DE941102C - Betaetigungs- und Steuereinrichtung fuer die Zufuhr von fluessigem Brennstoff und fluessigem Sauerstofftraeger zu einer Verbrennungs-einrichtung, insbesondere fuer Raketenantriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungsund Steuereinrichtung für die Zufuhr von flüssigem Brennstoff und flüssigem Sauerstoff träger zu einer Verbrennungseinricfotunig, die wie bei bekannten Einrichtungen dieser Art aus einer Brennkammer mit einer aufgesetzten Zündkammer besteht. Für die beiden Treibstoffkomponenten sind in an sich bekannter Weise getrennte Vorratsbehälter und Pumpen sowie je eine besondere ■ Ventilkombination vorgesehen. Weiter ist die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung mit einer Druckgaseinrichtung ausgerüstet, mit der die elektrisch-pneumatischen Steuermittel betrieben und die Treibstoffbehälter unter Druck gesetzt werden.

Im Gegensatz zu bekannten Betätigungseinrichtungen, bei denen die Treibstoffkomponenten unter Gasdruck der Verbrennungseinrichtung zugeführt werden, dient das Druckpolster in den Treibstoffbehältern hier dazu, Brennstoff und Sauerstoffträger unter Druck der Pumpen zuzuführen, um bei reinem Schwerkraftzulauf mögliche Unterbrechungen des Flüssigkeitsstromes auszuschalten.

Es sind weiter Steuereinrichtungen bekannt, bei denen die den Betriebsablauf regelnden Steuerorgane von einer motorisch angetriebenen Schaltwalze betätigt werden. Hierbei sind die einzelnen Schaltschritte durch eine entsprechende Anordnung der Schaltkpntakte und -nocken und die Geschwin-

digkeit des Betriebsablaufes durch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Schaltwalze festgelegt.

Bei der erfindungsgemäßen Betätigungs- und Steuereinrichtung werden die. für den ordnungsgemäßen Betriebsablauf notwendigen Schaltschritte in Abhängigkeit voneinander in einer ganz bestimmten Reihenfolge, und zwar im wesentlichen vollautomatisch vorgenommen. Der jeweils nächste Betriebszustand kann hierbei erst eingeschaltet

ίο werden, wenn ein bestimmter Betriebszustand der vorhergehenden Schaltstufe erreicht ist. Auf diese Weise werden ein wesentlich vereinfachter Aufbau und ein einwandfreies Arbeiten der Verbrennungseinrichtung bei größter Wirtschaftlichkeit des Be- triebes erzielt.

Im einzelnen arbeitet die Betätigungs- und Steuereinrichtung wie folgt: Bevor die·Sauerstoffpumpe in Betrieb gesetzt wird, werden mittels einer Druckgasschalteinrichtung die Sauerstoffpumpe und ihre Verbindungen mit dem zugehörigen Behälter sowie der Ventilkombination mit dem Sauerstoffträger geflutet. Schalteinrichtungen, die auf einen festgelegten Auslaß druck der in Betrieb gesetzten Sauerstoffpumpe ansprechen, öffnen das Absperrorgan zwischen Brennstoffbehälter und Brennstoffpumpe, während die Förderung der Sauerstoffpumpe in diesem Betriebszustand durch eine Nebenleitung zum Behälter zurückgeleitet wird.

Die Schalteinrichtung enthält zum' Öffnen des Absperrorgans zwischen Brennstoffbehälter und Brennstoffpumpe ein Verzögerungsrelais, welches die Schalteinrichtung im Sinne einer Öffnung des Absperrventils erst dann beeinflußt, w^renn der Auslaßdruck der Sauerstoffpumpe einen vorherbestimmten Wert erreicht hat.

Die Brennstoffpumpe fördert zu Beginn ihrer Förderung unmittelbar in die Zündeinrichtung. Bei Erreichen eines festgelegten Auslaßdruckes wird mittels- dieses Auslaßdruckes die Sauerstoffpumpe selbsttätig auf die Zündvorrichtung geschaltet und die Zündung eingeleitet. Auf den Druck in der Zündvorrichtung ansprechende Mittel öffnen nach erfolgter Zündung bei Erreichen eines festgelegten Druckes die in Reihe geschalteten Hauptschlußventile der Ventilkombination so weit, daß beschränkte Mengen Brennstoff und Sauerstoffträger zur Brenneinrichtung durchgelassen werden.

Weitere Mittel, die auf den Druck in der Brennkammer ansprechen, schließen bei Erreichen eines festgelegten Druckes die Nebenleitung für den Rückfluß des Sauerstoffträgers in den zugehörigen Vorratsbehälter und öffnen die in Reihe geschalteten Hauptschlußventile der Ventilkombination ganz, so daß die vollen Mengen Brennstoff und Sauerstoff zur Verbrennungseinrichtung durchgelassen werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der schematischen Zeichnungen, in denen eine Ausführungsform beispielsweise dargestellt ist, be- schrieben.

Fig. ι und 2 stellen, gemeinsam einen Anordnungsplan der elektrischen, pneumatischen und sonstigen S teuer ungs vor richtungen gemäß der Erfindung dar, wobei die beiden Figuren entlang der strichpunktierten senkrechten Linie aneinanderstoßen;

Fig. 3 ist eine Schnittzeichnung der Ventilkombination im System des Sauerstoffträgers;

Fig. 4 ist ein Schnitt in größerem Maßstab durch das Zündende der Brennvorrichtung.

Die Fig. 3, auf die zuerst Bezug genommen wird, zeigt ein Gehäuse 10 mit einem Einlaß n und einem Auslaß 12. Der Auslaß ist durch öffnungen 14 im Kopf eines Drosselventilgliedes 15 mit einem Kanal 13 verbunden; der Ventilkegel 15 wird durch Federkraft in die Schließstellung gedrängt, die in der Zeichnung dargestellt ist, kann aber durch Einführung von Flüssigkeitsdruck in den Einlaß 16 in die Öffnungsstellung gebracht werden. Der Kanal 13 ist in der gezeichneten Stellung von dem Einlaß 11 durch den Kopf eines Absperrventilgliedes 17 abgetrennt, das ebenfalls durch Federkraft in die geschlossene Stellung gedrängt wird und durch die Einführung von Flüssigkeitsdruck in den Einlaß 18 in die Öffnungsstellung gebracht werden kann. 19 ist ein durch einen elastischen Balgen normalerweise offen gehaltener Auslaß, der an eine Nebenleitung 20 (Fig. 2) angeschlossen ist und durch den Kopf eines Ventilgliedes 21 geschlossen werden kann, wenn durch den Einlaß 22 Flüssigkeitsdruck eingeleitet wird. 23 ist ein Auslaß, der an ein noch zu besprechendes Rohr 95 (Fig. 2) angeschlossen ist und normalerweise von dem Einlaß 11 durch den Kopf eines Ventilgliedes 24 getrennt wird, das in die dargestellte geschlossene Stellung gedrängt wird und durch Einführung von Flüssigkeitsdruck in den Einlaß 25 in die geöffnete Stellung gebracht werden kann. Jedes der vier Ventilglieder 15, 17, 21 und 24 trägt einen Druckkolben 26, der in einem Zylinder 27 spielt; die Zylinder sind mit Lüftungs- · einrichtungen 28 versehen.

In dem Anordnungsplan der Fig. 1 und 2 stellt 31 einen Brennstoffbehälter und 32 einen Tank für den flüssigen Sauerstoff dar; beide sind mit Ventilen 33, 33 vorgesehen hinfort druckgebende Ventile genannt, bei deren öffnung den Behältern Stickstoff zugeführt wird, der aus Vorratsbehältern 34, 34 über ein Filter 35, ein Hauptreduzierventil 36 und zwei Hilfsreduzierventile 37, 37 geleitet wird. Der Sauerstoff behälter ist zusätzlich mit einem no Sicherheitsventil 38 ausgestattet.

Bei 40 ist ein weiteres Reduzierventil dargestellt, durch das Stickstoff über ein Rückschlagventil 41 zu einem Regelventil 44 und direkt zu einer Reinigungs- und Trockenvorrichtung 43 geleitet wird.

Wenn man den Raketenantrieb in Kürze in Betrieb setzen will, so hat man als ersten Schritt das Regelventil 44 zu betätigen; hierdurch wird Stickstoff mit passendem Druck einem pneumatischen Schalter 45 zugeführt, der ein Ventil 46 auf der Auslaßseite des Sauerstoffbehälters 32 öffnet. Dadurch kann 3er Sauerstoff unter Schwerewirkung durch die bei 47 angedeutete Sauerstoffpumpe fließen und entlang der Leitung 48 zu dem Einlaß 11 in dem kombinierten Absperr- und Regelventil 49

gelangen, das in der Fig. 3 im Schnitt dargestellt ist. Das Druckventil 50 (mit dem Ventilkegel 21) öffnet sich und verbindet den Einlaß 11 mit der Nebenleitung 20, die nach dem oberen Ende 51 des Sauerstofftanks 32 zurückführt. Von der Nebenleitung 20 zweigt eine weitere Nebenleitung 52 ab; diese ist an den höchsten Punkt der Sauerstoffpumpe 47 angeschlossen und dient dazu, die Auffüllung der Pumpe zum Ansaugen einzuleiten. Die Leitung 52 enthält ein Druckventil 53, das durch eine Leitung 54 mit der Druckleitung der Pumpe in Verbindung steht und die Leitung 52 absperrt, wenn der Förderdruck der Pumpe einen vorherbestimmten Wert erreicht.

Unter gewöhnlichen Umständen wird es mindestens etwa 5 Minuten dauern, bis das Sauerstoffsystem durch diese Einrichtung durchgekühlt und der meiste verdampfte Sauerstoff zum Tank 32 zurückgekehrt ist.

Zündung der Brenneinrichtung. Nachdem das Sauerstoff system wie geschildert durchgekühlt ist, wird ein Hauptschalter"56 geschlossen; dadurch schließt sich ein Stromkreis über einen normalerweise geschlossenen Schalter 57 und Leitungen 58, 59 für ein elektrisch betätigtes Ventil 60. Damit gelangt Stickstoff durch das Reduzierventil 40 und die Leitungen 61, 62 und 63 zu den beiden druckgebenden Ventilen 33, die er öffnet. Offensichtlich könnte indessen das druckgebende Ventil für den Brennstoffbehälter auch erst später geöffnet werden. Zusätzlich wird Stickstoff, der durch das Ventil 60 freigegeben wird, auch über die Leitung 63 zu einem pneumatischen Schalter 64 geleitet, der eine Kupplung 65 schließt, durch die die Sauerstoffpumpe 47 und die Brennstoffpumpe 66 mechanisch mit einem geeigneten (nicht dargestellten) Antrieb gekuppelt werden.

Die nun bereits mit flüssigem Sauerstoff aufgefüllte Pumpe 47 beginnt zu arbeiten und entwickelt unmittelbar einen festgelegten Druck; ein druckbetätigter Zweiwege-Umschalter 68, der in die Förderleitung eingebaut ist, leitet über die Leitung 71, den Schalter 68, die Leitungen 72, 73, 74 und den Schalter 75 Strom zu der Spule 69 eines Verzögerungsrelais 70 an sich bekannter Form. Der Relaisschalter 70 schließt sich nach etwa 4 Sekunden, da diese Verzögerung im Schaltverlauf ratsam erscheint, damit sich die Sauerstoffpumpe stabilisieren kann, ehe der Sauerstoff strom gestört wird.

Bis zum Ende dieser Verzögerungsperiode wird der Sauerstoff durch· das Nebenleitungsventil 50 und Nebenleitung 20 (Fig. 2), wie oben beschrieben, in den Behälter 32 zurückgepumpt.

Der Relaisschalter 70 schließt nach der festgelegten Verzögerung über die Leitung 71, den Schalter 68 und die Leitungen 72, 76 und yy den Stromkreis einer Spule 78, wodurch ein Ventil 79 auf der Auslaßseite des Brennstofftanks 31 geöffnet wird. Geschlossen wird das Ventil 79 durch eine andere

€0 Spule 80 über die Leitung 71, den Schalter 68 und die Leitung 8o_ß) wenn der druckbetätigte Schalter 68 in der Stellung der Fig. 1 steht. Das geöffnete Ventil 79 gibt dem Brennstoff den Weg zur Pumpe 66 frei, und diese beginnt nun über eine Rohrleitung 81 Brennstoff zu der Einlaßseite eines Absperr- und Regelventils 82 zu fördern, das dem der Fig. 3 im allgemeinen ähnlich ist. Dieses Ventil 82 schickt einen Teil des Brennstoffs durch ein normalerweise offenes, druckbetätigtes Nebenventil S3, das dem Ventil 50 gleicht, bei 84 in die Abgasleitung und in Parallelanordnung dazu durch eine Rohrleitung 85 zu der Zündvorrichtung, die bei 86 angedeutet ist.

Wenn die Brennstoffpumpe einen festgelegten Druck entwickelt hat, so schließt ein druckbetätigter Schalter 87 einen Stromkreis, der aus der Leitung 58 über die Leitungen 59_ß, 88 und 89 durch die Spule eines solenoidbetätigten Ventils 90 führt und über die Leitung 9O₀ mit der Leitung 74 verbunden ist. Infolgedessen öffnet sich das Ventil 90 und schickt Stickstoff durch Rohrleitungen 61, 91 und 92, um ein normalerweise geschlossenes Ventil 93 (Ventilkegel 24) der Ventilkombination 49 zu öffnen, so daß als Folge eine kleine Menge Sauerstoff durch die Leitung 95 zu der Zündvorrichtung 86 gefördert wird. Das Schließen der beiden Druckschalter 68 und 87 bewirkt auch die Einschaltung der Anlaß zündspule 97 über die Leitungen 88 und 98 und den Schalter 99, wodurch eine Zündkerze od. dgl. für die Zündvorrichtung ihre Zündspannung erhält.

Wenn in der Zündvorrichtung die Zündung erfolgt, so tritt in ihrem Innern ein Druck auf, dadurch wird der Druckschalter 99 betätigt, um den Stromkreis durch die Anlaßspule zu unterbrechen und über die Leitung 101 einen Stromkreis zu schließen, der mittels eines Solenoides ein Ventil 102 betätigt. Dieses Ventil liefert dann Druck aus dem Rohr 61 durch die Leitung 103, 104 zu dem druckbetätigten Nebenschlußventil 83, einem Brennstoffventil, das hierdurch· geschlossen wird, und durch Rohre 105 zu dem Absperrventilen (mit dem Ventilkegel 17) in den Ventilkombinationen 49 und 82, wodurch diese Absperrventile geöffnet werden. Infolgedessen wird eine festgelegte Menge jeder Treibstoffkomponente über die Leitungen 108 und 109 durch die öffnungen 14 in den noch geschlossenen Ventilgliedern 15 zu der Brenneinrichtung gefördert, die bei 107 angedeutet ist. Ein Teil des Sauerstoffs tritt daher unmittelbar in die Brennkammer durch einen Kranz von Löchern 110 (Fig. 4) ein, ein Teil des Brennstoffs zirkuliert erst durch den Kühlmantelraum in, der die Brennkammer 112 rings umgibt, und kommt dann durch ein Rohr 113 zu dem Ringraum 114, um durch einen Lochkranz 115 in die Brennkammer einzutreten. Diese beiden Treibstoffkomponenten werden dann in der Brennkammer durch ein Flammenbüschel gezündet, das von der Düse 116 der Zündvorrichtung 86 ausgeht.

Jetzt ist der Raketenantrieb in Betrieb. Der Druckanstieg in der Brennkammer betätigt den Druckschalter 75, die Spule des durch Solenoid betätigten Ventils 90 wird stromlos, damit schließt sich das Ventil 93 selbsttätig und sperrt die Sauerstoffzufuhr zu der Zündvorrichtung ab. Gleich-

zeitig wird auch die Spule 69 des Verzögerungsrelais 70 stromlos, so daß dieses sich für den nächsten Antriebsstart zurückschalten kann. Die Betätigung des Schalters 75 stellt auch teilweise einen Stromkreis her, der über die Leitung 118 zur Steuerung der Drosselventile in den Ventilkombinationen 49 und 82 gebraucht wird.

An Treibmittel erhält der Antrieb in dieser Periode nur einen Teil, vielleicht ein Drittel .der verfügbaren Gesamtmenge, womit nur ein ganz kleiner Schub erzeugt wird. Sobald nun der volle Schub verlangt wird, schließt man einen Schalter 119.

Damit erhält die Spule eines solenoidbetätigten Ventils 120 Strom über die Leitung 121, dadurch gelangt der Druck aus der Rohrleitung 61 über die Leitungen 122, 122 zu den druckbetätigten· Drosselventilen der Ventilkombinationen 49 und 82 (mit den Ventilkegeln 15), die nun vollständig geöffnet werden. Gleichzeitig wird durch ein Rohr 123 Druck in das druckbetätigte Nebenschlußventil 50 geleitet, das hierdurch geschlossen wird. Der Raketenantrieb läuft nun mit voller Schubkraft.

Man beachte, daß die Einrichtung in der Weise

vollautomatisch arbeitet, daß kein Schritt möglich

ist, bevor die vorangehenden Schritte durchgeführt

sind. Beispielsweise zündet die Zündvorrichtung

nicht, wenn nicht beide Pumpen ihren vollen Druck

liefern,, und solange die Zündung, noch nicht in

Gang gebracht ist, können sich die-Hauptabsperr-

'ventile (mit den Ventilkegeln 17) nicht öffnen.

Wenn der Antrieb stillgesetzt werden soll, so kann man den Hauptschalter 56 öffnen (d. h. in die dargestellte Lage bringen, wobei der Schalter 68 ebenfalls in die gezeichnete Stellung geht und das Brennstoffventil 79 schließt), oder man betätigt einen Notschalter 124, um ein Solenoid 57_α zur Öffnung des Schalters 57 zu erregen. Man sollte auch den Schalter 119 für die volle Schubkraft öffnen, indessen schadet es nicht, wenn er geschlossen bleibt, denn der druckbetätigte Schalter 75 bietet Sicherheit, daß die Drosselventile bei dem nächsten Versuch zum Anlassen des Antriebs geschlossen bleiben, bis die Brennvorrichtung in Betrieb ist, ' wobei der Schalter 75 betätigt wird und der Antrieb wieder mit voller Schubkraft läuft.

125 ist ein Bodenentleerungsventil;, es wird diirch Druck betätigt, der über die Rohrleitung 126 von der Auslaßseite der Brennstoffpumpe herkommt.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Betätigungs- und Steuereinrichtung für die Zufuhr von flüssigem Brennstoff und flüssigem Sauerstoff träger, die in getrennten Vorratsbehältern aufbewahrt werden, zu einer Verbrennüngseinrichtung mit einer besonderen Zündeinrichtung und mit je einer besonderen Pumpe und Ventilkombination für den Brennstoff und für den Sauerstoff träger, insbesondere für Raketenantriebe, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Druckgasschaltvorrichtung (44, 45, 46) die Sauerstoffpumpe (47) und ihre Ver-■ bindungen mit dem zugehörigen Behälter (32) und der Ventilkombination (49) mit dem Sauerstoffträger geflutet werden, bevor die Pumpe (47) in Betrieb gesetzt wird, und daß Schalteinrichtungen (68, 78), die auf einen festgelegten Auslaßdruck der in Betrieb gesetzten Sauerstoffpumpe ansprechen, das Absperrorgan (79) zwischen Brennstoffbehälter (31) und Brennstoffpumpe (66) öffnen, während in diesem Betriebszustand die Förderung der Sauerstoffpumpe durch eine Nebenleitung (20) zum Behalter (32) zurücbgeleiitet wird.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (68, 78) zum Öffnen des Absperrorgans (79) ein Verzögerungsrelais (70) enthält, welches die Schalteinrichtung (78) im Sinne einer Öffrumg des Absperrorgans (79) erst dann beeinflußt, wenn der Auslaß druck der Sauer stoff pumpe(47) einen vorherbestimmten Wert erreicht hat. -
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffpumpe (66) zu Beginn ihrer Förderung unmittelbar in die Zündvorrichtung (86) fördert und daß bei Erreichen eines festgelegten Auslaßdruckes der Brennstoffpumpe mittels dieses Auslaßdruckes die Sauerstoffpumpe (47) selbsttätig auf die Zündvorrichtung geschaltet und die Zündung eingeleitet wird.
4. 4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch auf den Druck in der Zündvorrichtung (86) ansprechende .Mittel (99), die nach erfolgter Zündung bei Erreichen eines festgelegten Druckes die in Reihe geschalteten Hauptschlußventile (15, 17) der Ventilkombinationen (49, 82) teilweise öffnen, die beschränkte Mengen Brennstoff und Sauerstoff zur Brenneinrichtung (107) durchlassen.
5. 5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch auf den Druck in der Verbrennungseinrichtung (107) ansprechende Mittel (75), die bei Erreichen eines festgelegten Druckes die Nebenleitung (20) für den Rückfluß des Sauerstoffträgers in den Vorratsbehälter (32) schließen und die in 1 ίο-Reihe geschalteten Hauptschhißventile (15, 17)

   der Ventilkombination (49, 82) voll öffnen, die volle Mengen Brennstoff und Sauerstoff zur Verbrennungseinrichtung (107) durchlassen.

   Angezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 397 657, 2 397 659, 2470564,2574495.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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