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Ablenkvorrichtung für einen aus einer Schubdüse ausströmenden Strahl
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ablenkvorrichtung für einen aus einer Schubdüse
ausströmenden Strahl, insbesondere zur Steuerung einer Rakete, mittels mehrerer
in Abständen am Umfang eines Querschnittes der Schubdüse nahe ihrem Austrittsquerschnitt
angeordneter und in die Schubdüse einmündender Öffnungen, durch die ein Strömungsmittel
wahlweise durch eine oder mehrere dieser Öffnungen quer zum Schubstrahl zugeführt
werden kann.
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Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art wird den in die Schubdüse einmündenden
Öffnungen komprimierte Luft zugeführt, die beispielsweise von der Primärluft bzw.
der Förderseite des Luftverdichters oder von einem Stauluftkanal abgezweigt wird.
An Stelle der komprimierten Luft wird auch aus besonderen Behältern komprimierter
Stickstoff, Wasserstoff oder Hydrazin über die Öffnungen in die Schubdüse eingeblasen.
Der Nachteil dieser bekannten Ablenkvorrichtungen liegt jedoch in ihren langen Ansprechzeiten
und in den verhältnismäßig geringen Ablenkkräften.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, den Schubstrahl durch eine
Stoßwelle abzulenken, die durch in den Schubstrahl einschiebbare Ablenkkörper aus
sich in Gase zersetzendem Material erzeugt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ablenkvorrichtung der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, durch die die Ansprechzeit der gesamten Anlage verringert
und gleichzeitig die Wirksamkeit der Steuervorrichtung in erheblichem Maß vergrößert
wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer eingangs beschriebenen
Ablenkvorrichtung dadurch gelöst, daß zur Speisung der als Düsen ausgebildeten Öffnungen
Brennkammern angeordnet sind, die über kurze Anschlußstücke unmittelbar mit den
zugehörigen Düsen verbunden sind, und daß über den Brennkammern Vorratsbehälter
angeordnet sind, von denen Treibstoff wahlweise den einzelnen Brennkammern zugeführt
wird. Durch die Verwendung von Brennkammern mit zugeordneten Düsen ist die kinetische
Energie des Ablenkstrahls beträchtlich höher als bei den bekannten Ablenkvorrichtungen.
Da die Brennkammern über möglichst kurze Leitungen mit den Düsen verbunden sind,
wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Ablenkung des Schubstrahls unmittelbar
nach der Zündung des in die Brennkammer eingespeisten Treibstoffes bewirkt.
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Als Treibstoff werden Monergole (Treibstoffe, die ihre Energie ohne
weitere Zusätze freigeben) oder vorzugsweise Diergole (Treibstoffe; die zum Verbrennen
mit einem weiteren Stoff gemischt werden müssen) verwendet. In weiterer vorteilhafter
Ausgestaltung ist die Fördermenge"des Strömungsmittels und das Querschnittsverhältnis
zwischen dem Austrittsquerschnitt und dem Hals der Düsen so bemessen, daß der aus
den Düsen ausströmende Ablenkstrahl überschallgeschwindigkest erreicht. Um einen
guten Wirkungsgrad zu erreichen, kann weiterhin jede Düse aus mehreren Teildüsen
zusammengesetzt sein. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die einen Kreisausschnitt
bildenden Brennkammern innen durch radial verlaufende Trennwände in mehrere Brennzellen
unterteilt, um die Entwicklung von Querschwingungen in den Brennkammern zu verhindern.
Dabei kam der flüssige Treibstoff gegen die Wandungen - der Brennzellen gespritzt
werden, um als Nebenwirkung eine Kühlung dieser Wandungen zu erreichen. Die Ansprechzeit
der gesamten Ablenkvorrichtung kann weiterhin dadurch verkürzt werden, daß die Treibstoffzufuhr.
über elektrisch gesteuerte Einspritzventile, die so nahe wie möglich an jeder Brennkammer
angebracht sind, gesteuert wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden beispielsweisen Beschreibung, in der zwei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
an Hand der Figuren erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine Ansicht einer teilweise
geschnittenen Schubdüse mit einer erfindungsgemäßen Ablenkvorrichtung,
F
i g. 2 eine Ansicht bzw. einen Schnitt- entlang der Linie II-II der F i g. 1, F
i g. 3 eine perspektivische, schematische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform
der Ablenkvorrichtung, Fig. 4A bzw. 4B Schnitte durch die Düsen der Ablenkvorrichtung
entlang den Ebenen AA bzw. BB der F i g. 3.
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Die mit einer Auskleidung 1 a versehene Schubdüse 1 enthält nahe ihrem
Austrittsquerschnitt 1 b mehrere, beispielsweise vier Düsen 2 für die Ablenkung
des Strahls der Schubdüse 1. Jede Düse 2 ist in einem Formteil 3 ausgebildet, der
vorzugsweise in den Mantel der Schubdüse 1 eingesetzt ist und sich jeweils nur über
einen Teil des Umfangs der Schubdüse erstreckt. Der Austrittsquerschnitt der Düsen
2 ist auf Überschallströmung ausgelegt und besteht von der Anströmseite zur Abströmseite
hin aus einem durch einen Düsenhals 3 a begrenzten, konvergierenden Teil und einem
divergierenden,- in die Schubdüse 1 einmündenden Teil 3 b, dessen Strömung vorteilhafterweise
gegen die Strömung der Schubdüse gerichtet ist.
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Die Schubdüse 1 weist mehrere koaxiale Brennkammern 5 auf, die mit
dem jeweils zugehörigen Formteil 3 über ein sehr kurzes konvergierendes Anschlußstück
4 verbunden sind und, ebenso wie die Formteile 3, nur über einen Teil des Umfangs
der Schubdüse verlaufen.
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Die Brennkammern 5 sind innen vorzugsweise mit einem feuerfesten Überzug
(durch Spritzverfahren aufgebrachte Ton- oder Zirkonerde) oder mit einem Schutzlack
genügender Dicke ausgekleidet und in mehrere Brennzellen 5 c unterteilt. Die Brennkammern
5 enthalten zu diesem Zweck mehrere Trennwände 5a, die an der Kammerwand
befestigt sein können und zusammen mit den Außenrippen 5 b die Brennkammer
5 versteifen. Die vorteilhafterweise mit Öffnungen 6 durchsetzten Trennwände 5 a
sollen jedoch hauptsächlich die Entwicklung von Querschwingungen vermeiden, die
bei einer instabilen Verbrennung im Inneren einer Brennkammer 5 auftreten können.
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Bei Verwendung eines 2-Komponenten-Treibstoffes werden die Brennkammern
5 vorzugsweise über zwei geneigte Einspritzebenen 7 mit Treibstoff versorgt. Die
eine Ebene 7 a hat wenigstens eine Einspritzöffnung je Brennzelle 5c und wird vorteilhafterweise
von der zweiten Einspritzebene 7 b umschlossen. Diese hat mehrere Einspritzöffnungen
mit vorzugsweise auseinandertretenden Achsen, so daß bei einem Brennstoffüberschuß
die Brennkammer-Innenwände und gegebenenfalls auch die Trennwände 5a abgekühlt
werden. Die Trennwände 5 a können von der Brennkammer-Außenwand unabhängig
sein und aus einem Metall bestehen, dessen Schmelzpunkt sehr hoch liegt, wie etwa
Molybdän.
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An die Brennkammer 5, d. h. an jede Gruppe von Brennzellen 5 c sind
so nahe wie möglich zwei elektrisch gesteuerte Einspritzventile angeschlossen. Sie
steuern die Treibstoffzufuhr in Abhängigkeit von einem nicht dargestellten zentralen
Steuersystem, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer vorteilhafterweise pneumatischen
Leistungsstufe.
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Die erfindungsgemäße Ablenkvorrichtung enthält ferner in an sich bekannter
Weise für jedes Reaktionsmittel Behälter 9 a, 9 b, die vorzugsweise kreisringförmig
und koaxial zu der von ihnen umgebenen Schubdüse angeordnet sind, sowie Speicher
10 für Stickstoff unter Druck, der zur Lieferung der Hilfsenergie dient.
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Die verwendeten Treibstoffe können gewöhnliche Diergole mit geringem
Zündverzug (beispielsweise UDMH und N204) sein. Dabei wird bei einem Brennstoffüberzug
nur eine mäßige Temperatur erreicht. Man kann auch ein Monergol verwenden, dem ein
anderes Ergol beigemischt wird, das das Gemisch zündfähig macht und einen ausreichend
kurzen Zündverzug sicherstellt. Das Monergol kann Hydrazin sein, wobei die Reaktion
in diesem Fall mit Hilfe einer geringen Oxydationsmittelzugabe, beispielsweise N204
oder HNO3, sichergestellt ist. Dieses Komponentenpaar gestattet es, eine Temperatur
in der Größenordnung von 1500° C und einen spezifischen Impuls von gleicher Größenordnung
zu erreichen, wie ihn gewöhnliche Hypergole, deren Brenntemperatur nahe bei 3000°
C liegt, aufbringen. Man kann ferner die Zersetzung eines Monergols in einem heißen
Katalysatorbett erwägen. -Die Arbeitsweise einer solchen Vorrichtung ist wie folgt:
Ein von den! nicht dargestellten zentralen Steuersystem gegebener Befehl (elektrisches
Signal) öffnet wenigstens während einer bestimmten Zeitdauer die einer entsprechenden
Düse 2 zugeordneten elektrischen Einspritzventile B. Wird die an einer betrachteten
Düse angeschlossene Brennkammer 5 mit Treibstoff beschickt, so zündet die Reaktion
mit einer Verzögerung, die praktisch auf höchstens einige Millisekunden reduziert
ist, wobei die Fördermenge des Reaktionsmittels so groß ist, daß sich der Druck
in der Brennkammer bei einem Wert stabilisiert, auf den die unmittelbar abströmseitig
gelegene Düse genau ausgelegt ist. Die Anbringung der verschiedenen Bauteile in
unmittelbarer Nähe der Schubdüse macht es möglich, die Gesamtansprechzeit der Ablenkvorrichtung
auf einen sehr kleinen Wert zu verringern.
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Da der durch die Ablenkung des aus der Schubdüse austretenden Schubstrahls
erreichte Querschub größer ist als der Eigenschub der Brennkammer-Düseneinheit,
können die Brennkammern kleiner als bekannte Hilfsdüsen sein, die unmittelbar quer
in die Atmosphäre ausstrahlen und für denselben Querschub ausgelegt sind. Das erforderliche
Treibstoffgewicht wird ebenfalls verringert sowie auch die Zündverzögerung der Brennkammern,
die von deren Abmessung abhängt und zu einem beträchtlichen Teil die Gesamtansprechzeit
beeinflußt.
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Die F i g. 3, 4 A und 4 B zeigen eine abgewandelte Ausführungsform,
bei der die Brennzellen 5 d voneinander getrennt sind und in einen Verbindungsteil
4 b mit im wesentlichen konvergierendem Querschnitt und ringausschnittförmiger Ausbildung
münden. Diese Ausführung der Brennzellen in Form von Töpfen ist vorteilhaft, denn
sie gestattet es, die Brennzellenwandungen durch die sogenannte Roving-Technik herzustellen,
d. h. durch Wicklung von Garnen auf der Basis von Glasfasern, die später in eine
plastische Schicht eingetaucht werden, wodurch die genannten Zellen sehr leicht
und einfach hergestellt werden können. Die mit jeder Brennzelle 5 b verbundenen
schrägen Einspritzebenen 7c, 7 d sind in diesem Fall vorteilhafterweise kreisförmig
ausgebildet und liegen nicht mehr koaxial zu der Schubdüse. Diese schrägen Einspritzebenen
sind in F i g. 3 zu sehen; ihre Abdeckung trägt die Treibstoffzuführungsleitungen.
Jede
Düse 2 wird nach dieser Ausführungsform durch mehrere Teildüsen 2 c gebildet, die
einen konvergierend-divergierenden Querschnitt haben, sowohl in einem Radialschnitt
nach der EbeneAA, wie auch in einem Schnitt längs einer Zylinderfläche nach BB (F
i g. 4 A bzw. 4 B). Es ist so möglich, ein erhöhtes Verhältnis zwischen dem Austrittsquerschnitt
2 b und dem Halsquerschnitt 2a jeder Teildüse 2c zu erreichen, ohne daß dabei die
Wand der Schubdüse 1
zu stark geschwächt wird oder die Wandung der Teildüse
im Bereich des Düsenhalses zu schnell verschleißt. Die Teildüsen 2c können topfförmig
ausgeführt und in einen blockförmigen Formteil 3 eingearbeitet sein, der in der
Wandung der Schubdüse 1
angebracht ist. Sie können auch in einer örtlichen
Wulst der Auskleidung l a, die beispielsweise aus einem elastischen, geschichteten
Material besteht, angeordnet sein und mit einer Graphitauskleidung 11 versehen sein.
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Die Erfindung umfaßt jedoch auch die Kombination von beispielsweise
kreisförmig ausgebildeten Düsen mit den in mehrere Brennzellen unterteilten Brennkammern,
durch die eine gleichmäßige Beschickung der Düsen sichergestellt ist. Wenn die Einspritzung
in die Schubdüse nur im normalen Schallwellenbereich erfolgt, können auch Teildüsen
mit in Längsrichtung konvergierendem Querschnitt benutzt werden.