DE1032032B - Verfahren zur Verminderung der Waermebeanspruchung von Raketenbrennkammern - Google Patents

Description

• Verfahren zur Verminderung der Wärmebeanspruchung von Raketenbrennkammern Raketenbrennkammern sind durch die hohen Temperaturen und die großen Geschwindigkeiten der sie durchströmenden Verbrennungsgase so enormen Wärmebeanspruchungen ausgesetzt, daß es nur mit großer Mühe gelingt, ihnen eine brauchbare Haltbarkeit zu geben. Bei den normalerweise zwischen 2000 und 2500° C liegenden Verbrennungstemperaturen täte man sich bei der Werkstoffwahl für solche Brennkammern mit Wolfram oder ähnlichen Metallen hoher Schmelzpunkte am leichtesten. Praktisch ist man jedoch auf weniger kostspielige Werkstoffe wie Stahl angewiesen. Um hierbei mit den Wärmebeanspruchungen fertig zu werden, muß man für eine intensive Kühlung der Brennkammerwandung sorgen. Für Geräte mit längeren Betriebszeiten kommen nur flüssige Treibstoffe in Frage. Zur Kühlung benutzt inan dabei gewöhnlich den Sauerstoffträger, und zwar dessen Flüssigkeitsstrom, der den Einspritzdüsen der Brennkammer zufließt. Dieser wird vor seinem Eintritt in die Einspritzdüsen entlang der Mantelfläche der Brennkammer um sie herumgeführt. Die Kühlung ist nur mit extrem großen Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels ausreichend, wie sie bei dein mit dein Düsendurchsatz festliegenden Flüssigkeitsstrom nur dann erreicht werden, wenn der Kühlkanalquerschnitt klein genug ist. Fabrikatorisch verursacht eine genaue Tolerierung des Kühlkanals vor allem in der Zone des Schubdüsenhalses sehr große Unkosten.
• Oft ist die Außenkühlung trotz allen Aufwandes in der Herstellungsgenauigkeit nicht ausreichend. Man greift dann noch zu dem Hilfsmittel einer inneren, sogenannten Schleierkühlung, bei der ein zusätzlicher Brennstoffstrom an der Innenseite der Brennkammerwandung entlang geführt wird, um sie vor den heißen Verbrennungsgasen zu schützen. Leider bedeutet eine solche Schleierkühlung einen zusätzlichen Brennstoffverbrauch, der an der Impulserzeugung unbeteiligt ist und damit den `'Wirkungsgrad des Triebwerks verschlechtert.
• Nachdem derartige Maßnahmen unbefriedigend sind, hat man immer wieder versucht, den feuerseitigen Wärmeeintritt in die Brennkaminerwand durch wärmeisolierende Auskleidungen zu vermindern. Praktisch befriedigende Lösungen hat man aber auch dabei nicht gefunden. Wärmeisolierende Materialien besitzen zumeist einen weit geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als Metalle und werden als Brennkammerauskleidungen nach dem geringsten Temperaturanstieg ihres metallischen Mantels, nach-(lern sie nicht mehr an ihm anliegen, durch den Innendruck der Verbrennungsgase zum Bersten gebracht.
• Bei der vorliegenden Erfindung wird zur Beherrschung der Wärmebeanspruchung von Raketenbrennkammern ein ganz neuer Weg insofern beschritten, als dem Treibstoff bzw. einer seiner Komponenten Stoffe beigemischt werden, die zu einem festen Niederschlag aus den Verbrennungsgasen an der Brennkaminerwand führen. Dieser Niederschlag stellt eine während des Betriebes sich fortlaufend erneuernde Wärmeisolierung dar. Besonders gut läßt sich dieses Verfahren bei Treibstoffkombinationen auf der Salpetersäurebasis anwenden. Als den Niederschlag aus den Verbrennungsgasen bewirkende Treibstoffbeimengungen sind Schwermetallsalze, unter anderem von Chrom und Nickel, brauchbar, die sich in dem Sauerstoffträger gut lösen. Der Niederschlag besteht dann aus Nitriden dieser Metalle. Praktische Versuche haben gezeigt. daß andere Salze außer allen Schwerinetallsalzen, die im Treibstoff löslich sind, Salze, wie sie z. B. in der französischen Patentschrift 1003 874 erwähnt sind und dort als Katalysatoren zur Beschleunigung des Verbrennungsablaufs dienen sollen, zur Bildung einer wärmeisolierenden Schutzschicht in Raketenbrennkammern nicht geeignet sind. Auch mit den in den französischen Patentschriften 823791, 50 276 aufgeführten Zusätzen zu Vergasertreibstoffen für Verbrennungsmotoren ist in Raketenbrennkammern kein wärmeisolierender Niederschlag erzielbar. Das liegt in erster Linie daran, daß die Schmelzpunkte dieser Zusätze bzw. ihrer in einer Raketenbrennkaminer entstehenden Zerfallsprodukte viel zu tief unter der Verbrennungstemperatur der Raketentreibstoffe liegen und die Brennkammer fängst verlassen haben, bevor sie zum Erstarren kommen können. Bei der Verwendung von Schwermetallsalzen hingegen liegt der Schmelzpunkt des sich bildenden Niederschages zwischen 15Ö0 und 2000° C, und er bildet sich an der Brennkammerwand dann, wenn die Verbrennungsgase auf diese Temperatur abgekühlt werden. Mit Chrom- und Nickelsalzen hat es sich gezeigt, daß die Verbrennungstemperatur der Treibstoffmischung zur Erzeugung eines guten Niederschlages 2000 bis 2200° C nicht wesentlich überschreiten darf. Man erreicht eine Herabsetzung der Verbrennungstemperatur auf diese Werte am einfachsten durch Verbrennung mit Brennstoffüberschuß, der bei Treibstoffkombinationen auf der- Salpetersäurebasis beispielsweise oberhalb von 25% liegen muß.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Verminderung der Wärmebeanspruchung von Raketenbrennkammern durch Erzeugung eines festen Niederschlages an ihrer Innenfläche, dadurch gekennzeichnet, daß den flüssigen Treibstoffen oder einer ihrer Komponenten in diesen oder in dieser lösbare organische oder anorganische Schwermetallsalze zugesetzt werden, bevorzugterweise Salze von Chrom und Nickel, und daß die Verbrennungstemperatur des Treibstoffes einige hundert Grad Celsius über dem Schmelzpunkt des Niederschlages gehalten wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungstemperatur durch Anwendung eines Brennstoffüberschusses reguliert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung von Chrom-und Nickelsalzen die Verbrennungstemperatur 2000 bis 2200.° C beträgt,.. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr.1003 874, 823-.791; französische Zusatzpatentschrift Nr.50276: @.