DE1159695B - Treibmittelregelanlage fuer eine Fluessigkeitsrakete - Google Patents

Description

• Treibmittelregelanlage für eine Flüssigkeitsrakete Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkeitsraketen, bei denen ein Treibstoff zur Kühlung der Brennkammerwand unter gleichzeitiger Eigenerwärmung und Energieaufnahme durch diese durchgeleitet und dann einer die Treibstoffpumpe und die Sauerstoffträgerpumpe antreibenden Turbine zugeführt wird, in der sich der Treibstoff entspannt und diese dabei antreibt.
• Bei solchen Flüssigkeitsraketen ist bekannt, die Turbine mit einer ein Ventil enthaltenden überströmleitung zu überbrücken. Diese überströmleitung dient dem Schutz der Turbine und der von dieser angetriebenen Pumpen vor überdrehzahl. Übersteigt der Druck am Eingang der Turbine einen Sollwert, wird das in der überströmleitung liegende Ventil geöffnet, so daß der Treibstoff an der Turbine vorbeiströmt und diese damit weniger stark angetrieben wird. Bei der bekannten Flüssigkeitsrakete endet die überströmleitung im Freien, so daß der bei geöffnetem Ventil in die Oberströmleitung eintretende Treibstoff in die Atmosphäre abgeblasen und sowohl dieser Treibstoff als auch die in ihm enthaltene kinetische Energie und Wärmeenergie vertan wird.
• Dieser Nachteil wird bei der Erfindung dadurch vermieden, daß die Überströmleitung mit ihrem Unterstromende an die zum Einspritzkopf führende Turbinenabgangsleitung angeschlossen ist. Damit wird der an der Turbine vorbeigeführte Treibstoff seinem eigentlichen Zweck, nämlich der Verbrennung in der Brennkammer zugeführt. Weiter läßt sich stromab der Verbindung der Überströmleitung mit der Turbinenabgangsleitung ein Ventil anbringen, wodurch Rückwirkungen auf den Lauf der Turbine, die durch Umführen eines Teiles des Treibstoffes hervorgerufen werden, beeinflußt und damit klein gehalten werden können.
• Die Erfindung sieht weiter vor, daß das in der überströmleitung liegende Ventil in Abhängigkeit des der Hauptschubsteuereinheit über eine Leitung zugeführten Brennkammerdruckes gesteuert wird. Damit wird dieses Ventil nicht nur in seiner Funktion zum Schutz der Turbine und der Pumpen vor überdrehzahl betrieben, sondern auch dazu ausgenutzt, den Brennkammerdruck auf einem Sollwert zu halten. Dies ergibt sich dadurch, daß bei Umleiten eines Teiles des Brennstoffes um die Turbine deren Drehzahl und damit die von den Pumpen geförderte Treibmittelmenge abnimmt. Im einzelnen sieht die Erfindung hierzu vor, daß die Hauptschubsteuereinheit eine Balgwaage mit einem Waagebalken und zwei auf dessen eines Ende einwirkende, gegeneinandergeschaltete Bälge enthält, der eine Balg in sich abgeschlossen, der andere Balg über die Leitung an die Brennkammer der Schubdüse angeschlossen und der Waagebalken mit seinem anderen Ende an einen das Ventil betätigenden Kraftschalter angekoppelt ist.
• In seiner Funktion zum Vermeiden erhöhter Drehzahlen der Turbine, der Sauerstoffträgerpumpe und der Treibstoffpumpe sieht die Erfindung vor, daß das in der überströmleitung liegende Ventil unmittelbar in Abhängigkeit von dem Förderdruck der Treibstoffpumpe gesteuert wird. Dies ist deshalb möglich, da der Druck am Eingang der Turbine wegen der Verbindung der Turbine mit der Förderpumpe über die Brennkammerwand dem Förderdruck dieser Treibstoffpumpe proportional ist.
• Im einzelnen sieht die Erfindung hierzu vor, daß die Hauptschubsteuereinheit einen unter dem Druck einer Feder vorgespannten Balg enthält, der Balg über eine Leitung an die Förderleitung der Treibstoffpumpe angeschlossen ist und über einen Stößel auf den Waagebalken einwirkt.
• Die Treibmittelregelanlage nach der Erfindung wird im folgenden an einem Beispiel beschrieben. Zur Erläuterung dient weiter die Zeichnung. Diese enthält Teile, wie z. B. einen die Pumpen und die Sauerstoffträgerleitung umgebenden Kühlmantel, der in keinem unmittelbaren Zusammenhang mit dem Gegenstand der Erfindung steht. In der Zeichnung ist Fig.l eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Treibmittelregelanlage und Fig.2 ein Schnitt durch. die .Hauptschubsteuereinheit.
• In Fig. 1 ist im rechten Teil der Darstellung die Schubdüse mit 10 und die Brennkammerwand mit 12 bezeichnet.
• Ein Treibstoff, beispielsweise flüssiger Wasserstoff, wird in dem Tank 14 gelagert und strömt von dort durch eine Leitung 16 zu der Treibstoffpumpe 18. Die Pumpe 18 drückt ihn über die Leitung 20 und ein Rückschlagventil 22 in den Anschluß 24 an der Schubdüse 10. Dort durchströmt er die als Doppelmantel ausgebildete Brennkammerwand 12. Der Treibstoff verläßt die Schubdüse 10 über den Rohranschluß 26 und läuft in die Leitung 28 ein. Die Leitung 28 führt zu der Turbine 30, die über eine Welle 32 die Treibstoffpumpe 18 und über Zahnräder 34 die Sauerstoffträgerpumpe 36 antreibt. Aus der Turbine 30 fließt der Treibstoff über die sogenannte Turbinenabgangsleitung 38 an dem Hauptsteuerventil 40 vorbei zu einem Rohranschluß 42, der in den Einspritzkopf 44 mündet.
• Der Sauerstoffträger wird dem Tank 46 entnommen. Der Tank 46 ist über eine Leitung 48 an die Sauerstoffträgerpumpe 36 angeschlossen. Der Sauerstoffträger wird von der Pumpe 36 in die Leitung 50 gedrückt und durchläuft in dieser Steuerventile 52 und 54; über den Anschluß 56 tritt er dann in den Einspritzkopf 44 ein.
• Im Strömungsweg des Treibstoffes ist zwischen der Leitung 28 und der Turbinenabgangsleitung 38 eine Überströmleitung 58 vorgesehen, die die Turbine 30 überbrückt. In der überströmleitung 58 liegt das Ventil 60. Bei geschlossenem Ventil 60 fließt der gesamte Treibstoff durch die Turbine 30. Wenn das Ventil 60 geöffnet wird, fließt ein kleiner werdender Anteil des Treibstoffes, der von der Pumpe 18 gefördert wird, durch die Turbine 30, während der Rest durch die überströmleitung 58 fließt. Das Ventil 60 wird durch die Hauptschubsteuereinheit 62, die weiter unten beschrieben wird, betätigt.
• An die Leitung 28 ist zwischen der überströmleitung 58 und der Turbine 30 ein Druckentlastungsventil63 angeschlossen. Bei Überdruck öffnet das Ventil 63, und der überschüssige Druck wird in eine Leitung 64 gegeben.
• Das Hauptsteuerventil 40 wird von einer Einheit 66 gesteuert, was hier nicht weiter erläutert wird.
• Fig. 1 zeigt über der Schubdüse 10 einen Druckgastank 68, der z. B. Helium enthält. Das Druckgas dient unter anderem zur pneumatischen Steuerung zahlreicher Vorgänge.
• Der Schub der Rakete wird von der Hauptschubsteuereinheit 62 unter anderem durch Verstellen des Ventils 60 in der Überströmleltung 58 geregelt. Die Hauptschubsteuereinheit ist im einzelnen in Fig.2 dargestellt. Sie weist einen Leistungsverstellhebe170 auf, der auf einer Welle 72 befestigt ist. Nocken 74 und 76 sind auf der Welle 72 befestigt. Der Nocken 74 weist zwei Nockenbahnen auf, von denen eine an einem Nadelventil 78 anliegt, das den Durchtritt von Helium aus der an den Druckgastank 68 angeschlossenen Leitung 80 in eine Leitung 82 steuert. Das Helium tritt durch die Leitung 82 in die Leitung 84 (Fig. 1) ein und erfüllt mehrere hier nicht zu erläuternde Steueraufgaben.
• Die andere Nockenbahn des Nockens 74 steht mit einem Nadelventil 86 im Eingriff, das den Übertritt von Treibstoff aus der Leitung 20 durch die Leitung 88, die Drosselstelle 90 und den Kanal 92 zur Düse 94 steuert. Auf diesem Weg wird der Förderdruck der Treibstoffpumpe 18 ermittelt. Der Öffnungsquerschnitt der Düse 94 wird durch den Waagebalken 96 gesteuert, der um einen an einer elastischen Trennwand 98 angeordneten Schwenkzapfen 100 schwenkbar ist und dessen rechtes Ende mit zwei gegeneinandergeschalteten Bälgen 102 und 104 verbunden ist. Der Balg 104 ist evakuiert, während der Balg 102 über einen Kanal 106 und eine Leitung 108 mit der Brennkammer in der Schubdüse 10 verbunden ist. Der Brennkammerdruck, der in dem Balg 102 herrscht, ist bestrebt, den Waagebalken 96 in Uhrzeigerrichtung um den Schwenkzapfen 100 zu drehen. Auf diesem Wege wird der Druck in der Brennkammer der Schubdüse 10 ermittelt.
• In der Mitte wird der Waagebalken 96 mit einer von der Einstellung des Leistungsverstellhebels 70 abhängigen Kraft belastet, die bestrebt ist, den Waagebalken 96 in Gegenuhrzeigerrichtung zu drehen. Diese von der Einstellung abhängige Kraft wirrt durch den Nocken 76 erzeugt, an dem ein mit einem Führungskolben 110, der in einer Hülse 112 gelagert ist, verbundener Stößel anliegt. Zwischen den Führungskolben 110 und einer mit dem Waagebalken 96 verbundenen Scheibe 116 ist eine Feder 118 eingespannt. Jede Differenz zwischen dieser Vorbelastung der Balgwaage durch den Nocken 76 und dem Brennkammerdruck verschwenkt den Waagebalken 96 und ändert den Öffnungsquerschnitt der Düse 94.
• Bei Änderung dieses Öffnungsquerschnittes ändert sich auch der Druck in einer Kammer 120, die mit dem Kanal 92 über den Kanal 122 verbunden ist. In der Kammer 120 gleitet ein Kolben 124, der durch eine Feder 126 nach oben gedrückt wird. Die Kolbenstange 128 ist über einen Hebel 130 (Fig. 1) mit dem Ventil 60 in der Überströmleitung 58 verbunden.
• Eine Rückstellkraft wird durch einen Hebel 132 erzeugt, der bei 134 mit der Kolbenstange 128 verbunden und mit seinem linken Ende in einem Schwenklager 136 gelagert ist. Zwischen dem rechten Ende des Hebels 132 und dem linken Ende des Waagebalkens 96 liegt eine Feder 133.
• Ein Schutz der Turbine 30 und der Pumpen 18 und 36 gegen Überdrehzahl wird weiter durch einen Balg 140 gewährleistet, der über eine Leitung 142 an die Leitung 20 am Auslaß der Treibstoffpumpe 18 angeschlossen ist. Übersteigt die Pumpendrehzahl einen Sollwert, steigt der Druck in der Leitung 20 an, und der Balg 140 dehnt sich aus. Diese Ausdehnung des Balges hebt das den Balg 140 umgebende Gehäuse 144 entgegen der Kraft einer Feder 146. Ein Stößel 148 am Gehäuse 144 stößt an den Waagebalken 96 und dreht diesen in Uhrzeigerrichtung um den Schwenkzapfen 100 im Sinne eines Schließens der Düse 94. Der sich dabei in der Kammer 120 aufbauende Druck schiebt den Kolben 124 nach unten und öffnet das Ventil 60. Dadurch wird mehr Treibstoff durch die Überströmleitung 58 geleitet. Entsprechend sinkt die durch die Turbine 30 fließende Treibstoffmenge, und dadurch wird wiederum die Pumpendrehzahl erniedrigt.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Treibmittelregelanlage für eine Flüssigkeitsrakete, bei der ein Treibstoff zur Kühlung der Brennkammerwand unter gleichzeitiger Eigenerwärmung und Energieaufnahme durch diese durchgeleitet und dann einer die Treibstoffpumpe und die Sauerstoffträgerpumpe antreibenden Turbine zugeführt wird, in der sich der Treibstoff entspannt und dabei die Turbine antreibt, wobei die Turbine durch eine ein Ventil enthaltende Überströmieitung überbrückt ist, dadurch gekennzeichne4 daß die überströmleitung (58) mit ihrem Unterstromende an die zum Einspritzkopf (44) führende Turbinenabgangsleitung (38) angeschlossen ist. 2. Regelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (60) in Abhängigkeit des der Hauptschubsteuereinheit (62) über eine Leitung (108) zugeführten Brennkammerdruckes gesteuert wird. 3. Regelanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptschubsteuereinheit (62) eine Balgwaage mit einem Waagebalken (96) und zwei auf dessen eines Ende einwirkende, gegeneinandergeschaltete Bälge (102 und 104) enthält, der eine Balg (104) in sich abgeschlossen, der andere Balg (102) über die Leitung (108) an die Brennkammer der Schubdüse (10) angeschlossen und der Waagebalken (96) mit seinem anderen Ende an einen das Ventil (60) betätigenden Kraftschalter (120 bis 138) angekoppelt ist. 4.. Regelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (60) zum Vermeiden erhöhter Drehzahlen der Turbine (30), der Sauerstoffträgerpumpe (36) -und der Treibstoffpumpe (18) in Abhängigkeit von dem Förderdruck der letzteren gesteuert wird. 5. Regelanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptschubsteuereinheit (62) einen unter dem Druck einer Feder (146) vorgespannten Balg (140) enthält, der Balg (140) über eine Leitung (142) an die Förderleitung (20) der Treibstoffpumpe (18) angeschlossen ist und über einen Stößel (148) auf den Waagebalken (96) einwirkt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1070 882, 1019 863; britische Patentschriften Nr. 852 221, 721962; USA.-Patentschriften Nr. 2 949 007, 2 810 259, 2 687 168, 2 654 997, 2 479 888; »Luftfahrttechnik«, 6. Band, Nr. 10 (10.10. 1960), S. 283; »Interavia«, 15. Jahrgang, Nr. 2 (Februar 1960), S. 168, 169; »Zeitschrift des VDI«, 99. Band, Nr. 2 (11. 1. 1957), S. 55 bis 61; »Weltraumfahrt«, 1956, Nr.
2. 2, S. 41 bis 48; »Aero Digest«, Dezember 1955, Heft 6, S. 27; Josef Stemmer, »Raketenantriebe«, Schweizer Druck- und Verlagshaus, Zürich 1952, S. 256, 257, Tafel 2; Marcel Barrere, Andre Jaumotte, Baudouin F. de Veubecke, Jean Vandenkerckhove, »Rocket Propulsion«, Elsevier Publishing Company, Amsterdam-London, 1960, S.519.