DE1260350B

DE1260350B - Deflection device for a jet flowing out of a thrust nozzle

Info

Publication number: DE1260350B
Application number: DES91094A
Authority: DE
Inventors: Cyrille Francois Pavlin; Cormeilles En Parisis
Original assignee: Bertin et Cie SA
Current assignee: Bertin Technologies SAS
Priority date: 1963-05-17
Filing date: 1964-05-15
Publication date: 1968-02-01

Description

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.Deflection device for a jet emerging from a thrust nozzle The invention relates to a deflector for one of a thrust nozzle outflowing beam, in particular to control a rocket, by means of several at intervals on the circumference of a cross section of the exhaust nozzle near its outlet cross section arranged and opening into the exhaust nozzle openings through which a fluid optionally fed through one or more of these openings transversely to the thrust jet can be.

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.In known devices of this type the opening into the exhaust nozzle Openings compressed air supplied, for example from the primary air or the delivery side of the air compressor or is branched off from a ram air duct. Instead of the compressed air, it is also compressed from special containers Blown nitrogen, hydrogen or hydrazine into the nozzle through the openings. The disadvantage of these known deflection devices, however, is their long response times and in the relatively low distraction forces.

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.It has also been suggested to use a Deflect the shock wave by deflecting bodies which can be pushed into the thrust jet is generated in gas decomposing material.

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.The object of the invention is to provide a deflection device of the initially mentioned to create the type mentioned, by which the response time of the entire system is reduced and at the same time increases the effectiveness of the control device to a considerable extent will.

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.According to the invention, the object is described in the introduction Deflection device solved in that for feeding the openings designed as nozzles Combustion chambers are arranged, which have short connectors directly with the associated nozzles are connected, and that over the combustion chambers storage container are arranged, of which fuel is optionally supplied to the individual combustion chambers will. By using combustion chambers with associated nozzles, the kinetic Energy of the deflecting beam is considerably higher than in the known deflecting devices. Since the combustion chambers are connected to the nozzles via pipes that are as short as possible, the device according to the invention directs the deflection of the thrust jet after the ignition of the fuel fed into the combustion chamber.

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.Monergols (fuels that generate their energy without release further additives) or preferably diergole (fuels; those for burning must be mixed with another substance). In more advantageous Design is the delivery rate "of the fluid and the aspect ratio between the outlet cross-section and the neck of the nozzle so that the out The deflection jet flowing out of the nozzles reaches supersonic speed. To one To achieve good efficiency, each nozzle can still consist of several sub-nozzles be composed. In a further advantageous embodiment, they are a segment of a circle forming combustion chambers inside through radially extending partition walls into several fireplace inserts divided to prevent the development of transverse vibrations in the combustion chambers. The liquid fuel was sprayed against the walls of the fireplace insert in order to achieve a cooling of these walls as a side effect. The response time the entire deflector can be shortened further that the fuel supply. via electrically controlled injection valves, which are as close as possible to each combustion chamber are attached, is controlled.

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.Further details and advantages of the invention emerge from the following description by way of example, in which two exemplary embodiments according to the invention are explained with reference to the figures. It shows F i g. 1 shows a view of a partially sectioned thrust nozzle with a deflection device according to the invention, FIG. 2 a view or a section along the line II-II of FIG. 1, Fig. 3 shows a perspective, schematic view of a modified embodiment of the deflection device, FIGS. 4A and 4B, sections through the nozzles of the deflection device along the planes AA and BB in FIG. 3.

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.The nozzle 1 provided with a liner 1 contains near her Exit cross-section 1 b several, for example four nozzles 2 for the deflection of the jet of the thrust nozzle 1. Each nozzle 2 is formed in a molded part 3, the is preferably used in the jacket of the thrust nozzle 1 and each only over extends part of the circumference of the exhaust nozzle. The exit cross-section of the nozzles 2 is designed for supersonic flow and consists of the inflow side to the outflow side out of a limited by a nozzle neck 3 a, converging part and one diverging - into the nozzle 1 opening part 3 b, the flow of which is advantageous is directed against the flow of the nozzle.

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.The thrust nozzle 1 has several coaxial combustion chambers 5 with the respectively associated molded part 3 via a very short converging connector 4 are connected and, like the molded parts 3, only over part of the circumference the thrust nozzle.

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.The combustion chambers 5 are lined on the inside with a fire-resistant coating (clay or zirconia applied by spraying) or with a protective varnish of sufficient thickness and divided into several fireplace inserts 5c. For this purpose, the combustion chambers 5 contain a plurality of partition walls 5 a, which can be fastened to the chamber wall and, together with the outer ribs 5 b, stiffen the combustion chamber 5. The partition walls 5 a, which are advantageously interspersed with openings 6, are mainly intended, however, to avoid the development of transverse vibrations which can occur in the interior of a combustion chamber 5 in the event of unstable combustion.

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.When using a 2-component fuel, the combustion chambers 5 are preferably supplied with fuel via two inclined injection planes 7. One level 7 a has at least one injection opening per fireplace insert 5 c and is advantageously enclosed by the second injection level 7 b. This has several injection openings with preferably diverging axes, so that if there is an excess of fuel, the inner walls of the combustion chamber and possibly also the partition walls 5a are cooled. The partition walls 5 a can be independent of the outer wall of the combustion chamber and consist of a metal whose melting point is very high, such as molybdenum.

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.To the combustion chamber 5, d. H. to each group of fireplace inserts 5 c two electrically controlled injectors connected as close as possible. she control the fuel supply as a function of a central one, not shown Control system, if necessary with the interposition of an advantageously pneumatic one Power level.

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.The deflection device according to the invention also contains, in a manner known per se, containers 9 a, 9 b for each reactant, which are preferably arranged in a circular ring and coaxially to the thrust nozzle they surround, as well as storage 10 for nitrogen under pressure, which is used to supply the auxiliary energy.

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.The fuels used can be ordinary diergols with little Ignition delay (e.g. UDMH and N204). This is done with a fuel coating only reached a moderate temperature. One can also use a monergol, the one other Ergol is added, which makes the mixture ignitable and one sufficient ensures short ignition delay. The monergol can be hydrazine, with the reaction in this case with the help of a small addition of oxidizing agent, for example N204 or HNO3, is ensured. This pair of components allows a temperature of the order of 1500 ° C and a specific impulse of the same order of magnitude to achieve like it is common hypergols, the firing temperature of which is close to 3000 ° C lies, apply. One can also call the decomposition of a monergol in one Consider catalyst bed. -The operation of such a device is as follows: One of them! Central control system, not shown, given command (electrical Signal) opens the corresponding one for at least a certain period of time Nozzle 2 associated electrical injection valves B. Is the one considered Combustion chamber 5 connected to the nozzle is charged with fuel, so the reaction ignites with a delay that is practically reduced to a few milliseconds at most is, the delivery rate of the reactant is so large that the pressure stabilized in the combustion chamber at a value at which the directly downstream side located nozzle is precisely designed. The attachment of the various components in Close proximity to the exhaust nozzle makes it possible to reduce the overall response time of the deflector decrease to a very small value.

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.As the result of the deflection of the thrust jet emerging from the thrust nozzle achieved transverse thrust is greater than the intrinsic thrust of the combustion chamber nozzle unit, the combustion chambers can be smaller than known auxiliary nozzles, which are directly transverse radiate into the atmosphere and are designed for the same lateral thrust. The required Fuel weight is also reduced as well as the ignition delay of the combustion chambers, which depends on their dimensions and, to a considerable extent, the overall response time influenced.

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.The F i g. 3, 4 A and 4 B show a modified embodiment in which the fireplace inserts 5 d are separated from one another and open into a connecting part 4 b with a substantially converging cross section and an annular cut-out configuration. This design of the fireplace inserts in the form of pots is advantageous because it allows the fireplace insert walls to be produced using the so-called roving technique, that is, by winding yarns based on glass fibers that are later immersed in a plastic layer, creating the cells mentioned can be manufactured very easily and simply. The b associated with each internal cell 5 oblique injection planes 7c, d 7 are advantageously formed circular in this case and not be more coaxial with the exhaust nozzle. These inclined injection planes are shown in FIG. 3 to see; their cover supports the fuel supply lines. According to this embodiment, each nozzle 2 is formed by several partial nozzles 2c, which have a converging-diverging cross-section, both in a radial section according to the plane AA and in a section along a cylindrical surface according to BB (FIG. 4 A and 4 B). It is thus possible to achieve an increased ratio between the outlet cross-section 2b and the neck cross-section 2a of each partial nozzle 2c without the wall of the thrust nozzle 1 being too weakened or the wall of the partial nozzle wearing out too quickly in the area of the nozzle neck. The partial nozzles 2c can be designed in the shape of a pot and incorporated into a block-shaped molded part 3 which is attached to the wall of the thrust nozzle 1. They can also be arranged in a local bead of the lining 1 a, which consists, for example, of an elastic, layered material, and be provided with a graphite lining 11.

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.However, the invention also includes the combination of, for example circular nozzles with the combustion chambers divided into several fireplace inserts, through which an even feeding of the nozzles is ensured. When the injection only takes place in the normal sound wave range in the thrust nozzle, partial nozzles can also be used with a longitudinally converging cross-section can be used.

Claims

Claims: 1. Deflector for one of a thrust nozzle outflowing beam, in particular to control a rocket, by means of several at intervals on the circumference of a cross section of the exhaust nozzle near its outlet cross section arranged and opening into the exhaust nozzle openings through which a fluid optionally fed through one or more of these openings transversely to the thrust jet can be, characterized in that designed as nozzles (2) for feeding Openings combustion chambers (5) are arranged, which via short connecting pieces (4) directly are connected to the associated nozzles (2), and that over the combustion chambers storage container are arranged, of which fuel is optionally supplied to the individual combustion chambers will.

2. Deflector according to claim 1, characterized in that the delivery rate of the fluid and the aspect ratio between the outlet cross-section and the neck of the nozzles (2) are dimensioned so that the outflow from the nozzles Deflection beam reaches a supersonic speed.

3. Deflector after one of the preceding claims, characterized in that a nozzle (2) from several partial nozzles (2c) is composed, whose inlet (2 d) and outlet cross-sections are arranged side by side and each have a separate nozzle neck (2a).

4. Deflection device according to one of the preceding claims, characterized in that a combustion chamber (5) connected to a nozzle (2) is delimited by walls (5b) provided with ribs and has the shape of an annular cutout.

5. Deflector according to claim 1, characterized in that each combustion chamber (5) forming an annular section is divided internally by radial partition walls (5 a) into a plurality of fireplace inserts ( 5 e).

6. deflection device according to claim 5, characterized in that a liquid bi-fuel is used, the components of which are fed through two separate inclined injection planes of each fireplace insert (5 c), the one component to the center of each fireplace insert (5 c) aligned injection openings (7 a ) and the other component has injection openings (7 b) aligned with the circumference of each cell in order to achieve cooling of the walls (5 b) as a side effect.

7. Deflection device according to claim 1 or 3, characterized in that a nozzle (2) is connected to a plurality of separate fireplace inserts (5d) through an annular section-shaped connecting part (4 b) with a converging cross section. B. Deflector according to one of the preceding claims, characterized in that electrically controlled injection valves (8) are the only moving parts of the control device and are mounted as close as possible to each combustion chamber. 9. deflection device according to claim 3, characterized in that the nozzle (2) forming part nozzles (2 c) are provided with a graphite lining (11). Documents considered: German Patent No. 1031139; U.S. Patent No. 2,943,821. Prior Patents Considered: German Patent No. 1180,251.