DE29621110U1

DE29621110U1 - Hybridraketentriebwerk

Info

Publication number: DE29621110U1
Application number: DE29621110U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-05
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2006-12-06

Description

Beschreibung
Hybridraketentriebwerk

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 Rammfronten 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 koreliiert (dies selbstverständlich unter der Voraussetzung, daß eine hinreichende Durchmischung von Oxydator und vaporisiertem 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 Treibstoffoberfiäche zulassen. Eine solche wäre z.B. die bereits in der o.g. Schrift kurz erwähnte Ausgestaltung des innenbrennenden Treibstoffblockes als Stern, Dendrit o.a. Zu bevorzugen sind jedoch einfache Brennkammer- und Treibstoffblockgestaltungen, also primär der Zylinder oder Stern.

Erfindung

Die Erfindung beschreibt ein Hybridraketentriebwerk auf der Basis zylindrischer Innenbrennerbrennkammern wie folgt {siehe hierzu auch Zeichnung 1):

Die flüssige Komponente (meist der Oxydator) wird 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, weiche 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 1 a) oder dessen gesamte Dicke durchmessen (Zeichnung 1 b).

Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung

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

am Mantel des Treibstoffblockes [4] befinden sich Nuten, denen die oxydatorführenden Fallrohre inneliegen. 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 folgt. An den Fallröhren befinden sich treibstoffseitig Bohrungen, die die eigentlichen Einspritzöffnungen [1] darstellen und die mit den im Treibstoffblock inneliegenden kleinen Brennkammern [2] Paß sind. An ihrem unteren Ende sind die Fallrohre verschlossen.

Der Druckkörper [8] des Triebwerkes ist als Rovingkörper (mehrlagige gegeläufige Gelege aus zugfesten Glasfaser-, Karbon- oder Aramidfasern in einer Epoxidharzmatrix} ausgebildet, wobei die Konvergenz-Expansionsdüse [9] vorteilhafterweise ebenfalls laminiert ist. Diese besteht somit ,wie der Druckkörper ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff. Sie wird durch Ablation gekühlt. Es liegt also ein einheitlicher Druck/Düsenkörper mit innenliegendem Treibstoffblock und Einspritzsystem vor.

Im Druckkörper und hier speziell im Düsenhaisbereich können zusätzlich dünne Kupferlackdrähte einliegen, 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.a. 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.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Claims

spräche

Hybridraketentriebwerk, dadurch gekennzeichnet,

daß einem festen, als Innenbrenner mit zylindrischer zentraler Brennkammer ausgebildetem Treibstoffblock eine Vielzahl kleinerer Brennkammern inneüegen, die ihren Ursprung am Mantel des Treibstoffblockes haben und in den zentralen Brennraum desselben münden, sodaß die Ausströmrichtung der Verbrennungsgase aus diesen kleineren Brennkammern die Hauptstromrichtung der Brenngase in der Hauptbrennkammer winklig schneidet, wobei die Einspritzung der flüssigen Komponente am Ursprung der kleinen Brennkammern erfolgt.

Vorteilhafte spezielle Ausführung des Triebwerkes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß sich am Brennstoffblock kopfseitig ein Verteiler für die flüssige Komponente mit zentraler Zuleitung befindet, von welchem seitlich Fallrohre abgehen, welche in längslaufenden Nuten an der Außenseite des Brennstoffblockes verlaufen und an deren Innenseite sich die Austrittsöffnungen für den Oxydator in Deckung mit den dem Treibstoffbolck inneliegenden Brennkammern befinden.

daß das obige Oxydatorverteilungs- und einspritzsystem samt Treibstoffbolck mit geeigneten zugfesten Faserverbundwerkstoffen bis auf die zentrale Zuleitung vollständig einlaminiert ist, sodaß ein Druckkörper vorliegt

daß auch die Konvergenz-Expansionsdüse als Laminatkörper in Einheit mit dem Druckkörper ausgebildet ist

daß sich im Laminat, speziell auch am Düsenhals, Kupferlackdrähte befinden, durch deren Durchbrennen Fehlzustände wie Bersten oder Durchbrennen des Druckkörpers sowie der Grad der Abtragung am Düsenhals während des Betriebes erfaßt werden können.