DE60226309T2 - Raketentriebwerksglied und ein verfahren zur herstellung eines raketentriebwerksglieds - Google Patents
Raketentriebwerksglied und ein verfahren zur herstellung eines raketentriebwerksglieds Download PDFInfo
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Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Raketentriebwerkselement gemäß dem Oberbegriff des nachfolgenden Anspruchs 1.
- Hintergrund der Erfindung
- Eine Raketenbrennkammer oder eine Raketentriebwerksdüse ist während ihres Betriebs sehr hohen Belastungen, beispielsweise in Form einer sehr hohen Temperatur auf ihrer Innenseite (in der Größenordnung von 800°K) und einer sehr niedrigen Temperatur auf ihrer Außenseite (in der Größenordnung von 50°K), ausgesetzt. Infolge dieser hohen thermischen Belastung werden strenge Anforderungen an die Wahl des Materials, die Konstruktion und die Herstellung der Ausgangsdüse gestellt. Zumindest gibt es die Notwendigkeit eines effektiven Kühlens der Brennkammer oder der Ausgangsdüse.
- Es ist ein Problem, gekühlte Wandaufbauten zu bauen, die in der Lage sind, das heiße Abgas zu enthalten und zu beschleunigen, und die fähig sind, dies über eine große Anzahl von Betriebszyklen in zuverlässiger Weise zu tun. Die vorliegenden Lösungen weisen nicht die ausreichend lange Lebensdauer auf, die für eine große Anzahl von Betriebszyklen erforderlich ist. Die vorliegenden Systeme erzeugen große thermische Belastungen, beinhalten große Druckabfälle oder bereiten Schwierigkeiten bei Reparaturbedarf.
- Beim Anwenden des Expansionstriebwerkszyklus gibt es ein zweites Problem. Der Expansionstriebwerkszyklus verwendet das Kühlmedium zum Antreiben der Turbinen in den Kraftstoff- und Oxidator-Turbopumpen, d. h. Energie von der Expansion des erwärmten Kühlmediums wird zum Antreiben der Turbinen verwendet. Die Effizienz des Raketentriebwerks ist eine Funktion des Verbrennungsdrucks. Zum Erreichen eines hohen Drucks in dem Expansionszyklus ist eine effiziente Wärmeübertragung von dem Abgas auf das Kühlmedium erforderlich. Eine Zunahme der Wärmelast in der Brennkammer aufgrund einer Oberflächenrauhigkeit oder aufgrund von Graten kann die Lebensdauer des Triebwerks beeinträchtigen, da die Intensität der Wärmelast in der Brennkammer sehr hoch ist. Eine längere Brennkammer erhöht die Länge des Triebwerks und der Rakete. Eine Zunahme der Größe der Düse führt zu großen Düsen und einer erhöhten Länge des Raketenaufbaus, was das Gewicht des Fahrzeugs erhöht.
- Es gibt einige verschiedene Verfahren des Standes der Technik zur Herstellung einer Raketendüse mit Kühlkanälen. Gemäß einem dieser Verfahren hat die Düse eine hartgelötete Rohrwand. Die Rohre haben eine sich verändernde Querschnittsbreite zur Bereitstellung des Umrisses der Düse bei der Montage. Die Veränderung des Durchmessers ist durch eine Veränderung des Umfangs und durch eine Veränderung der Form des Querschnitts gegeben. Die hartgelöteten Verbindungen beschränken die Verformung von Rohren bei dem thermischen Expansions- und Druckzyklus. Die Belastungen in den Rohren sind in dem Bogen der Verbindungen gesteigert. Die Verbindungen selbst sind Schwachpunkte, die brechen können, und sind schwer zu reparieren. Die hartgelötete Rohrwand stellt eine größere "benetzte" Kontaktoberfläche für die Raketenflamme bereit als eine sandwichartige Wand oder eine Wand mit konstantem Rohrquerschnitt. Jedoch wäre eine noch größere benetzte Oberfläche erwünscht.
- Gemäß einem weiteren Verfahren des Stands der Technik wird eine sandwichartige Wand hergestellt, indem Kanäle in Blech gefräst werden und ein dünneres Blech mit diesen verbunden wird, um die Kanäle abzudichten. Die Innen- und Außenwände sind durchgehende Mäntel. Bei dem thermischen Zyklus stehen die Wände unter Kompressions- und Zugbeanspruchung. Diese Art von Wandaufbau ist nicht gut geeignet, um die Zugbelastungen auszuhalten, die im Betriebsleben einer Raketendüse normal sind. Die sandwichartige Wand weist keine Zunahme des Oberflächenbereiches auf, um die Wärmeübertragung zu steigern.
- Gemäß noch einem weiteren Verfahren des Standes der Technik wird die Düsenwand mit Rohren mit konstantem Querschnitt hergestellt. Die Rohre werden spiralförmig gewunden und zusammengeschweißt, um den Düsenumriss zu bilden. Die Zunahme des Oberflächenbereiches ist klein. Die Rohre haben einen Winkel relativ zur Strömung. Dies hilft, die Wärmeübertragung zu erhöhen. Jedoch wird gleichzeitig die Abgasströmung gedreht, und ein reaktives Rollmoment beeinflusst den Flug der Rakete. Die Rohre mit konstantem Querschnitt führen zu einem großen Druckabfall, der für konvektionsgekühlte Triebwerke nicht günstig ist. Der große Druckabfall ist negativ für das Triebwerk vom Expansionszyklustyp.
- Das Dokument
WO 95/29785 - Das Dokument
US 2,968,918 offenbart einen Mantelaufbau für ein Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk, das regenerativ gekühlt wird. Der Mantalaufbau umfasst einen lasttragenden Außenmantel, der über seine gesamte Länge einen kreisförmigen Querschnitt hat, und einen Innenmantel, der in eine Vielzahl von Riefelungen geteilt ist, die sich in Längsrichtung erstrecken. Der Innenmantel ist an dem Außenmantel über Rippen befestigt, die zwischen den Riefelungen ausgebildet sind. - Das Dokument
US 5,546,656 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Raketenschubkammer, bei der Kühlrohre so innerhalb einer Konstruktionsummantelung positioniert werden, dass sie ein Rohrbündel bilden. Die Rohre und Ummantelungen sind zu einem einstückigen Aufbau verbunden. - Zusammenfassung der Erfindung
- Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Flüssigkraftstoff-Raketentriebwerkselements.
- Dies wird mittels des Raketentriebwerkselements gemäß der Erfindung erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die länglichen Elemente mit gegenseitigem Kontakt an dem Einlassende des Elements und mit gegenseitigem Abstand an dem Auslassende des Elements angebracht sind.
- Als ein Ergebnis der Erfindung kann ein Raketentriebwerkselement hergestellt werden, das hohe Druckkapazität, einen niedrigen Druckabfall, eine lange Zykluslebensdauer sowie ein vorteilhaftes Flächenverhältnis aufweist. Die Herstellungsvorlaufzeit und die Kosten können ebenfalls optimiert werden.
- Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung können aus den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen abgeleitet werden.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
- Die Erfindung wird weiterhin im Folgenden in nicht beschränkender Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
-
1 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die eine erfindungsgemäße Düse zeigt; -
2 eine Teilschnittansicht längs der Linie A-A in1 ist, die drei Kühlkanäle an dem Einlassende der Düse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt; -
3 eine ähnliche Ansicht wie2 ist, die zwei der Kühlkanäle längs der Linie B-B an dem Auslassende der Düse zeigt; -
4 eine Teilschnittansicht längs der Linie A-A in1 ist, die zwei Kühlkanäle an dem Einlassende der Düse gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt; -
5 eine ähnliche Ansicht wie4 ist, die die Kühlkanäle längs der Linie B-B an dem Auslassende der Düse zeigt; -
6 eine ähnliche Ansicht wie5 ist, die eine Variante der Erfindung zeigt; -
7 eine Teilschnittansicht ist, die Kühlkanäle an dem Einlassende der Düse gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt und -
8 eine ähnliche Ansicht wie7 ist, die die Kühlkanäle an dem Auslassende der Düse zeigt. -
9 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist. - Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
1 zeigt eine schematische und etwas vereinfachte perspektivische Ansicht einer Auslassdüse10 , die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Die Düse ist für eine Verwendung in Raketentriebwerken des Typs bestimmt, der Flüssigkraftstoff, beispielsweise flüssigen Wasserstoff, verwendet. Die Arbeitsweise eines derartigen Raketentriebwerks ist per se im Voraus bekannt und wird deshalb hier nicht ausführlich beschrieben. Die Düse10 wird mit Hilfe eines Kühlmediums gekühlt, das vorzugsweise in dem speziellen Raketentriebwerk auch als Kraftstoff verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Raketentriebwerkselemente dieses Typs beschränkt, sondern kann auch in Brennkammern und in jenen Fällen verwendet werden, in denen das Kühlmedium weggeschüttet wird, nachdem es zum Kühlen verwendet worden ist. - Die Auslassdüse ist mit einer äußeren Form hergestellt, die im Wesentlichen glockenförmig ist. Somit bildet die Düse
10 einen Drehkörper, der eine Drehachse und einen Querschnitt aufweist, dessen Durchmesser sich entlang der Achse verändert. - Die Düsenwand ist ein Aufbau, der eine Vielzahl von aneinander angrenzenden, rohrförmigen Kühlkanälen
11 umfasst, die sich im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der Düse von dem Einlassende12 der Düse zu ihrem Auslassende13 erstrecken. Die Außenseite des Aufbaus weist eine durchgehende Blechwand14 auf. Die Kühlkanäle11 sind durch längliche Elemente in Form von Röhren15 gebildet, die in der Längsrichtung gekrümmt sind, um sich an den Düsenumriss anzupassen, und axial längs der Düsenwand ausgerichtet sind; in dieser Position werden sie mit der Metallwand durch Schweißen verbunden. Die Schweißungen werden vorzugsweise durch Laserschweißen von außen hergestellt. Diese Anordnung bildet eine leckdichte Düse, bei der sich alle Schweißungen an der kühlen Seite des Aufbaus befinden. Ferner gibt es keine Verbindung oder Schweißung, die zwei angrenzende Rohre aneinander befestigt. - Die Kühlkanäle
11 bei der Ausführungsform gemäß2 und3 sind durch kreisförmige Rohre15 gebildet, die einen sich verändernden Durchmesser haben. Die Rohre15 können nahtlos sein und an dem Einlassende12 der Düse einen kleineren Durchmesser aufweisen als an dem entgegengesetzten Ende. In anderen Worten begrenzt jedes längliche Element15 nur einen Kühlkanal. - Die Kühlrohre
15 sind ohne gegenseitige Spalte angebracht. An dem Einlassende der Düse ist die Dicke des Rohrmaterials dünn, um die Maximaltemperatur zu minimieren und es den Rohren zu erlauben, für eine Verformung des Querschnitts flexibel zu sein. An dem Auslassende13 der Düse haben die Rohre einen größeren Querschnitt sowie ein dickeres Rohrmaterial. Diese Veränderung der Materialdicke erlaubt es den Rohren, sich an einen erhöhten Druck innerhalb der Rohre anzupassen, wenn sich das Kühlmedium ausdehnt. An dem Einlass können die Rohre zu einer ovalen Form ausgebildet sein, um die Anzahl der Rohre zu erhöhen. - Die Veränderungen des Rohrquerschnitts und der Rohrmaterialdicke verlaufen allmählich in der Längsrichtung der Düse.
- Die
4 und5 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die für eine verstärkte Wärmeaufnahme angepasst ist. Die Kühlrohre15 sind mit einer konstanten Materialdicke und einem allmählich zunehmenden Durchmesser hergestellt. Die Rohre haben an dem Einlassende12 der Düse einen kleineren Durchmesser als an dem entgegengesetzten Ende. Die Einlassenden der Rohre haben bearbeitete Stirnseiten, um eine kleine Steigung an diesem Ende der Düse zu erlauben, um große Flächenverhältnisse zu ermöglichen. Die Kühlrohre sind ohne gegenseitige Spalte an dem Einlassende der Düse angebracht, wo der Flammendruck und die Wärmelast auf ihrem höchsten Wert sind. - An dem Auslassende
13 der Düse sind die Rohre15 in der Tangentialrichtung getrennt. Zwischen jedem Paar von Rohren15 und der Blechwand14 ist ein Hohlraum16 ausgebildet. Der Spalt zwischen den Rohren erlaubt einen Zugang der heißen Raketenflamme zu dem Hohlraum und somit mehr Rohroberfläche für eine verstärkte Wärmeaufnahme. Außerdem kann durch Zulassen eines Spaltes zwischen jedem Paar von angrenzenden Rohren das Rohr konisch und trotzdem für eine Passung mit einer glockenförmigen Düse akzeptabel sein. Die Veränderung der Hohlraumbreite zwischen zwei angrenzenden Rohren verläuft allmählich in der Längsrichtung der Düse. - Mit der oben beschriebenen Düsenauslegung kann die Wärmemenge, die in der Düse an das Kühlmittel übertragen wird, um den Faktor 1,5 steigen. Es wird angenommen, dass die Kühloberflächen außerhalb des breitesten Teils des Rohrs durch einen Faktor von 0,5 effektiv sind. Es wird weiterhin angenommen, dass nur die Hälfte der Länge des Düsenaufbaus eine erweiterte Oberfläche hat, da an dem Einlassende des Rohrs der Spalt zwischen den Rohren nicht vorhanden ist.
- In Fällen, in denen die Wärmelast am Ausgang der Düse hoch ist, macht es die in
6 gezeigte Auslegung möglich, die Blechwand14 vor der Wärmebelastung zu schützen. Somit kann der Kühlhohlraum mit einem thermisch isolierenden Material17 gefüllt sein, um das Gas an einem Kontakt mit der lasttragenden Außenwand zu hindern, so dass die Materialtemperatur begrenzt wird. Alternativ können die Wände für eine gesteigerte Wärmeübertragung an die Kühlrohre mit einem thermischen leitenden Material17 beschichtet werden. In einem Fall, in dem das leitende Material, z. B. Kupfer, den Hohlraum vollständig füllt, ist es möglich, sehr hohe Drücke und hohe Flächenverhältnisse zu erreichen. Der Prozess zum Aufbringen des leitenden Materials kann Hartlöten oder Lasersintern sein. - Die
7 und8 zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der U-förmige Profile18 anstatt der oben beschriebenen kreisförmigen Rohre15 verwendet werden. Die Profile haben einen sich verändernden Querschnitt und eine sich verändernde Materialdicke. Die Profile sind durch Pressformung von Blechstreifen hergestellt. Die Veränderung der Dicke ist an die Länge der Düse angepasst. Somit kann die Materialdicke zunehmen, wenn der Kühlkanalquerschnitt vergrößert ist, so dass die Dicke an dem Einlassende der Düse, wo die Wärmelast hoch ist, klein ist. Es ist bevorzugt, die Metallstreifendicke vor dem Falten zu modifizieren. Der Aufbau in den7 und8 ist mit dem thermisch isolierenden/leitenden Material17 kombiniert worden. - Es ist möglich, die oben beschriebenen Aufbauten aus den herkömmlichen Materialien für Raketentriebwerksdüsenrohre, wie etwa rostfreiem Stahl und Legierungen auf Nickel-Basis, zu bauen. Auch Kupfer und Aluminium sind geeignete Materialien.
- Eine der wichtigen Vorteile des erfindungsgemäßen Wandaufbaus ist, dass er eine große Kühloberfläche für eine gesteigerte Wärmeabsorption bietet. Die Veränderungen des Durchmessers und der Rohrmaterialdicke erlauben einen hohen Innendruck in dem Kühlkanälen
11 . Die vergrößerte benetzte Oberfläche bei dem erfindungsgemäßen Düsenaufbau kühlt die Grenzschicht mehr als an einer herkömmlichen Düse. Die die Raketendüse verlassende Grenzschicht ist kühler. Die kühlere Grenzschicht dient als Kühlfilm für eine eventuelle strahlungsgekühlte Düsenerstreckung, die als eine Niedrigkostenlösung verwendet werden kann, wenn die Wärmebelastung begrenzt ist. Die Düsenerstreckung könnte weniger kostenintensiv sein, da die Wärmebelastung begrenzt ist. - Die drehsymmetrische Außenfläche des erfindungsgemäßen Düsenaufbaus stellt selbst Steifigkeit bereit und erlaubt, falls notwendig, auf einfache Weise die Befestigung von Versteifungen. Die Einzelverbindung mit der Blechwand isoliert Ummantelungen und erlaubt, dass die Rohre für eine thermische Verwerfung flexibel sind, während sie eine minimale Belastungskonzentration impliziert. Der Querschnitt des Kühlkanals kann nahezu kreisförmig sein. Dies bedeutet, dass die Temperaturunterschiede und damit zusammenhängenden Belastungen niedriger sind als im Vergleich zu sandwichartigen Wänden, wo die Flamme nicht in Kontakt mit der Außenwand steht. Der Spalt
16 zwischen den Rohren beseitigt die Beschränkung der Kühlkanalabmessungen zur Bildung des Düsenumrisses. Die Kühlkanäle oder -rohre könnten mit einer Zwischenlagenveränderung hergestellt werden, was Vorteile bei der Herstellung bietet. - In
9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer teilweise geschnittenen Querschnittsansicht gezeigt. Eine Vielzahl von länglichen Elementen21 ist nebeneinander angeordnet. Jedes der länglichen Elemente21 hat einen plattenartigen Abschnitt, oder Basisabschnitt23 , und eine Vielzahl von Flanschen24 , oder Rippen, die von dem Basisabschnitt23 vorstehen und sich längs diesem erstrecken. Die Rippen24 sind länglich, im Abstand voneinander angeordnet und im Wesentlichen parallel zueinander. Ferner sind die länglichen Elemente an einer durchgehenden Blechwand14 angebracht. Zwischen zwei angrenzenden Rippen24 und der Blechwand14 sind Kühlkanäle22 ausgebildet. Ferner sind zwei angrenzende längliche Elemente durch eine weitere Schweißung25 miteinander verbunden. - Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern mehrere Modifikationen sind innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche möglich.
Claims (15)
- Flüssigkraftstoff-Raketentriebwerkselement (
10 ), das einen Drehkörper bildet, der eine Drehachse und einen Querschnitt aufweist, dessen Durchmesser sich entlang der Achse verändert, und einen Wandaufbau aufweist, der eine Vielzahl von Kühlkanälen (11 ,19 ,20 ) umfasst, wobei die Außenseite des Wandaufbaus eine durchgehende Blechwand (14 ) aufweist, wobei die Kühlkanäle (11 ) wenigstens teilweise durch längliche Elemente (15 ,18 ,21 ) begrenzt sind, die in Längsrichtung an der Innenseite der Blechwand angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Elemente (15 ,18 ) mit gegenseitigem Kontakt an dem Einlassende (12 ) des Elements und mit gegenseitigem Abstand an dem Auslassende (13 ) des Elements angebracht sind. - Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittsbereich jedes Kühlkanals (
11 ) an einem stromabwärtigen Ende (13 ) des Kanals größer ist als an einem stromaufwärtigen Ende (12 ). - Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialdicke der Kühlkanalwand an einem stromabwärtigen Ende (
13 ) des Kanals größer ist als an einem stromaufwärtigen Ende (12 ). - Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite jedes der Kühlkanäle in Umfangsrichtung des Triebwerkselements an einem stromabwärtigen Ende (
13 ) des Kanals größer ist als an einem stromaufwärtigen Ende (12 ) des Kanals. - Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (
11 ) an einem stromabwärtigen Ende (13 ) des Kanals wenigstens im Wesentlichen die gleiche Querschnittsform aufweisen wie an einem stromaufwärtigen Ende (12 ) des Kanals. - Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlkanal (
11 ) von einem Blechprofil (18 ) gebildet wird. - Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle durch nahtlose Rohre (
15 ) gebildet werden. - Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei angrenzenden länglichen Elementen (
15 ,18 ) an dem Auslassende (13 ) des Elements (10 ) mit einem Isoliermaterial (17 ) gefüllt ist. - Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei angrenzenden länglichen Elementen (
15 ,18 ) an dem Auslassende (13 ) des Elements (10 ) mit einem thermisch leitenden Material (17 ) gefüllt ist. - Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der länglichen Elemente (
21 ) eine Vielzahl von Kühlkanälen (22 ) bildet. - Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das längliche Element (
21 ) von einem plattenförmigen Basisabschnitt (23 ) und einer Vielzahl von Flanschen (24 ) gebildet wird, die von dem Basisabschnitt vorstehen, und dass die Kühlkanäle zwischen dem Basisabschnitt, den angrenzenden Flanschen und der Blechwand ausgebildet sind. - Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkraftstoff-Raketentriebwerkselements (
10 ), das einen Drehkörper bildet, der eine Drehachse und einen Querschnitt aufweist, dessen Durchmesser sich entlang der Achse verändert, und einen Wandaufbau aufweist, der eine Vielzahl von Kühlkanälen (11 ) umfasst, mit dem Schritt der Befestigung einer Vielzahl von länglichen Elementen (15 ,18 ,21 ) an der Innenseite einer gekrümmten Blechwand (14 ), die zur Bildung des Triebswerkelements angeordnet ist, wobei die Kühlkanäle durch wenigstens die länglichen Elemente gebildet werden und wobei die länglichen Elemente (15 ,18 ) mit gegenseitigem Kontakt an dem Einlassende (12 ) des Elements und mit gegenseitigen Abständen an dem Auslassende (13 ) des Elements angebracht werden. - Verfahren nach Anspruch 12, mit dem Schritt der Bildung einer Blechwand (
14 ) mit einem Wandabschnitt, der dem gewünschten Elementabschnitt entspricht. - Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Kühlkanäle auch durch die Blechwand (
14 ) gebildet werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, mit dem Schritt der Befestigung der Kühlkanäle (
11 ) an der Blechwand (14 ) durch Schweißen von der Außenseite der Wand aus.
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