DE3328117C2

DE3328117C2 -

Info

Publication number: DE3328117C2
Application number: DE19833328117
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr. 8028 Taufkirchen De Schmidt
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-08-04
Filing date: 1983-08-04
Publication date: 1987-06-19
Also published as: FR2550277A1; JPS6053650A; FR2550277B1; JPH0370108B2; DE3328117A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrei ben eines mit flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff laufen den Nebenstrom-Raketentriebwerkes, das sowohl als boden nahes Triebwerk als auch als Höhentriebwerk arbeitet, mit einer Hauptbrennkammer mit angesetzter Schubdüse und mit einer Vorbrennkammer, in der sauerstoffreiche Gase erzeugt werden, die in die nachfolgende Hauptbrennkammer einströ men, die während des bodennahen Betriebes mit Sauerstoff überschuß und während des Betriebes in großen Höhen mit geringem Wasserstoffüberschuß betrieben wird.

Nach der Bewegungslehre für Rückstoßtriebwerke zum Antrieb von Trägerfahrzeugen zur Beförderung von Nutzlasten in den Weltraum besteht, um sowohl im bodennahen Flugbetrieb als auch in großen Höhen bzw. im luftleeren Raum optimale Ver hältnisse zu erhalten, die Forderung, für den bodennahen Betrieb Treibstoffpaarungen hoher Dichte, wie z. B. Sauer stoff und Kerosen, zu verwenden und für den Betrieb in großen Höhen Treibstoffpaarungen geringer Dichte, jedoch hoher spezifischer Leistung einzusetzen. Der Grund für diese Treibstoffauswahl liegt darin, daß für den Start und den Aufstieg große Massendurchsätze bei relativ kleinen Tankvolumen für die Treibstoffe notwendig und günstig sind, während für den Betrieb im luftleeren Raum durch den nicht vorhandenen Luftwiderstand das Tankvolumen praktisch keine Rolle spielt und man hier den Vorteil des hohen spezifischen Impulses, den der Wasserstoff mit sich bringt, ohne Nachteil ausnutzen kann.

Um ein Raketentriebwerk sowohl als bodennahes Triebwerk als auch als Höhentriebwerk verwenden zu können, ist es, wie z. B. das AIAA/SAE 14 TH-Paper "Joint Propulsion Conference" vom 25. bis 27. Juli 1978, insbesondere Seite 3 zeigt, bekannt, ein solches Triebwerk in beiden Betriebsphasen mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff zu betreiben. Dieses Raketentriebwerk, das eine Haupt brennkammer mit angesetzter Schubdüse und drei Vorbrenn kammern aufweist, von denen zwei Vorbrennkammern sauer stoffreiche Treibgase und eine Vorbrennkammer wasserstoff reiche Treibgase erzeugen, arbeitet im bodennahen Bereich durch Einförderung der Treibgase aller drei Vorbrenn kammern in die Hauptbrennkammer mit Sauerstoffüberschuß, wobei zwar der spezifische Impuls geringer ist, dafür aber die Treibstoffdichte höher ist, wodurch sich das Konstruk tionsvolumen des Trägerfahrzeuges insgesamt verkleinert. In großen Höhen bzw. im luftleeren Raum arbeitet dieses Raketentriebwerk durch Abschalten einer sauerstoffreich betriebenen Vorbrennkammer in geringen Grenzen wasserstoff reich, d. h. impulsoptimal.

Das vorbeschriebene, bekannte Raketentriebwerk für beide Betriebsphasen ist baulich qualitativ und quantitativ auf wendig, dadurch wirtschaftlich teuer und bringt ein rela tiv hohes Startgewicht mit sich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Nebenstromraketentrieb werk der eingangs genannten Art zu schaffen, das konzeptio nell einfacher und damit wirtschaftlich billiger sowie ge wichtsmäßig leichter ist als die bekannten vergleichbaren Triebwerksanlagen, dabei aber deren Nachteile vermeidet, ihre, bereits weiter vorne beschriebenen Vorteile jedoch beibehält.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Nebenstrom-Raketen triebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch ein Betriebsver fahren, das sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, daß der Hauptbrennkammer während des bodennahes Betriebes und während des Betriebes in großen Höhen jeweils die gleichen Mengen an flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff direkt zugeführt werden, und zwar im Massenverhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff wie etwa 6 : 1 und daß nur während des bodennahen Betriebes die Hauptbrennkammer zusätzlich mit in der Vorbrennkammer erzeugten sauerstoffreichen Gasen in einem Massenverhältnis von Sauerstoff zu Wasser stoff wie etwa 20 : 1 beschickt wird, so daß während des bodennahen Betriebes die Hauptbrennkammer in einem Massen verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff wie etwa 13 : 1 arbeitet und daß für den Betrieb in großen Höhen die Vorbrenn kammer abgeschaltet wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einem Nebenstrom-Raketentriebwerk mit einer Sauerstoffpumpe, die den Sauerstoff aus einem Vorratsbehälter über eine Druckleitung direkt zum Einspritzkopf der Haupt brennkammer fördert und mit einer Wasserstoffpumpe, die den Wasserstoff aus einem Vorratsbehälter über eine Druckleitung zur Schubdüse und innerhalb deren Wand und der Wand der Hauptbrennkammer zu deren Einspritzkopf fördert, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß von der zum Einspritzkopf der Hauptbrennkammer verlaufenden Sauerstoffdruckleitung eine zur Vorbrennkammer führende Sauerstoffnebenleitung und von der zur Schubdüsenwand verlaufenden Wasserstoffdruckleitung eine ebenfalls zur Vorbrennkammer führende Wasserstoff nebenleitung abzweigt und daß in diesen beiden Nebenleitun gen jeweils ein Absperrventil vorgesehen ist, wobei die beiden Absperrventile während des bodennahes Betriebes offen und während des Be triebes in großen Höhen geschlossen sind.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch die zu dessen Durchführung verwendeten Einrichtungen wird ein herkömmliches Nebenstrom-Raketentriebwerk befähigt, sowohl als bodennahes Triebwerk als auch als Höhentrieb werk zu arbeiten. Dabei bleiben für das ursprüngliche Triebwerk bzw. das Basistriebwerk die Betriebsverhält nisse während der Bodenphase und der Höhenphase im Hin blick auf die Kühlverhältnisse und die Einspritzverhält nisse gleich, denn es werden der Hauptbrennkammer wäh rend der beiden vorgenannten Betriebsphasen jeweils die gleichen Mengen an flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff zugeführt, und zwar in einem Massenverhältnis von Sauer stoff zu Wasserstoff wie etwa 6 : 1, so daß das Kühlsystem und das Einspritzsystem für die Hauptbrennkammer über beide Betriebsbereiche optimal ausgelegt werden können. Außerdem garantiert das extrem hohe Kühlvermögen des Wasserstoffes auch eine ausreichende Kühlleistung für die Schubdüsen- und Brennkammerwand während des bodennahen Betriebes, wo in der Hauptbrennkammer die Maximalleistung erzeugt wird und eine erhöhte Wärmeabgabe an die Schub düsen- und Brennkammerwand stattfindet, obwohl nur die Hälfte des insgesamt in der Hauptbrennkammer verarbeite ten Wasserstoffes für die Kühlung zur Verfügung steht.

Um zu erreichen, daß während der bodennahen Betriebs phase und während der Betriebsphase in großen Höhen der Einspritzkopf unter gleichen konstruktiven Einspritzver hältnissen arbeiten kann, weist in Ausgestaltung der Er findung der Einspritzkopf zum Einbringen der während des bodennahes Betriebes in der Vorbrennkammer erzeugten Gase in die Hauptbrennkammer eine besondere Einblaseinrichtung auf. Diese ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung im Einspritzkopf zentral angeordnet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Nebenstrom-Raketentriebwerk während des bodennahen Betriebes,

Fig. 2 einen Einspritzkopf in vergrößertem Maßstab, eben falls während des bodennahen Betriebes,

Fig. 3 das Nebenstrom-Raketentriebwerk während des Betriebes in großen Höhen und die

Fig. 4 den Einspritzkopf in vergrößertem Maßstab, eben falls während des Betriebes in großen Höhen.

Das dargestellte Nebenstrom-Raketentriebwerk besteht im wesentlichen aus einer Hauptbrennkammer 1 mit vorne befind lichem Einspritzkopf 2 und hinten angesetzter Schubdüse 3, einer Vorbrennkammer 4, einer Sauerstoffpumpe 5, einer Wasserstoffpumpe 6, einer Pumpenantriebsturbine 7, einem Sauerstoffvorratsbehälter 8, einem Wasserstoffvorratsbe hälter 9, einer Nebenstromschubdüse 10, einer Sauerstoff zulaufleitung 11, einer Wasserstoffzulaufleitung 12, einer Sauerstoffdruckleitung 13, einer Wasserstoffdruckleitung 14, einer von der Vorbrennkammer 4 zum Einspritzkopf 2 führenden Gasleitung 15, einer zur Vorbrennkammer 4 führen den Sauerstoffnebenleitung 16 mit einem Absperrventil 17, einer ebenfalls zur Vorbrennkammer 4 führenden Wasser stoffnebenleitung 18 mit einem Absperrventil 19, einer vom Ende der Schubdüse 3 zur Pumpenantriebsturbine 7 verlau fenden Nebenstromtreibgasleitung 20 und einer zur Neben stromdüse 10 verlaufenden Turbinenabgasleitung 21.

Wie insbesondere die Fig. 2 und 4 zeigen, weist der Einspritzkopf 2 eine zentrale Einblaseinrichtung 22 für die in der Vorbrennkammer 4 erzeugten sauerstoffreichen Gase GV auf, ferner eine Sauerstoffverteilungskammer 23, von der der Sauerstoff OH über viele Einspritzdüsen 24 in die Hauptbrennkammer 1 gelangt, und schließlich eine Wasserstoffverteilungskammer 25, von der der Wasserstoff HH über viele Einspritzbohrungen 26 in die Hauptbrenn kammer 1 eingespritzt wird.

Das erfindungsgemäße Nebenstrom-Raketentriebwerk funktio niert wie folgt:

Beim Start und während des bodennahen Betriebes ist, wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, auch die Vor brennkammer 4 in Betrieb, d. h. die beiden Absperrventile 17 und 19 sind geöffnet, so daß auch über die Nebenlei tungen 16 und 18 jeweils eine Menge Sauerstoff OV und eine Menge Wasserstoff HV in die Vorbrennkammer 4 gelangen können, wo sie miteinander reagieren. Die dort produzier ten sauerstoffreichen Gase GV strömen dann über die Ein blaseinrichtung 22 in die Hauptbrennkammer 1. Dieser wird ferner Sauerstoff OH durch die Druckleitung 13 über die Verteilungskammer 23 und die Einspritzdüsen 24 direkt zugeführt, desgleichen Wasserstoff HH durch die Drucklei tung 14 über die Verteilungskammer 25 und die Einspritz düsen 26.

Die Druckleitung 14 mündet im divergenten Schubdüsenbe reich in einen Ringkanal 27, von dem aus ein Teil des Wasserstoffes HHh nach hinten strömt, dabei den rück wärtigen Schubdüsenwandteil kühlt und in einem hinteren Ringkanal 28 gesammelt wird, an dem die Treibgasleitung 20 angeschlossen ist. Der andere Teil des Wasserstoffes HHv durchströmt den vorderen Bereich der Wand der Schub düse 3 und die Wand der Brennkammer 1 und gelangt dann in die Verteilungskammer 25.

Die Umschaltung des Nebenstrom-Raketentriebwerks in den Höhenbetrieb erfolgt durch Sperren der beiden Leitungen 16 und 18 mittels der Ventile 17 und 19. Diese Betriebs phase demonstrieren die beiden Fig. 3 und 4. Hierbei ist die Vorbrennkammer 4 außer Betrieb.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines mit flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff laufenden Nebenstrom-Raketentriebwerkes, das sowohl als bodennahes Triebwerk als auch als Höhen triebwerk arbeitet, mit einer Hauptbrennkammer mit ange setzter Schubdüse und mit einer Vorbrennkammer, in der sauerstoffreiche Gase erzeugt werden, die in die nach folgende Hauptbrennkammer einströmen, die während des bodennahes Betriebes mit Sauerstoffüberschuß und während des Betriebes in großen Höhen mit geringem Wasserstoff überschuß betrieben wird, dadurch gekenn zeichnet, daß der Hauptbrennkammer (1) während des bodennahen Betriebes und während des Betriebes in großen Höhen jeweils die gleichen Mengen an flüssigem Sauerstoff (OH) und Wasserstoff (HH) direkt zugeführt werden, und zwar im Massenverhältnis von Sauerstoff (OH) zu Wasserstoff (HH) wie etwa 6 : 1 und daß nur während des bodennahen Betriebes die Hauptbrennkammer (1) zusätzlich mit in der Vorbrennkammer (4) erzeugten sauerstoffrei chen Gasen (GV) in einem Massenverhältnis von Sauer stoff (OV) zu Wasserstoff (HV) wie etwa 20 : 1 beschickt wird, so daß während des bodennahes Betriebes die Hauptbrennkammer (1) in einem Massenverhältnis von Sauerstoff (OH plus OV) zu Wasserstoff (HH plus HV) wie etwa 13 : 1 arbeitet und daß für den Betrieb in großen Höhen die Vorbrennkammer (4) abgeschaltet wird.

2. Nebenstrom-Raketentriebwerk zur Durchführung des Ver fahrens nach Anspruch 1, mit einer Sauerstoffpumpe, die den Sauerstoff aus einem Vorratsbehälter über eine Druckleitung direkt zum Einspritzkopf der Hauptbrenn kammer fördert und mit einer Wasserstoffpumpe, die den Wasserstoff aus einem Vorratsbehälter über eine Druck leitung zur Schubdüse und innerhalb deren Wand und der Wand der Hauptbrennkammer zu deren Einspritzkopf fördert, dadurch gekennzeichnet, daß von der zum Einspritzkopf (2) der Hauptbrennkammer (1) verlaufenden Sauerstoffdruckleitung (13) eine zur Vorbrennkammer (4) führende Sauerstoffnebenleitung (16) und von der zur Schubdüsenwand verlaufenden Wasserstoffdruckleitung (14) eine ebenfalls zur Vorbrennkammer (4) führende Wasser stoffnebenleitung (18) abzweigt und daß in diesen beiden Nebenleitungen (16 und 18) jeweils ein Absperrventil (17 bzw. 19) vorgesehen ist, wobei die beiden Absperrventile während des boden nahen Betriebes offen und während des Betriebes in großen Höhen geschlossen sind.

3. Nebenstrom-Raketentriebwerk nach Anspruch 1 und 2, da durch gekennzeichnet, daß der Einspritz kopf (2) zum Einbringen der während des bodennahen Be triebes in der Vorbrennkammer (4) erzeugten Gase (GV) in die Hauptbrennkammer (1) eine besondere Einblaseinrich tung (22) aufweist.

4. Nebenstrom-Raketentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die besondere Ein blaseinrichtung (22) für die in der Vorbrennkammer (4) erzeugten Gase (GV) im Einspritzkopf (2) zentral ange ordnet ist.