser auf. In dem auf diese Art und Weise keilförmig ausgebildeten Strömungskanal strömt das beim Treibsatzabbrand aus den radialen Gasauslaßöffnungen im Mantel des Brennkammer genaue es austretende Treibgas mit konstanter und wesentlich höherer Geschwindigkeit als es im Bereich der Treibsatzanordnung zulässig wäre, axial zur Schubdüsenanordnung.

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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung übernimmt ein Abschußrohrabschnitt die äußere Begrenzung des beispielsweise für Strömungsgeschwindigkeiten nahe Ma = 1 ausgelegten Strömungskanals. Aufgrund der Keilforra desselben wirken bei den gewählten Geschwindigkeitsverhältnissen in etwa nur 70 bis 80 % des Brennkammerdrucks auf den in Rede stehenden Abschußrohrabschnitt. Da die Wirkzeit an jeder Stelle des letzteren wegen der beschleunigten Bewegung sehr klein ist, wird folglich die bei einem aus hochfestem Verbundwerkstoff hergestellten Abschußrohr aus Fertigungs-, Handhabungs- und Steifigkeitsgründen vorhandene Wandstärke in der Regel ausreichen, besagte Druckkräfte mit aufzunehmen.

Als äußere Strömungskanalbegrenzung kommt in gleicher Weise aber auch ein Rohrabschnitt in Frage, der am vorderen Verschlußboden des Brennkammergehäuses angeformt bzw. druckdicht befestigt ist. Diese Lösung empfiehlt sich beispielsweise dann, wenn das zur Verwendung gelangende Abschußrohr den erhöhten Festigkeitsanforderungen nicht genügen sollte oder Interesse an einer Triebwerksversion besteht, die sowohl mit als auch ohne Abschußrohr gestartet werden kann.

Konstruktiv vereinfachend wirkt es sich schließlich aus, wenn in Weiterbildung der Erfindung das Brennkammergehäuse am hinteren Ende einen Verschlußboden in Form eines Zentralkörpers für eine ringförmige Schubdüse aufweist und der Rohrabschnitt auf der Außenseite des Strömungskanals zugleich die äußere Schubdüsenbegrenzung bildet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt den hinteren Abschnitt eines Abschußrohre β 1. In diesem befindet eich ein Kurzzeit-Raketentriebwerk 2 vom Feststofftyp. Dessen Brennkammergehäuse ist mit 3 bezeichnet. Gebildet wird es von einem vorderen Verschlußboden 4, einem hinteren Verschlußboden 5 und einem vom erstgenannten

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Gehäuseboden k zum letztgenannten Gehäuseboden 5 sich konisch verjüngenden Mantel 6.

Der vordere Gehäuseboden k ist mit Spiel im Abschußrohr 1 angeordnet. Am Außenumfang desselben befindet sich eine Ringnut 7 zur Aufnahme einer Dichtung 8. Der Gehäusemantel 6 weist -über den Mantelumfang verteilt - eine Vielzahl von Gasauslaßöffnungen 9 radialer Längserstreckung auf. Mit einem angeformten Fortsatz 10 bildet der hintere Gehäuseboden 5 den Zentralkörper einer ringförmigen Schubdüse 11. Zu dieser führt ein Strömungskanal 12 auf der Außenseite des Gehäusemantels 6. Als äußere Begrenzung von Schubdüse 11 und Strömungekanal 12 kann - wie aus der oberen Pigurenhälfte ersichtlich - ein Abschnitt la des Abschußrohres 1 oder - wie aus der unteren Figurenhälfte ersichtlich - ein gesonderter, beispielsweise am vorderen Gehäuseboden k angeformter Rohrabschnitt 13 fungieren.

Im Innern Ik des Brennkamnergehäuses 3 ist mit radialem Abstand 15 zum Gehäusemantel 6 und mit gegenseitigem axialem Abstand zur Bildung radial nach außen führender Spalte 17 eine Vielzahl Feststofftreibsätze l8 in Form von Kreisringscheiben um ein zentrales Halterohr 19 angeordnet. Ein zusätzlicher Halt wird den Treibsatzverband durch in Richtung des Halterohres 19 sich erstreckende Bolzen 20 mit Distanzscheiben 21 gegeben.

Das Halterohr 19« das zusätzlich die Funktion eines Zugankere zwischen den Gehäuseböden 4, 5 übernehmen und auf diese Weise durch Verminderung der Bodenwölbung zu einer weiteren Reduzierung der Triebwerkslänge beitragen kann, dient zugleich als Träger einer Anfeuerungeladung 22. Durch seinen Mantel 23 führen von RohrInnern, in dem sich die beispielsweise mittels eines elektrischen Brückenzünders 2k anzündbare Anfeuerungsiadung 22 befindet, in radialer Richtung Überströaöffnungen 25 für die Anfeuerungegase zu den Spalten 17 zwischen den Treibsatsscheiben l6. Dies gewährleistet eine gleichzeitige Beaufschlagung aller Treibsatzscheiben l8 alt Anfeuerungsgas, was in Verbindung

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mit den relativ kurzen radialen Strömungsvregen der Treibgase vom Brennraum zum Strömungskanal und deren großer axialer Geschwindigkeit in diesem Schubaufbauzeiten ermöglicht, die kürzer und außerdem auch noch besser reproduzierbar sind als die mit Triebwerken axialer Brennkammerströmung erreichbaren. Schließlich ist noch zu erwähnen, daß wegen des in etwa lediglich 20 bis 30 % des Brennkammerdrucke betragenden Differenzdrucks zwischen Brennkammer Ik und Strömungskanal 12 der Mantel 6 des Brennkammergehäuses 3 entsprechend dünnwandig ausgeführt werden kann. Auf die übrigen Vorteile wurde bereits an anderer Stelle ausführlich eingegangen, so daß es sich hier erübrigt.

- Patentansprüche -

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Feststoffraketentriebwerk, insbesondere zum Beschleunigen einer Nutzlast in einem Abschußrohr auf ihre Abschußgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch eine Schubdüsenanordnung (ll) in einem zum Brennkammergehäuse (3) konzentrischen peripheren Ringraum, eine geschlossene Ausbildung des Brennkammergehäuses (3) an beiden Stirnseiten, eine Vielzahl von Gasauslaßöffnungen <9) radialer Erstreckung im Gehäusemantel (6) und einen Strömungskanal (12) auf der Außenseite des letzteren zum Umlenken der radial gerichteten Treibgasströme aus dem Brennkammergehäuse (3) in dessen Längsachsrichtung zum Schubdüseneintritt.
2. Feststoffraketentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im Brennkammergehüuse (3) mit radialem Abstand (15) zu dessen Mantel (6) und mit gegenseitigem axialem Abstand (l6) zur Bildung radial nach außen führender Spalte (l7) eine Vielzahl Feststofftreibsätze (18) in Form von Kreisringscheiben um ein zentrales Halterohr (19) mit im Rohrinnern untergebrachter Anfeuerung si adung (22) und mit vom Rohrinnern in radialer Richtung durch den Rohrmantel (23) zu den Spalten (17) zwischen den Treibsatzscheiben (l8) führenden Überströmöffnungen (25) angeordnet ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Feststoffraketentriebwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine konische Verjüngung des Brennkammergehäusemantels (6) in Durchflußrichtung des Strömungskanals (12).
k. Feststoffraketentriebwerk nach Anspruch 1 oder 3» gekennzeichnet durch eine äußere Strömungskanalbegrenzung in Form eines Rohrabschnitts (la, 13) mit über dessen Länge konstantem Durchmesser.
5. Feststoffraketentriebwerk nach Anspruch k_t dadurch gekennzeichnet , daß der Rohrabschnitt (la) auf der Außenseite des Strömungskanals (12) integraler Bestandteil eines Abschußrohres (l) ist.
6. Feststoffraketentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Rohrabschnitt (l3) auf der Außenseite des Strömungskanals (12) am vorderen Verschlußboden (k) des Brennkammergehäuses (3) angeformt bzw. druckdicht befestigt ist.
7« Feststoffraketentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Brennkammergehäuse (3) am hinteren Ende einen Verschlußboden (15) in Form eines Zentralkörpers für eine ringförmige Schubdüse (ll) aufweist.
8. Feststoffraketentriebwerk nach einem der Ansprüche 4 bis 6 und nach Anspruch 7i dadurch gekennzeichne t daß ringförmige Schubdüse (ll) und vorgeordneter Strömungskanal (12) ein und denselben Rohrabschnitt (la, 13) als äußere Begrenzung aufweisen.

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