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DE4402941B4 - Combined engine with integrated working methods as ejector for turbocharged, cooled or liquefied air, as a ramjet engine and as a supersonic ramjet engine - Google Patents

Combined engine with integrated working methods as ejector for turbocharged, cooled or liquefied air, as a ramjet engine and as a supersonic ramjet engine Download PDF

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DE4402941B4
DE4402941B4 DE19944402941 DE4402941A DE4402941B4 DE 4402941 B4 DE4402941 B4 DE 4402941B4 DE 19944402941 DE19944402941 DE 19944402941 DE 4402941 A DE4402941 A DE 4402941A DE 4402941 B4 DE4402941 B4 DE 4402941B4
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DE
Germany
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air
engine
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ramjet
cooled
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DE19944402941
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Clotilde Pauron
David Tonon
Eric Hermant
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
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Abstract

Kombinierter Motor mit integrierten Arbeitsweisen als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft, als Staustrahltriebwerk und als Überschall-Staustrahltriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor einen Hauptstrom (1) umfaßt, der einen Lufteinlaß (110), welcher einen konvergierenden Teil (111) und einen Hals (112) umfaßt, eine Hauptbrennkammer (120) und eine Ausstoßdüse (130) aufweist, daß der Motor ferner einen Sekundärstrom (2) umfaßt, der einen Einlaß (180) aufweist, welcher stromaufwärts von dem Hals (112) des Lufteinlasses (110) des Hauptstromes (1) gelegen ist und bewegliche Klappen (161) aufweist, die ihrerseits von Luftkühl- oder Luftverflüssigungsleitungen (163) überquert und zur Regulierung der in den Sekundärstrom (2) eintretenden Luftmenge wahlweise in verschiedene Stellungen, einschließlich einer Stellung völligen Verschlusses, verbringbar sind, wobei der Sekundärstrom (2) folgende Elemente umfaßt: einen Tieftemperaturkompressor (210), der die in den Einlaß (180) des Sekundärstromes (2) eingeführte, gekühlte oder verflüssigte Luft aufnimmt, eine Ejektorbrennkammer (220), die mit Brennstoff und mit im Tieftemperaturkompressor (210) komprimierter, gekühlter oder...combined Engine with integrated working methods as ejector for turbocharged, cooled or liquefied Air, as a ramjet engine and as a supersonic ramjet engine, characterized in that the Motor comprises a main current (1), an air inlet (110), which comprises a converging part (111) and a neck (112), a Main combustion chamber (120) and an ejection nozzle (130) that the engine also a secondary current (2) one inlet (180) which is upstream from the neck (112) of the air inlet (110) of the main stream (1) is located and has movable flaps (161), in turn of air cooling or air liquefaction pipes (163) crosses and for regulating the amount of air entering the secondary flow (2) optionally in various positions, including a position of complete closure, can be brought, wherein the secondary flow (2) comprises the following elements: a Cryogenic Compressor (210), which feeds into the inlet (180) of the secondary current (2) introduced, chilled or liquefied Ingesting air, an ejector combustion chamber (220) containing fuel and with in the cryogenic compressor (210) compressed, cooled or ...

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Description

Die Erfindung betrifft einen kombinierten Motor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dieser Motor integriert wenigstens eine Arbeitsweise als Ejektor-Beschleuniger für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft, eine Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Verbrennung bei Unterschallgeschwindigkeit und eine Arbeitsweise als Überschall-Staustrahltriebwerk mit einer Verbrennung bei Überschallgeschwindigkeit. Ein solcher kombinierter Motor läßt sich bei einem sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegenden, aeroben Fahrzeug anwenden und gestattet es mit Hilfe einer einzigen Stufe, ausgehend von einer Höhe Z = O, eine Geschwindigkeit von Mach 15 und anschließend ein Erdumlaufbahn zu erreichen.The The invention relates to a combined engine according to the preamble of patent claim 1. This engine integrates at least one mode of operation Ejector accelerator for turbocharged, refrigerated or liquefied Air, a way of working as a ramjet engine with combustion at subsonic speed and a mode of operation as a supersonic ramjet engine with a combustion at supersonic speed. Such a combined engine can be at a supersonic speed Apply moving, aerobic vehicle and allows it with the help a single step, starting from a height Z = 0, a speed from Mach 15 and then to reach an earth orbit.

In einem Aufsatz von Nobuhiro TANATSUGU, erschienen in SAE Technical Paper Series, April 1990 unter dem Titel "Development Study on Expander Cycle Air Turbo-Ramjet with intake Air Cooler for space Plane" wurde bereits ein Ausführungsbeispiel eines Motors vorgeschlagen, der die erste Stufe eines Fahrzeuges mit zwei kombinierten Stufen bildet. Dieser Artikel beschreibt insbesondere einen Motor in Gestalt einer Staustrahlturbine für gekühlte Luft, wobei in der Verbrennungskammer ein Wärmetauscher vorhanden ist. Ein solcher Motor zeigt nicht die Kombination wenigstens dreier aufeinander folgender, verschiedener Arbeitsweisen, die innerhalb eines Raumfahrzeuges mit einer einzigen Stufe integriert sind.In an essay by Nobuhiro TANATSUGU, published in SAE Technical Paper Series, April 1990 entitled "Development Study on Expander Cycle Air Turbo-Ramjet with intake Air Cooler for space Plane "has already been launched Embodiment of a Motors proposed the first stage of a vehicle with two forms combined stages. This article specifically describes an engine in the form of a chilled air dam, wherein in the combustion chamber a heat exchanger is available. Such an engine does not show the combination of at least three successive, different ways of working within a spacecraft with a single stage are integrated.

Man hat weiterhin bereits vorgeschlagen, in einem aeroben Raumfahrzeug eine Kühlung der eingefangenen Luft sicherzustellen, und zwar im Verlauf der Beschleunigungsphase durch Wärmeaustausch mit flüssigem Wasserstoff.you has already suggested, in an aerobic spacecraft a cooling the trapped air during the course of Acceleration phase by heat exchange with liquid Hydrogen.

Die DE 36 17 757 C1 offenbart ein luftatmungsfähiges Raketenantriebssystem, bei dem in der luftatmenden Antriebsphase der in der Erdatmosphäre enthaltene Sauerstoff als Oxidator und in der außenluftunabhängigen Antriebsphase im Raumfahrzeug mitgeführter Oxidator den Verbrennungsvorgang in der Brennkammer des Raketenantriebes ermöglicht. Der durch Lufteinlaufklappen in das Raketenantriebssystem gelangende Luftstrom durchläuft einen Hauptverdichter und wird anschließend aufgeteilt, wobei der größere Anteil über einen regenerativen Vorkühler direkt in eine Brennkammer gelangt, während der kleinere Anteil einer Hochdruckverdichterstufe zugeleitet und von dort ebenfalls durch den regenerativen Vorkühler in einen Hochdruckgasgenerator gefördert wird, wo ein gasförmiger Brennstoff mit dem eingespeisten Luft-Teilstrom verbrennt. Das vorverbrannte brennstoffreiche Gas treibt eine Hauptturbine an, von der es in die Brennkammer geleitet wird, wo es mit dem größeren, über den regenerativen Vorkühler direkt eingespeisten Luft-Teilstrom verbrennt und in einer zur Brennkammer gehörigen Schubdüse expandiert.The DE 36 17 757 C1 discloses an air-breathing missile propulsion system in which in the air-breathing propulsion phase, the oxygen contained in the atmosphere as an oxidant and in the outside air-independent propulsion phase in the spacecraft entrained oxidizer allows the combustion process in the combustion chamber of the rocket engine. The airflow entering the rocket propulsion system through air inlet doors passes through a main compressor and is subsequently split, with the larger portion passing directly into a combustion chamber via a regenerative precooler, while the smaller portion is fed to a high pressure compressor stage and also from there through the regenerative precooler into a high pressure gas generator where a gaseous fuel burns with the injected partial air stream. The pre-combusted fuel-rich gas drives a main turbine, from which it is passed into the combustion chamber, where it burns with the larger, directly fed via the regenerative pre-cooler air partial flow and expands in a combustion chamber associated with the exhaust nozzle.

Die DE 40 16 897 C1 offenbart ein Verfahren zur Gewinnung von flüssigem Sauerstoff aus aufgestauter und gekühlter Umgebungsluft in Fluggeräten, welche sich mit hoher Geschwindigkeit in der Atmosphäre bewegen. Der gewonnene flüssige Sauerstoff kann in einem Tank gespeichert oder direkt einem Triebwerk zugeführt werden.The DE 40 16 897 C1 discloses a method for recovering liquid oxygen from pent-up and cooled ambient air in aircraft moving at high velocity in the atmosphere. The recovered liquid oxygen can be stored in a tank or fed directly to an engine.

Die DE 39 12 331 A1 offenbart ein integriertes Turbo-Staustrahltriebwerk, das aus einem Gasturbinentriebwerk mit Verdichter, Brennkammer und Turbine und einem parallel dazu angeordneten Staustrahltriebwerk besteht, wobei beide Teiltriebwerke über Klappen alternativ verschließbar sind, so daß die durch den Lufteinlaß einströmende Luft entweder dem Gasturbinentriebwerk, dem Staustrahltriebwerk oder beiden zuführbar ist.The DE 39 12 331 A1 discloses an integrated turbocharged turbojet engine comprised of a gas turbine engine having a compressor, combustor, and turbine and a ramjet engine mounted in parallel therewith, both engines being alternatively closeable via flaps, such that the air entering through the air intake is either the gas turbine engine, the ramjet engine, or both can be fed.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen kombinierten Motor zu verwirklichen, dessen Aufbau optimiert ist und der eine vollständige Integration verschiedener Betriebsweisen einschließt. Dieser kombinierte Motor soll weiterhin einen geringen Platzbedarf und ein geringes Gewicht haben.It The object of the invention is to realize a combined engine, its structure is optimized and the complete integration of various Includes operating modes. This combined engine is still a small footprint and have a low weight.

Die Aufgabe wird durch einen kombinierten Motor gelöst mit integrierten Arbeitsweisen als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft, als Staustrahltriebwerk und als Überschall-Staustrahltriebwerk, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er einen Hauptstrom umfaßt, der einen Lufteinlaß, welcher einen konvergierenden Teil und einen Hals umfaßt, eine Hauptbrennkammer und eine Ausstoßdüse aufweist und ferner einen Sekundärstrom umfaßt, der einen Einlaß aufweist, welcher stromaufwärts von dem Hals des Lufteinlasses des Hauptstromes gelegen ist und bewegliche Klappen aufweist, die ihrerseits von Luftkühl- oder Luftverflüssigungsleitungen überquert werden und zur Regulierung der in den Sekundärstrom eintretenden Luftmenge wahlweise in verschiedene Stellungen, einschließlich einer Stellung völligen Verschlusses, verbringbar sind, wobei der Sekundärstrom folgende Elemente umfaßt: einen Tieftemperaturkompressor, der die in den Einlaß des Sekundärstromes eingeführte, gekühlte oder verflüssigte Luft aufnimmt, eine Ejektorbrennkammer, die mit Brennstoff und mit im Tieftemperaturkompressor komprimier ter, gekühlter oder verflüssigter Luft gespeist wird, und eine dem Antrieb des Tieftemperaturkompressors dienende Turbine, die mit Verbrennungsgasen gespeist ist, welche ihrerseits in der Ejektorbrennkammer erzeugt und nach dem Verlassen der Turbine über einen Satz von Düsen in die Hauptbrennkammer des Hauptstromes ausgestoßen werden, so daß der Motor nacheinander in folgenden Arbeitsweisen betreibbar ist: über den Sekundärstrom als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft, wobei die beweglichen Klappen in Offenstellung sind, über den Hauptstrom als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung, wobei sich die beweglichen Klappen nacheinander zunächst in Offen- und danach in Schließstellung befinden können, und über den Hauptstrom als Überschall-Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung, wobei die beweglichen Klappen geschlossen sind.The object is achieved by a combined engine with integrated operations as an ejector for turbocharged, cooled or liquefied air, as a ramjet engine and as a supersonic ramjet engine, which is characterized in that it comprises a main stream having an air inlet, a converging part and a Neck, having a main combustion chamber and a discharge nozzle, and further comprising a secondary flow having an inlet located upstream of the throat of the main air intake and having movable flaps which in turn are traversed by air cooling or air liquefaction conduits and for regulating the flow in the secondary flow entering air quantity are optionally in different positions, including a position of complete closure, can be brought, the secondary flow comprising the following elements: a cryogenic compressor, which in the inlet of the secondary flow introduced, cooled or liquefied air, an ejector combustion chamber, which is fed with fuel and in the cryogenic compressier ter, cooled or liquefied air, and the drive of the cryogenic compressor serving turbine, which is fed with combustion gases, which in turn generated in the Ejektorbrennkammer and are discharged after leaving the turbine via a set of nozzles in the main combustion chamber of the main stream, so that the motor is successively operable in the following ways: via the secondary flow as an ejector for turbocharged, cooled or liquefied air, wherein the movable flaps are in the open position, via the main flow as a ramjet with subsonic combustion, wherein the movable flaps can be successively first in the open and then in the closed position, and the main flow as a supersonic ramjet engine with supersonic combustion, with the movable flaps closed.

Die Luftkühl- oder Luftverflüssigungsleitungen, welche den beweglichen Klappen zugeordnet sind, werden ausgehend von einem Reservoir mit brennbarem Treibstoff gespeist, wobei der brennbare Treibstoff, welcher die Kühlleitungen verläßt, während der Arbeitsweise als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft der Speisung der Ejektorbrennkammer mit Brennstoff dient.The air cooling or air liquefaction pipes, which are associated with the movable flaps are starting fed by a reservoir with combustible fuel, wherein the flammable fuel leaving the cooling ducts during the Operation as ejector for turbocharged, refrigerated or liquefied Air of the supply of the ejector combustion chamber with fuel is used.

Während der Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung sind Mittel vorgesehen, um die beweglichen Klappen offen zu halten und um in einem Zwischenreservoir gekühlte Luft, die über die beweglichen Klappen in den Einlaß des Sekundärstroms eingeführt wird, zu verflüssigen und zu speichern, wobei der brennbare Treibstoff, der die Kühlleitungen verläßt, zur Speisung der Hauptbrennkammer mit Brennstoff dient.During the Operation as ramjet engine with subsonic combustion Means are provided to keep the movable flaps open and around an intermediate reservoir cooled air, over the movable flaps in the inlet of the secondary flow introduced will liquefy and store, with the combustible fuel, the cooling lines leaves, to Supply of the main combustion chamber with fuel is used.

Vorzugsweise werden während der Arbeitsweise als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft die in der Ejektorbrennkammer gebildeten Verbrennungsgase in den Hauptstrom über Düsen eingeführt, die in zurückziehbaren Zwischenplatten angeordnet sind, die während der Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung wenigstens teilweise zurückgezogen sind.Preferably be while working as an ejector for turbocharged, cooled or liquefied Air the combustion gases formed in the ejector combustion chamber in the main stream over Nozzles introduced in retractable Intermediate plates are arranged during the operation as Ramjet engine with supersonic combustion at least partially withdrawn are.

Ebenso wird während der Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung ein brennbarer Treibstoff in den Hauptstrom über in zurückziehbaren Zwischenplatten angeordnete Düsen eingeführt, die während der Arbeitsphase als Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung wenigstens teilweise zurückgezogen sind.As well is during the operation as a ramjet engine with subsonic combustion a combustible fuel into the main stream via retractable intermediate plates arranged arranged nozzles, the while the working phase as a ramjet engine with supersonic combustion at least partially withdrawn are.

Die beweglichen Klappen sind stufenweise aufgebaut und in Strömungsrichtung vor einem Hals des Lufteinlasses im Hauptstrom angeordnet.The movable flaps are constructed stepwise and in the flow direction arranged in front of a neck of the air inlet in the main stream.

Die Ejektorbrennkammer ist zwischen dem Tieftemperaturkompressor und der Turbine angeordnet.The Ejector combustion chamber is between the cryogenic compressor and arranged the turbine.

Der kombinierte Motor kann einen zusätzlichen Wärmetauscher umfassen, der im Sekundärstrom in Strömungsrichtung hinter den beweglichen Klappen angeordnet ist und Luftkühl- oder Luftverflüssigungsleitungen aufweist, die von einem brennbaren Treibstoff überquert werden.Of the combined engine can be an additional heat exchangers include that in secondary current in the flow direction is arranged behind the movable flaps and air cooling or Air liquefaction lines which are crossed by a combustible fuel.

Vorzugsweise sind die Kühlleitungen des zusätzlichen Wärmetauschers ausgehend von brennbarem Treibstoff gespeist, der aus den Luftkühlleitungen austritt, welche die beweglichen Klappen überqueren.Preferably are the cooling pipes of the additional heat exchanger fueled by combustible fuel coming from the air cooling lines exit, which cross the movable flaps.

Der kombinierte Motor kann außerdem wenigstens einen herkömmlichen Raketenmotor umfassen, der ausgehend von Reservoiren mit flüssigen Treibstoffen gespeist ist und einen sich erweiternden Düsenteil hat, der in den sich erweiternden Teil der Ausstoßdüse des Hauptstromes einmündet.Of the combined engine can also at least one conventional one Rocket motor comprise, starting from reservoirs with liquid fuels fed and has a widening nozzle part, which is in itself expanding part of the discharge nozzle of the main stream opens.

Wahlweise kann der kombinierte Motor ein mit flüssigem Sauerstoff beladenes Reservoir umfassen, um während der Arbeitsweise als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft eine zusätzliche Sauerstoffmenge in die Ejektorbrennkammer, während der Arbeitsweise als Überschall-Staustrahltriebwerk eine zusätzliche Sauerstoffmenge in die Hauptbrennkammer und anderenfalls eine Sauerstoffmenge in den herkömmlichen Motor zu injizieren.Optional For example, the combined engine may be charged with liquid oxygen Reservoir to cover during working as an ejector for turbocharged, refrigerated or liquefied Air an extra Amount of oxygen in the Ejektorbrennkammer, during the operation as a supersonic ramjet engine an additional Amount of oxygen in the main combustion chamber and otherwise an amount of oxygen in the conventional engine to inject.

Ferner können Mittel vorgesehen werden, um während der Arbeitsweise als Überschall-Staustrahltriebwerk brennbaren Treibstoff in die Hauptbrennkammer sowohl axial als auch orthogonal zu injizieren.Further can Means be provided to during the way of working as a supersonic ramjet engine combustible fuel into the main combustion chamber both axially and inject orthogonally.

Beispielsweise kann der kombinierte Motor als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft zwischen den Geschwindigkeiten von Mach 0 und etwa Mach 2, als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung zwischen den Geschwindigkeiten von etwa Mach 2 und Mach 6, als Überschall-Staustrahltriebwerk zwischen den Geschwindigkeiten von etwa Mach 6 und Mach 15 und sonst als Raketenmotor oberhalb einer Geschwindigkeit von Mach 15 arbeiten.For example The combined engine can be used as an ejector for turbocharged, cooled or liquefied Air between the speeds of Mach 0 and about Mach 2, as a ramjet engine with subsonic combustion between the Speeds of about Mach 2 and Mach 6, as a supersonic ramjet engine between the speeds of about Mach 6 and Mach 15 and else as Rocket engine above a speed of Mach 15 work.

Dank der Anwesenheit eines Sekundärstromes mit einem Vorbau und beweglichen Klappen, die während der aeroben Phase aktiv durch den brennbaren Treibstoff gekühlt werden, der anschließend in den Luftinjektoren oder im Hauptstrom verbrannt wird, erhält man gleichzeitig eine Erhöhung der eingefangenen Luftmenge, eine Reduzierung des äußeren Widerstandes und eine Erhöhung der Schubkraft.thanks the presence of a secondary current with a stem and movable flaps that are active during the aerobic phase be cooled by the combustible fuel, which subsequently in the Air injectors or burned in the main stream, you get at the same time an increase the amount of air trapped, a reduction in the external resistance and an increase the thrust.

Aufgrund der erzielten Kopplung zwischen den Organen, welche die Arbeitsweise als Ejektor sicherstellen, und dem Hauptstrom, der für die Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk zur Verfügung steht, sind der Platzbedarf und die Masse der Anordnung geringer als bei vollständig getrennten Einheiten.by virtue of the achieved coupling between the organs, the way of working As an ejector ensure, and the main stream, for the operation as a ramjet available stands, the space requirement and the mass of the arrangement are smaller as at complete separate units.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die lediglich beispielsweise und ohne Beschränkung der Erfindung hierauf angegeben werden, im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are given by way of example and not limitation of the invention thereto, in conjunction with the accompanying drawings. Show it:

1 ein Blockschema mit der Darstellung verschiedener Elemente, die im wesentlichen einen kombinierten Motor gemäß der Erfindung bilden, und 1 a block diagram showing various elements which essentially form a combined engine according to the invention, and

2 eine schematische Ansicht mit der Darstellung eines Einbaubeispieles für die verschiedenen Elemente, die den kombinierten Motor gemäß der Erfindung bilden. 2 a schematic view showing an installation example for the various elements that make up the combined engine according to the invention.

1 zeigt die allgemeine Anordnung der Hauptelemente, welche einen kombinierten Motor gemäß der Erfindung bilden, während 2 die Positionen der verschiedenen Elemente, die den Motor bilden, mit Bezug aufeinander erkennen läßt. 1 shows the general arrangement of the main elements, which form a combined engine according to the invention, during 2 the positions of the various elements that make up the engine can be seen with respect to each other.

Der kombinierte Motor gemäß der Erfindung, der vollständig integriert ist und eine einzige Hauptaustrittsschubdüse umfaßt, ermöglicht es, mit einer einzigen Stufe vom Erdboden aus bis in eine Erdumlaufbahn zu gelangen.Of the Combined engine according to the invention, the Completely integrated and comprises a single main exit thrust nozzle, it is possible to with a single step from the ground to an earth orbit to get.

Die Betriebsweise des kombinierten Motors umfaßt eine erste Beschleunigungsphase, die im Hinblick auf die erreichten Geschwindigkeiten zwischen Mach 0 und etwa Mach 6 liegt und sich selbst wiederum in zwei Arbeitsweisen unterteilt:

  • a) eine Arbeitsweise als Rakete mit gekühlter oder verflüssigter Luft (auch Arbeitsweise als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder flüssige Luft genannt), die parallel mit einer Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung arbeitet, und zwar bei Geschwindigkeiten zwischen Mach 0 und etwa Mach 2,5;
  • b) eine Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit reiner Unterschallverbrennung bei Geschwindigkeiten zwischen etwa Mach 2,5 und Mach 6.
The mode of operation of the combined engine comprises a first acceleration phase which, in terms of the speeds achieved, is between Mach 0 and Mach 6 and in turn subdivides into two modes of operation:
  • a) operating as a rocket with cooled or liquefied air (also referred to as an ejector for turbocharged, cooled or liquid air) operating in parallel with a subsonic combustion ramjet engine operating at speeds between Mach 0 and Mach 2.5 ;
  • b) an operation as a ramjet engine with pure subsonic combustion at speeds between about Mach 2.5 and Mach 6.

An die Beschleunigungsphase schließt sich eine Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung (oder Arbeitsweise als Überschall-Staustrahltriebwerk) an, und zwar für Geschwindigkeiten zwischen etwa Mach 6 und Mach 15.At the acceleration phase closes a way of working as a ramjet engine with supersonic combustion (or operation as a supersonic ramjet engine) on, for Speeds between Mach 6 and Mach 15.

Eine klassische oder herkömmliche Raketenphase mit flüssigen Treibstoffen (beispielsweise flüssigem Sauerstoff und einem brennbaren Treibstoff) kann an die Stelle des Überschall-Staustrahltriebwerks treten, und zwar im Geschwin digkeitsbereich oberhalb Mach 15 bis zur Erdumlaufbahn über einen herkömmlichen Raketenmotor 300, der einem kombinierten Motor 100 zugeordnet ist.A classic or conventional liquid fuel propellant phase (eg, liquid oxygen and a combustible fuel) may take the place of the supersonic ramjet engine, in the speed range above Mach 15 to Earth orbit via a conventional rocket motor 300 , a combined engine 100 assigned.

Bei Betrachtung der 1 und 2 erkennt man, daß der kombinierte Motor im wesentlichen einen Hauptströmungsgang oder Hauptstrom 1, der für die Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Verbrennung bei Unterschallgeschwindigkeit und für die Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Verbrennung bei Überschallgeschwindigkeit verwendet wird. Ferner umfaßt der kombinierte Motor einen Sekundärströmungsgang oder Sekundärstrom 2, der für die Arbeitsweise als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft dient.Looking at the 1 and 2 it can be seen that the combined engine is essentially a main flow or main flow 1 , which is used for the operation as a ramjet with combustion at subsonic speed and for the operation as a ramjet with combustion at supersonic speed. Further, the combined engine includes a secondary flow passage or secondary flow 2 which functions as an ejector for turbocharged, cooled or liquefied air.

Der Hauptstrom 1 umfaßt einen Lufteinlaß 110, eine Hauptbrennkammer 120 und eine Ausstoßdüse 130. Der innere Teil des Lufteinlasses 110 weist einen konvergierenden Teil 111 auf, der in einem Hals 112 endet.The main stream 1 includes an air inlet 110 , a main combustion chamber 120 and an ejection nozzle 130 , The inner part of the air inlet 110 has a converging part 111 on that in a neck 112 ends.

Der Sekundärstrom 2 liegt außerhalb des Hauptstromes 1 und weist einen Vorbau 181 auf, der zusammen mit der Außenwand des Lufteinlasses 110 einen Lufteinlaß 160 in den Sekundärstrom 2 bestimmt. Ein Teil der Luft, welche im Hauptstrom 1 über den konvergierenden Teil 111 des Lufteinlasses 110 aufgenommen wird, wird über Öffnungen 113 in den Sekundärstrom 2 eingeführt. Die Öffnungen 113 sind im konvergierenden Teil 11 des Lufteinlasses 110 ausgespart und können ganz oder teilweise durch einen Satz 160 beweglicher Klappen 161 abgedichtet werden, die ihrerseits um senkrecht zur Längsachse X'X der Hauptstromes 1 gerichtete Achsen 162 schwenkbar sind. Die Klappen 161 werden über ein auf der Zeichnung nicht dargestelltes Gestänge gesteu ert. Luftkühl- oder Luftverflüssigungsleitungen 163, die eine Gesamtheit von Rohren umfassen, sind den Klappen 161 zugeordnet, um gleichzeitig die Klappen 161 und die Luft des Hauptstromes zu kühlen, die über die Öffnungen 113 eingefangen wird, um so den Sekundärstrom 2 zu speisen. Die Kühlleitungen 163 werden vorteilhafterweise ausgehend von einem Reservoir 140 über eine Leitung 141 mit einem brennbaren Treibmittel versorgt.The secondary current 2 is outside the main stream 1 and has a stem 181 on that together with the outer wall of the air inlet 110 an air intake 160 in the secondary stream 2 certainly. Part of the air, which is in the main stream 1 over the converging part 111 the air intake 110 is taken over openings 113 in the secondary stream 2 introduced. The openings 113 are in the converging part 11 the air intake 110 left out and can be wholly or partly by a sentence 160 movable flaps 161 which in turn are perpendicular to the longitudinal axis X'X of the main stream 1 directed axes 162 are pivotable. The flaps 161 are gesteu ert on a not shown on the drawing linkage. Air cooling or air liquefaction 163 comprising a set of tubes are the flaps 161 assigned to simultaneously the flaps 161 and to cool the air of the main stream passing through the openings 113 is caught, so the secondary current 2 to dine. The cooling pipes 163 are advantageously starting from a reservoir 140 over a line 141 supplied with a combustible propellant.

Das brennbare Treibmittel, welches aus den Kühlleitungen 163 der Anordnung 160 der beweglichen Klappen 161 stammt, kann über eine Leitung 145 in einen zusätzlichen Wärmetauscher 170 eingebracht werden, der im Sekundärstrom 2 in Strömungsrichtung hinter den beweglichen Klappen 161 angeordnet ist, die ihrerseits im Einlaß 180 des Sekundärstromes 2 untergebracht sind, um so die Luft, die in den Sekundärstrom eingeführt wird, stärker zu kühlen oder sie zu verflüssigen, bevor sie in einen Tieftemperaturkompressor 210 gelangt, der seinerseits durch eine Turbine 230 angetrieben wird. Diese Turbine 230 wird mit Verbrennungsgasen gespeist, die in einer Ejektorbrennkammer 220 erzeugt werden, die ihrerseits zwischen dem Kompressor 210 und der Turbine 230 liegt.The flammable propellant, which comes from the cooling lines 163 the arrangement 160 the movable flaps 161 comes from a single line 145 in an additional heat exchanger 170 be introduced, in the secondary stream 2 in the flow direction behind the movable flaps 161 is arranged, in turn, in the inlet 180 of the secondary current 2 so as to more strongly cool or liquefy the air introduced into the secondary stream before entering a cryogenic compressor 210 which in turn passes through a turbine 230 is driven. This turbine 230 is fed with combustion gases in an ejector combustion chamber 220 generated, in turn, between the compressor 210 and the turbine 230 lies.

Die durch den Tieftemperaturkompressor 210 turbokomprimierte Luft wird auf diese Weise auf sehr tiefe Temperatur abgekühlt oder durch die Wärmetauscher 160, 170 verflüssigt, bevor sie den Tieftemperaturkompressor 210 durchläuft.The through the cryogenic compressor 210 turbocharged air is released this way cooled very low temperature or through the heat exchanger 160 . 170 liquefied before using the cryogenic compressor 210 passes.

Die eingefangene Luft kann außerdem durch die Passage eines Abscheiders 190 angereichert werden, der es gestattet, aus der Luft Stickstoffmoleküle abzuziehen, so daß sich Luft mit einem größeren Sauerstoffanteil ergibt. Der Separator 190 kann beispielsweise zwischen den Wärmetauschern 160 und 170 angeordnet werden.The trapped air can also pass through the passage of a separator 190 enriched, which allows to withdraw nitrogen molecules from the air, so that air with a larger proportion of oxygen results. The separator 190 For example, between the heat exchangers 160 and 170 to be ordered.

Die Ejektorbrennkammer 220 wird mit brennbarem Treibmittel über eine Leitung 149 gespeist, die von den Kühlleitungen 163 ausgeht, sowie mit Luft, die durch den Tieftemperaturkompressor 210 gekühlt oder verflüssigt ist. Falls ein zusätzlicher Wärmetauscher 170 Anwendung findet, kann das aus diesem Wärmetauscher stammende brennbare Treibmittel auch dazu dienen, die Ejektorbrennkammer 220 über die Leitungen 146 und 147 zu speisen.The ejector combustion chamber 220 is supplied with combustible propellant via a pipe 149 fed by the cooling lines 163 goes out, as well as with air passing through the cryogenic compressor 210 cooled or liquefied. If an additional heat exchanger 170 Applicable, can originate from this heat exchanger combustible propellant also serve the ejector combustion chamber 220 over the wires 146 and 147 to dine.

Bei Bedarf kann auch flüssiger Sauerstoff aus einem Reservoir 152 über eine Rohrleitung 155 in die Ejektorbrennkammer 220 eingeleitet werden.If necessary, even liquid oxygen from a reservoir 152 over a pipeline 155 into the ejector combustion chamber 220 be initiated.

Die aus der Turbine 230 austretenden Gase gelangen über eine Leitung 231 in eine Pufferkammer 243 und werden über einen Satz 240 von Düsen 242 in die Hauptbrennkammer des Hauptstromes 1 ausgestoßen.The from the turbine 230 escaping gases pass through a pipe 231 in a buffer chamber 243 and are about a sentence 240 of nozzles 242 into the main combustion chamber of the main stream 1 pushed out.

Die Pufferkammer 243 kann außerdem mit brennbarem Treibmittel gespeist werden, und zwar entweder direkt ausgehend vom Reservoir 140 über die Rohrleitung 142 oder über die Rohrleitung 148 ausgehend von den Kühlleitungen 163 und dem zusätzlichen Wärmetauscher 170.The buffer chamber 243 can also be fed with combustible propellant, either directly from the reservoir 140 over the pipeline 142 or over the pipeline 148 starting from the cooling lines 163 and the additional heat exchanger 170 ,

Die Gase oder das brennbare Treibmittel, die in die Pufferkammer 243 eingeleitet werden, werden in die Hauptbrennkammer 120 des Hauptstromes ausgestoßen, der seinerseits über den Lufteinlaß mit Luft versorgt wird. Der Ausstoß erfolgt über den Satz 240 der Düsen 242. Der Düsen satz ist vorzugsweise auf zurückziehbaren Zwischenplatten 241 montiert, die es ermöglichen, daß die Düsen 242 entweder vollständig oder nur teilweise in den Hauptstrom 1 austreten oder vollständig in den Raum zurückgezogen sind, der von der Pufferkammer 243 gebildet wird.The gases or the flammable propellant that enters the buffer chamber 243 be discharged into the main combustion chamber 120 ejected from the main stream, which in turn is supplied via the air inlet with air. The ejection takes place via the sentence 240 the nozzles 242 , The nozzle set is preferably on retractable intermediate plates 241 mounted, which allow the nozzles 242 either completely or only partially into the main stream 1 exit or are completely withdrawn into the space from the buffer chamber 243 is formed.

Eine kleine unabhängige Düse 250, die über die Rohrleitung 143 mit brennbarem Treibmittel gespeist wird, gestattet die axiale Injektion von brennbarem Treibmittel in Höhe der Hauptbrennkammer 120 am Anfang des divergierenden Teils der Düse 130, und zwar unabhängig von oder in Kombination mit dem Satz 240 der einziehbaren Düsen 242, je nach der gerade vorliegenden Arbeitsphase des Motors.A small independent nozzle 250 passing through the pipeline 143 is fed with combustible propellant, allows the axial injection of combustible propellant at the level of the main combustion chamber 120 at the beginning of the diverging part of the nozzle 130 regardless of or in combination with the sentence 240 the retractable nozzles 242 , depending on the current working phase of the engine.

Es ist natürlich möglich, mehrere Ejektoren vorzusehen, die über mehrere Sekundärströme 2 gespeist werden, wobei die letzteren über und mit einem oder mehreren Hauptströmen ausgerichtet sind. In diesem Falle können die verschiedenen Ejektoren, welche insbesondere einen Turbokompressor 210, 230 und eine Ejektorbrennkammer 220 umfassen, identische Aufbauten und Funktionsweisen derart haben, daß es ausreicht, im folgenden lediglich auf einen einzigen Ejektor Bezug zu nehmen.It is of course possible to provide several ejectors, which have several secondary currents 2 be fed, the latter being aligned above and with one or more main currents. In this case, the various ejectors, which in particular a turbocompressor 210 . 230 and an ejector combustion chamber 220 have identical structures and functions such that it suffices to refer in the following only to a single ejector.

Ein herkömmlicher Raketenmotor 300 kann wahlweise dem kombinierten Motor gemäß der Erfindung zugefügt werden. Der Raketenmotor 300 umfaßt eine Brennkammer 310 und eine Düse mit einem Schallgeschwindigkeitshals 320 sowie einen divergierenden Abschnitt 330, der in einen rückwärtigen Körper des Fahrzeuges integriert ist und in den divergierenden Teil der Hauptdüse 130 ausmündet. Der Raketenmotor 300 wird ausgehend vom Reservoir 140 über die Rohrleitung 144 mit brennbarem Treibmittel gespeist, sowie ausgehend von der Gruppe der Reservoire 150 mit flüssigem Stickstoff. Die Gruppe der Reservoire 150 kann ein Reservoir 151 umfassen, welches der Aufnahme der flüssigen Luft dient, die in dem Sekundärstrom 2 nach Passieren des Wärmetauschers 160 gebildet wird, der seinerseits die gekühlten Klappen 161 und den zusätzlichen Wärmetauscher 170 umfaßt, sowie ein Reservoir 152, welches flüssigen Sauerstoff enthält, der beim Start eingelagert wird. Der flüssige Sauerstoff wird in den Injektor der Brennkammer 310 des Raketenmotors 300 eingebracht, und zwar ausgehend von den Reservoiren 151 und 152 über Rohrleitungen 153 und 154.A conventional rocket engine 300 can optionally be added to the combined engine according to the invention. The rocket engine 300 includes a combustion chamber 310 and a nozzle with a sonic neck 320 and a diverging section 330 which is integrated in a rear body of the vehicle and in the diverging part of the main nozzle 130 opens. The rocket engine 300 is starting from the reservoir 140 over the pipeline 144 fed with combustible propellant, as well as from the group of reservoirs 150 with liquid nitrogen. The group of reservoirs 150 can be a reservoir 151 which serves to receive the liquid air that is in the secondary stream 2 after passing the heat exchanger 160 which in turn forms the cooled flaps 161 and the additional heat exchanger 170 includes, as well as a reservoir 152 , which contains liquid oxygen, which is stored at the start. The liquid oxygen gets into the injector of the combustion chamber 310 of the rocket engine 300 introduced, starting from the reservoirs 151 and 152 over pipelines 153 and 154 ,

Das brennbare Treibmittel kann beispielsweise flüssiger Wasserstoff oder ein Wasserstoffschlamm sein, der auch als Wasserstoff-"slush" bezeichnet wird.The Flammable propellant may for example be liquid hydrogen or a Hydrogen sludge, which is also referred to as hydrogen "slush".

Nachstehend wird die Arbeitsweise des kombinierten Motors gemäß der Erfindung in seinen verschiedenen Arbeitsphasen beschrieben.below will the operation of the combined engine according to the invention described in his various work phases.

Bei der Arbeitsweise als Beschleuniger sind während einer ersten Phase die beweglichen Klappen 161 des Sekundärstroms 2 in Offenstellung (Mach 0 bis etwa Mach 2,5). Ein Teil der im Lufteinlaß 110 eingefangenen Luft gelangt somit in den Sekundärstrom 2.When working as an accelerator during a first phase, the movable flaps 161 of the secondary current 2 in open position (Mach 0 to about Mach 2.5). Part of the air intake 110 trapped air thus enters the secondary stream 2 ,

Die Hauptwärmetauscher 163, die in den beweglichen Klappen 161 angeordnet sind, kühlen diese Luftmenge ab. Falls erforderlich, wird ein zusätzlicher Wärmetauscher 170 in den Sekundärstrom 2 integriert, um die Temperatur der eingefangenen Luft auf das erforderliche Niveau abzusenken oder eine Luftverflüssigung zu bewirken.The main heat exchanger 163 that in the movable flaps 161 are arranged cool this amount of air. If necessary, an additional heat exchanger 170 in the secondary stream 2 integrated to lower the temperature of the trapped air to the required level or one Air liquefaction effect.

Die auf diese Weise gekühlte oder verflüssigte Luft wird anschließend im Tieftemperaturkompressor 210 komprimiert und in die Brennkammer 220 des Ejektors injiziert, wo sie zusammen mit brennbarem Treibstoff verbrannt wird, der dazu gedient hat, sie in den Wärmetauschern 160, 170 zu kühlen oder zu verflüssigen.The cooled or liquefied air in this way is then in the cryogenic compressor 210 compressed and into the combustion chamber 220 of the ejector, where it is combusted together with combustible fuel that has served it in the heat exchangers 160 . 170 to cool or liquefy.

Wie bereits weiter oben angegeben, kann eine Sauerstoffmenge auch in die Kammer 220 über die Rohrleitung 155 injiziert und zusammen mit Luft und brennbarem Treibmittel verbrannt werden, um ein eventuelles Schubdelta zu gewinnen.As already stated above, an amount of oxygen can also enter the chamber 220 over the pipeline 155 be injected and burned together with air and combustible propellant to recover a possible thrust delta.

Die Verbrennungsgase werden anschließend in der Turbine 230 teilweise entspannt, die den Tieftemperaturkompressor 210 in einem Expansionstypzyklus antreibt. Anschließend werden diese Gase in den Hauptstrom 1 ausgestoßen (Staustrahltriebwerkstrom), und zwar durch die Düsen 242, die in den zurückziehbaren Zwischenplatten 241 angeordnet sind.The combustion gases are then in the turbine 230 partially relaxed, which is the cryogenic compressor 210 in an expansion-type cycle. Subsequently, these gases are in the main stream 1 ejected (ramjet stream), through the nozzles 242 in the retractable intermediate plates 241 are arranged.

Die durch den Hauptstrom 1 eingefangene Luftmenge wird in der Hauptbrennkammer 120 des Staustrahltriebwerks zusammen mit den Gasen verbrannt, die von dem Ejektor des Sekundärstroms 2 herkommen, und im übrigen mit einem Anteil an brennbarem Treibmittel.The through the main stream 1 trapped air quantity is in the main combustion chamber 120 of the ramjet together with the gases burned by the ejector of the secondary flow 2 come here, and incidentally with a share of combustible propellant.

In der Nähe von Mach 2,5 wird der Ejektor des Sekundärstroms 2 für gekühlte oder verflüssigte Luft gelöscht, und die Ejektorbrennkammer 220, die nicht mehr mit Treibstoff versorgt wird, und der Beschleuniger befinden sich in der Arbeitsphase des Staustrahltriebwerks mit Unterschallverbrennung.Near Mach 2.5 becomes the ejector of the secondary flow 2 for cooled or liquefied air extinguished, and the ejector combustion chamber 220 , which is no longer supplied with fuel, and the accelerator are in the working phase of the ramjet with subsonic combustion.

Zwei Optionen sind nunmehr möglich.Two Options are now possible.

Im ersten Fall werden die beweglichen Klappen 161 geschlossen und die im Lufteinlaß 110 eingefangene Luft wird vollständig mit brennbarem Treibmittel verbrannt, welches mit Hilfe der auf den zurückziehbaren Zwischenplatten 241 angeordneten Düsen 242 injiziert wird.In the first case, the movable flaps 161 closed and in the air intake 110 Trapped air is completely burned with combustible propellant, which is deposited on the retractable intermediate plates 241 arranged nozzles 242 is injected.

Im zweiten Fall bleiben die beweglichen Klappen 161 während der Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung geöffnet.In the second case, the movable flaps remain 161 opened while working as a ramjet with subsonic combustion.

Die im Sekundärstrom 2 eingefangene Luftmenge wird alsdann abgekühlt und verflüssigt, so daß sie in einem Zwischenreservoir 151 gespeichert werden kann. Sie dient als Oxydationsmittel bei der reinen Raketenbetriebsweise im Raketenmotor 300.The secondary current 2 trapped air quantity is then cooled and liquefied so that it is in an intermediate reservoir 151 can be stored. It serves as an oxidant in the pure rocket mode in the rocket engine 300 ,

Der Rest der im Lufteinlaß 110 eingefangenen Luft wird seinerseits im Hauptstrom zusammen mit dem brennbaren Treibmittel verbrannt, welches der Verflüssigung der Luft des Sekundärstromes 2 gedient hat und über die in den zurückziehbaren Zwischenplatten 241 angeordneten Düsen 242 injiziert wurde.The rest of the air intake 110 trapped air is in turn burned in the main stream together with the combustible propellant, which is the liquefaction of the air of the secondary stream 2 has served and over in the retractable intermediate plates 241 arranged nozzles 242 was injected.

In beiden Fällen setzt sich die Betriebsweise als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung bis in die Nähe von etwa Mach 6 fort. Ausgehend von etwa Mach 6 geht die Betriebsweise in diejenige eines Staustrahltriebwerks mit Verbrennung bei Überschallgeschwindigkeit über (sogenanntes "Überschall-Staustrahltriebwerk"). Falls die beweglichen Klappen 161 geöffnet geblieben sind, gelangen sie nunmehr in den Schließzustand.In both cases, the operation continues as a ramjet engine with subsonic combustion to near Mach 6. Starting from about Mach 6, the operation goes into that of a ramjet engine with combustion at supersonic speed (so-called "supersonic ramjet"). If the movable flaps 161 have remained open, they now go to the closed state.

Zur Erleichterung des Beginns der Betriebsweise als Überschall-Staustrahltriebwerk kann eine Zündflamme benutzt werden, die durch folgende Hilfsmittel erhalten werden kann:

  • – Ausstoß einer vorverbrannten Mischung aus brennbarem Treibmittel und H2O mit Hilfe von Einspritzeinrichtungen. Die Einspritzung wird mit Hilfe kleiner Raketenmotoren realisiert. Die hohe Temperatur der injizierten Gase (> 1000° K) und die Anwesenheit von Radikalen (OH) gestatten es, die Verbrennung von Luft/brennbares Treibmittel einzuleiten. Dieses Verfahren erfordert dennoch die Bereitstellung von Sauerstoff (Reservoir 152), wobei dieser Sauerstoff auch für ein Funktionieren des Motors während der Arbeitsweise als Raketenmotor am Ende des Raumfluges dient.
  • – Thermische Selbstentzündung einer brennbaren Mischung. Diese hängt im wesentlichen von der Temperatur und dem Druck der Mischung sowie von deren Anreicherung ab. Eine Mischung brennbares Treibmittel/Luft entzündet sich spontan, wenn es möglich ist, sie lokal auf ihrer thermischen Selbstentzündungstemperatur zu halten. Diese Temperatur ist im allgemeinen stromabwärts einer Stoßwelle leicht zu erreichen. Der Nachteil dieses Vorgehens liegt im vollständigen Druckverlust, wie er durch die Stoßwelle erzeugt wird. Um einen beschränkten Einfluß auf die Leistungsdaten zu haben, muß diese Bildung einer Stoßwelle lokal sein und kann durch einen Mach-Effekt über eine Mach-Scheibe realisiert werden, die auf das Ausströmen der Luft eine starke Verzögerung wenigstens in einer mittleren Zone erzeugt.
To facilitate the start of operation as a supersonic ramjet engine, a pilot flame may be used, which may be obtained by the following means:
  • - Output of a pre-combustible mixture of combustible propellant and H 2 O by means of injectors. The injection is realized by means of small rocket engines. The high temperature of the injected gases (> 1000 ° K) and the presence of radicals (OH) allow the combustion of air / combustible propellant to be initiated. Nevertheless, this process requires the provision of oxygen (reservoir 152 ), which also serves to operate the engine during operation as a rocket engine at the end of spaceflight.
  • - Thermal self-ignition of a combustible mixture. This depends essentially on the temperature and the pressure of the mixture and their enrichment. A mixture of flammable propellant / air spontaneously ignites when it is possible to keep it locally at its thermal autoignition temperature. This temperature is generally easy to reach downstream of a shock wave. The disadvantage of this approach is the complete pressure loss, as generated by the shock wave. In order to have a limited influence on the performance data, this formation of a shock wave must be local and can be realized by a Mach effect on a Mach disk which produces a strong deceleration at least in a central zone upon the outflow of air.

Die Temperatur und der Druck der Ausströmung sind alsdann ausreichend hoch, um die Verbrennung lokal zu stabilisieren.The Temperature and the pressure of the outflow are then sufficient high to locally stabilize the combustion.

Die reaktive Zone spielt die Rolle einer Zündflamme für den Rest der Ausströmung.The reactive zone plays the role of a pilot flame for the remainder of the outflow.

Da die Temperaturabschaltung an den Zwischenplatten 241 für deren Haltbarkeit prohibitiv wird, zieht man sie teilweise zurück, wobei jedoch ein Wandinjektionspunkt für brennbares Treibmittel aufrechterhalten bleibt.Since the temperature shutdown to the Zwi rule plates 241 for which durability is prohibitive, they are partially withdrawn, but a wall injection point for combustible propellant is maintained.

Dieser Injektionspunkt gestattet es, eine stabile Überschallverbrennung zu erhalten, unabhängig davon, wie die Ausströmgeschwindigkeit ist, insbesondere bei hoher Machzahl.This Injection point allows to obtain a stable supersonic combustion, independently of, like the discharge velocity is, especially at high Mach number.

Die Arbeitsphase als Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung setzt sich bis in die Nähe von Mach 15 fort.The Working phase as ramjet engine with supersonic combustion sets up close from Mach 15 onwards.

Die Luftmenge wächst mit der Machzahl des Fluges. Bei Iso-Anreicherung wächst daher die Menge an brennbarem Treibmittel mit der Machzahl des Fluges. Bei kleiner Machzahl des Fluges liegt die Anreicherung der Mischung in der Nähe von 1, und es kann die Gesamtmenge an injiziertem brennbaren Treibmittel verbrannt werden. Eine bessere Wirksamkeit der Verbrennung wird durch orthogonale Einspritzung erhalten (was die Qualität des Gemisches verbessert).The Air volume is growing with the Mach number of the flight. With iso-enrichment, therefore, the amount of flammable grows Propellant with the Mach number of the flight. With small Mach number of Flight is the accumulation of the mixture near 1, and it may be the total amount of combustible propellant injected to be burned. A better combustion efficiency will be obtained by orthogonal injection (which improves the quality of the mixture).

Hingegen wird bei hoher Machzahl lediglich ein Teil des injizierten brennbaren Treibmittels verbrannt. Der Rest nimmt an den Verbrennungserscheinungen nicht teil und verhält sich wie eine Art Trägheit. Da die Temperatur am Einlaß der Brennkammer hoch ist, treten zahlreiche Dissozia tionsphänomene (endothermische Reaktionen) innerhalb des Ausströmens im Verlauf der Verbrennung auf.On the other hand At high Mach number, only part of the injected combustible becomes Blowing agent burned. The rest takes part in the combustion phenomena do not participate and behave like a kind of inertia. As the temperature at the inlet of the Combustion chamber is high, occur numerous dissociation phenomena (endothermic Reactions) within the effluent in the course of the burning up.

Da die mittlere Gasgeschwindigkeit innerhalb der Brennkammer hoch ist, ist die Aufenthaltszeit gering. Hieraus ergibt sich eine Verminderung der Wirksamkeit der Verbrennung.There the average gas velocity within the combustion chamber is high, the residence time is low. This results in a reduction of Effectiveness of combustion.

Unter diesen Umständen ist die orthogonale Einspritzung, die es ermöglicht, gute Mischungs- und Verbrennungsverhältnisse zu erhalten, nicht mehr notwendig. Die axiale Einspritzung gibt dann die Möglichkeit, die axiale Einspritz-Dynalpie des brennbaren Treibmittels auszunutzen.Under these circumstances is the orthogonal injection that allows good mixing and combustion conditions to receive, no longer necessary. The axial injection gives then the possibility exploit the axial injection dynalpie of the combustible propellant.

Es ist dennoch festzustellen, daß ein Teil des brennbaren Treibmittels orthogonal eingespritzt werden kann (stöchiometrische Menge), der Rest wird axial injiziert.It is nevertheless to be found that a Part of the combustible propellant are injected orthogonally can (stoichiometric Amount), the rest is injected axially.

Ab Mach 15 setzt die immer noch vorliegende Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung den Schub fort und schiebt das Fahrzeug bis in die Erdumlaufbahn.From Mach 15 continues the still existing mode of operation as a ramjet engine with supersonic combustion The thrust continues and pushes the vehicle into orbit.

Eine andere Möglichkeit kann in der Einspritzung von Sauerstoff während des Endes der aeroben Phase bestehen.A different possibility may be in the injection of oxygen during the end of the aerobic phase consist.

Diese Sauerstoffinjizierung, die vom Reservoir 152 herstammt, gestattet es, sich von der Anwesenheit eines Raketenmotors zu befreien, der eventuell am Ende des Fluges erforderlich wäre. Diese Injektion gestattet das Funktionieren des aeroben Motors in Schichten der Atmosphäre, die eine sehr kleine Dichte haben.This oxygen injection from the reservoir 152 It makes it possible to free itself from the presence of a rocket motor, which might be required at the end of the flight. This injection allows the aerobic engine to function in layers of the atmosphere that have a very low density.

Auf der anderen Weise gestattet es der gespeicherte kalte Sauerstoff (91° K), die zugeführte Luft zu kühlen. Die Verbrennungstemperatur ist daher weniger hoch, die Dissoziationsphänomene sind weniger erheblich und die Wirksamkeit der Verbrennung wächst.On otherwise it allows the stored cold oxygen (91 ° K), the supplied air to cool. The combustion temperature is therefore less high, the dissociation phenomena are less significantly and the effectiveness of combustion is growing.

Falls es sich dennoch als notwendig erweist, benutzt man für das Ende der Flugbahn von Mach 15 bis in den Erdumlauf einen herkömmlichen Raketenmotor LOX/brennbares Treibmittel.If it still proves necessary, one uses for the end the trajectory of Mach 15 to the Earth's orbit a conventional Rocket engine LOX / flammable propellant.

Während der gesamten aeroben Phase werden der Vorbau und der Lufteinlaß (Satz 160 der Klappen 161) aktiv gekühlt, und zwar unter Verwendung des brennbaren Treibmittels, welches anschließend entweder in der Luftejektorbrennkammer 220 oder im Hauptstrom 1 verbrannt wird.Throughout the aerobic phase, the stem and air intake (set 160 the flaps 161 ) is actively cooled, using the combustible propellant, which subsequently either in the Luftejektorbrennkammer 220 or in the mainstream 1 is burned.

Diese Abkühlung ermöglicht eine Erhöhung der eingefangenen Luftmenge, eine Reduzierung des äußeren Widerstandes durch Verringerung der Dicke der Grenzschicht und eine Verzögerung des Überganges laminar-turbulent, eine Erhöhung der Gesamtenthalpie des brennbaren Treibmittels, was es durch eine entsprechende Entspannung gestattet, die Bewegungsgröße des brennbaren Treibmittels beim Injizieren und damit die Schubkraft zu erhöhen.These Cooling allows an increase in the trapped air quantity, a reduction of the external resistance by reduction the thickness of the boundary layer and a delay of the transition laminar-turbulent, an increase the total enthalpy of the flammable propellant, what it does by a appropriate relaxation allows the amount of movement of the combustible Injecting agent during injection and thus to increase the thrust.

Claims (13)

Kombinierter Motor mit integrierten Arbeitsweisen als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft, als Staustrahltriebwerk und als Überschall-Staustrahltriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor einen Hauptstrom (1) umfaßt, der einen Lufteinlaß (110), welcher einen konvergierenden Teil (111) und einen Hals (112) umfaßt, eine Hauptbrennkammer (120) und eine Ausstoßdüse (130) aufweist, daß der Motor ferner einen Sekundärstrom (2) umfaßt, der einen Einlaß (180) aufweist, welcher stromaufwärts von dem Hals (112) des Lufteinlasses (110) des Hauptstromes (1) gelegen ist und bewegliche Klappen (161) aufweist, die ihrerseits von Luftkühl- oder Luftverflüssigungsleitungen (163) überquert und zur Regulierung der in den Sekundärstrom (2) eintretenden Luftmenge wahlweise in verschiedene Stellungen, einschließlich einer Stellung völligen Verschlusses, verbringbar sind, wobei der Sekundärstrom (2) folgende Elemente umfaßt: einen Tieftemperaturkompressor (210), der die in den Einlaß (180) des Sekundärstromes (2) eingeführte, gekühlte oder verflüssigte Luft aufnimmt, eine Ejektorbrennkammer (220), die mit Brennstoff und mit im Tieftemperaturkompressor (210) komprimierter, gekühlter oder verflüssigter Luft gespeist wird, und eine dem Antrieb des Tieftemperaturkompressors dienende Turbine (230), die mit Verbrennungsgasen gespeist ist, welche ihrerseits in der Ejektorbrennkammer (220) erzeugt und nach dem Verlassen der Turbine (230) über einen Satz (240) von Düsen (242) in die Hauptbrennkammer (120) des Hauptstromes (1) ausgestoßen werden, so daß der Motor nacheinander in folgenden Arbeitsweisen betreibbar ist: über den Sekundärstrom als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft, wobei die beweglichen Klappen (161) in Offenstellung sind, über den Hauptstrom (1) als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung, wobei sich die beweglichen Klappen (161) nacheinander zunächst in Offen- und danach in Schließstellung befinden können, und über den Hauptstrom (1) als Überschall-Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung, wobei die beweglichen Klappen (161) geschlossen sind.Combined engine with integrated operation as an ejector for turbocharged, cooled or liquefied air, as a ramjet engine and as a supersonic ramjet engine, characterized in that the engine has a main flow ( 1 ) comprising an air inlet ( 110 ), which has a converging part ( 111 ) and a neck ( 112 ), a main combustion chamber ( 120 ) and an ejection nozzle ( 130 ), the motor further comprises a secondary current ( 2 ) having an inlet ( 180 ), which upstream of the neck ( 112 ) of the air intake ( 110 ) of the main stream ( 1 ) and movable flaps ( 161 ), which in turn are supplied by air cooling or air 163 ) and to regulate into the secondary flow ( 2 ) entering air in different positions, including a position of complete closure, can be brought, wherein the secondary flow ( 2 ) comprises the following elements: a cryogenic compressor ( 210 ) in the inlet ( 180 ) of the secondary stream ( 2 ) introduced, ge cooled or liquefied air, an ejector combustion chamber ( 220 ) with fuel and with in the cryogenic compressor ( 210 compressed, cooled or liquefied air, and a turbine serving the drive of the cryogenic compressor ( 230 ), which is fed with combustion gases, which in turn in the Ejektorbrennkammer ( 220 ) and after leaving the turbine ( 230 ) about a sentence ( 240 ) of nozzles ( 242 ) into the main combustion chamber ( 120 ) of the main stream ( 1 ), so that the motor can be operated successively in the following ways: via the secondary flow as an ejector for turbocharged, cooled or liquefied air, wherein the movable flaps ( 161 ) are in open position, over the main stream ( 1 ) as a ramjet engine with subsonic combustion, wherein the movable flaps ( 161 ) successively first in the open position and then in the closed position, and via the main flow ( 1 ) as a supersonic ramjet with supersonic combustion, the movable flaps ( 161 ) are closed. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkühl- oder Luftverflüssigungsleitungen (163), welche den beweglichen Klappen (161) zugeordnet sind, ausgehend von einem Reservoir (140) mit brennbarem Treibstoff gespeist werden, wobei der brennbare Treibstoff, welcher die Kühlleitungen (163) verläßt, während der Arbeitsweise als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft der Speisung der Ejektorbrennkammer (220) mit Brennstoff dient.Engine according to claim 1, characterized in that the air cooling or air liquefaction lines ( 163 ), which the movable flaps ( 161 ), starting from a reservoir ( 140 ) are fed with combustible fuel, wherein the combustible fuel, which the cooling lines ( 163 ) leaves during operation as an ejector for turbo-compressed, cooled or liquefied air of the supply of the ejector combustion chamber ( 220 ) with fuel. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung Mittel vorgesehen sind, um die beweglichen Klappen (161) offen zu halten und um in einem Zwischenreservoir (151) gekühlte Luft, die über die beweglichen Klappen (161) in den Einlaß des Sekundärstroms (2) eingeführt ist, zu verflüssigen und zu speichern, wobei der brennbare Treibstoff, der die Kühlleitungen (163) verläßt, zur Speisung der Hauptbrennkammer (120) mit Brennstoff dient.Engine according to claim 2, characterized in that means are provided during operation as a ramjet engine with subsonic combustion in order to move the movable flaps ( 161 ) and in an intermediate reservoir ( 151 ) cooled air coming in through the movable flaps ( 161 ) into the inlet of the secondary flow ( 2 ) is liquefied and stored, the flammable fuel 163 ) leaves, for feeding the main combustion chamber ( 120 ) with fuel. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Arbeitsweise als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft die in der Ejektorbrennkammer (220) gebildeten Verbrennungsgase in den Hauptstrom (1) über Düsen (242) eingeführt werden, die in zurückziehbaren Zwischenplatten (241) angeordnet sind, die während der Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung wenigstens teilweise zurückgezogen sind.Engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that during operation as an ejector for turbocharged, cooled or liquefied air in the Ejektorbrennkammer ( 220 ) formed combustion gases into the main stream ( 1 ) via nozzles ( 242 ) inserted in retractable intermediate plates ( 241 ) are arranged, which are at least partially withdrawn during operation as a ramjet with supersonic combustion. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Arbeitsweise als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung ein brennbarer Treibstoff in den Hauptstrom (1) über in zurückziehbaren Zwischenplatten (241) angeordnete Düsen (242) eingeführt wird, die während der Arbeitsphase als Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung wenigstens teilweise zurückgezogen sind.Engine according to one of Claims 1 to 4, characterized in that, during operation as a ramjet engine with subsonic combustion, a combustible fuel is injected into the main flow ( 1 ) via retractable intermediate plates ( 241 ) arranged nozzles ( 242 ) is introduced, which are at least partially withdrawn during the working phase as a ramjet with supersonic combustion. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Klappen (161) stufenweise aufgebaut und in Strömungsrichtung vor einem Hals (112) des Lufteinlasses (110) im Hauptstrom (1) angeordnet sind.Engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the movable flaps ( 161 ) constructed stepwise and in the flow direction in front of a neck ( 112 ) of the air intake ( 110 ) in the main stream ( 1 ) are arranged. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ejektorbrennkammer (220) zwischen dem Tieftemperaturkompressor (210) und der Turbine (230) angeordnet ist.Engine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the ejector combustion chamber ( 220 ) between the cryogenic compressor ( 210 ) and the turbine ( 230 ) is arranged. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er einen zusätzlichen Wärmetauscher (170) umfaßt, der in der Sekundärströmung (2) in Strömungsrichtung hinter den beweglichen Klappen (161) angeordnet ist und Luftkühl- oder Luftverflüssigungsleitungen aufweist, die von einem brennbaren Treibstoff überquert werden.Engine according to one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises an additional heat exchanger ( 170 ), which in the secondary flow ( 2 ) in the flow direction behind the movable flaps ( 161 ) and having air cooling or air liquefaction conduits traversed by a combustible fuel. Motor nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitungen des zusätzlichen Wärmetauschers (170) ausgehend von brennbarem Treibstoff gespeist sind, der aus den Luftkühlleitungen (163) austritt, welche die beweglichen Klappen (161) überqueren.Engine according to claim 8 and one of claims 2 or 3, characterized in that the cooling ducts of the additional heat exchanger ( 170 ) are fed starting from combustible fuel, which from the air cooling lines ( 163 ), which the movable flaps ( 161 ) cross. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem wenigstens einen herkömmlichen Raketenmotor (300) umfaßt, der ausgehend von Reservoiren (140, 151, 152) mit flüssigen Treibstoffen gespeist ist und einen sich erweiternden Düsenteil (330) hat, der in den sich erweiternden Teil der Ausstoßdüse (130) des Hauptstromes (1) einmündet.Engine according to one of claims 1 to 9, characterized in that it also comprises at least one conventional rocket motor ( 300 ) starting from reservoirs ( 140 . 151 . 152 ) is fed with liquid fuels and a widening nozzle part ( 330 ), which in the widening part of the ejection nozzle ( 130 ) of the main stream ( 1 ). Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er ein mit flüssigem Sauerstoff beladenes Reservoir (152) umfaßt, um während der Arbeitsweise als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft eine zusätzliche Sauerstoffmenge in die Ejektorbrennkammer (220), während der Arbeitsweise als Überschall-Staustrahltriebwerk eine zusätzliche Sauerstoffmenge in die Hauptbrennkammer (120) und anderenfalls eine Sauerstoffmenge in den herkömmlichen Motor (300) zu injizieren.Engine according to any one of Claims 1 to 10, characterized in that it contains a reservoir of liquid oxygen ( 152 ), during operation as an ejector for turbo-compressed, cooled or liquefied air, an additional amount of oxygen into the ejector ( 220 ), while operating as a supersonic ramjet an additional amount of oxygen in the main combustion chamber ( 120 ) and otherwise an amount of oxygen in the conventional engine ( 300 ) to inject. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel (240, 250) umfaßt, um während der Arbeitsweise als Überschall-Staustrahltriebwerk brennbaren Treibstoff in die Hauptbrennkammer (120) sowohl axial als auch orthogonal zu injizieren.Motor according to one of Claims 1 to 11, characterized in that it comprises means ( 240 . 250 ) during operation as a supersonic ramjet combustible fuel into the main combustion chamber ( 120 ) both axially and orthogonally. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er als Ejektor für turbokomprimierte, gekühlte oder verflüssigte Luft zwischen den Geschwindigkeiten von Mach 0 und etwa Mach 2, als Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung zwischen den Geschwindigkeiten von etwa Mach 2 und Mach 6, als Überschall-Staustrahltriebwerk zwischen den Geschwindigkeiten zwischen etwa Mach 6 und Mach 15 und sonst als Raketenmotor oberhalb einer Geschwindigkeit von Mach 15 arbeitet.Motor according to one of claims 1 to 12, characterized that he as an ejector for turbocharged, refrigerated or liquefied Air between the speeds of Mach 0 and about Mach 2, as a ramjet engine with subsonic combustion between the Speeds of about Mach 2 and Mach 6, as a supersonic ramjet between the speeds between about Mach 6 and Mach 15 and otherwise works as a rocket engine above a speed of Mach 15.
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