DE1159695B - Propellant control system for a liquid rocket - Google Patents
Propellant control system for a liquid rocketInfo
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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.Propellant control system for a liquid rocket The invention relates based on liquid rockets, which use a fuel to cool the combustion chamber wall passed through them with simultaneous self-heating and energy absorption and then a turbine driving the fuel pump and the oxidizer pump is supplied, in which the fuel relaxes and drives it.
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.In such liquid rockets it is known that the turbine with a to bridge a valve containing overflow line. This overflow line serves to protect the turbine and the pumps driven by it from overspeed. If the pressure at the inlet of the turbine exceeds a setpoint, this is done in the overflow line lying valve opened so that the fuel flows past the turbine and this is thus driven less strongly. With the well-known liquid rocket the overflow line ends in the open, so that when the valve is open, the overflow line enters the overflow line Incoming fuel is blown into the atmosphere and both this fuel as well as the kinetic energy and heat energy contained in it is wasted.
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.This disadvantage is avoided in the invention in that the Overflow line with its downstream end to the turbine outlet line leading to the injection head connected. This means that the fuel that has passed the turbine becomes his actual purpose, namely the combustion in the combustion chamber. Further can be downstream of the connection between the overflow line and the turbine outlet line Attach a valve, which has repercussions on the running of the turbine, which is carried out by Bypassing a part of the fuel are caused, influenced and thus can be kept small.
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.The invention further provides that the lying in the overflow line Valve as a function of the line fed to the main thrust control unit Combustion chamber pressure is controlled. So this valve is not just in his Function to protect the turbine and pumps from overspeed operated, rather also used to keep the combustion chamber pressure at a set point. This gives the fact that when diverting part of the fuel to the turbine Speed and thus the amount of propellant delivered by the pumps decreases. In detail the invention provides for this purpose that the main thrust control unit has a bellows balance a balance beam and two against one another acting on one end Contains bellows, one bellows self-contained, the other bellows over the line connected to the combustion chamber of the exhaust nozzle and the balance beam with its other The end is coupled to a power switch actuating the valve.
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.In its function of avoiding increased speeds of the turbine, the oxygen carrier pump and the fuel pump, the invention provides that the The valve located in the overflow line is directly dependent on the delivery pressure the fuel pump is controlled. This is possible because of the pressure at the entrance the turbine because of the connection between the turbine and the feed pump via the combustion chamber wall is proportional to the delivery pressure of this fuel pump.
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.In detail, the invention provides for this purpose that the main thrust control unit contains a bellows preloaded under the pressure of a spring, the bellows via a Line is connected to the delivery line of the fuel pump and via a The ram acts on the balance beam.
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.The propellant control system according to the invention is described below an example. The drawing also serves as an explanation. This contains Parts such as B. a cooling jacket surrounding the pumps and the oxygen carrier line, which is not directly related to the subject matter of the invention. In the drawing, Fig.l is a schematic representation of the propellant control system according to the invention and Fig.2 is a section through. the .main thrust control unit.
In Fig. 1 ist im rechten Teil der Darstellung die Schubdüse mit 10 und die Brennkammerwand mit 12 bezeichnet.In FIG. 1, the right-hand part of the illustration shows the thrust nozzle with 10 and the combustion chamber wall is designated by 12.
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.A fuel, for example liquid hydrogen, is in the Tank 14 is stored and flows from there through a line 16 to the fuel pump 18. The pump 18 presses it via the line 20 and a check valve 22 into the Connection 24 on the thrust nozzle 10. There it flows through the double jacket Combustion chamber wall 12. The fuel leaves the thrust nozzle 10 via the pipe connection 26 and runs into line 28. The line 28 leads to the turbine 30, which The fuel pump 18 via a shaft 32 and the oxygen carrier pump via gears 34 36 drives. The fuel flows from the turbine 30 via the so-called turbine outlet line 38 past the main control valve 40 to a pipe connection 42, which in the injection head 44 opens.
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.The oxygen carrier is removed from the tank 46. The tank 46 is over a line 48 is connected to the oxygen carrier pump 36. The oxygen carrier is pressed by the pump 36 into the line 50 and passes through control valves in this 52 and 54; It then enters the injection head 44 via the connection 56.
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 overflow line 58, which bridges the turbine 30, is provided in the flow path of the fuel between the line 28 and the turbine outlet line 38. In the overflow line 58, the valve 60. With the valve closed is 60 flows all of the fuel through the turbine 30. When the valve 60 is opened, a decreasing proportion of the fuel flow which is delivered by the pump 18, through the turbine 30, while the remainder flows through the overflow line 58. The valve 60 is operated by the main thrust control unit 62, which will be described below.
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.A pressure relief valve 63 is connected to the line 28 between the overflow line 58 and the turbine 30. If there is excess pressure, the valve 63 opens and the excess pressure is passed into a line 64.
Das Hauptsteuerventil 40 wird von einer Einheit 66 gesteuert, was hier nicht weiter erläutert wird.The main control valve 40 is controlled by a unit 66, what is not further explained here.
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.Fig. 1 shows a pressure gas tank 68 above the nozzle 10, the z. B. Contains helium. The compressed gas is used, among other things, for the pneumatic control of numerous Operations.
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.The thrust of the rocket is regulated by the main thrust control unit 62, inter alia, by adjusting the valve 60 in the overflow line 58. The main thrust control unit is shown in detail in Figure 2. It has a power adjustment lever 170 which is mounted on a shaft 72. Cams 74 and 76 are mounted on shaft 72. The cam 74 has two cam tracks, one of which bears against a needle valve 78 which controls the passage of helium from the line 80 connected to the compressed gas tank 68 into a line 82. The helium enters line 84 (FIG. 1) through line 82 and fulfills several control tasks which are not to be explained here.
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.The other cam track of the cam 74 is in engagement with a needle valve 86 which controls the passage of fuel from the line 20 through the line 88, the throttle point 90 and the channel 92 to the nozzle 94. In this way, the delivery pressure of the fuel pump 18 is determined. The opening cross section of the nozzle 94 is controlled by the balance arm 96, which can be pivoted about a pivot pin 100 arranged on an elastic partition wall 98 and the right end of which is connected to two oppositely connected bellows 102 and 104. The bellows 104 is evacuated, while the bellows 102 is connected to the combustion chamber in the exhaust nozzle 10 via a channel 106 and a line 108. The combustion chamber pressure that prevails in the bellows 102 tends to rotate the balance arm 96 in a clockwise direction about the pivot pin 100. In this way, the pressure in the combustion chamber of the exhaust nozzle 10 is determined.
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.In the middle is the balance beam 96 with one of the adjustment of the power adjustment lever 70 dependent force loaded, which seeks to the To rotate the balance beam 96 in a counterclockwise direction. This depends on the setting Force is generated by the cam 76, on which a guide piston 110, which is mounted in a sleeve 112, connected plunger rests. Between the guide piston 110 and a disk 116 connected to the balance beam 96 is a spring 118 clamped. Any difference between this preload of the bellows balance by the Cam 76 and the combustion chamber pressure pivots the balance beam 96 and changes the Opening cross section of the nozzle 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.When this opening cross-section changes, the pressure in a chamber 120, which is connected to the channel 92 via the channel 122, also changes. A piston 124 slides in the chamber 120 and is pushed upward by a spring 126. The piston rod 128 is connected to the valve 60 in the overflow line 58 via a lever 130 (FIG. 1).
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.A restoring force is generated by a lever 132, which is at 134 connected to the piston rod 128 and with its left end in a pivot bearing 136 is stored. Between the right end of the lever 132 and the left end of the A spring 133 rests on the balance beam 96.
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.Protection of the turbine 30 and the pumps 18 and 36 against overspeed is further ensured by a bellows 140 which is connected via a line 142 to the line 20 at the outlet of the fuel pump 18. If the pump speed exceeds a set point, the pressure in the line 20 increases and the bellows 140 expands. This expansion of the bellows lifts the housing 144 surrounding the bellows 140 against the force of a spring 146. A plunger 148 on the housing 144 strikes the balance arm 96 and rotates it clockwise around the pivot pin 100 in the sense of closing the nozzle 94 Pressure building up in chamber 120 pushes piston 124 downward and opens valve 60. As a result, more fuel is passed through overflow line 58. The amount of fuel flowing through the turbine 30 decreases accordingly, and this in turn decreases the pump speed.
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